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稳态/瞬态荧光光谱仪(PL)原理、结果展示、样品要求及常见问答
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荧光,是一种物质光致发光的冷发光现象。物质基本的荧光性能可用荧光分光光度计和稳态瞬态荧光光谱仪进行表征。常规的荧光光谱仪主要来测试物质的激发光谱、发射光谱、量子产率、荧光寿命、三维荧光等方面的信息,其它的像磷光、上转换发光、变温光谱、荧光偏振以及激光诱导荧光等性能,也可通过配置适宜的附件进行检测分析。

一、激发发射谱
基本定义

1.1发射光谱 (Photoluminescence spectra, PL):固定激发光波长,探测(扫描)不同发射波长处的发射强度,得到材料发射强度随发射波长变化的谱图。
激发光谱(Photoluminescence Excitation Spectra, PLE):固定发射光波长,探测(扫描)不同激发光波长条件下的发光强度,得到材料(此固定发射波长的)发射强度随激发波长变化的谱图。
常规发射谱的光源就是氙灯,部分材料(如一些光催化、半导体材料等)只能在特定激光激发下才能产生荧光,其发射光谱需要特定波长的大功率激光器来测,即激光诱导的荧光。

1.2 结果展示

结果图可得测试参数信息:激发波长、狭缝信息、积分时间等; 
文本数据直接使用作图;
 图2 稳态荧光激发谱
图3 稳态荧光发射谱

二、荧光寿命

2.1 基本定义

荧光寿命( Fluorescence Lifetime):在激发光源的照射下,一个荧光体系向各个方向发出荧光,当光源停止照射后,荧光不会立即消失,而是会逐渐衰减到零。当激发停止后,分子的荧光强度降到激发时最大强度的1/e所需的时间,它表示粒子在激发态存在的平均时间,即该荧光体系的寿命(τ)。

图4 荧光寿命定义

荧光寿命的测定方法主要有三种:时间相关单光子计数法(TCSPC)、相调制法和频闪技术。

其中TCSPC是以统计学为基础,也是目前最成熟、最准确的荧光寿命测定方法。

图5 TCSPC测量荧光寿命原理

用超短光脉冲激发样品,测量样品在受到光脉冲激发后荧光强度的衰减,不同时间通道累积下来的光子数不同,以光子数对时间作图,即可得到荧光衰减曲线。
在使用TCSPC测量荧光寿命的过程中,需要调节样品的荧光强度,确保每次激发后最多只有一个荧光光子到达终止光电倍增管
2.2 结果展示

拟合曲线:拟合的曲线(绿色)、拟合的加权残差(紫色)

拟合结果:拟合的寿命τ1 (τ2、τ3)和对应的占比 B1 (B2、 B3),如有需其它拟合或者计算平均寿命,可另行处理

图6 爱丁堡仪器测得的荧光衰减曲线

图7 爱丁堡仪器测得的荧光衰减曲线及拟合结果

三、荧光量子产率

3.1 基本定义
量子产率(Quantum Yield, QY):表示物质发生荧光的能力,数值在0~1之间,反映荧光辐射与其他辐射和非辐射跃迁竞争的结果,具体可分为内量子产率和外量子产率。
内量子产率:产生的光子数与样品吸收的光子数之比;
外量子产率:产生的光子数与所有入射的光子数之比。
按照定义,内量子效率乘以吸收系数等于外量子效率,吸收系数小于1,因此内量子产率高于外量子产率。由定义可知,因为和材料吸收相关,所以内量子产率不等同于发射谱强度,样品荧光强、测发射谱时强度高不代表测产率时产率也高。

图8 量子产率测试原理
测量子产率时,通过积分球将所有散射光、发射光收集,并分别测试样品和参比样两条曲线。
固体样品通常选择 BaSO4 标样或者空的石英皿作参比;
液体样品通常选择对应的溶剂作参比。
图9 绝对量子产率计算公式
如图6,放入空样品池测得总光子数,之后放入样品,在同样条件下,测得发射光子数和未吸收光子数。发射光子(绿色区域)和吸收光子数(蓝色区域)的比值可得到内量子产率。测试结果呈现的QY都是内量子产率,都是绝对量子产率。
3.2 结果展示
结果图可得信息:产率结果、测试曲线形状(纵坐标取对数)、产率计算时积分选取范围(散射范围、发射范围)
图10 爱丁堡仪器计算所得量子产率

四、上转换荧光光谱

4.1 基本定义
上转换发光(Upconversion Fluorescence):又称为反-斯托克斯发光,斯托克斯定律认为材料只能受到高能量波长短的光激发,发出低能量长波长的光。而上转换发光认为长波长激发下,可持续发射波长比激发波长短的光。
常用光源:808 nm、980 nm激光器
4.2 结果展示

图11 上转换荧光光谱

五、样品要求

确定样品有荧光/磷光性能,样品要光激励下能发光,不然所有荧光类测试都没有意义!

对于发光在可见区的样品,最简单直观的就是紫外灯或者紫外暗箱照射下看看样品的发光。

粉末样品要求:一般需要20mg以上,块状或薄膜样品要求基底尺寸在1*1cm-2*2cm之间。

溶液样品要求:5ml左右,可能有溶度猝灭、溶剂效应等因素带来的影响,所以浓度根据自己样品情况把控,不做要求。

(1)选择另测激发一定是在预约光谱的前提下,其它测试项目要测激发一定要附带预约上光谱。测过激发谱后一般选最佳激发位置来做后续测试。

(2)一定要测过先测过光谱的前提下再预约寿命、产率的测试!如未测过光谱,需同时预约光谱测试!

(3)测量子产率时,固体样品用硫酸钡作空白样,溶液的样品以溶剂作空白样。所以溶液样品测产率需同时提供溶剂,具体是什么溶剂请在预约时备注清楚。

(4)变温测试都不接受易挥发、易腐蚀的样品,如高温下有危害性请提前告知。液体样品,一定要备注好溶剂是什么、膨胀系数多大(如果膨胀系数过大,低温下迅速结冰,会撑破比色皿)。

六、常见问答

1. 测光谱需要用到激光器的什么光源?

答:荧光光谱仪测常规发射谱的光源就是氙灯,测寿命的激光器光源不适合来测光谱!有些材料只能在特定激光激发下才能产生荧光,其发射光谱需要特定波长的大功率激光器来测,即激光诱导的荧光。

像一些光催化、半导体材料等,可以考究下文献测稳态谱用的是什么光源,氙灯测试合不合适。

2. 样品一定先测稳态,再测量子产率、瞬态光谱吗?

答:产率测试前,样品要测过光谱,不要没有测过荧光就要直接测产率。可同时预约“发射谱”+“量子产率”测试;

稳态谱的数据是寿命测试的必要条件,没有测过光谱的,不清楚监测波长的,务必选择发射谱测试。一般稳态谱和寿命用的激发波长是一样的,或者是相近波长的激光器。荧光寿命的监测波长通常是光谱峰位或根据样品发射机制来确定的。 

3. 样品发射波长会变化吗?

答:样品的发射波长都是一定的,不会随着激发波长的变化而变化,但是相对强度会有一定的变化。这是由于荧光发射发生在第一电子激发态的最低振动能级,而与荧光体被激发至哪一个电子态无关,所以荧光光谱通常与激发波长无关。

4.样品的量子产率在1%以下能测的准么?

1%以下的量子产率测不准的,可以尝试测试,但是如果产率真的是1%以下的话,结果仅做参考!

5. 黑色样品可不可以测试?

样品在自然光下是黑色的,代表了它将自然光中的所有可见光都吸收了,对光源可见光的散射较弱或者没有,因此我们看到它是黑色的。其再发可见光(有荧光)不实际,即便有发光,也只可能被自吸收。测紫外可见漫反射可以反映出其吸收带边在可见光区外面,其内部跃迁的能量只能小于这个吸收带边对应的能量,因此即便有辐射跃迁(发光)也只能是可见光范围之外,近红外甚至更长的波长了。 

总的来说,常规的荧光测试样品,只要 365 紫灯下荧光性能可以,测试基本不可能有大问题。荧光弱、没有荧光的样品经验总结数据较差,不建议此类样品测试。

6、荧光和磷光的区别

荧光和磷光之间的技术差异很复杂,但这两种特性之间的主要区别在于激发后的发射持续时间。 

荧光材料在激发后很短的时间内就会停止发光。很多情况下,荧光材料发出的颜色在激发停止后会瞬间消失。荧光材料之所以用于防伪特征,是因为只有在激发状态下,发射的光才必须被看到或检测到。 

相反,磷光材料在激发后可以长时间发出可见颜色,产生发光效果或“余辉”。磷光余辉可能持续几秒钟、几分钟或几小时,具体取决于材料的特性、激发强度以及暴露在激发光源下的时间。

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