固體基質(zhì)中單分子體系發(fā)射光子的統(tǒng)計特性.pdf

1、自上世紀90年代以來,單分子技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展,已經(jīng)成為物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)以及材料科學(xué)等的主要研究手段之一。應(yīng)運而生的單分子科學(xué)是在掃描探針顯微鏡、激光鑷子、單分子操縱和單分子熒光光譜法等在分子量級上的研究中發(fā)展起來的。單分子科學(xué)的研究內(nèi)容主要涉及單分子檢測、單分子化學(xué)物理、單分子動力學(xué)、單分子的物理特性以及相應(yīng)的單分子研究方法。單分子科學(xué)的發(fā)展使我們可以在單分子層次上觀測、發(fā)現(xiàn)物理現(xiàn)象,并在該層次上操縱物理世界。以往的觀測技術(shù)著眼

2、于給出大量分子集合體某個參數(shù)的整體平均值,很少報道分子的特殊信息。而單分子水平的測量能夠揭示隨時間變化的分子特性,例如激發(fā)態(tài)狀態(tài)單個分子在單線態(tài)和三線態(tài)之間發(fā)生量子化躍遷,形成“是”或“否”兩個狀態(tài),以及酶分子催化作用導(dǎo)致的閃爍效應(yīng)。還可能觀察到未知領(lǐng)域的新效應(yīng),例如單分子體系的各種波動行為和不確定行為。
　　 單分子行為的一個重要特征是與環(huán)境的漲落密切相關(guān),通過單分子測量而對環(huán)境漲落做出的分析可為我們提供在凝聚態(tài)體系中重要的動

3、力學(xué)過程和在納米環(huán)境上的有關(guān)分布信息,如:單分子光譜,可以研究環(huán)境對分子參數(shù)的影響以及分子有關(guān)信息的分布和統(tǒng)計關(guān)聯(lián)。通常的光譜僅給出大量分子的平均特性,而單分子光譜就是單個分子的光譜,實際上通常是對單個生物分子動態(tài)行為的光譜分析,基于單個分子的光學(xué)、電子學(xué)和機械學(xué)等性能,給出不同個體的特征信息。單分子光譜的研究對象主要為高分子(包括DNA和蛋白質(zhì))、碳納米管、納米粒子和染料分子等。傳統(tǒng)的光譜技術(shù)得到的是集群統(tǒng)計平均后的結(jié)果,即系綜的平均

4、響應(yīng)和平均值,這一平均效應(yīng)掩蓋了很多特殊的信息,而單分子光譜技術(shù)剔除了集群平均效應(yīng),這為我們提供了一種探測有關(guān)新奇效應(yīng)的實驗手段。通過對單分子熒光發(fā)射信號的研究可以得到單分子周圍環(huán)境的情況以及動力學(xué)行為,為材料科學(xué)、生物學(xué)等研究提供了很好的幫助；可以實時了解生物大分子構(gòu)象變化的信息,觀察微環(huán)境對單分子體系的影響,從而得到與分子微環(huán)境相關(guān)的信息。更加清楚地在單個分子水平上了解生物學(xué)、材料科學(xué)等動力學(xué)過程和細節(jié),可以對所研究體系以及和環(huán)境問

5、的關(guān)系有一個更加全面的認識。
　　 近年來對固體基質(zhì)中熒光分子發(fā)光特性的研究越來越多。固體基質(zhì)的存在,使得熒光分子運動受到限制、減弱了分子之間的相互作用、減小了由于碰撞引起的淬滅、分子結(jié)構(gòu)的剛性增加,使其更接近單分子發(fā)光的特性。由于受到環(huán)境限制的熒光分子更接近單分子發(fā)光行為,因而通過對單分子發(fā)光統(tǒng)計特性的研究可反映出固體基質(zhì)環(huán)境的變化和結(jié)構(gòu)特征。而當(dāng)發(fā)光分子處在溶液中時,分子之間存在很強的相互作用,熒光分子被激發(fā)到激發(fā)態(tài)后,易發(fā)

6、生體系間能量轉(zhuǎn)移,不易造成光子發(fā)射。我們以固體基質(zhì)中的熒光分子為例,研究單分子發(fā)射光子的統(tǒng)計特性。
　　 單分子對環(huán)境的熱漲落非常敏感,以至于這種“熱噪聲”幾乎淹沒了實驗信號,那么從充滿“噪聲”的信號中抽取有用的信息就變得非常困難。由于對單分子數(shù)據(jù)的分析本身比對系綜平均數(shù)據(jù)的分析要困難的多,要求我們從理論上尋求好的方法分析由單分子源得到的熒光光子的強度和漲落等,以期抽取出所攜帶的有用信息。已經(jīng)發(fā)展起來的抽取單分子有用信息的方法主

7、要有:主方程方法、Wiener-Khintchine方法、量子跳躍方法、產(chǎn)生函數(shù)方法和Levy-walk方法等等。這些方法都可用來分析單分子熒光信號,在一定程度上給出理論上的對應(yīng),但各有利弊。我們利用近期發(fā)展起來的產(chǎn)生函數(shù)(Generating Function)理論方法來處理單分子熒光信號。這種方法既可以解析的也可以數(shù)值的計算單分子體系光子發(fā)射的一些統(tǒng)計特性。不但能夠得到分子發(fā)射光子數(shù)的高階量,而且還能夠描述單分子體系發(fā)射光子分布的聚

8、束效應(yīng)和反聚束效應(yīng)。我們利用這種方法首先討論了在激光場和射頻場作用下單分子二能級體系發(fā)射光子的統(tǒng)計行為,以DBATT分子為例,通過得到的統(tǒng)計量分析了外場作用下單分子發(fā)射光子的抑制和增進條件以及光子的分布情況,同時考慮了光子分布的其他統(tǒng)計信息,如:光子分布的等待時間、單光子和雙光子的分布幾率等等。另外我們利用產(chǎn)生函數(shù)方法還討論了生物分子中普遍存在的熒光閃爍現(xiàn)象。對熒光閃爍過程中的光子統(tǒng)計特性和不同方向跳躍統(tǒng)計量做了分析。
　　 本

9、文分為五章:
　　 第一章:引言。介紹了單分子發(fā)展的歷史背景和現(xiàn)狀,對現(xiàn)有的單分子實驗技術(shù)做了簡單的總結(jié)和介紹。單分子科學(xué)的發(fā)展在物理、化學(xué),尤其生物學(xué)及生命科學(xué)方面帶來了巨大的影響和推動。
　　 第二章:理論方法。首先對已有的研究單分子體系的理論方法和各種方法的使用范圍及其利弊做了簡單介紹。對密度矩陣理論的概念以及密度矩陣演化情況做了推導(dǎo)和說明。然后簡單介紹了一下我們所采用的產(chǎn)生函數(shù)方法。
　　 第三章:外場下

10、二能級體系發(fā)射光子的統(tǒng)計特性。首先,給出了單分子體系發(fā)射光子產(chǎn)生函數(shù)的詳細推導(dǎo)過程,得到了二能級體系在激光場和射頻場作用下的密度矩陣滿足的運動方程,構(gòu)造出了此種情況下的產(chǎn)生函數(shù),以便從中提取我們所需要的單分子體系統(tǒng)計信息的統(tǒng)計量表示。隨后,我們將外場分為連續(xù)場和脈沖場兩種情況,分別討論了單分子體系發(fā)射光子的統(tǒng)計特性。外場為連續(xù)場時,考慮了無譜擴散和存在譜擴散的兩種情況,并得到了與已有實驗結(jié)果擬合比較好的熒光光子數(shù)統(tǒng)計；外場有脈沖場存在時

11、,分別考慮了外場其中之一為脈沖場和兩外場都為脈沖場的情況,給出了不同情況下單分子體系發(fā)射光子統(tǒng)計特性的不同展示。
　　 第四章:熒光閃爍過程的統(tǒng)計特性。用產(chǎn)生函數(shù)的方法處理了一種常見的熒光閃爍過程。首先考慮了閃爍過程中光子發(fā)射的統(tǒng)計信息,利用兩個模型下光子發(fā)射統(tǒng)計量的比較得到了加入外場對原有體系的影響和調(diào)節(jié)作用,得出了閃爍過程中光子發(fā)射的一階和高階統(tǒng)計量。另外利用產(chǎn)生函數(shù)的優(yōu)勢我們分別得到了在“ON”態(tài)和“OFF”態(tài)跳躍的等待時