國產絕對熒光量子產率測量系統的研制

李 兵，蔡貴民

（上海棱光技術有限公司，上海 200023）

引 言

熒光技術的應用幾乎涉及了生活的方方面面。材料熒光技術在工業、能源、生物醫藥、環境監測、軍事領域等均扮演著極其重要的角色。新技術、新產品的不斷涌現，對該類產品的核心參數熒光量子產率的測量也提出了越來越高的要求。

熒光量子產率是表示一個物質熒光特性的重要參數，它表示物質發射熒光的效率，通常用φ表示。其定義為物質發射熒光的總能量與吸收能量之比，也就是處在電子激發態的分子發射熒光的概率。因此，量子產率只能小于或等于1。

量子產率的測定方法有相對法和絕對法兩種[1]。20世紀50年代前后，大多使用絕對法來測定量子產率。早期的絕對量子產率測定方法較繁瑣，設備復雜，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行量子產率的測定。相對法依賴于已知量子產率的物質作為測定標準，再分別用熒光分光光度計和紫外可見分光光度計，測定標準和試樣的真實發射光譜和激發波長的光密度，就可以推算出試樣的量子產率。相對法測量量子產率對設備要求低，無需專用測試系統，但其也有明顯的局限性，比如，當測定標準和試樣的激發光譜差異較大時，就會引起較大的測量誤差[2]。

21世紀初，美國NIST研制了一臺高精度的熒光光譜儀器，熒光的測量進入了精密測量的階段[3]。隨著技術的發展，出現了幾種較為便捷的絕對量子產率測試方法[4]。這些方法的儀器裝置各有不同，測量結果的準確性也不同。加拿大國家計量局采用標準光譜輻射計校正入射光光譜功率分布，結合標準探測器和標準物質進行絕對量子產率測試[5]。該方法精度很高，但裝置復雜，無法大規模普及應用。積分球技術的引入，再結合激發光譜和發射光譜的雙光譜法進行絕對量子產率測量，這類方法[6-8]的出現有效降低測量裝置的復雜性，為量子產率測試儀器的普及提供了一定的理論依據。

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率測試系統。絕對量子產率測定法可直接對待測試樣的量子產率進行測定，對熒光材料的研制有著重大的意義。

隨著我國現代化進程的發展，對各類科研分析儀器的需求與日俱增。研制國產絕對熒光量子產率測量系統，將終結這一領域長期依賴國外產品的歷史，同時降低檢測成本，使得更多的實驗室都用得起、用得上熒光量子產率測量技術，促進我國新材料等領域更高速的發展。

1 系統設計

絕對熒光量子產率測量系統主要包括熒光分光光度計、積分球[9]、標準鎢燈、標準電源、量子計數器和熒光量子產率分析軟件組成。整機系統如圖1所示，系統結構框圖如圖2所示。

系統按以下步驟獲取樣品的熒光量子產率：第一步，利用羅丹明B量子計數器和標準鎢燈光源對熒光分光光度計進行光譜校正；第二步，分別將空白樣品和熒光樣品置入積分球內部樣品池中，測量包含激發瑞利散射光譜在內的空白樣品和熒光樣品的發射光譜；第三步，利用熒光量子產率分析軟件自動計算樣品的熒光量子產率數據。

1.1 儀器的光路設計

系統光路示意圖如圖3所示。系統光源選用氙燈，氙燈發出的復合光經過激發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出的熒光在積分球內部進行多次反射和累積，累積后發射光經過發射單色器分光后到達光電倍增管探測器，被探測器接收。激發單色器和發射單色器分光系統均采用凹面光柵形式。樣品置于積分球內部，由樣品位置反射或發射出的各種光，積分球都對其進行收集和累積，因此，具備了直接計算絕對熒光量子產率的基礎。

圖 1 絕對熒光量子產率測量系統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的真實光譜，這樣的光譜被稱為未校正光譜，這種光譜的形狀和最大發射峰位置等與真實光譜都有一定的區別。在對物質進行熒光量子產率測量時，就必須對所使用的熒光分光光度計儀器進行光譜校正，獲取物質的真實光譜，才能得出準確的熒光量子產率[10]。

本系統采用羅丹明B量子計數器和標準鎢燈光源兩種方式，對熒光分光光度計進行光譜校正。

1.3 激發光譜校正

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

圖 2 絕對熒光量子產率測量系統結構框圖Fig. 2 Structural block diagram of absolute fluorescence quantum yield measurement system

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

式中：Sex（λ）為物質的真實激發光譜；（λ）為物質的未校正激發光譜；G（λ）為儀器激發光譜綜合響應特征系數。

對激發光譜進行校正就是要得到G（λ）系數[11]。羅丹明B量子計數器標準溶液在激發波長250～600 nm波長范圍內具有吸收恒定、量子產率不隨波長變化，激發光譜為水平直線的特性[11]，如圖4所示。將羅丹明B量子計數器放入測量光路中，如圖5所示。儀器發射波長固定在 640 nm，執行 250～600 nm的激發光譜掃描，此時得到的激發光譜便是G（λ）。

圖 4 量子計數器標準溶液的激發光譜特征Fig. 4 Excitation spectrum characteristics of standard solution of quantum counter

圖 5 激發光譜校正示意圖Fig. 5 Excitation spectrum correction diagram

1.4 發射光譜校正（250～600 nm）

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

式中：Sem（λ）為物質的真實發射光譜；（λ）為物質的未校正發射光譜；M（λ）為儀器發射光譜綜合響應特征系數。

對發射光譜的校正就是要得到M（λ）系數[11]。校正方法是清空積分球中的樣品，儀器執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儀器發射光譜綜合響應特征系數M（λ250～600），即

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

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

1.5 發射光譜校正（600～900 nm）

對于600 nm以上的波長范圍，通過已知色溫數據的標準鎢燈光源作為黑體來求得發射光譜校正曲線[12]，如圖7所示。校正方法是將標定過色溫數據的鎢燈放入樣品室，調整標準電源達到標準鎢燈的標定電流工作模式，使標準鎢燈達到已知的色溫狀態。儀器執行發射波長掃描，掃描波長范圍為600～900 nm。此時得到的光譜為W（λ）。這樣就可以獲得600～900 nm儀器發射光譜綜合響應特征系數M（λ600～900），即

式中：M（λ600～900）為 600～900 nm 儀器發射光譜綜合響應特征系數；W（λ）為600～900 nm發射波長掃描光譜；H（λ,T）為色溫T時的黑體輻射曲線；T為標準鎢燈的色溫。

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

2 測量原理

熒光量子產率測量系統采用絕對法測定方式，是對積分球測量得到的熒光物質的真實熒光光譜直接進行計算的方法。因為樣品散射出的光大部分都被積分球收集并進入熒光分光光度計的發射單色器中，所以可以使用光譜中的峰面積數據代替樣品散射出的光子數進行計算。與熒光量子效率相關的變量有吸收率、外量子效率和內量子效率，內量子效率即為熒光量子產率的定義。儀器經過光譜校正后，分別測量空白樣品和熒光樣品的真實發射光譜，如圖8和圖9所示，計算方法如式 (5) ～ (7)。新研制的熒光量子產率分析軟件可自動計算得出樣品的量子產率數值，如圖10所示。

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

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

圖 10 熒光量子產率分析軟件界面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；Eex為樣品激發的光子數；Rex為空白樣品激發波長區域峰面積值；Yex為熒光樣品激發波長區域峰面積值；Qex為外量子效率；Eem為樣品發射的熒光光子數；Yem為熒光樣品熒光波長區域峰面積值；Rem為空白樣品熒光波長區域峰面積值；Qin為內量子效率，即熒光量子產率。

3 實驗驗證

利用絕對熒光量子產率測量系統，對已知熒光量子產率的物質進行測量驗證，測試結果如表1。對比測試結果表明，新研制的熒光量子產率測量系統所得出的物質熒光量子產率數據與傳統參考文獻的數據基本一致，且在不同的測試波長范圍內均能保持較高的準確性。

表 1 熒光量子產率測試數據Tab. 1 Fluorescence quantum yield test data

4 結 論

研制的國產絕對熒光量子產率測量系統，主機采用國產F98熒光分光光度計，樣品光路設計采用積分球技術，光譜校正采用量子計數器和標準鎢燈方式，配合熒光量子產率分析軟件，可實現對物質熒光量子產率的絕對法測量。用已知量子產率的標準物質進行驗證，結果表明，系統的測量準確性較高，可滿足大部分熒光物質的測試要求。系統的研制使我國在絕對熒光量子產率測量方面取得重要進展，是目前國內首個實現商品化的熒光量子產率測量系統。