激发波长和溶液浓度对罗丹明6G绝对量子产率的影响

郑永丽， 陈 燕， 刘丽月， 周永丰

（上海交通大学化学与化工学院，上海 200240）

0 引 言

荧光量子产率指荧光物质吸光后所发射的荧光的光子数与所吸收的激发光的光子数之比值，是衡量荧光物质荧光量的尺度，也是发光材料的主要性能表征之一。罗丹明6G（Rhodamine 6G，R6G）［1-2］具有摩尔吸光系数高［3］，光稳定性好，对pH值不敏感，较宽的波长范围和较高的量子产率等优点，常常被用作相对法量子产率测量的标准物质。R6G的绝对量子产率已有诸多文献报导，测试条件变化时，实验结果也有些许变化［4-5］。但是，目前还没有溶液浓度和激发波长对其绝对量子产率影响较为系统的研究报导。而相对法量子产率测量中，标准物质的浓度和激发波长至关重要，选择不当将带来较大实验误差。

本文采用绝对法测量了R6G的量子产率，较为系统研究了激发波长和溶液浓度对其绝对量子产率的影响。此外，以R6G为标准物质，探讨了相对法量子产率测量过程中激发波长选择不当带来的实验误差。

1 实验原理与方法

1.1 实验原理

常用测量量子产率的方法为相对量子产率和绝对量子产率测量［6-7］。绝对量子产率使用全反射吸收积分球，直接计算结果。相对量子产率方法需要一种已知量子产率的标准物质作为参照，通过对标准物质和样品进行吸光度和荧光强度的测量换算得到样品的量子产率［8-9］。由于标准物质在不同溶液浓度和激发波长时，绝对量子产率会有所不同，因而相对量子产率测量中，实验参数的选择直接影响到计算结果的准确性。本文中，除特别说明，量子产率均指绝对量子产率测量得到数值。

1.2 主要仪器与试剂

（1）仪器。高级荧光稳态瞬态测量系统（QM/TM/IM，PTI公司），检测器线性响应区间200 000～1 000 000 counts；紫外/可见分光光度计（lambda35，PerkinElmer公司），测量范围200～1 100 nm，扫描速度240 nm/s；积分球（Everfine公司），SPEKTRON-R98涂层，直径80 mm；比色皿，四面光石英玻璃，尺寸1.0 cm×1.0 cm，光程1.0 cm。

（2）试剂。罗丹明6G，99.9%，荧光分析专用，Acros Organics；PLD，激光染料，激发波长469 nm；乙醇，分析纯；超纯水，实验室自制。

1.3 实验方法

（1）样品溶液的配制。取一定量R6G溶于乙醇中，分别得到浓度为0.25、0.50、0.75、1.0、1.25、1.5、1.75、2.0和2.5 μmol·L-1样品溶液。PLD溶于乙醇中，浓度30 μmol·L-1。制备得到的样品溶液放入棕色样品瓶中，并于冰箱中密封保存备用。

（2）样品光谱性能测试。取2 ml样品溶液于石英比色皿中，以乙醇为背景，测量不同浓度样品在400～600 nm的吸收光谱。另取2 mL样品溶液于石英比色皿中，分别测量不同浓度R6G样品在488 nm激发下的发射光谱图，PLC在469 nm激发下的发射光谱图，扫描范围490～700 nm。

（3）绝对量子产率测试。使用高级荧光稳态瞬态测量系统和积分球相结合的装置，以乙醇为背景，调节狭缝使光强在90～100万counts之间，步径为0.25 nm。取R6G样品溶液2 mL于石英比色皿中，以488 nm为激发波长，测量不同浓度样品吸收发射光谱曲线，用仪器自带软件计算出绝对量子产率。选择合适浓度样品，改变激发波长，得到各个激发波长的量子产率。PLD，激发波长选择469 nm，计算出绝对量子产率。

（4）相对量子产率测试。取一定浓度的R6G和PLD溶液2 mL，在相同的条件下，测量其吸收光谱和发射光谱，以R6G为标准物质，计算PLD样品的相对量子产率，相对量子产率的计算参照文献［10］。在测量过程中，要保证R6G在478～498 nm、PLD在469 nm处吸光度＜0.05，而最大发射波长数值＜100万counts.如不满足，则稀释样品，重新测量吸光度和荧光发射峰。

2 实验结果与讨论

2.1 不同浓度样品的吸收光谱

采用相对法测量子产率时，要求溶液吸光度在0.05左右或更低［11-12］，图1为不同浓度R6G样品溶液的吸光度。其中，图1（a）为实验测得不同浓度R6G样品的可见区域的吸光光谱曲线，表明随着R6G浓度的升高，400～600 nm吸光度增大。相对法量子产率测量实验将R6G用作标准样品时，激发波长为488 nm，该波长吸光度与溶液浓度关系见图1（b）所示。对照实验结果分析发现，吸光度为0.05时，样品浓度范围在1.75 μmol·L-1左右；当浓度≤2.0 μmol·L-1时，吸光度与浓度呈线性关系。

2.2 浓度对样品溶液荧光发射光谱的影响

图2（a）为不同浓度R6G样品溶液的发射光谱，发射峰面积与浓度的关系见图2（b）所示。同样可以发现，随着样品溶液浓度的增加，发射光谱的峰强也在增加。在浓度区间2.5×10-7～2.0×10-6mol·L-1，发射峰面积与浓度呈线性关系。

2.3 溶液浓度对绝对量子产率的影响

量子产率的定义是物质发射光子数与吸收光子数比值，因此，对同一浓度R6G样品溶液，其荧光发射光谱峰值面积与吸光度的比值能体现出量子产率的大小［13-14］。由图1（b）和图2（b）可知，在浓度范围2.5×10-7～2.0×10-6mol·L-1，488 nm处吸光度和发射峰面积都与浓度呈线性关系，计算结果显示发射峰面积（IE）和吸光度（A）的比值在7.5×10-7～2.0×10-6mol·L-1范围时基本不变（见图3），表明该区间内量子产率为定值，不同浓度R6G样品绝对量子产率的测量结果也验证了这一结论（见图4）。0.2 μmol·L-1浓度点IE和A比值发生较大偏离，量子产率也应该有较大差异：在浓度范围7.5×10-7～2.0×10-6mol·L-1，量子产率为95%左右，与文献［4］一致；在该范围外，量子产率降低。因而，相对法测量子产率用R6G作标准样品，配制浓度应在此区间。

对于荧光发射信号较强的样品，R6G浓度的选择可以靠近2.0 μmol·L-1，降低测量误差；而对于荧光发射信号较弱的样品，由于测量过程中要保持实验条件一致，选择浓度靠近0.75 μmol·L-1更加合适，这样可以提高被测样品的相对强度，降低仪器噪音引起的误差。另外，由于2.0 μmol·L-1浓度样品488 nm处吸光度稍大于0.05，有文献报道会引起实验误差的稍微增大［11］。因此，在测试过程中R6G的浓度尽量小于1.75 μmol·L-1。

2.4 激发波长对绝对量子产率的影响

激发波长对物质的量子产率具有较大的影响，因此在相对法量子产率测量中通常要求被测样品激发波长和标准物质的激发波长一致。对于R6G，文献［4］中报道较多的是激发波长为488 nm的量子产率。为了增大其应用范围，本文测了不同激发波长时R6G的绝对量子产率。从吸收光谱可知，当样品浓度为1.75 μmol·L-1左右时，其吸光度为0.05时。考虑到相对法中对吸光度的要求，本文选择该浓度的样品研究激发波长对绝对量子产率的影响。当激发波长为468、473、478、483、488、493和498 nm时，绝对量子产率分别为45.13、54.55、70.39、96.35、95.71、88.65和78.93%，可以看出，483和488 nm时量子产率达到最大值。而当激发波长大于或者小于该值时，量子产率都发生不同程度的降低，并且数值相差越大，量子产率的差别也越大。

2.5 标准物质波长选择不当引起的实验误差

为了说明在相对法量子产率测量过程中，标准物质波长选择不当引起的实验误差，分别用绝对法和相对法测量样品PLD的量子产率。在相对法量子产率测量中，以R6G为标准物质，激发波长分别选择478和498 nm。样品、标准物质的吸光度为A，发射峰的积分面积为IE，相对量子产率QYR的计算参照文献［10］，绝对量子产率为QYS，实验结果见表1。

表1 相对法和绝对法测得样品量子产率

实验中发现PLD绝对量子产率与波长无关，为68.08%。吸收和荧光发射光谱结果说明其A/IE为一定值，在相对法测量中，本文采用单点计算法：即选取R6G激发波长为478 nm时，PLD相对量子产率计算值为69.87%，相对偏差为2.6%；选取R6G激发波长为498 nm时，PLD相对量子产率计算值为76.53%，相对偏差为12.4%，远大于5%允许误差范围之内［15-16］，这是因为PLD样品激发波长更接近于478 nm。所以，相对法量子产率测量过程中一定要充分考虑到标准物质激发波长的影响，否则将会引起较大的测量误差。

3 结 语

本文研究了溶液浓度和激发波长对R6G绝对量子产率的影响，发现当激发波长为483～488 nm，溶液浓度在7.5×10-7～2.0×10-6mol·L-1范围时，相对法量子产率测量中可以选用95%作为R6G的绝对量子产率；而在其他激发波长以及浓度时，R6G绝对量子产率均降。在相对法量子产率的测量中，需要选择对应波长和浓度的量子产率，否则会引起测量结果的偏大。本文中测量的R6G不同浓度和激发波长的量子产率，可为相对法量子产率的测量提供参考。