穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)熒光光譜PL介紹，超詳細(xì)！

一、如何解讀熒光光譜

熒光光譜分為分為穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熒光光譜兩個(gè)大類，量子點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)熒光光譜又分為發(fā)射光譜（PL）和激發(fā)光譜（PLE）兩種。

PL光譜用于測(cè)定樣品的發(fā)光位置、相對(duì)熒光強(qiáng)度、缺陷態(tài)以及尺寸分布等信息。

PLE光譜主要是與對(duì)應(yīng)的吸收光譜對(duì)比，可以得到不同發(fā)射峰位的樣品的成分組成信息。

瞬態(tài)熒光發(fā)射光譜儀主要測(cè)試的是量子點(diǎn)在脈沖激發(fā)下的熒光衰減曲線。由此可以得到量子點(diǎn)的輻射壽命以及量子點(diǎn)缺陷態(tài)等相關(guān)信息。

激發(fā)光譜：固定發(fā)射光的波長(zhǎng)，改變激發(fā)光的波長(zhǎng)，記錄熒光強(qiáng)度隨激發(fā)波長(zhǎng)的變化。

發(fā)射光譜：固定激發(fā)光的波長(zhǎng)，記錄不同發(fā)射波長(zhǎng)處熒光強(qiáng)度隨發(fā)射波長(zhǎng)的變化。

激發(fā)光譜和熒(磷)光光譜

熒光光譜能夠提供激發(fā)譜、發(fā)射譜、峰位、峰強(qiáng)度、量子產(chǎn)率、熒光壽命、熒光偏振度等信息，熒光分析定性和定量的基礎(chǔ)。

無(wú)論是激發(fā)還是發(fā)射熒光光譜圖，其都是記錄發(fā)射熒光強(qiáng)度隨波長(zhǎng)的變化。所以熒光光譜中縱坐標(biāo)為強(qiáng)度，橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)。首先從圖中能獲取峰位和半峰寬。峰位的直觀體現(xiàn)是熒光的顏色；半峰寬則表示熒光的純度。

熒光光譜常與吸收光譜同時(shí)出現(xiàn)。所以可以與分子的吸收光譜相比較。圖3A為同一物質(zhì)的吸收光譜（UV - Vis）、熒光激發(fā)光譜（PLE）和熒光發(fā)射光譜圖（PL）。從圖中不難發(fā)現(xiàn)激發(fā)光譜與吸收光譜非常相似。但是兩者有著本質(zhì)的不同，吸收光譜的縱坐標(biāo)是吸光度（Absorbance），反應(yīng)物質(zhì)吸收光的情況；熒光光譜的縱坐標(biāo)是分子發(fā)出的熒光強(qiáng)度（Intensity），其不僅與物質(zhì)吸光能力有關(guān)還和量子效率有關(guān)。在很多研究體系中，常常結(jié)合兩者分析問(wèn)題。

二、穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜原理

我們常見的穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜儀（圖1）就是一種基于熒光光譜法原理，用于測(cè)定材料發(fā)光性能（如，激發(fā)光譜、發(fā)射光譜、量子產(chǎn)率、熒光強(qiáng)度以及熒光壽命等）的分析儀器，是一種綜合型的熒光光譜儀，既可以測(cè)得覆蓋200～1700 nm波段的紫外可見-近紅外光的穩(wěn)態(tài)光譜，同時(shí)又可測(cè)得瞬態(tài)光譜。

圖1 愛(ài)丁堡FLS980型穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜儀

穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜儀主要以時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)原理（time-correlated single photon counting）來(lái)作為測(cè)量熒光壽命的工作基礎(chǔ)，該原理簡(jiǎn)稱為“單光子計(jì)數(shù)（SPC）法”，利用脈沖光源激發(fā)樣品后，樣品發(fā)出熒光光子信號(hào)，每次脈沖后只記錄某特定波長(zhǎng)單個(gè)光子出現(xiàn)的時(shí)間t，經(jīng)過(guò)多次計(jì)數(shù)，測(cè)得熒光光子出現(xiàn)的幾率分布P(t)，此P(t)曲線就相當(dāng)于激發(fā)停止后熒光強(qiáng)度隨時(shí)間衰減的I(t)曲線，這好比一束光通過(guò)一個(gè)小孔形成的衍射圖與單個(gè)光子一個(gè)一個(gè)地通過(guò)小孔長(zhǎng)時(shí)間的累計(jì)可得完全相同的衍射圖的原理是一樣的。

以FS920型穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜儀為例，如圖2所示。

圖2 穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜儀原理示意圖[2]

當(dāng)熒光光譜儀進(jìn)行工作時(shí)，被測(cè)的熒光物質(zhì)在激發(fā)光照射下所發(fā)出的熒光，經(jīng)過(guò)單色器變成單色熒光后照射于光電倍增管上，由其所發(fā)生的光電流經(jīng)過(guò)放大器放大輸至記錄儀。一個(gè)激發(fā)，一個(gè)發(fā)射，采用雙單色器系統(tǒng)，可分別測(cè)量激發(fā)光譜和熒光光譜。

從得到的熒光光譜中，我們可以獲得以下主要譜參數(shù)[1]：

（a）激發(fā)光譜和發(fā)射光譜：激發(fā)光譜與吸收光譜極為相似，呈正相關(guān)；吸收光譜與發(fā)射光譜呈鏡像對(duì)稱關(guān)系；

（b）熒光壽命：去掉激發(fā)光后，分子的熒光強(qiáng)度降到去掉激發(fā)光時(shí)刻熒光強(qiáng)度I0的1/e所需要的時(shí)間，稱為熒光壽命（如圖5）；

圖5 熒光壽命示意圖[2]

（c）量子產(chǎn)率: 熒光量子產(chǎn)率是物質(zhì)熒光特性中最基本的參數(shù)之一。它表示物質(zhì)發(fā)射熒光的效率，通常用?來(lái)表示，定義為發(fā)射量子數(shù)和吸收量子數(shù)之比，即由熒光發(fā)射造成的退激分子在全部退激分子中所占的比例，又稱為熒光效率。

（d）熒光強(qiáng)度：測(cè)定熒光的相對(duì)強(qiáng)度與一些因素有關(guān)。熒光的相對(duì)強(qiáng)度可以用式1-1表示：

式中，F(xiàn)---熒光強(qiáng)度，K---儀器常數(shù)，?---量子產(chǎn)率，I---激發(fā)光強(qiáng)度，a---摩爾吸收系數(shù)，d---樣品池的光徑，c---樣品的濃度。

三、穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜儀器功能介紹

穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜儀廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，主要得益于其能實(shí)現(xiàn)多種功能性測(cè)試：

（a）能夠?qū)崿F(xiàn)不同類型樣品（包括液體，固體，薄膜以及粉末）的激發(fā)光譜、發(fā)射光譜（200～1700 nm）、同步掃描、動(dòng)力學(xué)光譜、三維光譜的測(cè)試；

（b）通過(guò)配備紫外可見區(qū)多個(gè)波段皮秒脈沖激光器以及超連續(xù)穩(wěn)態(tài)/脈沖白光激光器，能夠?qū)崿F(xiàn)覆蓋紫外可見近紅外波段穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)激發(fā)，能夠分別進(jìn)行熒光壽命、上轉(zhuǎn)換熒光壽命（30 ps～50 μs, 200 nm～1700 nm）和磷光壽命（1 μs～10 s, 200 nm～1700 nm）測(cè)試；

（c）利用大口徑積分球置于樣品倉(cāng)內(nèi)，通過(guò)直接光路測(cè)量絕對(duì)熒光量子產(chǎn)量（200 nm～1700 nm）；

（d）能夠進(jìn)行不同溫區(qū)的變溫?zé)晒鈱?shí)驗(yàn)（4 K～500 K）；

（e）配備偏振附件能夠?qū)崿F(xiàn)熒光各向異性測(cè)試；

（f）可進(jìn)一步同顯微鏡耦合，進(jìn)行微區(qū)穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)熒光測(cè)量、電致熒光測(cè)量等。

四、穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜測(cè)試制樣要求

1、確定樣品有熒光/磷光性能，樣品要光激勵(lì)下能發(fā)光，不然所有熒光類測(cè)試都沒(méi)有意義！

看樣品是否有熒光，對(duì)于發(fā)光在可見區(qū)的樣品，最簡(jiǎn)單直觀的：紫外激光燈照或者紫外暗箱照射下看看樣品有沒(méi)有發(fā)光。

一些熒光樣品在uv365燈下的照片：

2、粉末樣品：一般需要20mg以上，塊狀或薄膜樣品要求尺寸在1*1cm-2*2cm之間；

3、液體樣品：5ml左右，濃度自己把控；測(cè)液體的量子效率，需同時(shí)提供溶劑5ml；

4、需對(duì)比熒光強(qiáng)度的務(wù)必備注一下：同一測(cè)試條件下測(cè)試對(duì)比熒光強(qiáng)度；

五、穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜測(cè)試常見問(wèn)題

1、不知道激發(fā)波長(zhǎng)，能進(jìn)行PL測(cè)試嗎？

答：在未知激發(fā)波長(zhǎng)的情況下，需要反復(fù)調(diào)整參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，還很有可能達(dá)不到預(yù)期的測(cè)試要求，導(dǎo)致后面一系列的數(shù)據(jù)問(wèn)題，所以在測(cè)試之前最好能確定激發(fā)波長(zhǎng)。

2、穩(wěn)態(tài)熒光和瞬態(tài)熒光的區(qū)別是什么？

答：穩(wěn)態(tài)比較熒光強(qiáng)度，一般強(qiáng)度越低說(shuō)明載流子分離效果越好；瞬態(tài)比較壽命，壽命長(zhǎng)短對(duì)性能的影響要視機(jī)制而定。

3、樣品一定先測(cè)穩(wěn)態(tài)，再測(cè)量子產(chǎn)率、瞬態(tài)光譜？

答：產(chǎn)率測(cè)試前，樣品要測(cè)過(guò)光譜，不要沒(méi)有測(cè)過(guò)熒光就直接測(cè)產(chǎn)率?？赏瑫r(shí)預(yù)約“發(fā)射譜”+“量子產(chǎn)率”測(cè)試；

穩(wěn)態(tài)譜的數(shù)據(jù)是壽命測(cè)試的必要條件，沒(méi)有測(cè)過(guò)光譜的，不清楚監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)的，務(wù)必選擇發(fā)射譜測(cè)試。一般穩(wěn)態(tài)譜和壽命用的激發(fā)波長(zhǎng)是一樣的，或者是相近波長(zhǎng)的激光器。熒光壽命的監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)通常是光譜峰位或根據(jù)樣品發(fā)射機(jī)制來(lái)確定的。

4、樣品激發(fā)波長(zhǎng)是325mm，如果最大的發(fā)射峰在325或650mm左右，能不能測(cè)出來(lái)？

答：通常不能。因?yàn)樵诩ぐl(fā)波長(zhǎng)的整數(shù)倍都會(huì)出現(xiàn)倍頻峰，這個(gè)情況只能通過(guò)加濾波片進(jìn)行解決，關(guān)于這個(gè)需要提前溝通咨詢。

5、熒光發(fā)射光譜峰比較弱是什么原因造成的？

答：如果不是最佳激發(fā)波長(zhǎng)激發(fā)的，發(fā)射譜峰就會(huì)比較弱，測(cè)前應(yīng)盡可能提供最佳激發(fā)波長(zhǎng)。最佳激發(fā)波長(zhǎng)激發(fā)時(shí)，會(huì)調(diào)節(jié)參數(shù)，在能力范圍內(nèi)給出最佳數(shù)據(jù)；但如果樣品熒光效應(yīng)本身不強(qiáng)，發(fā)射峰結(jié)果比較弱也是必然的。

6、樣品發(fā)射波長(zhǎng)會(huì)變化嗎？

答：樣品的發(fā)射波長(zhǎng)都是一定的，不會(huì)隨著激發(fā)波長(zhǎng)的變化而變化，但是相對(duì)強(qiáng)度會(huì)有一定的變化。這是由于熒光發(fā)射發(fā)生在第一電子激發(fā)態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)，而與熒光體被激發(fā)至哪一個(gè)電子態(tài)無(wú)關(guān)，所以熒光光譜通常與激發(fā)波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。

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