胡曉月，屈澤華，黃紅香

(復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)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(chǎn)率，是單位時間（s）內(nèi)，發(fā)射熒光的光子數(shù)與吸收激發(fā)光的光子數(shù)之間的比值，符號φf。它表示物質(zhì)將吸收的光能轉(zhuǎn)變成熒光的能力，是熒光物質(zhì)一個最基本而重要的參數(shù)[1]。φf值的大小與物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，任何影響物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)的因素都會導(dǎo)致熒光量子產(chǎn)率的改變。因此，熒光量子產(chǎn)率的測量可以為分子結(jié)構(gòu)及其變化情況的研究提供一定的幫助。

測量熒光量子產(chǎn)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(chǎn)率；另一種是直接法，測得的是絕對熒光量子產(chǎn)率。參比法測量熒光量子產(chǎn)率的優(yōu)點是：操作簡便，可以消除標(biāo)準(zhǔn)樣品與待測樣品共同的誤差來源，從而提高測量準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)樣品的光譜位置必須相接近，且必須為液體。這就導(dǎo)致大量的無合適標(biāo)準(zhǔn)樣品匹配的液體樣品以及固體樣品的熒光量子產(chǎn)率無法測量。直接法在20世紀(jì)60年代以前是測量熒光量子產(chǎn)率的主要方法，但是該方法限于當(dāng)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(xué)技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，采用直接法測量熒光量子產(chǎn)率的測量工作已大大簡化，并具有較好的測量準(zhǔn)確度。而且，采用直接法測量熒光量子產(chǎn)率不受標(biāo)準(zhǔn)樣品匹配和樣品狀態(tài)的限制，可以應(yīng)用于絕大部分樣品的熒光量子產(chǎn)率測試，很好地彌補(bǔ)了參比法的不足之處，目前得到越來越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用[6-8]。

采用積分球測量熒光量子產(chǎn)率的方法屬于直接法，該方法已廣泛應(yīng)用于熒光量子產(chǎn)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(zhǔn)確度產(chǎn)生影響。為確保能夠快速、準(zhǔn)確地得到熒光量子產(chǎn)率的數(shù)據(jù)，針對積分球測量熒光量子產(chǎn)率的最優(yōu)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(chǎn)率時的測試條件選擇進(jìn)行了研究，為絕對熒光量子產(chǎn)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(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜儀 QM40 及 60 mm積分球附件。

標(biāo)準(zhǔn)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(tuán)有限公司；稀硫酸，分析純，國藥集團(tuán)有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

1) 羅丹明6G溶液：準(zhǔn)確稱取羅丹明6G標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)確稱取硫酸奎寧標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)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(fā)光波長488 nm，掃描范圍 400～700 nm，激發(fā)端狹縫 5 nm，發(fā)射端狹縫 0.7 nm。

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

改變激發(fā)波長實驗條件：濃度 10–5mol/L，激發(fā)端狹縫 6 nm，發(fā)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(fā)光波長390 nm，掃描范圍 350～700 nm，激發(fā)端狹縫 6.4 nm，發(fā)射端狹縫1 nm。

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

改變激發(fā)波長實驗條件：激發(fā)端狹縫6.4 nm，發(fā)射端狹縫 1 nm，步長 1 nm，積分時間 0.5 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 標(biāo)準(zhǔn)品的選擇

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

2.2 儀器參數(shù)選擇

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

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(shù)。本文分別測試了標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)率，得到結(jié)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(chǎn)率

表2 硫酸奎寧在不同積分時間和步長下的熒光量子產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)樣品（羅丹明6G和硫酸奎寧）熒光量子產(chǎn)率的數(shù)值并沒有出現(xiàn)規(guī)律性的變化，而是呈現(xiàn)跳躍的狀態(tài)。與文獻(xiàn)報道的標(biāo)準(zhǔn)樣品熒光量子產(chǎn)率相比較，對數(shù)據(jù)進(jìn)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(chǎn)率的準(zhǔn)確率與步長和積分時間的改變并沒有線性關(guān)系。但是，這也并不意味著可以隨意設(shè)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(jié)果產(chǎn)生一定的影響。因此，在測試中應(yīng)盡可能的保證曲線完整光滑。在此基礎(chǔ)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(chǎn)率測試誤差示意圖

圖2 硫酸奎寧量子產(chǎn)率測試誤差示意圖

另外，通過誤差分析發(fā)現(xiàn)，采用積分球測試熒光量子產(chǎn)率的誤差在5%左右。即使是同一樣品，在同樣條件下，連續(xù)幾次測試的結(jié)果也會有5%以內(nèi)的誤差。因此，要提高測試的準(zhǔn)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(qiáng)度的改變。測試中，在保證一定熒光強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，通常會選擇盡可能小的狹縫，以減小誤差。

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

圖3 羅丹明6G在不同熒光強(qiáng)度下的量子產(chǎn)率

圖4 硫酸奎寧在不同熒光強(qiáng)度下的量子產(chǎn)率

2.3 激發(fā)波長的影響

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

圖5 羅丹明6G在不同激發(fā)波長下的熒光量子產(chǎn)率

圖6 硫酸奎寧在不同激發(fā)波長下的熒光量子產(chǎn)率

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

3 結(jié)束語

本文采用積分球測試了標(biāo)準(zhǔn)樣品羅丹明6G和硫酸奎寧在不同儀器參數(shù)（步長、積分時間和狹縫）下，以及不同激發(fā)波長下的熒光量子產(chǎn)率。通過與文獻(xiàn)報道的熒光量子產(chǎn)率對比分析，得出使用積分球測量熒光量子產(chǎn)率的最佳測試條件：在保證測試曲線光滑且熒光強(qiáng)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(fā)波長的位置不變。采用積分球測量熒光量子產(chǎn)率，選用本文得出的測試條件，測試結(jié)果更可靠、準(zhǔn)確。