國產(chǎn)絕對熒光量子產(chǎn)率測量系統(tǒng)的研制

李 兵，蔡貴民

（上海棱光技術(shù)有限公司，上海 200023）

引 言

熒光技術(shù)的應(yīng)用幾乎涉及了生活的方方面面。材料熒光技術(shù)在工業(yè)、能源、生物醫(yī)藥、環(huán)境監(jiān)測、軍事領(lǐng)域等均扮演著極其重要的角色。新技術(shù)、新產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)，對該類產(chǎn)品的核心參數(shù)熒光量子產(chǎn)率的測量也提出了越來越高的要求。

熒光量子產(chǎn)率是表示一個(gè)物質(zhì)熒光特性的重要參數(shù)，它表示物質(zhì)發(fā)射熒光的效率，通常用φ表示。其定義為物質(zhì)發(fā)射熒光的總能量與吸收能量之比，也就是處在電子激發(fā)態(tài)的分子發(fā)射熒光的概率。因此，量子產(chǎn)率只能小于或等于1。

量子產(chǎn)率的測定方法有相對法和絕對法兩種[1]。20世紀(jì)50年代前后，大多使用絕對法來測定量子產(chǎn)率。早期的絕對量子產(chǎn)率測定方法較繁瑣，設(shè)備復(fù)雜，容易引入誤差，所以無法形成商品化儀器[2]。后來科研人員大多使用相對法進(jìn)行量子產(chǎn)率的測定。相對法依賴于已知量子產(chǎn)率的物質(zhì)作為測定標(biāo)準(zhǔn)，再分別用熒光分光光度計(jì)和紫外可見分光光度計(jì)，測定標(biāo)準(zhǔn)和試樣的真實(shí)發(fā)射光譜和激發(fā)波長的光密度，就可以推算出試樣的量子產(chǎn)率。相對法測量量子產(chǎn)率對設(shè)備要求低，無需專用測試系統(tǒng)，但其也有明顯的局限性，比如，當(dāng)測定標(biāo)準(zhǔn)和試樣的激發(fā)光譜差異較大時(shí)，就會(huì)引起較大的測量誤差[2]。

21世紀(jì)初，美國NIST研制了一臺(tái)高精度的熒光光譜儀器，熒光的測量進(jìn)入了精密測量的階段[3]。隨著技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了幾種較為便捷的絕對量子產(chǎn)率測試方法[4]。這些方法的儀器裝置各有不同，測量結(jié)果的準(zhǔn)確性也不同。加拿大國家計(jì)量局采用標(biāo)準(zhǔn)光譜輻射計(jì)校正入射光光譜功率分布，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)探測器和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行絕對量子產(chǎn)率測試[5]。該方法精度很高，但裝置復(fù)雜，無法大規(guī)模普及應(yīng)用。積分球技術(shù)的引入，再結(jié)合激發(fā)光譜和發(fā)射光譜的雙光譜法進(jìn)行絕對量子產(chǎn)率測量，這類方法[6-8]的出現(xiàn)有效降低測量裝置的復(fù)雜性，為量子產(chǎn)率測試儀器的普及提供了一定的理論依據(jù)。

國外主要的熒光儀器公司均已推出商品化的絕對熒光量子產(chǎn)率測試系統(tǒng)。絕對量子產(chǎn)率測定法可直接對待測試樣的量子產(chǎn)率進(jìn)行測定，對熒光材料的研制有著重大的意義。

隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的發(fā)展，對各類科研分析儀器的需求與日俱增。研制國產(chǎn)絕對熒光量子產(chǎn)率測量系統(tǒng)，將終結(jié)這一領(lǐng)域長期依賴國外產(chǎn)品的歷史，同時(shí)降低檢測成本，使得更多的實(shí)驗(yàn)室都用得起、用得上熒光量子產(chǎn)率測量技術(shù)，促進(jìn)我國新材料等領(lǐng)域更高速的發(fā)展。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

絕對熒光量子產(chǎn)率測量系統(tǒng)主要包括熒光分光光度計(jì)、積分球[9]、標(biāo)準(zhǔn)鎢燈、標(biāo)準(zhǔn)電源、量子計(jì)數(shù)器和熒光量子產(chǎn)率分析軟件組成。整機(jī)系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

系統(tǒng)按以下步驟獲取樣品的熒光量子產(chǎn)率：第一步，利用羅丹明B量子計(jì)數(shù)器和標(biāo)準(zhǔn)鎢燈光源對熒光分光光度計(jì)進(jìn)行光譜校正；第二步，分別將空白樣品和熒光樣品置入積分球內(nèi)部樣品池中，測量包含激發(fā)瑞利散射光譜在內(nèi)的空白樣品和熒光樣品的發(fā)射光譜；第三步，利用熒光量子產(chǎn)率分析軟件自動(dòng)計(jì)算樣品的熒光量子產(chǎn)率數(shù)據(jù)。

1.1 儀器的光路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)光路示意圖如圖3所示。系統(tǒng)光源選用氙燈，氙燈發(fā)出的復(fù)合光經(jīng)過激發(fā)單色器分光后形成單色光，單色光照射到樣品表面，樣品的散射光以及被激發(fā)出的熒光在積分球內(nèi)部進(jìn)行多次反射和累積，累積后發(fā)射光經(jīng)過發(fā)射單色器分光后到達(dá)光電倍增管探測器，被探測器接收。激發(fā)單色器和發(fā)射單色器分光系統(tǒng)均采用凹面光柵形式。樣品置于積分球內(nèi)部，由樣品位置反射或發(fā)射出的各種光，積分球都對其進(jìn)行收集和累積，因此，具備了直接計(jì)算絕對熒光量子產(chǎn)率的基礎(chǔ)。

圖 1 絕對熒光量子產(chǎn)率測量系統(tǒng)Fig. 1 Absolute fluorescence quantum yield measurement system

1.2 光譜校正

由于受到光源、單色器和探測器等的光譜特性的影響，由儀器直接記錄的熒光光譜并不是所測量物質(zhì)的真實(shí)光譜，這樣的光譜被稱為未校正光譜，這種光譜的形狀和最大發(fā)射峰位置等與真實(shí)光譜都有一定的區(qū)別。在對物質(zhì)進(jìn)行熒光量子產(chǎn)率測量時(shí)，就必須對所使用的熒光分光光度計(jì)儀器進(jìn)行光譜校正，獲取物質(zhì)的真實(shí)光譜，才能得出準(zhǔn)確的熒光量子產(chǎn)率[10]。

本系統(tǒng)采用羅丹明B量子計(jì)數(shù)器和標(biāo)準(zhǔn)鎢燈光源兩種方式，對熒光分光光度計(jì)進(jìn)行光譜校正。

1.3 激發(fā)光譜校正

儀器的激發(fā)光譜能量在不同波長下并不是一個(gè)恒定值，而是受到光源和激發(fā)單色器等的影響，有一個(gè)分布特征曲線。只有消除了這個(gè)曲線的影響，才能得到物質(zhì)本身的真實(shí)激發(fā)光譜。

圖 2 絕對熒光量子產(chǎn)率測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig. 2 Structural block diagram of absolute fluorescence quantum yield measurement system

圖 3 絕對熒光量子產(chǎn)率測量系統(tǒng)光路圖Fig. 3 Optical path map of absolute fluorescence quantum yield measurement system

式中：Sex（λ）為物質(zhì)的真實(shí)激發(fā)光譜；（λ）為物質(zhì)的未校正激發(fā)光譜；G（λ）為儀器激發(fā)光譜綜合響應(yīng)特征系數(shù)。

對激發(fā)光譜進(jìn)行校正就是要得到G（λ）系數(shù)[11]。羅丹明B量子計(jì)數(shù)器標(biāo)準(zhǔn)溶液在激發(fā)波長250～600 nm波長范圍內(nèi)具有吸收恒定、量子產(chǎn)率不隨波長變化，激發(fā)光譜為水平直線的特性[11]，如圖4所示。將羅丹明B量子計(jì)數(shù)器放入測量光路中，如圖5所示。儀器發(fā)射波長固定在 640 nm，執(zhí)行 250～600 nm的激發(fā)光譜掃描，此時(shí)得到的激發(fā)光譜便是G（λ）。

圖 4 量子計(jì)數(shù)器標(biāo)準(zhǔn)溶液的激發(fā)光譜特征Fig. 4 Excitation spectrum characteristics of standard solution of quantum counter

圖 5 激發(fā)光譜校正示意圖Fig. 5 Excitation spectrum correction diagram

1.4 發(fā)射光譜校正（250～600 nm）

儀器的發(fā)射光譜受到發(fā)射單色器、光電倍增管和積分球等的光譜特征影響，直接記錄得到的發(fā)射光譜為未校正的發(fā)射光譜。需要消除這些光譜特征的影響，才能得到物質(zhì)的真實(shí)發(fā)射光譜。

式中：Sem（λ）為物質(zhì)的真實(shí)發(fā)射光譜；（λ）為物質(zhì)的未校正發(fā)射光譜；M（λ）為儀器發(fā)射光譜綜合響應(yīng)特征系數(shù)。

對發(fā)射光譜的校正就是要得到M（λ）系數(shù)[11]。校正方法是清空積分球中的樣品，儀器執(zhí)行等波長差同步掃描，掃描波長范圍為250～600 nm，如圖6所示。這樣就可以獲得250～600 nm儀器發(fā)射光譜綜合響應(yīng)特征系數(shù)M（λ250～600），即

式中：M（λ250～600）為 250～600 nm 儀器發(fā)射光譜綜合響應(yīng)特征系數(shù)；I（λ）為250～600 nm等波長差同步掃描光譜；G（λ）為儀器激發(fā)光譜綜合響應(yīng)特征系數(shù)。

圖 6 發(fā)射光譜校正示意圖（250～600 nm）Fig. 6 Emission spectrum correction diagram（250～600 nm）

1.5 發(fā)射光譜校正（600～900 nm）

對于600 nm以上的波長范圍，通過已知色溫?cái)?shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)鎢燈光源作為黑體來求得發(fā)射光譜校正曲線[12]，如圖7所示。校正方法是將標(biāo)定過色溫?cái)?shù)據(jù)的鎢燈放入樣品室，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)電源達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)鎢燈的標(biāo)定電流工作模式，使標(biāo)準(zhǔn)鎢燈達(dá)到已知的色溫狀態(tài)。儀器執(zhí)行發(fā)射波長掃描，掃描波長范圍為600～900 nm。此時(shí)得到的光譜為W（λ）。這樣就可以獲得600～900 nm儀器發(fā)射光譜綜合響應(yīng)特征系數(shù)M（λ600～900），即

式中：M（λ600～900）為 600～900 nm 儀器發(fā)射光譜綜合響應(yīng)特征系數(shù)；W（λ）為600～900 nm發(fā)射波長掃描光譜；H（λ,T）為色溫T時(shí)的黑體輻射曲線；T為標(biāo)準(zhǔn)鎢燈的色溫。

圖 7 發(fā)射光譜校正示意圖（600～900 nm）Fig. 7 Emission spectrum correction diagram（600-900 nm）

2 測量原理

熒光量子產(chǎn)率測量系統(tǒng)采用絕對法測定方式，是對積分球測量得到的熒光物質(zhì)的真實(shí)熒光光譜直接進(jìn)行計(jì)算的方法。因?yàn)闃悠飞⑸涑龅墓獯蟛糠侄急环e分球收集并進(jìn)入熒光分光光度計(jì)的發(fā)射單色器中，所以可以使用光譜中的峰面積數(shù)據(jù)代替樣品散射出的光子數(shù)進(jìn)行計(jì)算。與熒光量子效率相關(guān)的變量有吸收率、外量子效率和內(nèi)量子效率，內(nèi)量子效率即為熒光量子產(chǎn)率的定義。儀器經(jīng)過光譜校正后，分別測量空白樣品和熒光樣品的真實(shí)發(fā)射光譜，如圖8和圖9所示，計(jì)算方法如式 (5) ～ (7)。新研制的熒光量子產(chǎn)率分析軟件可自動(dòng)計(jì)算得出樣品的量子產(chǎn)率數(shù)值，如圖10所示。

圖 8 空白樣品真實(shí)光譜圖Fig. 8 Real spectrogram of blank sample

圖 9 熒光樣品真實(shí)光譜圖Fig. 9 Real spectrogram of fluorescent samples

圖 10 熒光量子產(chǎn)率分析軟件界面Fig. 10 Software interface for fluorescence quantum yield analysis

式中：A為樣品吸收率；Ein為樣品吸收的光子數(shù)；Eex為樣品激發(fā)的光子數(shù)；Rex為空白樣品激發(fā)波長區(qū)域峰面積值；Yex為熒光樣品激發(fā)波長區(qū)域峰面積值；Qex為外量子效率；Eem為樣品發(fā)射的熒光光子數(shù)；Yem為熒光樣品熒光波長區(qū)域峰面積值；Rem為空白樣品熒光波長區(qū)域峰面積值；Qin為內(nèi)量子效率，即熒光量子產(chǎn)率。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用絕對熒光量子產(chǎn)率測量系統(tǒng)，對已知熒光量子產(chǎn)率的物質(zhì)進(jìn)行測量驗(yàn)證，測試結(jié)果如表1。對比測試結(jié)果表明，新研制的熒光量子產(chǎn)率測量系統(tǒng)所得出的物質(zhì)熒光量子產(chǎn)率數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)參考文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)基本一致，且在不同的測試波長范圍內(nèi)均能保持較高的準(zhǔn)確性。

表 1 熒光量子產(chǎn)率測試數(shù)據(jù)Tab. 1 Fluorescence quantum yield test data

4 結(jié) 論

研制的國產(chǎn)絕對熒光量子產(chǎn)率測量系統(tǒng)，主機(jī)采用國產(chǎn)F98熒光分光光度計(jì)，樣品光路設(shè)計(jì)采用積分球技術(shù)，光譜校正采用量子計(jì)數(shù)器和標(biāo)準(zhǔn)鎢燈方式，配合熒光量子產(chǎn)率分析軟件，可實(shí)現(xiàn)對物質(zhì)熒光量子產(chǎn)率的絕對法測量。用已知量子產(chǎn)率的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確性較高，可滿足大部分熒光物質(zhì)的測試要求。系統(tǒng)的研制使我國在絕對熒光量子產(chǎn)率測量方面取得重要進(jìn)展，是目前國內(nèi)首個(gè)實(shí)現(xiàn)商品化的熒光量子產(chǎn)率測量系統(tǒng)。