當(dāng)光子撞擊光電陰極時(shí)，光電子被發(fā)射到真空中，并被施加的電壓加速到第一個(gè)打拿極上，在那里它被乘上二次電子發(fā)射。電子倍增的過(guò)程在每個(gè)相鄰的打拿極重復(fù)進(jìn)行，而倍增的二次電子隨后被陽(yáng)極收集。因此電子倍增增益超過(guò)1×107是很容易實(shí)現(xiàn)的，這意味著單個(gè)光子會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大的電流脈沖，可以很容易地檢測(cè)到;從而實(shí)現(xiàn)高靈敏度熒光檢測(cè)。
高電子倍增增益需要注意的是PMT必須避免強(qiáng)光信號(hào)的照射，產(chǎn)生過(guò)多電流使PMT飽和并可能損壞PMT。特別是當(dāng)兩種發(fā)射過(guò)程發(fā)生在*不同的時(shí)間尺度(如熒光和磷光)，PMT很可能因?yàn)檫^(guò)強(qiáng)熒光信號(hào)而飽和。解決這個(gè)問(wèn)題的方法是對(duì)PMT進(jìn)行定時(shí)控制，以保護(hù)它不被過(guò)度曝光。在本應(yīng)用說(shuō)明中，會(huì)介紹在FLS1000中門(mén)控PMT的*優(yōu)勢(shì)。
重疊的熒光和磷光衰減測(cè)試
在時(shí)間分辨光致發(fā)光光譜中，由短脈沖光激發(fā)樣品，通常光源為脈沖激光器和脈沖燈，由此來(lái)獲得光致發(fā)光衰減曲線(xiàn)。用來(lái)測(cè)量和記錄光子達(dá)到檢測(cè)器時(shí)間的方法取決于光致發(fā)光壽命的大小。對(duì)于壽命在ps或ns級(jí)的熒光樣品，由于其優(yōu)良的時(shí)間分辨率，選擇時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)(TCSPC)方法。對(duì)于壽命在μs到ms時(shí)間尺度的磷光樣品，由于需要在脈沖光源低重復(fù)率下進(jìn)行快速采集，采用單光子計(jì)數(shù)多通道掃描(MCS)技術(shù)。本節(jié)描述的PMT飽和條件和時(shí)間門(mén)控技術(shù)適用于MCS磷光測(cè)試。
事實(shí)上，許多實(shí)際樣品同時(shí)顯示出熒光和磷光發(fā)射，這使得磷光壽命的測(cè)試具有挑戰(zhàn)性。例如，假設(shè)在激光激發(fā)波長(zhǎng)處具有相同吸收系數(shù)和等效光致發(fā)光量子產(chǎn)率兩種組分以1:1混合，其中一種組分的壽命為100ns，另一種組分的壽命為100μs。在它們?nèi)康墓庵掳l(fā)光衰變過(guò)程中，兩種組分將發(fā)出相同數(shù)量的光子;然而，具有短壽命的組必然會(huì)在更短的時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)射出熒光光子。
這兩種組分的光子發(fā)射之比可由它們的壽命之比得到;因此，對(duì)于壽命為100ns的組分其每秒發(fā)射的光子比壽命為100μs的組分高出1000倍。圖3為具有熒光介質(zhì)中的Tb3+離子的光致發(fā)光衰減圖。最前面的尖峰來(lái)自于熒光發(fā)射，而后面的長(zhǎng)尾則來(lái)自于Tb3+離子的磷光?？梢钥吹?，在熒光期間記錄的光子數(shù)是磷光發(fā)射期間的約100倍，這反過(guò)來(lái)意味著在熒光發(fā)射期間，每秒鐘撞擊探測(cè)器的光子數(shù)約100倍。
當(dāng)試圖測(cè)量磷光衰減時(shí)，熒光和磷光組分之間峰值光子比值的差異具有重大的影響。當(dāng)PMT檢測(cè)的信號(hào)超過(guò)2百萬(wàn)次/秒時(shí)，PMT將開(kāi)始飽和，光子計(jì)數(shù)則變得非線(xiàn)性。當(dāng)采集的信號(hào)進(jìn)一步增加到達(dá)10-100萬(wàn)次/秒時(shí)，PMT中的高電流將會(huì)導(dǎo)致電壓下降和增益降低，從而造成磷光衰減曲線(xiàn)失真以及對(duì)PMT的損害。
在典型的磷光測(cè)試中，當(dāng)樣品用高功率激光或閃光燈激發(fā)時(shí)，熒光峰信號(hào)率可以很容易地超過(guò)1億次/秒。為避免檢測(cè)器飽和，簡(jiǎn)單的方式就是減弱到達(dá)PMT的光子數(shù)（通過(guò)降低激發(fā)能量或減小發(fā)射側(cè)狹縫)，從而將熒光峰的信號(hào)采集率而降低到一個(gè)安全水平。然而，這對(duì)于磷光測(cè)試來(lái)說(shuō)是極為低效的方法，因?yàn)樵谠O(shè)置條件時(shí)，信號(hào)采集強(qiáng)度會(huì)受到短壽命熒光組分的限制，這會(huì)大大增加測(cè)量磷光所需的時(shí)間。
FLS1000的門(mén)控PMT檢測(cè)器
解決這個(gè)問(wèn)題的高效解決方案是對(duì)PMT進(jìn)行時(shí)間門(mén)控，這樣在熒光發(fā)射期間就可以防止過(guò)度曝光(圖4)。時(shí)間門(mén)控檢測(cè)器是通過(guò)在PMT插口增加一個(gè)門(mén)控電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它可以切斷打拿極中前三個(gè)電子倍增器的電壓;從而大大降低了PMT的電子倍增增益。FLS1000的Fluoracle軟件可以設(shè)置門(mén)延遲(激光或閃光燈脈沖到門(mén)啟動(dòng)的時(shí)間)和門(mén)寬，從而可以實(shí)現(xiàn)僅在感興趣的時(shí)間區(qū)域內(nèi)檢測(cè)，濾除高強(qiáng)度熒光。門(mén)控電路可作為附加組件用于FLS1000中配置的PMT-900和PMT-980可見(jiàn)探測(cè)器的選項(xiàng)，打拿極關(guān)閉數(shù)量是有效的熒光抑制和門(mén)控電路的時(shí)間響應(yīng)之間的權(quán)衡。三個(gè)打拿極的切換提供了高熒光抑制(＞1x106抑制比)和15us短上升時(shí)間之間的良好平衡，這適合于大多數(shù)磷光發(fā)射體。如果您的應(yīng)用測(cè)試需要更短的上升時(shí)間，可以將具體需求提供給我們。
將具有熒光介質(zhì)的Tb3+離子樣品使用門(mén)控檢測(cè)器再次進(jìn)行壽命測(cè)試，其結(jié)果如圖5所示。門(mén)控延遲的時(shí)間設(shè)置為0.5ms，門(mén)寬為30ms。圖中可以看到去除熒光后的b3+離子的磷光壽命衰減曲線(xiàn)。通過(guò)使用時(shí)間門(mén)控檢測(cè)器，獲得磷光衰減曲線(xiàn)的效率更高，因?yàn)榭梢允褂酶叩牧坠庥?jì)數(shù)率，而不會(huì)有探測(cè)器熒光過(guò)強(qiáng)而使得檢測(cè)器飽和的風(fēng)險(xiǎn)。
去除稀土熒光粉中的熒光背景
PMT門(mén)控也是分離光譜中重疊熒光和磷光的一種功能強(qiáng)大且易于使用的方法。在門(mén)控光譜測(cè)試中，樣品被脈沖光源激發(fā)，在設(shè)定的具體門(mén)寬的光子數(shù)被記錄為發(fā)射光譜。圖6顯示了上面討論過(guò)的Tb3+樣品的光譜。當(dāng)進(jìn)行光譜測(cè)量時(shí)，如果使用沒(méi)有門(mén)控PMT，則光譜圖中則會(huì)出現(xiàn)一個(gè)寬的熒光背景，使光譜失真。而通過(guò)啟用PMT檢測(cè)器的門(mén)控并只記錄圖5中所示的30ms門(mén)寬內(nèi)的光子，則可以獲得濾除熒光組分后真正的磷光光譜。
測(cè)試OLED中熒光和磷光光譜
熒光和磷光也可以來(lái)自同一物質(zhì)如有機(jī)分子。例如，對(duì)OLED發(fā)射體的研究，需要準(zhǔn)確的熒光和磷光光譜來(lái)計(jì)算能級(jí)分裂。當(dāng)將樣品冷卻至80K時(shí)，這些發(fā)射體發(fā)射出主要的熒光，并有少量重疊的磷光貢獻(xiàn)。門(mén)控PMT可以用來(lái)分離熒光和磷光來(lái)獲取熒光和磷光光譜，如圖7所示。
此處，樣品使用脈寬可調(diào)的激光器VPL-375并將脈寬設(shè)置為500μs，在不同的門(mén)控設(shè)置條件下測(cè)試熒光和磷光光譜。熒光光譜設(shè)置的門(mén)寬與激光器脈寬一致；磷光光譜通過(guò)延時(shí)門(mén)控5ms后測(cè)試。
結(jié)論
門(mén)控PMT電路用于測(cè)量樣品中包含發(fā)生在不同的時(shí)間尺度的發(fā)射是非常好的選擇和解決方案。通過(guò)時(shí)間門(mén)控，F(xiàn)LS1000的PMT-900或PMT-980探測(cè)器可以去除熒光發(fā)射，從而快速高效地獲得磷光衰減。此外，門(mén)控可以用來(lái)從光譜中去除不需要的背景熒光，并分離重疊熒光和磷光貢獻(xiàn)，以獲得不同的光譜。
參考文獻(xiàn)
[1] 1.Photomultiplier Tubes: Basics and Applications 3rd Ed. Hamamatsu Photonics
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