荧光光谱仪的原理及应用

荧光光谱（FluorescenceSpectra）光电转化效率测试（IPCE）2主要内容荧光光谱的基本原理1荧光光谱仪的原理、性能测试及操作2IPCE的原理及测试系统3QE和IPCE的区别及应用43荧光•荧光是辐射跃迁的一种，是物质从激发态失活到多重性相同的低能状态时所释放的辐射激发•基态(S0)→激发态(S1、S2激发态振动能级)：吸收特定频率的辐射；跃迁一次到位失活•激发态→基态：多种途径和方式；速度最快、激发态寿命最短的途径占优势荧光条件•它吸收光子发生多重性不变的跃迁时所吸收的能量小于断裂其最弱的化学键所需要的能量•化合物结构必须有荧光基团一、荧光光谱基本原理4失活：电子处于激发态是不稳定状态，容易返回基态，在这个过程中通过辐射跃迁(发光)和无辐射跃迁等方式失去能量的过程。失活途径辐射跃迁荧光磷光内转换外转换系间窜越振动弛豫无辐射跃迁失活的途径5雅布隆斯基分子能级图S2S1S0T1吸收发射荧光发射磷光系间窜越内转换振动弛豫能量l2l1l3外转换l2T2内转换振动弛豫6主要光谱参数吸收光谱：化合物的吸收光强与入射光波长的关系曲线激发光谱：让不同波长的激发光激发荧光物质使之发生荧光，而让荧光通过固定波长的发射单色器照射到检测器上，检测荧光强度变化。发射光谱：固定激发波长(一般将其固定于激发波段中感兴趣的峰位),扫描出的化合物的发射光强(荧光/磷光)与发射光波长的关系曲线。7•荧光发射量子数与被物质吸收的光子数之比，或荧光发射强度与被吸收的光强之比.一般，不随激发光波长而改变.=If/Ia量子效率（QE）•用一已知其荧光量子产率的参比化合物在相同条件下对照测定，并可通过公式计算目标化合物的荧光量子产率：=s[Iεscs/(Isεc)]测量方法：相对法•已知、无自吸收、无浓度猝灭、在被测物所用溶剂中可溶、易纯化、稳定和对杂质不敏感的物质。常用的参照物如罗丹明B和喹啉硫酸氢盐等。参照物•荧光强度衰减为初始时的1/e所需要的时间。ItI0e-kt•激发态分子只以发射荧光的方式丢失能量：t=1/KF荧光寿命（t）荧光光谱性能测试8在实验样品受到激发的情况下，通过选择合适的探测器和工作模式，记录下发射光强与激发源特性、样品特性以及温度、时间、空间、能量等相关特性之间的关系，以此来更好的研究或利用发光过程。二、荧光光谱仪的基本原理样品准备块状固体：切成规则形状，并进行抛光；尺寸和光洁度上将其制为同一规格；光轴（或x,y,z轴）的位置；有自吸收特性的样品要注意其对测试结果的影响粉体和微晶：避免混入诸如滤纸纤维、胶水等杂质；样品应尽量保存在不会引入杂质又防潮避光的样品管；强光下不稳定的化合物，注意控制入射光的强度，避免破坏样品；样品一般夹在石英玻璃片进行测试液体：尽量使用透明的玻璃化溶液；挥发性剧毒溶剂的测试，一定要有合适的防护；易挥发、易变质的溶液最好现配现测；样品一般放在带盖石英比色皿9荧光光谱仪操作开机•先开电源，再开风扇稳定后开灯源，再开主机，嘟嘟连续两声后再开测试软件。发射谱•根据吸收谱中感兴趣的峰确定激发波长，选择合适的发射谱波长范围、滤光片、光路狭缝、扫描速度等进行发射谱的扫描。激发谱•根据发射谱中感兴趣的峰确定发射波长，选择合适的激发谱波长范围、滤光片、光路狭缝、扫描速度等进行激发谱的扫描激发波长确定•重复2、3步循环扫描得到理想的光谱图关机•保存数据，先关软件，再关光源最后关风扇和电源10•根据发射谱和激发谱选择感兴趣的发射波长和激发波长，测试荧光强度随时间的衰减曲线，同样需要数据进行校正，然后应用origin软件进行作图和数据拟合得到寿命结果荧光寿命11荧光寿命和量子产率的测试和数据处理•根据发射谱和激发谱选择感兴趣的发射波长范围和激发波长，运用积分球分别测试加、减衰减片时的荧光强度，然后应用软件进行数据处理得到量子产率量子产率12紫外滤光片、可见滤光片、红外滤光片要选择大小合适的狭缝选择合适的扫描速度，得到平滑曲线。光谱曲线需要应用校正曲线进行校正注意事项•光电转化效率，即入射单色光子-电子转化效率(monochromaticincidentphoton-to-electronconversionefficiency，用缩写IPCE表示)，定义为单位时间内外电路中产生的电子数Ne与单位时间内的入射单色光子数Np之比。•计算公式：IPCE(λ)=1240*jp(λ)/Eλ(λ)IPCE定义13三、光电转化效率测试（IPCE）IPCE测试系统SolarCellScan100Crowntech.incNewport光源、单色仪、信号放大模块、光强校准模块、计算机控制和数据采集处理模块通过用波长可调的单色光照射样品，同时测量样品在不同波长的单色光照射下产生的短路电流,从而通过计算得到样品的IPCE14QE和IPCE的区别及文献中应用QE荧光发射量子数与被物质吸收的光子数之比外量子效率IPCE单位时间内外电路中产生的电子数Ne与单位时间内的入射单色光子数Np之比光电转化效率表示光伏材料光谱响应性能，即在不同波长的光子所产生的电子-空穴对的能力，并作为评价太阳能电池效率、特性的重要参数相同特性15QiongSun,YangLi,XianmiaoSun.ImprovedPhotoelectricalPerformanceofSingle-CrystalTiO2NanorodArraysbySurfaceSensitizationwithCopperQuantumDots.ACSSustainableChem.Eng.2013,1,798-804.IPCE(λ)=1240*jp(λ)/Eλ(λ)QingKang,JunyuCao,YuanjianZhang.ReducedTiO2nanotubearraysforphotoelectrochemicalwatersplitting.J.Mater.Chem.A,2013,1,5766.16