賈志立,卜天佳,姚雅萱,任玲玲

(中國計量科學研究院 前沿計量科學中心,北京100029)

1 引 言

熒光材料被廣泛應用于照明、顯示、光通訊、光存儲以及生物醫(yī)學成像等領域。熒光材料在光的激發(fā)下,電子由導帶被泵浦到價帶,留下空穴,之后電子再躍遷回導帶并與空穴復合發(fā)射出光子。熒光量子效率是熒光材料發(fā)射的光子數(shù)與吸收的光子數(shù)之比[1,2],反映了熒光材料的發(fā)光性能,是評價熒光材料非常關鍵的指標之一,直接影響顯示產(chǎn)品的能量轉(zhuǎn)換效率、熒光標記的檢測靈敏度以及化工領域熒光產(chǎn)品的質(zhì)量提升[3～6]。因此,準確測量熒光量子效率對于表征熒光材料的發(fā)光性能是非常重要的。

測量熒光量子效率的方法包括相對法和絕對法[7]。相對法是采用已知熒光量子效率的標準物質(zhì)作為參比物,測量參比物和待測樣品的發(fā)射光波段光譜積分面積在激發(fā)波長處的吸光度以及所用溶劑的折射率,通過計算得到待測樣品的熒光量子效率[8,9]。絕對法是測量待測樣品的激發(fā)光波段和發(fā)射光波段的光譜,通過對光譜積分,從而得到待測樣品吸收的光子數(shù)和發(fā)射的光子數(shù),計算發(fā)射的光子數(shù)與吸收的光子數(shù)之比,直接得到其熒光量子效率[10～15]。絕對法測量直接測量熒光材料的熒光量子效率不需要參比物,因此準確可靠的絕對測量方法也是量子效率標準物質(zhì)的定值方法。

熒光量子效率絕對法測量系統(tǒng)由光源、單色儀、積分球、光纖及探測器組成。為了確保該絕對測量方法的準確可靠,要將測量過程中影響測量結(jié)果的不確定因素排除或量化以進行校準。在測量過程中,光源通過單色儀進行分光,從而獲得一定波長的單色光做激發(fā)光,所以不需要對整個光源的光譜進行校準,只需對激發(fā)單元的單色儀進行波長校準；發(fā)射單元的單色儀同樣需要校準,確保光譜采集波長的準確性。熒光材料在積分球中產(chǎn)生輻射,因自吸收會影響光譜的分布,需要對積分球進行校準[16]。光纖在測量系統(tǒng)中用來各器件鏈接,但是光在光纖的傳輸過程中光譜會發(fā)生改變,因此也需要進行校準[17]。此外,探測器在不同波長下的量子效率不同,即對不同波長光的響應不同,也是影響測量結(jié)果的因素之一。這些不確定因素的存在,會造成測量光譜的不準確,而熒光量子效率是通過對激發(fā)光波段和發(fā)射光波段的光譜積分得到光子數(shù)進行計算的,所以會進一步造成熒光量子效率計算結(jié)果的不準確。因此,建立合適的校準方法是熒光量子效率量值準確的重要保證。

本文采用溯源至國家輻射照度基準的汞氬燈對激發(fā)和發(fā)射單元的單色儀進行校準,采用同樣溯源至國家輻射照度基準的標準輻射源對光路和探測器進行光譜相對強度校準,以保證整個系統(tǒng)測量中波長和光譜相對強度的準確性。從測量模型出發(fā),對測量不確定度進行了分析[18，19]。從而建立一套合適的熒光量子效率絕對法測量系統(tǒng)校準和不確定度評定的方法。

2 測量原理

熒光量子效率測量系統(tǒng)主要包括3部分,即激發(fā)單元(氙燈和單色儀)、積分球、發(fā)射單元(單色儀和探測器),測量系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 熒光量子效率測量系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of fluorescence quantum efficiency measuring system

工作原理為：通過激發(fā)單元的單色儀,將氙燈光源分離出實驗所需的激發(fā)光波長,激發(fā)光經(jīng)過光纖入射到積分球中的樣品上,樣品經(jīng)過激發(fā)后發(fā)射熒光,激發(fā)光和樣品的熒光經(jīng)過積分球均勻化后,由光纖輸出到發(fā)射單元的單色儀分光,通過光電倍增管(photomultiplier tubes,PMT)采集,獲得每個波長下的光子數(shù),從而進一步分別獲得激發(fā)光波段和發(fā)射光波段的光譜曲線,見圖2。通過對激發(fā)光波段和發(fā)射光波段進行積分,分別計算發(fā)射到自由空間中的光子數(shù)與吸收的光子數(shù)之比,即熒光量子效率。

圖2 硫酸奎寧溶液(QS)和空白樣品(Blank)的激發(fā)光波段和發(fā)射光波段的光譜Fig.2 Excitation and emission spectra of quinine sulfate solution(QS) and Blank

熒光量子效率η測量模型及轉(zhuǎn)換公式為：

(1)

在計算熒光量子效率的測量模型中，由于探測器探測的是光子數(shù)，因此可以把積分面積轉(zhuǎn)換成在某一波長下(λabs和λem)光子數(shù)與光波段(λ2-λ1和λ4-λ3)的乘積，從而得到對應光波段的光子總數(shù)，并且光子數(shù)(或每秒光子數(shù))正比于輻射照度與對應波長的乘積。

3 實驗方法

熒光量子效率絕對法測量系統(tǒng)為HORIBA公司的產(chǎn)品,型號為Nanolog-Kit(FL3-2iHR)。

硫酸奎寧溶液(3.5 μg/mL,溶劑為0.05 mol/L H2SO4溶液)和空白樣品(0.05 mol/L H2SO4溶液)光譜采集的實驗條件為：選擇1 200 g/mm的光柵,激發(fā)波長為350 nm,激發(fā)單元單色儀的狹縫為5 nm,發(fā)射單元單色儀的狹縫為3 nm,積分時間為0.1 s,采集波長范圍為340～360 nm和360～750 nm,步長為0.5 nm。

標準汞氬燈(Ocean Optics,型號為HG-1)能提供一系列特征峰的譜線,用來校準單色儀的波長,標準汞氬燈的標準光譜由中國計量科學研究院光學所校準,波長的不確定度為0.1 nm(k=2)。首先采用標準汞氬燈對發(fā)射單元單色儀進行波長校準,再采用校準后的發(fā)射單元采集經(jīng)激發(fā)單元單色儀分離出的激發(fā)光并進行校準,并溯源到國家光譜輻射照度基準。發(fā)射單元采集汞氬燈譜線的實驗條件為：選擇1 200 g/mm的光柵,發(fā)射單元單色儀的狹縫為0.02 nm,積分時間為0.1 s,采集波長范圍為364.7～365.3 nm,步長為0.01 nm。對激發(fā)單元單色儀校準的實驗條件為：選擇1 200 g/mm的光柵,激發(fā)波長為350 nm,激發(fā)單元單色儀的狹縫為5 nm,發(fā)射單元單色儀的狹縫為3 nm,積分時間為0.1 s,采集波長范圍為340～360 nm,步長為0.2 nm。

標準輻射源(氘燈(上海復享光學股份有限公司，型號為iDH2000-BSC)、帶積分球的鹵鎢燈(廣州景頤光電科技有限公司，型號為JYLS-B))能提供波長連續(xù)且穩(wěn)定的光輸出。標準輻射源的標準光譜由中國計量科學研究院光學所校準,其相對光譜輻射照度的擴展不確定度為5.6%(k=2,300 nm)。采用標準輻射源對光路、發(fā)射單元單色儀和探測器進行校準,并溯源到國家光譜輻射照度基準。測量標準輻射源光譜的實驗條件為：打開標準輻射源,預熱15 min,選擇 1 200 g/mm的光柵,發(fā)射單元單色儀的狹縫設置為3 nm,積分時間為0.8 s,氘燈采集波長范圍為300～400 nm，步長為2 nm，鹵鎢燈采集波長范圍為300～900 nm,步長為10 nm。

4 結(jié)果與討論

根據(jù)式(1)，測量結(jié)果的不確定性影響因素主要來源于光路(包括積分球、出射光纖和反射鏡等)對光譜相對強度造成的改變,以及單色儀分光和探測器光譜響應度的校準。因此通過對光路、單色儀和探測器的校準,實現(xiàn)對整個測量系統(tǒng)波長和光譜相對強度的校準。

4.1 單色儀波長校準

汞氬燈具有一系列特征峰,采用標準汞氬燈對發(fā)射單元的單色儀進行校準,可保證光譜采集波長的準確性,再利用校準后的單色儀對激發(fā)單元的單色儀進行校準,從而保證激發(fā)光波長的準確性。

圖3 單色儀波長校準Fig.3 Wavelength calibration of monochromators

實驗中,將標準汞氬燈放置于發(fā)射單元單色儀的入口處,如圖3(a)所示,將采集得到的譜線的特征峰位置與標準譜線的特征峰位置相比較,如果峰位置有偏差,則調(diào)整單色儀的光柵,將特征峰的量值調(diào)整為標準值,從而完成對發(fā)射單元單色儀波長的校準。由于汞氬燈特征峰(365.015 nm)可以在300～900 nm波長范圍內(nèi)進行校準,因此采用此特征峰對發(fā)射單元單色儀校準,圖3(b)為發(fā)射單元單色儀校準后的365.02 nm波長處特征峰的譜線。對激發(fā)單元的單色儀的校準方法為：采用圖1所示的光路,通過校準后發(fā)射單元的單色儀采集經(jīng)過激發(fā)單元的單色儀分出的單色光,峰位的選擇是根據(jù)樣品的激發(fā)波長確定的,如設置激發(fā)光波長為350 nm；如果峰位置有偏差,則調(diào)整激發(fā)單元的單色儀光柵,將單色光的峰位調(diào)整為設置的350 nm,從而完成對激發(fā)單元單色儀的波長校準,圖3(c)為激發(fā)單元的單色儀校準后波長為350 nm單色光的譜線。

對激發(fā)和發(fā)射單元單色儀的校準,保證了激發(fā)波長和發(fā)射波長的準確性,為下一步進行的光譜相對強度的校準打下基礎。

4.2 光譜相對強度校準

由圖1可以看到,積分球內(nèi)的硫酸奎寧溶液被波長為350 nm的激發(fā)光激發(fā)發(fā)出熒光,激發(fā)光和熒光經(jīng)過積分球、出射光纖、反射鏡,到達發(fā)射單元單色儀和探測器而被采集，得到樣品的激發(fā)光波段光譜Iex和發(fā)射光波段光譜Iem,見圖2，因此需要對得到Iex和Iem光譜的測量系統(tǒng)進行校準。

校準前,積分球內(nèi)不放置任何樣品,校準是采用溯源到國家光譜輻射照度基準、光譜相對強度已知的標準輻射源,將氘燈和鹵鎢燈的標準光譜在350 nm處連接起來，根據(jù)式(1)中的換算，將相對光譜輻射照度值乘以對應波長得到縱坐標正比于每秒光子數(shù)(1/s)的標準光譜曲線為Ics,標準輻射源從積分球入口入射,如圖4(a)所示,分別重復測量氘燈和鹵鎢燈的光譜3次取平均值，并在350 nm處連接起來，得到測量光譜曲線Im,如圖4(b)所示。根據(jù)Cint=Ics/Im將圖4(b)中的兩條曲線相比較,得到光譜相對強度校準曲線Cint[18,19],見圖4(c)。由校準曲線可以看出，在700～900 nm波段,特別是800～900 nm波段,曲線強度明顯增加,由于系統(tǒng)采用的PMT探測器(HAMAMATSU,型號為R928P)在800～900 nm波段范圍內(nèi),隨著波長增加,探測器的量子效率明顯降低,即光譜響應度明顯降低,因此造成了校準曲線在這個波段內(nèi)明顯升高。

圖4 光譜相對強度校準Fig.4 Calibration of spectral relative intensity

采用本文得到的校準曲線Cint(激發(fā)和發(fā)射波段的校準曲線分別是Cex和Cem)對圖2得到的Iex和Iem校準時,將激發(fā)光和發(fā)射光波段的譜線乘以校準曲線，即可得到校準后的曲線Iexc和Iemc,即Iexc=IexCex和Iemc=IemCem。

4.3 不確定度評定

根據(jù)式(1)，輸入量包括Eabs、Eem、λabs和λem，測量不確定度來源主要包括測量重復性引入的不確定度和標準器(標準汞氬燈和標準輻射源)引入的不確定度。

4.3.1 測量重復性引入的不確定度

重復測量標準輻射源的光譜10次,得到10次光譜如圖5所示。

圖5 標準輻射源的重復測量光譜Fig.5 Repeated measurement spectrum of standard radiation source

整個波段范圍內(nèi)的相對標準不確定度為：

(2)

由式(2)計算得到在激發(fā)光波段(如 300～360 nm)的最大相對標準不確定度為：

u1，rel(Eabs)=0.32%

由式(2)計算得到在發(fā)射光波段(如 370～900 nm)的最大相對標準不確定度為：

u1，rel(Eem)=0.19%

重復測量標準汞氬燈的365.02 nm特征峰10次，通過式(2)計算得到的相對標準不確定度可作為在激發(fā)光波段(如300～360 nm)和發(fā)射光波段(如370～900 nm)的相對標準不確定度：

u1，rel(λabs)=u1，rel(λem)=0.000 36%

由于測量模型中僅包含輸入量的積和商，因此,測量重復性引入的相對標準不確定度為：

4.3.2 標準器引入的不確定度

標準輻射源校準證書中,在激發(fā)光波段(如300～360 nm)的最大相對擴展不確定度Urel(Eabs)為5.6%(k=2),則其相對標準不確定度為：

標準輻射源校準證書中,在發(fā)射光波段(如370～900 nm)的最大相對擴展不確定度Urel(Eem)為4.4%(k=2),則其相對標準不確定度為：

標準汞氬燈校準證書中的擴展不確定度Uλ為0.1 nm，包含因子k=2，在激發(fā)光波段(如300～360 nm)的最大相對標準不確定度為：

在發(fā)射光波段(如370～900 nm)的最大相對標準不確定度為：

由于測量模型中僅包含輸入量的積和商,因此,標準器引入的相對標準不確定度為：

4.3.3 相對合成標準不確定度及擴展不確定度

相對合成標準不確定度為：

取包含因子k=2,則相對擴展不確定度為：

Urel(η)=kuc，rel(η)=7.16%

由以上分析可以得到,在300～360 nm的激發(fā)光波段和370～900 nm的發(fā)射光波段內(nèi),其相對合成標準不確定度為3.58%,相對擴展不確定度為7.16%,其他波段的不確定度可以采用同樣的方法進行評定。

5 結(jié) 論

本文采用汞氬燈對系統(tǒng)中的發(fā)射單元的單色儀進行校準,再利用發(fā)射單元校準激發(fā)單元的單色儀,保證了激發(fā)波長和發(fā)射波長的準確性。采用標準輻射源對光路、發(fā)射單元單色儀和探測器進行光譜相對強度校準,保證了激發(fā)波段和發(fā)射波段光譜相對強度的準確性。最后從熒光量子效率的測量模型出發(fā),分析不確定度分量,測量不確定度來源主要包括測量重復性引入的不確定度和標準器(標準汞氬燈和標準輻射源)引入的不確定度。最終獲得的在300～360 nm的激發(fā)光波段和370～900 nm的發(fā)射光波段內(nèi)相對合成標準不確定度為3.58%,相對擴展不確定度為7.16%,k=2。通過對熒光量子效率絕對法測量系統(tǒng)的波長和光譜相對強度進行校準,為熒光量子效率的準確測量提供參考。