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        國(guó)產(chǎn)絕對(duì)熒光量子產(chǎn)率測(cè)量系統(tǒng)的研制

        2020-07-10 04:04:42蔡貴民
        光學(xué)儀器 2020年3期
        關(guān)鍵詞:積分球量子產(chǎn)率激發(fā)光譜

        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(cè)、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(duì)該類產(chǎn)品的核心參數(shù)熒光量子產(chǎn)率的測(cè)量也提出了越來(lái)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(cè)定方法有相對(duì)法和絕對(duì)法兩種[1]。20世紀(jì)50年代前后,大多使用絕對(duì)法來(lái)測(cè)定量子產(chǎn)率。早期的絕對(duì)量子產(chǎn)率測(cè)定方法較繁瑣,設(shè)備復(fù)雜,容易引入誤差,所以無(wú)法形成商品化儀器[2]。后來(lái)科研人員大多使用相對(duì)法進(jìn)行量子產(chǎn)率的測(cè)定。相對(duì)法依賴于已知量子產(chǎn)率的物質(zhì)作為測(cè)定標(biāo)準(zhǔn),再分別用熒光分光光度計(jì)和紫外可見(jiàn)分光光度計(jì),測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)和試樣的真實(shí)發(fā)射光譜和激發(fā)波長(zhǎng)的光密度,就可以推算出試樣的量子產(chǎn)率。相對(duì)法測(cè)量量子產(chǎn)率對(duì)設(shè)備要求低,無(wú)需專用測(cè)試系統(tǒng),但其也有明顯的局限性,比如,當(dāng)測(cè)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(cè)量誤差[2]。

        21世紀(jì)初,美國(guó)NIST研制了一臺(tái)高精度的熒光光譜儀器,熒光的測(cè)量進(jìn)入了精密測(cè)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(duì)量子產(chǎn)率測(cè)試方法[4]。這些方法的儀器裝置各有不同,測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性也不同。加拿大國(guó)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(cè)器和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行絕對(duì)量子產(chǎn)率測(cè)試[5]。該方法精度很高,但裝置復(fù)雜,無(wú)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(duì)量子產(chǎn)率測(cè)量,這類方法[6-8]的出現(xiàn)有效降低測(cè)量裝置的復(fù)雜性,為量子產(chǎn)率測(cè)試儀器的普及提供了一定的理論依據(jù)。

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

        隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的發(fā)展,對(duì)各類科研分析儀器的需求與日俱增。研制國(guó)產(chǎn)絕對(duì)熒光量子產(chǎn)率測(cè)量系統(tǒng),將終結(jié)這一領(lǐng)域長(zhǎng)期依賴國(guó)外產(chǎn)品的歷史,同時(shí)降低檢測(cè)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(cè)量技術(shù),促進(jìn)我國(guó)新材料等領(lǐng)域更高速的發(fā)展。

        1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        絕對(duì)熒光量子產(chǎn)率測(cè)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(duì)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(cè)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(guò)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(guò)發(fā)射單色器分光后到達(dá)光電倍增管探測(cè)器,被探測(cè)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(duì)其進(jìn)行收集和累積,因此,具備了直接計(jì)算絕對(duì)熒光量子產(chǎn)率的基礎(chǔ)。

        圖 1 絕對(duì)熒光量子產(chǎn)率測(cè)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(cè)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(cè)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(duì)物質(zhì)進(jìn)行熒光量子產(chǎn)率測(cè)量時(shí),就必須對(duì)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(duì)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(zhǎng)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(duì)熒光量子產(chǎn)率測(cè)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(duì)熒光量子產(chǎn)率測(cè)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(duì)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(zhǎng)250~600 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有吸收恒定、量子產(chǎn)率不隨波長(zhǎng)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(cè)量光路中,如圖5所示。儀器發(fā)射波長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)差同步掃描,掃描波長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)于600 nm以上的波長(zhǎng)范圍,通過(guò)已知色溫?cái)?shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)鎢燈光源作為黑體來(lái)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(guò)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(zhǎng)掃描,掃描波長(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)量原理

        熒光量子產(chǎn)率測(cè)量系統(tǒng)采用絕對(duì)法測(cè)定方式,是對(duì)積分球測(cè)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(guò)光譜校正后,分別測(cè)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(zhǎng)區(qū)域峰面積值;Yex為熒光樣品激發(fā)波長(zhǎng)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(zhǎng)區(qū)域峰面積值;Rem為空白樣品熒光波長(zhǎng)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(duì)熒光量子產(chǎn)率測(cè)量系統(tǒng),對(duì)已知熒光量子產(chǎn)率的物質(zhì)進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)證,測(cè)試結(jié)果如表1。對(duì)比測(cè)試結(jié)果表明,新研制的熒光量子產(chǎn)率測(cè)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(cè)試波長(zhǎng)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(cè)試數(shù)據(jù)Tab. 1 Fluorescence quantum yield test data

        4 結(jié) 論

        研制的國(guó)產(chǎn)絕對(duì)熒光量子產(chǎn)率測(cè)量系統(tǒng),主機(jī)采用國(guó)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(duì)物質(zhì)熒光量子產(chǎn)率的絕對(duì)法測(cè)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(cè)量準(zhǔn)確性較高,可滿足大部分熒光物質(zhì)的測(cè)試要求。系統(tǒng)的研制使我國(guó)在絕對(duì)熒光量子產(chǎn)率測(cè)量方面取得重要進(jìn)展,是目前國(guó)內(nèi)首個(gè)實(shí)現(xiàn)商品化的熒光量子產(chǎn)率測(cè)量系統(tǒng)。

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