光动力学诊断和荧光寿命成像显微学技术-2013.pptx
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光动力学诊断和荧光寿命成像显微学技术-2013.pptx
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光动力学诊断(光动力学诊断(PDT)PDT)荧光寿命成像显微学技荧光寿命成像显微学技术术(FLIM)(FLIM)固体超荧光固体超荧光2013年年10月月丁才蓉丁才蓉n基本概念基本概念n光动力学诊断的光物理机制光动力学诊断的光物理机制n双光子吸收截面实验测量方法概述双光子吸收截面实验测量方法概述光动力学诊断光动力学诊断(PDTPDT)n光动力学诊断光动力学诊断(PhotodynamicTherapy,PDT)用特征波长光)用特征波长光照射照射吸附吸附有有光敏药物的光敏药物的靶向靶向肿瘤点肿瘤点,光敏药物光敏药物产生产生三线态的氧,利用非自由三线态的氧,利用非自由基氧化过程杀死癌症基氧化过程杀死癌症细胞细胞的诊断方法的诊断方法。
最初使用最初使用是在是在1907年年。
(。
(1)nPDT是一个冷光化学过程是一个冷光化学过程。
光敏光敏药物药物有有低生物低生物毒性毒性,对,对器官损坏器官损坏小,小,在在处理某些恶性和良性的处理某些恶性和良性的肿瘤有很大优势肿瘤有很大优势。
(2)图图1:
PDT的的示意图示意图一、基本概念一、基本概念n根据鸿特规则,三根据鸿特规则,三线线态能级比相应的单态能级比相应的单线线态能量低态能量低55分子中电子的能量状态电子能级振动能级转动能级电子的多重态J=2S+1S:
为各电子自旋量子数的代数和S=0,J=1单线态S表示(所有电子都是自旋配对的)S=1,J=3三线态T表示大多数基态分子都处于单线态电子在跃迁过程中伴随着自旋方向的变化(自旋平行)n单线态和三线态分子吸收分子吸收和发射能量转移示意图和发射能量转移示意图l2l1l2S2S1S0T1吸收发射荧光发射磷光系间跨越内转换振动弛豫能量l3外转换T2内转换振动弛豫荧光:
当物质分子吸收了特征频率的光子,当物质分子吸收了特征频率的光子,由基态能级跃迁至电子激发态的各个不同振由基态能级跃迁至电子激发态的各个不同振动能级。
激发态分子经与周围分子撞击而消动能级。
激发态分子经与周围分子撞击而消耗了部分能量,耗了部分能量,迅速下降至第一电子激发态迅速下降至第一电子激发态的最低振动能级的最低振动能级,并停留约,并停留约101099秒之后,直秒之后,直接以光的形式释放出多余的能量,下降至电接以光的形式释放出多余的能量,下降至电子基态的各个不同振动能级,此时所发射的子基态的各个不同振动能级,此时所发射的光即是荧光。
光即是荧光。
产生荧光的第一个必要条件是:
产生荧光的第一个必要条件是:
该物质该物质的分子必须具有能吸收激发光的结构,的分子必须具有能吸收激发光的结构,通常是共轭双键结构;通常是共轭双键结构;第二个条件是:
第二个条件是:
该分子必须具有一定程该分子必须具有一定程度的荧光效率,即荧光物质吸光后所发度的荧光效率,即荧光物质吸光后所发射的荧光量子数与吸收的激发光的量子射的荧光量子数与吸收的激发光的量子数的比值数的比值。
n大多数大多数有机物分子含有偶数电子,这些电子成对且有机物分子含有偶数电子,这些电子成对且自旋方向相反地存在于各个原子或分子轨道上。
所自旋方向相反地存在于各个原子或分子轨道上。
所以以大多数分子在基态时处于大多数分子在基态时处于单线态单线态。
n当当分子受光照射时,若光子能量恰好等于分子的某分子受光照射时,若光子能量恰好等于分子的某两个能级的能量之差,则分子吸收光子并从基态跃两个能级的能量之差,则分子吸收光子并从基态跃迁到第一激发态或更高的激发态中的某个振动能级。
迁到第一激发态或更高的激发态中的某个振动能级。
但其自旋方向不会立刻改变,分子仍处于但其自旋方向不会立刻改变,分子仍处于单线态单线态。
持续一段时间后,激发态电子的自旋持续一段时间后,激发态电子的自旋可能可能倒转,生倒转,生成成三线态。
三线态。
n电子由电子由SS00进入进入TT11的可能过程(的可能过程(SS00TT11禁阻跃禁阻跃迁):
迁):
SS00激发激发振动弛豫振动弛豫内转移内转移系间系间跨越跨越振动弛豫振动弛豫TT11E=Ee+Ev+Er在在分子中,除了电子相对于原子核的运动外,还分子中,除了电子相对于原子核的运动外,还有原子核间相对位移引起的振动和转动。
这三种运动有原子核间相对位移引起的振动和转动。
这三种运动能量都是量子化的,并对应有一定能级。
在每一电子能量都是量子化的,并对应有一定能级。
在每一电子能级上有许多间距较小的振动能级,在每一振动能级能级上有许多间距较小的振动能级,在每一振动能级上又有许多更小的转动能级。
上又有许多更小的转动能级。
分子分子能级能级当一束频率为当一束频率为强度为强度为II00的电磁波照射到某的电磁波照射到某物质或某溶液时,组成该物质的分子、原子物质或某溶液时,组成该物质的分子、原子或离子等粒子与光子作用,光子的能量发生或离子等粒子与光子作用,光子的能量发生转移转移,II00=I=Iaa+I+Itt+I+Irr使这些粒子由低使这些粒子由低能量轨道跃迁到高能量轨道,即由基态转变能量轨道跃迁到高能量轨道,即由基态转变为激发态。
为激发态。
分子的较高能级与较低能级之差分子的较高能级与较低能级之差EE恰好等于该电恰好等于该电磁波的能量磁波的能量hh时,即有时,即有E=hE=h(hh为普朗克常数)为普朗克常数)物质物质对光的选择性吸收对光的选择性吸收分子中电子能级、振动能级和转动能级示意图电子能级电子能级间隔比振动能级和转动能级间隔大间隔比振动能级和转动能级间隔大1-21-2个数量级,在发生电子能级跃迁时,伴有振个数量级,在发生电子能级跃迁时,伴有振-转能转能级的跃迁,形成所谓的级的跃迁,形成所谓的带状光谱带状光谱。
EEee:
1-20eVE1-20eVEvv:
0.05-1eV0.05-1eVEErr:
0.05eV1Howabouttheemissionfromapopulationinversion?
And,ifN2isinitiallyincoherentorcoherent?
67Emissionoflight,ASEE2E13.N2isinitiallyincoherent,thesystemresultsinAmplifiedSpontaneousEmission(ASE)orcalledSuperluminescence:
ASEisincoherentemissionfromanincoherentpopulationinversion.=spontaneousemissionamplifiedbystimulatedemission(1.+2.).=collectiveemission.ASE68Emissionoflight,Superradiance4.N2isinitiallycoherent,itemitsDickeSuperradiance(SR):
SRiscoherentemissionfromacoherentpopulationinversion.=cooperativeemissionfromaninitiallycoherentpopulationinversion.-R.H.Dicke,Phys.Rev.93,99(1954).E2E1SR69Emissionoflight,SuperfluorescenceE2E1E1E25.N2isinitiallyincoherent,thenspontaneouslydevelopsintoacoherentensemblewithaninductiontime(tD),andemitsSuperfluorescence(SF):
SFiscoherentemissionfromaninitiallyincoherentpopulationinversionaftertD.(3.4.)=cooperativeemissionfromaninitiallyincoherentpopulationinversion.-R.Bonifacio,L.A.Lugiato,Phys.Rev.A11,1507&12,587(1975).Initiallytime(tD)SF70SignificanceofSuperfluorescencenFundamentalphenomenoninquantumoptics;nSpontaneouscoherence:
disordertoorder,quantumself-assembly;nIntrinsicallyquantummechanical,decayistriggeredbyasinglerandomspontaneousemissionduetoquantumfluctuation;nMacroscopicquantumfluctuationsinthetimedomain;nTheEMinteractionmechanismleadingtospontaneouscoherenceisnotveryclear;nFullquantumtheoryforSFhasnotbeenwelldeveloped;nConnectiontoBose-EinsteinCondensation(BEC);n71FeaturesofSF,againstASE&SRnInductiontime(tD),uniqueforSF.nSpontaneouscoherence,uniqueforSF.nMacroscopicquantumfluctuation(quantumnoise),uniqueforSF.nRiddingonspontaneousfluorescence,uniqueforSF.nPartialcoherence(Nc/N2),uniqueforSF.nLimitedbydephasingtime,tDtD;7.Pumppulse(tp)anddetection(Dt),(tp,Dt)(tD);8.Quantumnoisesignalanddevelopmentprocess;9.Shot-shotfluctuationifpossible;10.111Skydive:
AnanalogueofSuperfluorescenceInitiallyInductionTimetD问题的提出:
为什么在相干光激发下,样品问题的提出:
为什么在相干光激发下,样品激发态的布局是非相干的,需要经过非相干激发态的布局是非相干的,需要经过非相干光子发射诱导耦合形成相干态?
光子发射诱导耦合形成相干态?
需要解决的问题:
证实诱导时间需要解决的问题:
证实诱导时间tD的存在?
的存在?
1)非相干光入射,用毛玻璃改变激光相位,)非相干光入射,用毛玻璃改变激光相位,使之变为非相干光,入射到样品上,能诱导使之变为非相干光,入射到样品上,能诱导出相干态吗?
出相干态吗?
2)测量超辐射之前的辐射是否相干,用迈)测量超辐射之前的辐射是否相干,用迈克尔逊干涉仪,确定是否有形成时间,自发克尔逊干涉仪,确定是否有形成时间,自发相干性的形成。
相干性的形成。
3)利用态密度函数计算最可积的分布是否)利用态密度函数计算最可积的分布是否和实验数据吻合?
和实验数据吻合?
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- 动力学 诊断 荧光 寿命 成像 显微 技术 2013
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