激發波長和溶液濃度對羅丹明6G絕對量子產率的影響

鄭永麗， 陳 燕， 劉麗月， 周永豐

（上海交通大學化學與化工學院，上海 200240）

0 引 言

熒光量子產率指熒光物質吸光后所發射的熒光的光子數與所吸收的激發光的光子數之比值，是衡量熒光物質熒光量的尺度，也是發光材料的主要性能表征之一。羅丹明6G（Rhodamine 6G，R6G）［1-2］具有摩爾吸光系數高［3］，光穩定性好，對pH值不敏感，較寬的波長范圍和較高的量子產率等優點，常常被用作相對法量子產率測量的標準物質。R6G的絕對量子產率已有諸多文獻報導，測試條件變化時，實驗結果也有些許變化［4-5］。但是，目前還沒有溶液濃度和激發波長對其絕對量子產率影響較為系統的研究報導。而相對法量子產率測量中，標準物質的濃度和激發波長至關重要，選擇不當將帶來較大實驗誤差。

本文采用絕對法測量了R6G的量子產率，較為系統研究了激發波長和溶液濃度對其絕對量子產率的影響。此外，以R6G為標準物質，探討了相對法量子產率測量過程中激發波長選擇不當帶來的實驗誤差。

1 實驗原理與方法

1.1 實驗原理

常用測量量子產率的方法為相對量子產率和絕對量子產率測量［6-7］。絕對量子產率使用全反射吸收積分球，直接計算結果。相對量子產率方法需要一種已知量子產率的標準物質作為參照，通過對標準物質和樣品進行吸光度和熒光強度的測量換算得到樣品的量子產率［8-9］。由于標準物質在不同溶液濃度和激發波長時，絕對量子產率會有所不同，因而相對量子產率測量中，實驗參數的選擇直接影響到計算結果的準確性。本文中，除特別說明，量子產率均指絕對量子產率測量得到數值。

1.2 主要儀器與試劑

（1）儀器。高級熒光穩態瞬態測量系統（QM/TM/IM，PTI公司），檢測器線性響應區間200 000～1 000 000 counts；紫外/可見分光光度計（lambda35，PerkinElmer公司），測量范圍200～1 100 nm，掃描速度240 nm/s；積分球（Everfine公司），SPEKTRON-R98涂層，直徑80 mm；比色皿，四面光石英玻璃，尺寸1.0 cm×1.0 cm，光程1.0 cm。

（2）試劑。羅丹明6G，99.9%，熒光分析專用，Acros Organics；PLD，激光染料，激發波長469 nm；乙醇，分析純；超純水，實驗室自制。

1.3 實驗方法

（1）樣品溶液的配制。取一定量R6G溶于乙醇中，分別得到濃度為0.25、0.50、0.75、1.0、1.25、1.5、1.75、2.0和2.5 μmol·L-1樣品溶液。PLD溶于乙醇中，濃度30 μmol·L-1。制備得到的樣品溶液放入棕色樣品瓶中，并于冰箱中密封保存備用。

（2）樣品光譜性能測試。取2 ml樣品溶液于石英比色皿中，以乙醇為背景，測量不同濃度樣品在400～600 nm的吸收光譜。另取2 mL樣品溶液于石英比色皿中，分別測量不同濃度R6G樣品在488 nm激發下的發射光譜圖，PLC在469 nm激發下的發射光譜圖，掃描范圍490～700 nm。

（3）絕對量子產率測試。使用高級熒光穩態瞬態測量系統和積分球相結合的裝置，以乙醇為背景，調節狹縫使光強在90～100萬counts之間，步徑為0.25 nm。取R6G樣品溶液2 mL于石英比色皿中，以488 nm為激發波長，測量不同濃度樣品吸收發射光譜曲線，用儀器自帶軟件計算出絕對量子產率。選擇合適濃度樣品，改變激發波長，得到各個激發波長的量子產率。PLD，激發波長選擇469 nm，計算出絕對量子產率。

（4）相對量子產率測試。取一定濃度的R6G和PLD溶液2 mL，在相同的條件下，測量其吸收光譜和發射光譜，以R6G為標準物質，計算PLD樣品的相對量子產率，相對量子產率的計算參照文獻［10］。在測量過程中，要保證R6G在478～498 nm、PLD在469 nm處吸光度＜0.05，而最大發射波長數值＜100萬counts.如不滿足，則稀釋樣品，重新測量吸光度和熒光發射峰。

2 實驗結果與討論

2.1 不同濃度樣品的吸收光譜

采用相對法測量子產率時，要求溶液吸光度在0.05左右或更低［11-12］，圖1為不同濃度R6G樣品溶液的吸光度。其中，圖1（a）為實驗測得不同濃度R6G樣品的可見區域的吸光光譜曲線，表明隨著R6G濃度的升高，400～600 nm吸光度增大。相對法量子產率測量實驗將R6G用作標準樣品時，激發波長為488 nm，該波長吸光度與溶液濃度關系見圖1（b）所示。對照實驗結果分析發現，吸光度為0.05時，樣品濃度范圍在1.75 μmol·L-1左右；當濃度≤2.0 μmol·L-1時，吸光度與濃度呈線性關系。

2.2 濃度對樣品溶液熒光發射光譜的影響

圖2（a）為不同濃度R6G樣品溶液的發射光譜，發射峰面積與濃度的關系見圖2（b）所示。同樣可以發現，隨著樣品溶液濃度的增加，發射光譜的峰強也在增加。在濃度區間2.5×10-7～2.0×10-6mol·L-1，發射峰面積與濃度呈線性關系。

2.3 溶液濃度對絕對量子產率的影響

量子產率的定義是物質發射光子數與吸收光子數比值，因此，對同一濃度R6G樣品溶液，其熒光發射光譜峰值面積與吸光度的比值能體現出量子產率的大小［13-14］。由圖1（b）和圖2（b）可知，在濃度范圍2.5×10-7～2.0×10-6mol·L-1，488 nm處吸光度和發射峰面積都與濃度呈線性關系，計算結果顯示發射峰面積（IE）和吸光度（A）的比值在7.5×10-7～2.0×10-6mol·L-1范圍時基本不變（見圖3），表明該區間內量子產率為定值，不同濃度R6G樣品絕對量子產率的測量結果也驗證了這一結論（見圖4）。0.2 μmol·L-1濃度點IE和A比值發生較大偏離，量子產率也應該有較大差異：在濃度范圍7.5×10-7～2.0×10-6mol·L-1，量子產率為95%左右，與文獻［4］一致；在該范圍外，量子產率降低。因而，相對法測量子產率用R6G作標準樣品，配制濃度應在此區間。

對于熒光發射信號較強的樣品，R6G濃度的選擇可以靠近2.0 μmol·L-1，降低測量誤差；而對于熒光發射信號較弱的樣品，由于測量過程中要保持實驗條件一致，選擇濃度靠近0.75 μmol·L-1更加合適，這樣可以提高被測樣品的相對強度，降低儀器噪音引起的誤差。另外，由于2.0 μmol·L-1濃度樣品488 nm處吸光度稍大于0.05，有文獻報道會引起實驗誤差的稍微增大［11］。因此，在測試過程中R6G的濃度盡量小于1.75 μmol·L-1。

2.4 激發波長對絕對量子產率的影響

激發波長對物質的量子產率具有較大的影響，因此在相對法量子產率測量中通常要求被測樣品激發波長和標準物質的激發波長一致。對于R6G，文獻［4］中報道較多的是激發波長為488 nm的量子產率。為了增大其應用范圍，本文測了不同激發波長時R6G的絕對量子產率。從吸收光譜可知，當樣品濃度為1.75 μmol·L-1左右時，其吸光度為0.05時。考慮到相對法中對吸光度的要求，本文選擇該濃度的樣品研究激發波長對絕對量子產率的影響。當激發波長為468、473、478、483、488、493和498 nm時，絕對量子產率分別為45.13、54.55、70.39、96.35、95.71、88.65和78.93%，可以看出，483和488 nm時量子產率達到最大值。而當激發波長大于或者小于該值時，量子產率都發生不同程度的降低，并且數值相差越大，量子產率的差別也越大。

2.5 標準物質波長選擇不當引起的實驗誤差

為了說明在相對法量子產率測量過程中，標準物質波長選擇不當引起的實驗誤差，分別用絕對法和相對法測量樣品PLD的量子產率。在相對法量子產率測量中，以R6G為標準物質，激發波長分別選擇478和498 nm。樣品、標準物質的吸光度為A，發射峰的積分面積為IE，相對量子產率QYR的計算參照文獻［10］，絕對量子產率為QYS，實驗結果見表1。

表1 相對法和絕對法測得樣品量子產率

實驗中發現PLD絕對量子產率與波長無關，為68.08%。吸收和熒光發射光譜結果說明其A/IE為一定值，在相對法測量中，本文采用單點計算法：即選取R6G激發波長為478 nm時，PLD相對量子產率計算值為69.87%，相對偏差為2.6%；選取R6G激發波長為498 nm時，PLD相對量子產率計算值為76.53%，相對偏差為12.4%，遠大于5%允許誤差范圍之內［15-16］，這是因為PLD樣品激發波長更接近于478 nm。所以，相對法量子產率測量過程中一定要充分考慮到標準物質激發波長的影響，否則將會引起較大的測量誤差。

3 結 語

本文研究了溶液濃度和激發波長對R6G絕對量子產率的影響，發現當激發波長為483～488 nm，溶液濃度在7.5×10-7～2.0×10-6mol·L-1范圍時，相對法量子產率測量中可以選用95%作為R6G的絕對量子產率；而在其他激發波長以及濃度時，R6G絕對量子產率均降。在相對法量子產率的測量中，需要選擇對應波長和濃度的量子產率，否則會引起測量結果的偏大。本文中測量的R6G不同濃度和激發波長的量子產率，可為相對法量子產率的測量提供參考。