上转换材料的荧光光谱分析法

序言

上转换发光材料 (Upconversion phosphors material,UPM) 是一类在长波长激发下发射短波长光的材料， 其特点是所吸收的光子能量低于发射的光子能量。 由于使用红外光作为激发光源， 此类材料在防伪标记、 激光探测和立体显示上的用途已经广为人知。 Z近几年来 , 科学家们又发现上转换发光材料有不易发生光漂白和发光强度高等优点 , 用在生物标记中可以大大提高检测灵敏度和线性范围， 因此上转换发光材料的荧光发射光谱是表征其性能的一个重要指标， 具有非常重要意义。

与传统典型的荧光发光过程（ 只涉及一个基态和一个激发态）不同， 上转换过程需要许多中间态来累积低频的激发光子的能量。 其中主要有三种发光机制： 激发态吸收、 能量转换过程、 光子雪崩。 这些过程均是通过掺杂在晶体颗粒中的激活离子能级连续吸收一个或多个光子来实现的，而那些具有 f 电子和 d 电子的激活离子因具有大量的亚稳能级而被用来上转换发光。然而GX率的上转换过程，只能靠掺杂三价稀土离子实现，因其有较长的亚稳能级寿命。稀土离子的吸收和发射光谱主要来自内层 4f 电子的跃迁。 在外围 5s 和 5p 的电子的屏蔽下，其 4f 电子几乎不与基质发生相互作用， 因此掺杂的稀土离子的吸收和发射光谱与其自由离子相似，显示出极尖锐的峰（ 半峰宽约 10-20nm） 。而这同时就对外部激发光源的波长有了很大的限制。激光荧光光谱技术用于化学检测领域具有信噪比高、灵敏度好、检测快速等优点，特别是对于上转换材料的发光检测。商业化的 980nm 激光光源系统恰巧与它的吸收相匹配，为上转换纳米材料提供了理想的激光激发光源。

PerkinElmer 是世界上Z主要的荧光分光光度计生产商，也是技术上Z领先的高端仪器供应商。PerkinElmer 公司是SJ采用脉冲氙灯做光源， 具有荧光、 磷光和化学发光三种测量模式， 在磷光和化学发光模式下， 仪器内部激发光源自动关闭， 这样就为 980nm 激光光源的使用提供了便利的条件， 也为上转换纳米材料的荧光发光测试提供了硬件基础， 而其它厂家大多数使用传统的连续氙灯， 不能通过软件将其关闭， 在使用激光光源时， 只能通过遮挡的方式将出光孔堵住； PerkinElmer 公司采用脉冲氙灯光源， 就可以很好的在内部光源与外部激光光源之间进行切换， 当需要使用外部激光光源系统时，只需要通过软件选择激光测定模式即可， 不需要通过其它物理遮挡方式， 来遮挡仪器原有的激发光源， 这是PerkinElmer 公司优于其它公司的重要技术之一。 这种操作不仅延长了原有氙灯的使用寿命， 而且也很好的限制了由于物理遮挡导致的杂散光影响； 另外， 由于采用了灵活的可拆卸的样品架套筒设计， 如图 1 所示， 不仅固定了激光光源的输出端， 使之与样品池垂直， 保证激光光源能够准确的照射到待测样品上而且， 在进行常规荧光测定时， 容易取下， 大大简化了操作的繁琐性。

硬件配置

主机： LS-55 型荧光分光光度计 ( 图 2)

附件： 激光光源及可拆卸样品池套筒（图 1）

图 1. 激光光源及可拆卸样品池架套筒

图 2. PerkinElmerLS-55 荧光光谱仪

样品测试

测试条件

测试模式： 激光测定模式

延迟时间： 0ms

扫描范围： 300-700nm

扫描速度： 1000nm/min

测试结果

改变不同条件测试 UCNP 上转换材料得到的荧光发射谱图， 如下图 3 所示。 从图可以看出样品在357nm、473nm、 645nm 有荧光发射峰， 这三个发射峰是 UCNP三个能级的光子发射， 其中在 473nm 处Z强， 且荧光发射峰窄且尖锐， 半峰宽大约 10nm， 测试结果令人满意。

图 3. 样品荧光发射谱图

结论

PerkinElmer 公司的 LS-55 荧光光谱仪连接激光做光源的荧光分析方法能够准确的测试上转换材料的荧光发射峰，测试结果良好， 为上转换材料的发光表征提供了wan美的解决方案。 该方法操作简单， 使用方便， 成本低廉， 能够满足绝大多数样品的测试， 并且易于拆卸， 也能满足常规样品的测试， 是一个非常实用的解决方案。