CN101084430A - 溶液中染料的荧光量子产率的相对测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量染料的相对荧光量子产率的方法，其包括：a)对于至少两种不同的处于溶剂中的染料溶液浓度：使用电磁射线(6)激发所述染料，测量所述染料由该射线激发的光致发光(67)以及通过包含该染料的腔室透射的信号(65)，b)将所测得的数据与标准染料的光致发光和透射数据进行比较，c)计算所述染料的相对荧光量子产率。

Description

溶液中染料的荧光量子产率的相对测量方法

技术领域

本发明涉及一种用于溶液中染料的荧光量子产率的相对测量的新方法。该方法适用于各种有机或无机染料，例如半导体纳米晶体。

背景技术

有机和无机染料的大量应用基于这些染料的发光能力，例如利用它们作为荧光标记物。

荧光量子产率定量表示了这些染料的发光效率，它等于由该溶液发出的光子数与被吸收的光子数的比率。荧光量子产率成为一个对这种产品的生产厂家和用户来说很重要的参数，因此需要对该量子产率进行***和可靠的测量。

对有机染料的荧光量子产率测定是已知的，这样就可以确定参考染料，然后获知他们的荧光量子产率并把其作为标准物。

几种荧光量子产率的绝对测定方法已经得到应用，比如：测热法、光-声方法、使用积分球的方法和瓦维洛夫(Vavilov)方法是最为公知的(J.N.Demas et al，J.Phys.Chem.75，p 991-1023，(1971))。

这些方法实施起来很麻烦，因为它们非常耗时，不能自动进行并且与实验室测量面积有关。此外，它们的可靠性有限，因为其精确度在5％到10％之间变化。而且，这些测量方法常常要求使用浓缩溶液，这对于只能少量获取的产品来说是很困难的，比如半导体纳米晶体。

由于这些原因，溶液中荧光量子产率的测量大多都使用上述的参考或标准染料来相对地测定。在这个方面已有两种方法(J.N.Demaset al，J.Phys.Chem.75，p991-1007，(1971))。

一种方法是所谓的“高光密度”方法，它需要高度浓缩的溶液。但是，由于前文所述原因，该方法并不适合于大多数无机染料。

另一方法是所谓的“低光密度”方法，它需要较稀的溶液。该方法需要对量子产率已知的染料的光致发光强度与待测定样品的强度进行比较。

但是，就以下两点来说，多数实验室或制造商所使用的方法还存在争议：

1)首先，为了能够比较两种溶液的光致发光强度，其必须具有相同的吸光度，这对于以单一浓度比较样品和参考物是不可能总能得到保证的。使用该方法可能需要在测量后进行修正，但是修正因子并不总是能够准确把握，因此成为荧光量子产率数值的主要误差来源。

2)另一困难与测量的可重现性有关。对于相对测量，常规使用的设备包括借助光学***(反射镜、滤光器等)提供给样品的激光束、含有溶液的荧光腔室(cell)、用于收集荧光的光学***(透镜、光阑等)和检测器。但是，由于光致发光是各向同性的，通过检测器测得的产率仅仅代表了发射流的一部分。因此对于所述设备的几何形状的精确了解是必不可少的，因为激光束路径上或所述腔室定位的任何变化(哪怕是很小的)都可能导致测量结果很大的误差和较差的结果重现性。

总之，人们发现荧光量子产率的相对测量(例如常规进行的)是很不可靠的，难以再现并且不能实现自动化。

因此寻找新的方法和新的设备以测量染料的相对量子产率的问题就产生了。

优选地，可以使用所述方法和设备在宽的浓度范围内进行测量。

发明内容

本发明不仅使荧光量子产率的测量更精确，而且与上述方法相比，能够大大减少测量所需的时间。

本发明涉及一种用于测量染料的相对荧光量子产率的方法，其包括：

a)对于至少两种或至少十种或者对于数十种，例如20到50或100种不同的染料浓度：

-使用电磁射线激发所述染料，

-测量所述染料由该射线激发的光致发光以及通过包含该染料的腔室透射信号的功率，

b)把这些测量结果与测量标准染料的光致发光和透射功率得到的相同数据或相应数据进行比较，

c)计算所述染料的相对荧光量子产率。

根据一个具体的实施方案，相对于理论公式适当地校正测量的数据，所述理论公式给出与透射信号相关的光致发光的变化，从其推出能够计算样品的荧光量子产率的参数。

采用该方法，能够克服染料浓度的不确定性问题，因为该结果在任何时候都不需要了解待测染料的浓度和标准染料的浓度。

优选地，浓度下降性地变化：测量以最高浓度开始，而以最低浓度结束。

该方法可首先被用于标准染料(其荧光量子产率是已知的)并随后用于量子产率待测定的样品。或者，标准染料的量子产率已知而仅仅测量量子产率未知的染料。

因此首先考虑的是标准染料的溶液，然后以相同的几何条件对产率待测定的样品进行相同的实验。

入射射线的功率或强度的测量可以用来归一化测量值和免去光束或入射射线的强度或者功率变化的测量。

因此，根据本发明一个特别的实施方案，能够同时测量入射光束的功率、经过腔室透射的功率和由溶液发出的荧光信号。

所述光束或入射射线可来自激光或非相干光源，例如发光三极管源的平行光束，或者光谱过滤后的白灯，或者能够激发被测量染料的荧光并且其光谱不与这些染料的发射光谱相重叠的任何其它光源。

可以另外测量由含有待测染料的腔室反射的光束，用于控制腔室内溶液的均一性。

本发明的方法特别适合于测量无机染料的荧光量子产率，例如II-VI型半导体纳米晶体，例如CdSe(ZnS)。本发明更关注于半导体，因为纳米晶体(其重量最为变化不定)的浓度非常难以评估；而本发明并不要求了解其浓度。

用于检测荧光和穿透射线的检测装置以及所述腔室和至少部分的用于限定入射射线路径的装置有利地彼此之间相互固定和/或固定在台面上。

优选所述荧光腔室是一个循环腔室，使其能够在无需替换的情况下改变腔室中的溶液浓度。

此外，所述腔室优选具有用于加入染料和溶剂而不将气泡加入到腔室中的装置。

本发明还涉及用于测量处于溶剂中的染料溶液的相对荧光量子产率的设备，该设备包括：

-一个荧光腔室，

-用于测量由受激发染料发射的荧光信号，并且测量通过染料透射的信号的装置，

-用于计算相对量子产率的装置，所述相对量子产率与受激发染料发射的荧光信号数据相关，并且与通过该染料透射的激光信号和标准染料的相应数据相关，

还可以提供用于使腔室中的染料浓度相对于时间发生变化的装置。

所述腔室可以为循环荧光腔室。

而且，所述设备可以额外地包括用于测量腔室所反射的信号的装置。

用于均化腔室中染料的装置使得测量能够在均匀的溶液中进行。

可以提供用来测量腔室的入射射线的强度或功率的变化的装置。

根据一个实施方案，计算装置根据理论公式调节荧光信号和透射的信号数据。

对于本发明的设备和方法来说，所述理论公式可为下式：

或者如下公式：

其中F正比于荧光信号的功率，T正比于透射信号的功率，ρ是荧光量子产率的绝对值，

是溶液发射的光子能量，

是入射光子的能量，B和A是常数，而Δ和L是包含染料的腔室的几何参数。

优选地，所述计算意味着使用如下公式计算染料的相对量子产率：

其中

是溶液发射的光子能量，

是入射光子的能量，m1和m2是表征与透射信号(T)相关的发射(evolving)荧光(F)的参数，下标R和E分别表示标准染料和样品。

再为优选地，所述腔室和测量装置彼此固定地排列。

可以提供装置来限定射线的入射方向。

可以使用自动注入装置向腔室中注入染料溶液，并随后注入稀释该溶液的溶剂。

附图说明

-图1是根据本发明的设备的总体示意图。

-图2是根据本发明的一个实施方案的设备中的光学装配的简图。

-图3A和3B是荧光腔室侧视图和荧光腔室横截面的俯视图。

-图4是硫酸奎宁R＝f(T)的曲线图。

-图5是罗丹明和硫酸奎宁F＝f(T)的曲线图。

-图6是罗丹明和CdSe(ZnS)纳米晶体F＝f(T)的曲线图。

-图7显示了能够用于本发明的数据加工装置。

具体实施例

图1概要性地显示了可以用于本发明的设备的各个组件。

所述设备包括射线源6，或者产生激发射线的装置6，光学装置2自身包括荧光腔室20和至少检测装置22，以首先检测荧光光学信号并随后检测通过腔室20的信号。因此图1中的附图标记22示意性地表示了一个组检测器而非一个检测器。

射流装置4用于将染料和溶剂注入腔室20。优选地，如图1所描述的这些装置包括自动注入装置例如装置40。

用于数据采集和处理的装置8被用来收集和加工由一个或多个检测器提供的数据。

所述激发源6是时间连续性的射线源，例如，波长为365nm的氩激光器。

入射光束或射线可以为激光器或非相干光源发出的光束或射线，例如发光三极管型光源或者光谱过滤后的白灯或者能够激发被测量染料的荧光并且其光谱不会覆盖这些染料的发射光谱的任何其它光源的平行光束。

优选地，将射线源的功率选择得相当低以使得不会发生光漂白(由光氧化引起的破坏)染料的荧光颗粒，否则其将使得测量失真。

例如，该功率为1μW到10μW之间，或者100μW到200μW之间。

由装置6发射的射线60的一部分62被导向腔室20。该相同射线的另一部分61可以被用于测量射线60本身的强度变化，在该情况下，检测装置22除了以上已经提及的装置之外还包括用于检测射线61这一部分的装置。

射流装置4(例如带有阀门的自动注入装置40，所述阀门例如为具有至少两个通道的阀门，例如用于低压流色谱类型的六通道阀门)在操作时与荧光腔室相连，向该荧光腔室注入染料和溶剂。

从腔室20，发射出荧光射线67，通过装置22检测到并测量该射线，更精确地通过荧光射线检测装置来完成；并且发射出射线65，该射线通过腔室而没有被染料吸收并且也由装置22检测和测量，更精确地通过检测透射射线的装置来完成。

根据一个实施方案，由腔室反射的射线63也可以由检测装置22、由特定的检测器检测。对该检测的用途将做进一步的解释。

图1中的装置8可以包括一个或多个计算机接口板80用于采集数据。这些接口板使得来自检测装置22的数据能够通过连接至例如微处理器或PC类型的数据处理装置而采集并处理。

这些数据处理装置可以是为了该目的而专门地编程制作并根据本发明进行数据处理，例如进一步所解释的。

图2显示了光学装置2的实施方案的一个实例。

在该图中，由装置6(未显示于该图中)发射的入射光束的路径显示为实线，并且参考方向由两个光阑13和15限定。

该设备具有4面反射镜10、12、14、16。

首先，使用两个检测器223和224(例如光电二极管)分别测量腔室20中染料的光致发光67的强度或功率，然后测量通过染料之后经由该腔室透射的光束65的强度或功率。

可以将一个高通滤光器(例如对365nm的入射光束具有400nm的截止波长)与检测器223相连，例如整合在该检测器的支撑物中，以截止由杂质导致的激发信号的任何散射(此处为λ＝365nm)。

检测器223优选被放置得尽可能地靠近腔室20的地方以使信号收集最大化。可以加入向着该检测器收集荧光的光学装置(透镜、和/或反射镜、和/或积分球)。

相反，检测器224优选被放置得尽可能远离腔室20，以最大限度地降低荧光信号对激发信号的比率(荧光以所有可能的立体角发出，与激光光束不同，其强度随着距离的平方反比地降低)。

可以将一个玻璃载物片置于腔室20之前，以取样入射信号光束的一小部分61，并将其送至检测器221(图2)，该信号被用作基准。在检测器221(例如光电二极管)的辅助下，能够对入射光束强度和功率的变化进行测量。

该测量也可在图2所示的体系之外进行，例如靠近射线源6(未显示于图2中)。

第四探测器222(仍以光电二极管为例)可以被用于测量或控制由腔室20的入口和出口窗反射的信号63的强度或功率。

该检测器222优选被放置得尽可能地靠近反射镜14，以使得反射光束63(并因此也使得入射光束62)与腔室的法线形成小的角度(大约3.5°)。接近法线入射的光束使得检测器222的信号收集能够最大化，并且简化了腔室的反射和透射系数的计算。

优选地，两光阑13、15被永久性地固定，并限定出一个基准方向。

两个第一反射镜10、12可以调整，用于把光束调直到基准方向。

在光束的下游，反射镜14、16，检测器223、224的支撑物，以及腔室20在其位置被优化之后可以永久固定。

位于反射镜10、12下游的元件的安装或者固定使其能够限定出固定的测量构造。

为了使用所述设备，优选寻求固定所述装配(反射镜、光阑)的几何参数，以使得光束62经由所述腔室并朝向所述检测器的路径总是相同。

优选地，用以检测荧光和透射射线的检测装置223、224，以及腔室20和至少一部分能够限定入射射线62的路径的装置13、14、15、16的彼此之间相对固定。

依此方式，能够在稳定的构造和几何结构中工作。

可以与本发明设备一起使用的腔室20的一个实例如图3A和3B所示。

该腔室的体积例如在0.1ml到10ml之间。

在宽度L(其实际上为光束通过整个腔室时的路径长度)上，其具有壁201、203，其例如为石英的，以使得激发射线62(具有功率Pi)和透射射线65(具有功率Pt)能够进入和离开。

横向方向上，窗口202，例如为椭圆形状的，同样为石英的，具有宽度2Δ，为荧光射线(具有功率Pf)提供了一个出口67。

因此，荧光信号通过该椭圆形窗202测得。

在图3B中，所述石英壁在其不透明部分显示为灰色，而在其透明部分显示为白色。

由腔室20反射的光束63(具有功率Pr)实际上包括首先由入口窗201和其后由出口窗203反射的两个部分601、603。

将腔室20上反射的信号63的测量值用于验证该腔室中溶液的均匀性。

装置26、28使得流体能够被加入到所述腔室中并且能够从该腔室移出，任选地通过泵装置的协助。

所述腔室20优选地为循环腔室，使其能够改变腔室中溶液的浓度而无需更换装置，这也有助于装配的几何稳定性。

对于所述腔室，起始产物可以例如为浓缩溶液，向该溶液中连续注入溶剂以使其稀释，同时进行测量。

而且，通过由自动注入装置以例如100μL/min到200μL/min的速率注入溶剂，可以在10分钟内采集数千点测量值，大大地提高了精确性，同时使测量时间显著低于需要几个小时才能获得具有相似精确度的测量值的现有技术所需的时间。

为了保持腔室中溶液的均匀性，可以使用均化装置206，例如磁棒(具有小的尺寸：例如L＝2mm，Φ＝1mm)，其放置在腔室中，并通过磁性搅拌的方式保持运动，其具有两个例如由马达(未显示于图中)驱动旋转的磁体。

来自检测器的信号被送至电子采集装置和用于处理这些信号的装置。

根据处理的一个实例，由光电二极管检测到的这些信号通过若干电路进行转化、放大并过滤，其中每一电路位于每一检测器之后。

通过采集板(Keithley)将这些信号送至电脑并由程序进行处理。

由不同检测器进行的测量几乎同时进行，优选以快速的采集速率进行，例如，每5ms或者每10ms进行一次采集，以及每100ms或者200ms或者300ms进行一次采集(实际上，同时采集)。根据另一实施例，例如每50ms进行一次采集。

通常，所使用的检测器均优选为硅光电二极管。

信号处理的实例如下给出。

将所述装配设计得紧凑以方便运输。

为此目的，光学装置和检测装置可以固定在一个板上，例如在尺寸为25cm×15cm×1cm的铝板上。该板留有三英尺的可调整高度，可以轻易地固定到所用的台面上。

完整装配的一个实例包括：

-1个氩激光器6，

-1个安装在3英尺处的平板，

-4个紫外线干涉平面镜10、12、14、16，其每一直径为12.7mm，其支撑物固定在所述平面上，

-2个光阑13、15，直径为0.8mm，

-1个分离载物片及其支撑物，

-1个 循环荧光腔室20(容积＝100μL)，

-所述腔室中的1个磁性搅拌器和1个磁棒206，

-1个高通滤光器，具有400nm的截止波长，在发射荧光的观测窗侧的腔室出口，

-4个检测器221、222、223、224(光电二极管)及其支撑物，

-4个印刷电路(每一个对应于一个检测器)，一个电流/电压转换器和放大器，

-1个采集板，

-1个确保与采集板的连接的印刷电路，

-1个自动注射器，

-1个六通道阀和与该阀相连的注射管。

为了从在实验期间测得的数值获得荧光量子产率，可以使用各种实验数据处理方法，但是其并非都有相同的精度。

当溶液的浓度处于中等时，某些处理方法提供良好的结果，但是在高浓度和低浓度下量子产率的计算产生偏差。

优选地，使用对荧光量子产率提供最佳精度的方法，该方法包括与发射的信号相关(由此与浓度相关)的荧光信号的示踪，对使用理论公式获得的曲线进行修正。

因此，将量子产率的相对误差对总的测量点进行了平均化。

所测得的不同数值的理论表达式取决于所述荧光腔室的几何形状。

发射的信号(Pt)的理论表达式为：

$\mathrm{Pt}=\mathrm{APiexp}(-2X),\mathrm{writingX}=\mathrm{\α}\frac{L}{2}---\left(1\right)$

其中A为常量，α为测试溶液的吸光度，L为荧光腔室的宽度。

荧光信号(Pf)的理论表达式为：

其中B为常量，

是溶液发射的光子能量，

是入射光子的能量(源自激光器)，ρ为荧光量子产率，以及Δ为荧光腔室的几何参数(图3A)。

可以通过由所述表达式除以入射信号(Pi)的能量来进行归一化，其通过表达式T＝Pt/Pi和F＝Pf/Pi给出：

根据方程(1)，T＝Aexp(-2X)    (3)

根据方程(2)，

根据方程(3)和(4)，曲线F＝f(T)的理论表达式为：

可以对测得点相对于该完整表达式进行修正。但是，如果可获得的材料非常少，则仅仅能得到弱浓度下的测量值。在该情况下，则实验测量值相对于接近公式(5)的表达式的修正更加简单，例如通过在方程(5)的T＝A附近发展出有限的系列值来进行。

例如，所用的近似表达式如下：

其中C为其表达式已知的参数，但是其数值对于计算量子产率并非是必需的。

因此，可以根据以下三个参数进行曲线F＝f(T)的校正：

实验数据显示由方程(6)提供了轻微的曲率。为了获得m1的修正值，考虑到在(T-A)³处的比例项进行了校正，但是没有随后使用m3。

该过程可以首先用于标准染料：(m1)_R、(m2)_R，以及随后获得(m3)_R。根据一种变通方案，这些参数可以从先前对于该相同标准染料进行的测量获知。

该过程被用于样品，其给出(m1)_E、(m2)_E和(m3)_E。

使用比率(m1)_E/(m1)_R获得样品的相对量子产率ρ_E：

根据方程(7)：

通过使用常量B、L和Δ简化方程(8)，并通过由m2(其通过上述校正方式建立)替换参数A，获得下式：

可以包含荧光能量

的比率，因为标准物和样品并非必然地以完全相同的波长发射。

对此，还可以使用另一修正因子，因为荧光检测器的效率可随着波长而变化。

可以进行其它修正，特别是关于对标准染料和待测量染料所用的溶剂之间的指数差异的修正。

使用检测器222(图2)检测由腔室的前侧201和背侧203反射的功率(Pr)(图3B)，这就能验证腔室中溶液的均匀性。

如上所解释的，参考图3B，Pr是两个部分的总和：

(1)由腔室前侧201反射的部分601，即正比于Pi，因此与溶液的浓度无关，

(2)由腔室20背侧203反射的第二部分603，因此取决于其两次穿过的溶液。

反射功率的理论表达式为：

Pr＝rPi+r′Pt²    (10)

其中r和r′为常量。通过如前述地除以Pi进行归一化，其通过表达式R＝Pr/Pi给出：

R＝r+r′T²    (11)

如果腔室中的溶液是均匀的，则该计算有效，因为如果所述溶液并不均匀，则复杂的现象开始发挥作用并且该理论表达式不能得到证实。R＝f(T)的轨迹相对于抛物线的校正使得溶液的均匀性能够得到证实。

数据处理装置8能够处理使用例如上述方法由检测器测得的数据。

所述装置如图7所示，并且除了从与检测器相连的采集板接收数据，并且编程来实施本发明例如上述的方法的微电脑82之外，所述装置还包括使得操作者能够看见如下内容的显示装置84：

-测量点F和T以及曲线F＝f(T)的分布，

-相应的计算所得的参数m1、m2和任选地C，以及获得的相对荧光产率，

-任选地，点和曲线R＝f(T)。

还可以显示其它参数，例如入射光束的特征。

***装置86、88可以使操作者能够控制整个测量，例如射线源的触发、测量的持续时间、采集点的数量等等。

所述装置与例如图2所示的装配相关，安装在一个工作台上，可以与染料制造单元进行整合，或者与日常使用所述染料并且必须表征其量子产率的实验室进行整合。

本发明的主要优点如下：

a)相对量子产率的测量的高精度，通过获得大量F和T，以及任选的R和I；而且，可以在相当短的时间内测量大量的点。在实践中，可以在例如大约10分钟，或者例如5mn到20mn的时间内测量总计至少1000或5000，或者1000至5000之间的大量点，其足以确保所述方法的足够精度。本发明还使得所得结果能够得到适当应用。在不考虑已经存在的关于标准染料的荧光量子产率值的误差(绝对测量方法)的情况下，推荐的精度优于3％。

b)测量的及时可重现性，保证了在标准物和样品之间通过所提供装配的装置进行的可靠比较，其中所述装配的几何参数可进行严格设定。这就使得以良好的精度研究溶液的荧光量子产率随时间的衰减成为可能。

c)测量和应用其结果的方法的迅速性。通过不同检测器进行测量可以同时或者几乎同时进行。此外，使用自动注射器和数据采集装置的装配的自动化提供了快的测量速度，并且相当可观地使每一产品、标准物和随后染料的测量的实验时间减少了大约10到15分钟，即使用表达式(9)获得所述染料的量子产率总计大约减少了30分钟。

d)尽管其可以用于待测量染料的整个可能的浓度范围，但本发明并不要求在高浓度下进行测量；其也不需要精确了解染料浓度，因为仅仅使用了荧光和穿透射线。

对于乙醇中的罗丹明6G进行荧光量子产率的测量，其中已经使用若干方法对罗丹明6G的绝对量子产率进行了测量。

似乎具有最佳精度的测热法获得了94％±5％的产率(A.V.Butenin et al.，Opt.Spectrosc.47(5)，p568-569，nov.(1979))。

首先对产率由文献已知的有机染料进行了“试验性”测量，以验证所述方法。

然后，测量无机颗粒(半导体纳米晶体)的荧光量子产率。

实施例1：有机染料硫酸奎宁的荧光量子产率的相对测量

硫酸奎宁类似于罗丹明6G，是受到最广泛研究的染料之一，其荧光量子产率因此是最为公知的。测热法测量已经显示奎宁在0.1N硫酸中的产率为56％±7％(B.Gelemt et al，J.Chem.Soc.，FaradayTrans.2，70，p939-940，(1974))。

经过一些光学调整，使激光束与两个光阑(图2)给出的基准方向平行以后，对标准染料(在该情况中为罗丹明)的测量就准备好了。

向荧光腔室中注入1mL罗丹明溶液，其浓度为乙醇中C＝1mg/mL。理想地，选择所述溶液的浓度使得在实验开始时的透射为零(激光光束的所有光线均被吸收)，然后迅速地变为非零(即不能太浓)以限制采集时间。

当可获得材料的量例如较少时，可以使用低得多的浓度。

然后，通过所述六通道阀的另一通道注入乙醇从而不让空气进入体系中。

该注入自动进行并且使用自动注射管活塞以100μL/min到200μL/min的速率进行。

对注入速率进行优化以缓慢稀释溶液，获得足够数量的测量点，但也不应太多而使采集时间超过10到15分钟。

当荧光信号下降至大约为零(即，腔室中几乎不再有罗丹明)时，测量自动停止。

如果需要，可以在使用之后收集所述溶液。对于罗丹明并不推荐这样做，因为其为标准物，因此优选每次使用新鲜溶液。

另一方面，这对于仅能获得很少量的染料可能是有用的。此处需要指出的是激光光束的功率很低，在光学***的输入端P＝1μW，即比腔室处低大约两倍，这是由于在反射镜、光阑等处的损失。

该功率被选择为相当低，这样不会光漂白荧光颗粒(由光氧化引起的破坏)而使测量失真。

随后是对于0.1N硫酸中的奎宁的相同步骤。起始溶液的浓度为C＝4.5mg/mL。

一旦完成采集，则进行测量值的处理。

对于标准物和样品来说，透射信号、反射信号和荧光信号均使用入射信号进行归一化。

然后对这两种染料描绘R＝f(T)和F＝f(T)曲线。

图4中R＝f(T)曲线图显示了实验点和使用理论公式(11)的校正(虚线)。

曲线R＝f(T)由抛物线进行的该校正质量非常好：相对于所述曲线校正的修正系数(标示为C)非常接近于1。这证实在对硫酸奎宁进行采集时溶液是均匀的(图4)。对罗丹明也进行与此相同的证实(数据未显示在图中)。

在去掉代表高浓度的点之后，使用理论公式(6)进行曲线F＝f(T)的校正，因为该近似的表达式仅仅对于低浓度，F＝0的附近有效。

将代表高浓度的那些点从校正中去除是因为它们可能包含发射光再吸收的 现象。

图5显示了曲线F＝f(T)及其通过公式(6)对于罗丹明和奎宁的校正：该校正具有优异的质量，因为修正系数接近于1，分别为C_Rh＝0.9979和C_Qu＝0.9983；还发现(m1)_Rh＝-0.01040和(m1)_Qu＝-0.00547，以及(m2)_Rh＝0.3816和(m2)_Qu＝0.3819。

只有那些中等和低浓度的实验点显示在图中。虚线是相对于理论公式(6)对实验曲线的校正。

表示为C的修正系数接近于1，这证实了对于实验曲线的校正是适当的。从其推出参数(m1)Rh和(m1)Qu，(m2)Rh和(m2)Qu也是如此。

对于罗丹明最大荧光发射发生在波长λ_Rh＝568nm，而对于奎宁发生在λ_Qu＝477nm(先前进行的光致发光测量)。在这些波长下荧光检测器的功效(制造商的数据)分别为Ed_Rh＝37％和Ed_Qu＝27％。使用方程(9)，从其推出奎宁的荧光量子产率：

使用奎宁溶液的另一配制剂，以若干星期的间隔进行重复实验，得到相似的结果：56％、57％和58％。与文献值(ρ＝56％)相比较的相对偏差小于2％。

实施例2：CdSe(ZnS)纳米晶体的荧光量子产率的相对测量

半导体II-VI纳米晶体是直径为2-10nm的无机颗粒，其在光激发下发光。

半导体II-VI纳米晶体的潜在应用之一在于在化学和生物学替代中的有机染料。

因此，以它们的荧光量子产率的角度将它们与有机染料进行比较是值得关注的。

所测试的纳米晶体由市场购得。它们为内核(外壳)：CdSe(ZnS)分散在甲苯中。

为了获得粘度较低的溶液，将它们分散在三氯甲烷中。这些颗粒的激射波长为λ＝626nm。

所用的步骤与实施例1中相同，首先获得对作为标准物的罗丹明的采集，然后获得对于纳米晶体的溶液的采集。以与实施例1相同的方式处理所得结果。R＝f(T)的描绘和校正表明对于罗丹明和对于纳米晶体(数据未示出)来说修正系数接近于1，这验证了所述实验。

在图6中，仅仅显示了中等和低浓度的那些实验点。虚线是将实验曲线相对于理论公式(6)的校正。表示为C的修正系数接近于1，对于罗丹明和纳米晶体分别为C_Rh＝0.9986和C_Qu＝0.9985，这证实了对于实验曲线的校正是适当的。从其推导出参数(m1)Rh和(m1)nX，以及(m2)Rh和(m2)nX。

图6显示了曲线F＝f(T)及其对于罗丹明和纳米晶体的校正；发现(m1)_Rh＝-0.01079和(m1)_nx＝-0.00241，以及(m2)_Rh＝0.3859和(m2))_nx＝0.3430。在相应波长下荧光检测器的功效分别为Ed_Rh＝37％和Ed_nx＝43％。使用方程(9)，从其推导出这些纳米晶体的荧光量子产率：

对这些相同的纳米晶体进行另一测量给出了相同的值为19％，这确认了先前所述的结果。

Claims (31)

1.用于测量染料的相对荧光量子产率的方法，包括：

a)对于至少十种不同的处于溶剂中的染料溶液浓度：

-使用电磁射线(6)激发所述染料，

-测量所述染料由该射线激发的光致发光(67)以及通过包含该染料的腔室透射的信号(65)，

b)将所测得数据与标准染料的光致发光和透射数据进行比较，

c)计算所述染料的相对荧光量子产率。

2.根据权利要求1的方法，其中所述处于溶剂中的染料溶液的稀释随着时间增大。

3.根据权利要求1或2的方法，其中所述染料首先是标准染料，然后是量子产率待测量的染料。

4.根据权利要求1-3任一项的方法，其中对大于15或20或25，或处于10至100或500之间的大量浓度值进行测量。

5.根据权利要求1-4任一项的方法，其还包括相对于理论公式对荧光信号(F)数据和透射信号(T)数据的校正。

6.根据权利要求5的方法，其中所述理论公式为：

其中F正比于荧光信号的功率，T正比于所透射信号的功率，ρ是荧光量子产率的绝对值，

是溶液发射的光子能量，

是入射光子的能量，B和A是常数而Δ和L是包含染料的腔室的几何参数。

7.根据权利要求5的方法，其中所述理论公式为：

其中F正比于荧光信号的功率，T正比于所透射信号的功率，ρ是荧光量子产率的绝对值， 是溶液发射的光子能量，

是入射光子的能量，B和A是常数，而Δ和L是包含染料的腔室的几何参数。

8.根据权利要求1-7任一项的方法，其中染料的相对量子产率通过使用如下公式获得：

其中

是溶液发射的光子能量，

是入射光子的能量，m1和m2是表征与透射信号(T)相关的荧光(F)的变化的参数，下标R和E分别表示标准染料和样品。

9.根据权利要求1-7任一项的方法，其还包括对腔室入射射线强度或功率的变化的测量，以及荧光信号和透射信号数据相对于所述变化的归一化。

10.根据权利要求1-9任一项的方法，其还包括腔室中染料的均化。

11.根据权利要求1-10任一项的方法，其还包括由包含染料的腔室反射的信号(63)的测量。

12.根据权利要求10或11的方法，其中还包括控制染料的均化的步骤。

13.根据权利要求1-12任一项的方法，其中所述染料是有机的。

14.根据权利要求1-13任一项的方法，其中所述染料是无机的。

15.根据权利要求14的方法，其中所述染料包含半导体纳米晶体。

16.根据权利要求15的方法，其中所述半导体为II-VI型。

17.根据权利要求15的方法，其中所述半导体为CdSe(ZnS)。

18.根据权利要求1-17任一项的方法，其中用以检测荧光和穿透射线的检测装置(223，224)和腔室(20)以及至少一部分使得能够限定入射射线(62)路径的装置(13，14，15，16)彼此间相互固定。

19.根据权利要求1-18任一项的方法，其中所述染料的由射线激发的光致发光(67)和经过包含所述染料的腔室透射的信号(65)的测量以及任选地反射射线和/或入射射线的测量是同时进行的。

20.用于测量处于溶剂中的染料溶液的相对荧光量子产率的设备，其中该设备包括：

-一个荧光腔室(20)，

-用于测量由受激发染料发射的荧光信号并且测量通过染料透射的信号的装置(223，224)，

-用于计算与如下因素有关的相对量子产率的装置(8，80)：

·受激发染料发射的荧光信号和通过该染料透射的激光信号的数据，

·和与标准染料有关的数据。

21.根据权利要求20的设备，其还包括用于使腔室中的染料浓度相对于时间发生变化的装置。

22.根据权利要求20或21的设备，其还包括用于测量由腔室(20)所反射的信号的装置(222)。

23.根据权利要求20-22任一项的设备，其还包括用于均化腔室中染料的装置(206)。

24.根据权利要求20-23任一项的设备，其还包括用来测量腔室(20)的入射射线的强度或功率的变化的装置(221)。

25.根据权利要求20-24任一项的设备，其中所述计算装置将荧光信号(F)数据和透射信号(T)数据校正至理论公式。

26.根据权利要求25的设备，其中所述理论公式为：

其中F正比于荧光信号的功率，T正比于透射信号的功率，ρ是荧光量子产率的绝对值，

是溶液发射的光子能量，

是入射光子的能量，B和A是常数，而Δ和L是包含染料的腔室的几何参数。

27.根据权利要求25的设备，其中所述理论公式为：

其中F正比于荧光信号的功率，T正比于所透射信号的功率，ρ是荧光量子产率的绝对值， 是溶液发射的光子能量，

是入射光子的能量，B和A是常数，而Δ和L是包含染料的腔室的几何参数。

28.根据权利要求20-27任一项的设备，其中计算装置(8)使用如下公式计算染料的相对量子产率：

其中

是溶液发射的光子能量， 是入射光子的能量，m1和m2是表征与透射信号(T)相关的发射荧光(F)的变化的参数，下标R和E分别表示标准染料和样品。

29.根据权利要求20-28任一项的设备，其中腔室(20)和测量装置(223，224)被布置成彼此间相互固定。

30.根据权利要求20-29任一项的设备，其还包括用于限定入射射线(60)的方向的装置(13，14，15，16)。

31.根据权利要求20-30任一项的设备，其还包括用以将染料和溶剂注入腔室中的自动注射装置。

Images