積分球測量熒光量子產率的最優測試條件研究

胡曉月，屈澤華，黃紅香

(復旦大學高分子科學系 聚合物分子工程國家重點實驗室，上海 200438)

0 引 言

熒光量子產率，是單位時間（s）內，發射熒光的光子數與吸收激發光的光子數之間的比值，符號φf。它表示物質將吸收的光能轉變成熒光的能力，是熒光物質一個最基本而重要的參數[1]。φf值的大小與物質的化學結構緊密相關，任何影響物質化學結構的因素都會導致熒光量子產率的改變。因此，熒光量子產率的測量可以為分子結構及其變化情況的研究提供一定的幫助。

測量熒光量子產率的方法主要有兩種：一種是參比法，測得的是相對熒光量子產率；另一種是直接法，測得的是絕對熒光量子產率。參比法測量熒光量子產率的優點是：操作簡便，可以消除標準樣品與待測樣品共同的誤差來源，從而提高測量準確度[2-4]。但是，參比法也有很大的局限性：待測樣品的光譜位置與標準樣品的光譜位置必須相接近，且必須為液體。這就導致大量的無合適標準樣品匹配的液體樣品以及固體樣品的熒光量子產率無法測量。直接法在20世紀60年代以前是測量熒光量子產率的主要方法，但是該方法限于當時測量工作繁瑣，且誤差來源較多，一度被參比法取代[5]。隨著科學技術水平的不斷進步，采用直接法測量熒光量子產率的測量工作已大大簡化，并具有較好的測量準確度。而且，采用直接法測量熒光量子產率不受標準樣品匹配和樣品狀態的限制，可以應用于絕大部分樣品的熒光量子產率測試，很好地彌補了參比法的不足之處，目前得到越來越廣泛的關注和應用[6-8]。

采用積分球測量熒光量子產率的方法屬于直接法，該方法已廣泛應用于熒光量子產率的測試[9]。但是，對于該方法的各種影響因素的研究卻少有報道[10-11]。而不同測試條件的選擇，勢必會對測試的準確度產生影響。為確保能夠快速、準確地得到熒光量子產率的數據，針對積分球測量熒光量子產率的最優測試條件研究是十分重要的。因此，本文針對采用積分球測試熒光量子產率時的測試條件選擇進行了研究，為絕對熒光量子產率的測試工作提供了一定的參考。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

儀器：PTI穩態/瞬態熒光光譜儀 QM40 及 60 mm積分球附件。

標準品：羅丹明 6G，純度 99%，CAS:989-38-8，百靈威公司；硫酸奎寧，純度 99%，CAS:6119-70-6，百靈威公司。

試劑：乙醇，分析純，國藥集團有限公司；稀硫酸，分析純，國藥集團有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 標準溶液的配制

1) 羅丹明6G溶液：準確稱取羅丹明6G標準品 4.43 mg，用乙醇溶解后定容，配制成濃度為10–3mol/L 的溶液備用。然后將其稀釋為 10–5mol/L的溶液備用。

2) 硫酸奎寧溶液：準確稱取硫酸奎寧標準品39.1 mg，用 0.1 mol/L 硫酸溶解后定容，配制成濃度為 5×10–3mol/L 的溶液備用。

1.2.2 熒光量子產率測試條件

1)羅丹明6G測試條件

改變步長和積分時間實驗條件：濃度10–5mol/L，激發光波長488 nm，掃描范圍 400～700 nm，激發端狹縫 5 nm，發射端狹縫 0.7 nm。

改變狹縫實驗條件：濃度 10–5mol/L，激發光波長 488 nm，掃描范圍 450～720 nm，激發端狹縫 6 nm，步長 1 nm，積分時間 0.1 s。

改變激發波長實驗條件：濃度 10–5mol/L，激發端狹縫 6 nm，發射端狹縫 1 nm，步長 1 nm，積分時間 0.1 s。

2)硫酸奎寧測試條件

改變步長和積分時間實驗條件：激發光波長390 nm，掃描范圍 350～700 nm，激發端狹縫 6.4 nm，發射端狹縫1 nm。

改變狹縫實驗條件：激發光波長390 nm，掃描范圍 350～700 nm，激發端狹縫 6.4 nm，步長 1 nm，積分時間 0.5 s。

改變激發波長實驗條件：激發端狹縫6.4 nm，發射端狹縫 1 nm，步長 1 nm，積分時間 0.5 s。

2 結果與討論

2.1 標準品的選擇

研究各種測試條件的改變對測試結果的影響，首先選擇標準物，標準物的選定原則為：具有穩定的熒光性質，以及被廣泛采納的熒光量子產率。本文選擇了羅丹明6G和硫酸奎寧兩種物質作為標準樣品。這兩種化合物均是較為經典的熒光物質，具有十分穩定的熒光性質，以及被廣泛接受的熒光量子產率，并且經常被選為參比法測試熒光量子產率的標準物[12]。本文選用了兩種化合物較為常用的熒光量子產率數值，即羅丹明6G在乙醇溶液中的量子產率值為0.891，硫酸奎寧在0.1 mol/L稀硫酸溶液中的量子產率值為0.51[13]。

2.2 儀器參數選擇

在采用積分球測試熒光量子產率的過程中，影響測試結果準確率的最直接因素來源于儀器本身，即測試參數（步長、積分時間和狹縫）的選擇。首先測試了不同參數條件下標準樣品的熒光量子產率，并對結果進行分析，以期得到最佳的測試參數。

2.2.1 步長和積分時間選擇

步長是指測試曲線上兩點之間的距離，單位：nm。積分時間是指測試曲線上每一點的收集時長，單位：s。步長和積分時間是測試中最基本的兩個測試參數。本文分別測試了標準樣品羅丹明6G和硫酸奎寧在不同步長和積分時間條件下的熒光量子產率，得到結果如表1和表2所示。

表1 羅丹明6G在不同積分時間和步長下的熒光量子產率

表2 硫酸奎寧在不同積分時間和步長下的熒光量子產率

從表1和表2可以看出，隨著步長和積分時間的逐漸改變，標準樣品（羅丹明6G和硫酸奎寧）熒光量子產率的數值并沒有出現規律性的變化，而是呈現跳躍的狀態。與文獻報道的標準樣品熒光量子產率相比較，對數據進行誤差分析并作圖，如圖1和圖2所示。從圖中看出：測試得到的熒光量子產率的準確率與步長和積分時間的改變并沒有線性關系。但是，這也并不意味著可以隨意設置步長和積分時間。因為步長和積分時間的改變會影響測試曲線的光滑度，從而對最終測試結果產生一定的影響。因此，在測試中應盡可能的保證曲線完整光滑。在此基礎上，可以選擇較短的積分時間和較長的步長來縮短總的測試時間。

圖1 羅丹明6G量子產率測試誤差示意圖

圖2 硫酸奎寧量子產率測試誤差示意圖

另外，通過誤差分析發現，采用積分球測試熒光量子產率的誤差在5%左右。即使是同一樣品，在同樣條件下，連續幾次測試的結果也會有5%以內的誤差。因此，要提高測試的準確率，采取多次測量取平均的方式更為有效。

2.2.2 狹縫選擇

狹縫是控制光通量的部件，狹縫的改變會引起熒光強度的改變。測試中，在保證一定熒光強度的基礎上，通常會選擇盡可能小的狹縫，以減小誤差。

本文測試了標準樣品（羅丹明6G和硫酸奎寧）在不同熒光強度時的熒光量子產率，結果如圖3和圖4所示。對于高量子產率的羅丹明6G，強度的改變對測試結果準確率影響較大；而對于量子產率中等強度的硫酸奎寧，強度的改變對測試結果準確率的影響并不明顯。因此，在測試具有較高熒光量子產率的熒光物質時，需要控制其熒光強度，不宜太高。

圖3 羅丹明6G在不同熒光強度下的量子產率

圖4 硫酸奎寧在不同熒光強度下的量子產率

2.3 激發波長的影響

每種熒光物質都有其最佳的激發位置，測試熒光量子產率時，一般選擇其最佳的激發位置激發。但是，在熒光量子產率測試中經常會遇到激發峰與發射峰有交疊的情況，這種情況給熒光量子產率的計算帶來了一定的困難，對最終的結果有一定影響。這種情況可以通過移動激發波長位置從而避免交疊而改善。但是，改變激發波長位置會影響熒光量子產率，為研究這種影響有多大，本文測試了標準樣品（羅丹明6G和硫酸奎寧）在不同激發波長激發下的熒光量子產率，結果如圖5和圖6所示。

圖5 羅丹明6G在不同激發波長下的熒光量子產率

圖6 硫酸奎寧在不同激發波長下的熒光量子產率

從圖中可以看出：激發波長的改變對熒光量子產率影響較大，即使間隔10 nm激發也會產生較大差別。因此采用積分球測試熒光量子產率時，最好不要移動激發波長位置，以確保測試結果的準確。

3 結束語

本文采用積分球測試了標準樣品羅丹明6G和硫酸奎寧在不同儀器參數（步長、積分時間和狹縫）下，以及不同激發波長下的熒光量子產率。通過與文獻報道的熒光量子產率對比分析，得出使用積分球測量熒光量子產率的最佳測試條件：在保證測試曲線光滑且熒光強度合適的情況下，盡可能選擇較長的步長、較短的積分時間以及較小的狹縫，并且在測試中保持激發波長的位置不變。采用積分球測量熒光量子產率，選用本文得出的測試條件，測試結果更可靠、準確。