CN103344621A - 一种荧光量子效率测量装置及其测量方法 - Google Patents

一种荧光量子效率测量装置及其测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种荧光量子效率测量装置，包括1/8积分球、单色光源系统、光谱仪和计算机；1/8积分球由内壁涂有漫反射涂层的1/8球体、三面相互垂直且均过球心的平面镜围成；平面镜II上设有入光口，平面镜I上设有探测口；单色光源系统发出的激发光与入光口对应，光谱仪的光纤探头与探测口对应，光谱仪测得的信息输入计算机。本发明还公开了一种荧光量子效率测量方法。该装置采用1/8积分球配三面平面镜的结构，保证了积分球效果的同时将球面各点所获得的信号增强为完整积分球的8倍；且不选用挡板也能抑制激发光或者荧光直接进入光谱仪对测量结果所造成的不利影响；同时样品配置方面无需专用的夹具，提高了积分空间内光分布的均匀性。

Description

一种荧光量子效率测量装置及其测量方法
技术领域
本发明涉及一种荧光量子效率测量装置及其测量方法，尤其涉及一种用于对以荧光材料作为测量对象进行量子效率测量方法。
背景技术
近年来，随着LED灯、荧光灯、显示器开发的迅速发展，对荧光材料的研究越来越受到人们的重视，量子效率作为评价荧光材料发光性能的重要指标而受到人们的普遍关注。通常，荧光材料的量子效率定义为材料发射出的光子数与材料所吸收的光子数的比值。
照明用荧光材料大都由于其内部化学成分以及外形尺寸等因素导致其发光强度呈现空间分布不均匀的特点，为此现有技术以及所涉及的测量装置都采用积分球来收集从测量对象发出的荧光。通常，来自荧光材料的荧光很微弱，因此为了提高探测器所探测信号的强度最好使用直径更小的积分球，然而积分球直径减小后球内各点光强分布的均匀性也随之降低。
另外，在现有积分球内大都设置有挡板，用于挡去从荧光材料发出的荧光或者在材料表面透射或反射的激发光直接入射到光谱仪，挡板自身也会参与积分球内光的吸收、散射，打破了积分球的理想特性从而使积分球内光强分布不均匀使得测量结果精确度降低。同时在这种积分球内还设置有将被测样品固定于积分球内特定位置的专用夹具，专用的夹具一般针对尺寸大小比较规则的样品，很难适用于不同状态不同形状的样品；另外夹具的引入更进一步打破了积分球的理想特性使得球内各点光强分布不均匀。
发明内容
针对现有技术中存在的夹具、挡板以及荧光强度微弱对测量精度的影响，本发明提供了一种无需专用夹具、挡板、探测信号更强、装配更加简单且能够以更高精确度测量量子效率的荧光量子效率测量装置。
同时，本发明还提供了一种操作流程简单、能够以更高精确度测量量子效率的荧光量子效率测量方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
一种荧光量子效率测量装置，包括1/8积分球、单色光源系统、光谱仪和计算机；所述1/8积分球由内壁涂有高反射率漫反射涂层的1/8球体、水平设置的平面镜I、竖直设置的平面镜II和竖直设置的平面镜III围成；所述平面镜I、平面镜II和平面镜III相互垂直，平面镜I、平面镜II和平面镜III均通过1/8积分球的曲率中心，所述平面镜III可绕平面镜III与平面镜II的相交线转动；在平面镜II上设有入光口，在平面镜I上设有探测口；所述单色光源系统发出的激发光与入光口对应，所述光谱仪的光纤探头与探测口对应，所述光谱仪测得的信息输入计算机。
相应地，本发明提供的一种荧光量子效率测量方法，在该方法中采用了上述的一种荧光量子效率测量装置，其步骤为：
1)开启单色光源系统(2)，通过入光口(5)向1/8积分球内照射激发光，该激发光的波长范围为λ1L-λ1H；转动平面镜III(14)打开1/8积分球(1)，将标准散射片(7)置于平面镜I(12)上能被激发光照射的位置处；然后再转动平面镜III(14)关闭1/8积分球(1)，此时光谱仪(3)探测到的激发光谱保存为P激发1(λ)；
2)转动平面镜III(14)打开1/8积分球(1)，取出标准散射片并将被测样品(8)置于平面镜I(12)上标准散射片所处的位置，使其可以被激发光所照射并发出荧光，然后再转动平面镜III(14)关闭1/8积分球(1)，此时光谱仪(3)探测到的1/8积分球(1)空间内未被吸收的激发光谱保存为P激发2(λ)，被测样品发射出荧光的光谱保存为P发射(λ)，发射出荧光的波长范围为λ2L-λ2H；
3)通过计算机自动计算被测样品的量子效率η为：
Figure BDA00003459019300031
上述中：h为普朗克常量，c为光速。
与现有技术相比，本发明一种荧光量子效率测量装置及其测量方法具有如下有益效果：
1、此荧光量子效率测量装置采用1/8积分球配三面平面镜的结构保证了积分球效果的同时将球内壁各点所获得的信号增强为完整积分球的8倍。
2、此荧光量子效率测量装置的配置方式不选用挡板也能抑制激发光或者荧光直接入射到光谱仪内对测量结果造成不利影响，从而提高了积分空间内光强分布的均匀性。
3、在被测样品的配置方面无需专用的夹具，直接将被测样品放在规定位置处即可，由于省去了专用夹具的使用使得测量装置对被测样品的形状尺寸状态没有非常特殊的要求，无论是固体样品，粉末样品还是对玻璃没有腐蚀性的液体样品均可直接放置于规定位置进行测量。
4、入光口离被测样品的位置很近且靠近球心，这使得入射到积分球内的激发光能够更多的照射到被测样品上，对发光强度很微弱的被测样品进行测试有一定优势。
5、测量激发光时利用标准散射片代替样品，可使得激发光被散射后更加均匀的分布在球面内壁。
附图说明
图1为一种荧光量子效率测量装置的结构示意图；
图2为1/8积分球的结构示意图；
图3为将标准散射片放置在1/8积分球内进行测量的结构示意图；
图4为将被测样品放置在1/8积分球内进行测量的结构示意图；
图5为全积分球利用TracePro软件模拟获得的1/8面积内的出射光强图；
图6为1/8积分球利用TracePro软件在与图5全积分球在相同光源条件，相同尺寸下模拟所获得1/8面积内的出射光强图。
附图中：1-1/8积分球；2-单色光源系统；3-光谱仪；4-计算机；5-入光口；6-探测口；7-标准散射片；8-被测样品；11-1/8球体；12-平面镜I；13-平面镜II；14-平面镜III。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
如图1～2所示，一种荧光量子效率测量装置，包括1/8积分球1、单色光源系统2、光谱仪3和计算机4。1/8积分球1由内壁涂有高反射率漫反射涂层的1/8球体、水平设置的平面镜I12、竖直设置的平面镜II13和竖直设置的平面镜III14围成。平面镜I12、平面镜II13和平面镜III14相互垂直，平面镜I12、平面镜II13和平面镜III14均通过1/8积分球1的曲率中心，平面镜III14可绕平面镜III14与平面镜II13的相交线转动，平面镜III14作为开启或关闭1/8积分球1的舱门。在平面镜II13上设有入光口5，入光口5靠近球心，在平面镜I12上设有探测口6，此种开口方式可以有效抑制来自被测样品的光直接入射到光谱仪。单色光源系统2发出的激发光与入光口5对应，光谱仪3的光纤探头与探测口6对应，通过探测口6对1/8积分球1内的积分空间的光谱进行测量，光谱仪3测得的信息输入计算机4，计算机4根据第一光谱和第二光谱来计算出测量对象的荧光量子效率。其中，第一光谱为不放被测样品而将标准散射片配置在被测样品位置处时由光谱仪测量得到的光谱，第二光谱为将被测样品配置在规定位置处时由光谱仪测量得到的光谱。
本测量装置采用1/8积分球使用三面相互垂直的平面镜对1/8积分球进行三面立体的空间成像，在空间中一共获得7个1/8积分球的虚像，然后1/8积分球的7个虚像与1/8积分球本身在空间中组合成一个完成的球体。其积分效果与一个完整球体相等价，三面平面镜将原本照射的7个虚像上的光能都反射到实物的1/8积分球面上使得该面上获得的光强理论上为完整球面的8倍，这使得光谱仪所得的信号大大增强，从而非常有利于测量精度的提高。
入射光从平面镜II13上的入光口5进入1/8积分球并照射在被测样品上，被测样品与入光口5的距离很短可以保证有更多的光能能够照射到被测样品上，平面镜II13上的探测口5离球心规定距离处，此种开口方式可以保证材料发出的荧光无法直接照射到光谱仪上从而省去了挡板的使用。同时，本套装置还可以通过计算机根据所探测得到的两次光谱数据直接计算出量子效率。
一种荧光量子效率测量方法，在该方法中采用了上述的一种荧光量子效率测量装置，其步骤为：
1)开启单色光源系统(2)，通过入光口(5)向1/8积分球内照射激发光，该激发光的波长范围为λ1L-λ1H；转动平面镜III(14)打开1/8积分球(1)，将标准散射片(7)置于平面镜I(12)上能被激发光照射的位置处，如图3所示；然后再转动平面镜III(14)关闭1/8积分球(1)，此时光谱仪(3)探测到的激发光谱P激发1(λ)，该激发光谱P激发1(λ)作为第一光谱。
2)转动平面镜III(14)打开1/8积分球(1)，取出标准散射片并将被测样品(8)置于平面镜I(12)上标准散射片所处的位置，使其可以被激发光所照射并发出荧光，如图4所示；然后再转动平面镜III(14)关闭1/8积分球(1)，此时光谱仪(3)探测到的1/8积分球(1)空间内未被吸收的激发光谱为P激发2(λ)，被测样品发射出荧光的光谱为P发射(λ)，发射出荧光的波长范围为λ2L-λ2H，该激发光谱为P激发2(λ)和光谱P发射(λ)作为第二光谱。
3)计算机通过第一光谱和第二光谱的数据自动计算出待测样品的量子效率，计算机自动计算被测样品的量子效率η为：
Figure BDA00003459019300051
上述中：h为普朗克常量，c为光速。
将图5所示的全积分球模拟结果的平均光强值与图6所示的1/8积分球模拟结果的平均光强值进行对比，可以得到1/8积分球内壁所获得的平均光强值大约为全积分球内壁所获平均光强值的8倍，模拟结果与理论的计算很好的吻合。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种荧光量子效率测量装置，其特征在于：包括1/8积分球(1)、单色光源系统(2)、光谱仪(3)和计算机(4)；所述1/8积分球(1)由内壁涂有高反射率漫反射涂层的1/8球体(11)、水平设置的平面镜I(12)、竖直设置的平面镜II(13)和竖直设置的平面镜III(14)围成；所述平面镜I(12)、平面镜II(13)和平面镜III(14)相互垂直，其均通过1/8积分球(1)的曲率中心，所述平面镜III(14)可绕其与平面镜II(13)的相交线转动；在平面镜II(13)上设有入光口(5)，在平面镜I(12)上设有探测口(6)；所述单色光源系统(2)发出的激发光与入光口(5)对应，所述光谱仪(3)的光纤探头与探测口(6)对应，所述光谱仪(3)测得的信息输入计算机(4)。
2.一种荧光量子效率测量方法，其特征在于，在该方法中采用了权利要求1所述的一种荧光量子效率测量装置，其步骤为：
1)开启单色光源系统(2)，通过入光口(5)向1/8积分球内照射激发光，该激发光的波长范围为λ1L-λ1H；转动平面镜III(14)打开1/8积分球(1)，将标准散射片(7)置于平面镜I(12)上能被激发光照射的位置处；然后再转动平面镜III(14)关闭1/8积分球(1)，此时光谱仪(3)探测到的激发光谱保存为P激发1(λ)；
2)转动平面镜III(14)打开1/8积分球(1)，取出标准散射片并将被测样品(8)置于平面镜I(12)上标准散射片所处的位置，使其可以被激发光所照射并发出荧光，然后再转动平面镜III(14)关闭1/8积分球(1)，此时光谱仪(3)探测到的1/8积分球(1)空间内未被吸收的激发光谱保存为P激发2(λ)，被测样品发射出荧光的光谱保存为P发射(λ)，发射出荧光的波长范围为λ2L-λ2H；
3)通过计算机自动计算被测样品的量子效率η为：
Figure FDA00003459019200021
上述中：h为普朗克常量，c为光速。
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