激發(fā)波長和溶液濃度對(duì)羅丹明6G絕對(duì)量子產(chǎn)率的影響

鄭永麗， 陳 燕， 劉麗月， 周永豐

（上海交通大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，上海 200240）

0 引 言

熒光量子產(chǎn)率指熒光物質(zhì)吸光后所發(fā)射的熒光的光子數(shù)與所吸收的激發(fā)光的光子數(shù)之比值，是衡量熒光物質(zhì)熒光量的尺度，也是發(fā)光材料的主要性能表征之一。羅丹明6G（Rhodamine 6G，R6G）［1-2］具有摩爾吸光系數(shù)高［3］，光穩(wěn)定性好，對(duì)pH值不敏感，較寬的波長范圍和較高的量子產(chǎn)率等優(yōu)點(diǎn)，常常被用作相對(duì)法量子產(chǎn)率測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。R6G的絕對(duì)量子產(chǎn)率已有諸多文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，測(cè)試條件變化時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也有些許變化［4-5］。但是，目前還沒有溶液濃度和激發(fā)波長對(duì)其絕對(duì)量子產(chǎn)率影響較為系統(tǒng)的研究報(bào)導(dǎo)。而相對(duì)法量子產(chǎn)率測(cè)量中，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的濃度和激發(fā)波長至關(guān)重要，選擇不當(dāng)將帶來較大實(shí)驗(yàn)誤差。

本文采用絕對(duì)法測(cè)量了R6G的量子產(chǎn)率，較為系統(tǒng)研究了激發(fā)波長和溶液濃度對(duì)其絕對(duì)量子產(chǎn)率的影響。此外，以R6G為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，探討了相對(duì)法量子產(chǎn)率測(cè)量過程中激發(fā)波長選擇不當(dāng)帶來的實(shí)驗(yàn)誤差。

1 實(shí)驗(yàn)原理與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

常用測(cè)量量子產(chǎn)率的方法為相對(duì)量子產(chǎn)率和絕對(duì)量子產(chǎn)率測(cè)量［6-7］。絕對(duì)量子產(chǎn)率使用全反射吸收積分球，直接計(jì)算結(jié)果。相對(duì)量子產(chǎn)率方法需要一種已知量子產(chǎn)率的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)作為參照，通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和樣品進(jìn)行吸光度和熒光強(qiáng)度的測(cè)量換算得到樣品的量子產(chǎn)率［8-9］。由于標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在不同溶液濃度和激發(fā)波長時(shí)，絕對(duì)量子產(chǎn)率會(huì)有所不同，因而相對(duì)量子產(chǎn)率測(cè)量中，實(shí)驗(yàn)參數(shù)的選擇直接影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文中，除特別說明，量子產(chǎn)率均指絕對(duì)量子產(chǎn)率測(cè)量得到數(shù)值。

1.2 主要儀器與試劑

（1）儀器。高級(jí)熒光穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)測(cè)量系統(tǒng)（QM/TM/IM，PTI公司），檢測(cè)器線性響應(yīng)區(qū)間200 000～1 000 000 counts；紫外/可見分光光度計(jì)（lambda35，PerkinElmer公司），測(cè)量范圍200～1 100 nm，掃描速度240 nm/s；積分球（Everfine公司），SPEKTRON-R98涂層，直徑80 mm；比色皿，四面光石英玻璃，尺寸1.0 cm×1.0 cm，光程1.0 cm。

（2）試劑。羅丹明6G，99.9%，熒光分析專用，Acros Organics；PLD，激光染料，激發(fā)波長469 nm；乙醇，分析純；超純水，實(shí)驗(yàn)室自制。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

（1）樣品溶液的配制。取一定量R6G溶于乙醇中，分別得到濃度為0.25、0.50、0.75、1.0、1.25、1.5、1.75、2.0和2.5 μmol·L-1樣品溶液。PLD溶于乙醇中，濃度30 μmol·L-1。制備得到的樣品溶液放入棕色樣品瓶中，并于冰箱中密封保存?zhèn)溆谩?/p>

（2）樣品光譜性能測(cè)試。取2 ml樣品溶液于石英比色皿中，以乙醇為背景，測(cè)量不同濃度樣品在400～600 nm的吸收光譜。另取2 mL樣品溶液于石英比色皿中，分別測(cè)量不同濃度R6G樣品在488 nm激發(fā)下的發(fā)射光譜圖，PLC在469 nm激發(fā)下的發(fā)射光譜圖，掃描范圍490～700 nm。

（3）絕對(duì)量子產(chǎn)率測(cè)試。使用高級(jí)熒光穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)測(cè)量系統(tǒng)和積分球相結(jié)合的裝置，以乙醇為背景，調(diào)節(jié)狹縫使光強(qiáng)在90～100萬counts之間，步徑為0.25 nm。取R6G樣品溶液2 mL于石英比色皿中，以488 nm為激發(fā)波長，測(cè)量不同濃度樣品吸收發(fā)射光譜曲線，用儀器自帶軟件計(jì)算出絕對(duì)量子產(chǎn)率。選擇合適濃度樣品，改變激發(fā)波長，得到各個(gè)激發(fā)波長的量子產(chǎn)率。PLD，激發(fā)波長選擇469 nm，計(jì)算出絕對(duì)量子產(chǎn)率。

（4）相對(duì)量子產(chǎn)率測(cè)試。取一定濃度的R6G和PLD溶液2 mL，在相同的條件下，測(cè)量其吸收光譜和發(fā)射光譜，以R6G為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，計(jì)算PLD樣品的相對(duì)量子產(chǎn)率，相對(duì)量子產(chǎn)率的計(jì)算參照文獻(xiàn)［10］。在測(cè)量過程中，要保證R6G在478～498 nm、PLD在469 nm處吸光度＜0.05，而最大發(fā)射波長數(shù)值＜100萬counts.如不滿足，則稀釋樣品，重新測(cè)量吸光度和熒光發(fā)射峰。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同濃度樣品的吸收光譜

采用相對(duì)法測(cè)量子產(chǎn)率時(shí)，要求溶液吸光度在0.05左右或更低［11-12］，圖1為不同濃度R6G樣品溶液的吸光度。其中，圖1（a）為實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同濃度R6G樣品的可見區(qū)域的吸光光譜曲線，表明隨著R6G濃度的升高，400～600 nm吸光度增大。相對(duì)法量子產(chǎn)率測(cè)量實(shí)驗(yàn)將R6G用作標(biāo)準(zhǔn)樣品時(shí)，激發(fā)波長為488 nm，該波長吸光度與溶液濃度關(guān)系見圖1（b）所示。對(duì)照實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，吸光度為0.05時(shí)，樣品濃度范圍在1.75 μmol·L-1左右；當(dāng)濃度≤2.0 μmol·L-1時(shí)，吸光度與濃度呈線性關(guān)系。

2.2 濃度對(duì)樣品溶液熒光發(fā)射光譜的影響

圖2（a）為不同濃度R6G樣品溶液的發(fā)射光譜，發(fā)射峰面積與濃度的關(guān)系見圖2（b）所示。同樣可以發(fā)現(xiàn)，隨著樣品溶液濃度的增加，發(fā)射光譜的峰強(qiáng)也在增加。在濃度區(qū)間2.5×10-7～2.0×10-6mol·L-1，發(fā)射峰面積與濃度呈線性關(guān)系。

2.3 溶液濃度對(duì)絕對(duì)量子產(chǎn)率的影響

量子產(chǎn)率的定義是物質(zhì)發(fā)射光子數(shù)與吸收光子數(shù)比值，因此，對(duì)同一濃度R6G樣品溶液，其熒光發(fā)射光譜峰值面積與吸光度的比值能體現(xiàn)出量子產(chǎn)率的大?。?3-14］。由圖1（b）和圖2（b）可知，在濃度范圍2.5×10-7～2.0×10-6mol·L-1，488 nm處吸光度和發(fā)射峰面積都與濃度呈線性關(guān)系，計(jì)算結(jié)果顯示發(fā)射峰面積（IE）和吸光度（A）的比值在7.5×10-7～2.0×10-6mol·L-1范圍時(shí)基本不變（見圖3），表明該區(qū)間內(nèi)量子產(chǎn)率為定值，不同濃度R6G樣品絕對(duì)量子產(chǎn)率的測(cè)量結(jié)果也驗(yàn)證了這一結(jié)論（見圖4）。0.2 μmol·L-1濃度點(diǎn)IE和A比值發(fā)生較大偏離，量子產(chǎn)率也應(yīng)該有較大差異：在濃度范圍7.5×10-7～2.0×10-6mol·L-1，量子產(chǎn)率為95%左右，與文獻(xiàn)［4］一致；在該范圍外，量子產(chǎn)率降低。因而，相對(duì)法測(cè)量子產(chǎn)率用R6G作標(biāo)準(zhǔn)樣品，配制濃度應(yīng)在此區(qū)間。

對(duì)于熒光發(fā)射信號(hào)較強(qiáng)的樣品，R6G濃度的選擇可以靠近2.0 μmol·L-1，降低測(cè)量誤差；而對(duì)于熒光發(fā)射信號(hào)較弱的樣品，由于測(cè)量過程中要保持實(shí)驗(yàn)條件一致，選擇濃度靠近0.75 μmol·L-1更加合適，這樣可以提高被測(cè)樣品的相對(duì)強(qiáng)度，降低儀器噪音引起的誤差。另外，由于2.0 μmol·L-1濃度樣品488 nm處吸光度稍大于0.05，有文獻(xiàn)報(bào)道會(huì)引起實(shí)驗(yàn)誤差的稍微增大［11］。因此，在測(cè)試過程中R6G的濃度盡量小于1.75 μmol·L-1。

2.4 激發(fā)波長對(duì)絕對(duì)量子產(chǎn)率的影響

激發(fā)波長對(duì)物質(zhì)的量子產(chǎn)率具有較大的影響，因此在相對(duì)法量子產(chǎn)率測(cè)量中通常要求被測(cè)樣品激發(fā)波長和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的激發(fā)波長一致。對(duì)于R6G，文獻(xiàn)［4］中報(bào)道較多的是激發(fā)波長為488 nm的量子產(chǎn)率。為了增大其應(yīng)用范圍，本文測(cè)了不同激發(fā)波長時(shí)R6G的絕對(duì)量子產(chǎn)率。從吸收光譜可知，當(dāng)樣品濃度為1.75 μmol·L-1左右時(shí)，其吸光度為0.05時(shí)?？紤]到相對(duì)法中對(duì)吸光度的要求，本文選擇該濃度的樣品研究激發(fā)波長對(duì)絕對(duì)量子產(chǎn)率的影響。當(dāng)激發(fā)波長為468、473、478、483、488、493和498 nm時(shí)，絕對(duì)量子產(chǎn)率分別為45.13、54.55、70.39、96.35、95.71、88.65和78.93%，可以看出，483和488 nm時(shí)量子產(chǎn)率達(dá)到最大值。而當(dāng)激發(fā)波長大于或者小于該值時(shí)，量子產(chǎn)率都發(fā)生不同程度的降低，并且數(shù)值相差越大，量子產(chǎn)率的差別也越大。

2.5 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)波長選擇不當(dāng)引起的實(shí)驗(yàn)誤差

為了說明在相對(duì)法量子產(chǎn)率測(cè)量過程中，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)波長選擇不當(dāng)引起的實(shí)驗(yàn)誤差，分別用絕對(duì)法和相對(duì)法測(cè)量樣品PLD的量子產(chǎn)率。在相對(duì)法量子產(chǎn)率測(cè)量中，以R6G為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，激發(fā)波長分別選擇478和498 nm。樣品、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的吸光度為A，發(fā)射峰的積分面積為IE，相對(duì)量子產(chǎn)率QYR的計(jì)算參照文獻(xiàn)［10］，絕對(duì)量子產(chǎn)率為QYS，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 相對(duì)法和絕對(duì)法測(cè)得樣品量子產(chǎn)率

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)PLD絕對(duì)量子產(chǎn)率與波長無關(guān)，為68.08%。吸收和熒光發(fā)射光譜結(jié)果說明其A/IE為一定值，在相對(duì)法測(cè)量中，本文采用單點(diǎn)計(jì)算法：即選取R6G激發(fā)波長為478 nm時(shí)，PLD相對(duì)量子產(chǎn)率計(jì)算值為69.87%，相對(duì)偏差為2.6%；選取R6G激發(fā)波長為498 nm時(shí)，PLD相對(duì)量子產(chǎn)率計(jì)算值為76.53%，相對(duì)偏差為12.4%，遠(yuǎn)大于5%允許誤差范圍之內(nèi)［15-16］，這是因?yàn)镻LD樣品激發(fā)波長更接近于478 nm。所以，相對(duì)法量子產(chǎn)率測(cè)量過程中一定要充分考慮到標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)激發(fā)波長的影響，否則將會(huì)引起較大的測(cè)量誤差。

3 結(jié) 語

本文研究了溶液濃度和激發(fā)波長對(duì)R6G絕對(duì)量子產(chǎn)率的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)激發(fā)波長為483～488 nm，溶液濃度在7.5×10-7～2.0×10-6mol·L-1范圍時(shí)，相對(duì)法量子產(chǎn)率測(cè)量中可以選用95%作為R6G的絕對(duì)量子產(chǎn)率；而在其他激發(fā)波長以及濃度時(shí)，R6G絕對(duì)量子產(chǎn)率均降。在相對(duì)法量子產(chǎn)率的測(cè)量中，需要選擇對(duì)應(yīng)波長和濃度的量子產(chǎn)率，否則會(huì)引起測(cè)量結(jié)果的偏大。本文中測(cè)量的R6G不同濃度和激發(fā)波長的量子產(chǎn)率，可為相對(duì)法量子產(chǎn)率的測(cè)量提供參考。