杂散光及堆积效应对时间分辨光谱的影响

华有杰， 黄飞飞， 徐时清

（中国计量大学光电材料与器件研究院，杭州310018）

0 引 言

时间分辨光谱是一种瞬态光谱，是激发光脉冲截止后相对于激发光脉冲的不同延迟时刻测得的荧光发射，反映了激发态电子的运动过程，即荧光动力学过程［1］。一般测量的荧光发射都随时间延迟而呈现一种衰减趋势，所以又将时间分辨光谱称作为荧光衰减曲线［2-3］。

时间分辨光谱不受激发光强度、荧光的光漂白等因素的影响，可消除瑞利散射和拉曼散射的干扰［4］，承载了被测样品的许多重要信息，以其较高的灵敏度为观察物质激发态行为提供了机会［5］。在分析共振能量转移、生物大分子、混合物荧光时，时间分辨光谱都优于稳态荧光光谱分析［6-8］，有助于对物质的激发、弛豫过程的了解，是研究原子、分子和凝聚态物质荧光动力学的有力工具［9-13］，在物理［14-16］、化学［17-18］及生物［19-20］等研究领域有着重要的研究前景与应用价值。

时间分辨光谱学的研究始于20世纪五、六十年代［21］，目前时间分辨光谱的测定方法主要有时间相关单光子记数法（TimeCorrelatedSinglePhoton Counting，TCSPC）、相调制法和频闪技术，其中TCSPC具有灵敏度高（能测量微弱荧光信号），动力学线性响应范围宽（ps至ms量级），统计学参数明确等优势，是目前应用的主要测试技术，于1975年由PTI（Photon Technology International）公司首先商品化。此外，Edinburgh Instruments、IBH、HORIBA 等公司也在生产基于TCSPC的时间分辨荧光光谱仪［22］。

本文以商用的YAG：Ce黄色荧光粉为研究对象，采用时间相关单光子记数法对其时间分辨光谱进行测试分析，着重探讨光源杂散光及光子堆积效应对时间分辨光谱测试结果的影响，并通过光源光谱校正及严格控制狭缝参数等方法对测试过程进行优化，获得了良好的测试效果，为从事时间分辨光谱测试分析的相关实验技术人员提供技术参考。

1 实验部分

（1）实验设备。荧光光谱仪（型号FL3-211，法国，Jobin Yvon公司）；时间相关单光子计数器（型号FluoroHub，美国，Horiba公司）；泵浦光源（型号NanoLED，美国，Horiba公司）。

（2）实验材料。YAG：Ce荧光粉（化学式Y2.94Al5O12：0.06Ce3＋，自制）；硫酸钡（纯度99.99%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；带通滤光片（型号SYK-BVI-450，北京盛亚康科技有限公司）。

2 结果与讨论

2.1 时间分辨光谱测试原理

图1所示为采用TCSPC测量荧光材料时间分辨光谱的测量原理示意图，其硬件主要包括荧光光谱仪和时间相关单光子计数器。具体工作原理如下：①由时间相关单光子计数器产生一系列计时脉冲（NIM timing pulse），该计时脉冲一方面触发时-幅转换器（TAC），产生一个Start信号使其开始计时；另一方面又同步驱动脉冲光源（Pulsed source），产生具有一定频率的脉冲激发光。②当脉冲激发光入射到待测样品（Sample）上时，由于光致发光作用，待测样品会产生光子发射（Emission），发射的光子经过一系列光路后，通过狭缝（Slit）进入探测器（Detector），当探测器检测到第1个光子信号时，就将该信号传递给TAC，并产生一个Stop信号使其停止计时，在实际信号传递过程中会产生一定的时间延迟（Delay）。③利用模-数转换器（ADC）对TAC产生的时间信号进行数字化，并利用多道分析仪（MCA）记录下检测到每个光子的时间，最后将具有相同时间的光子数量进行累加，根据大量光子的统计结果即可获得所有发射光子的实际强度与时间的分布函数F（t），即时间分辨光谱。

图1 时间分辨光谱测量原理示意图

2.2 YAG：Ce荧光粉的晶体结构及荧光光谱

图2 所示为YAG：Ce荧光粉的晶体结构图。由图可以看出，YAG的晶体结构属于立方晶系，空间群为Ia-3d（230），晶格常数a ＝120.062 nm，V ＝17 306.8 nm，Z＝8，Y原子在晶体结构中仅占据一个24c格位，与8个氧原子配位形成十二面体，Al原子分别占据16a和24d两个格位，其中Al1（16a）与8个氧原子配位形成八面体，而Al2（24d）与4个氧原子配位形成四面体。当在YAG晶体中引入Ce3＋离子时，Ce3＋离子将会取代部分Y3＋离子格位，形成发光中心。

图2 YAG：Ce荧光粉的晶体结构

图3 所示为YAG：Ce荧光粉的激发和发射光谱。从图3（a）可以看出，当监测波长为540 nm时，该荧光粉的激发光谱由2个独立的宽激发带构成，其峰值分别位于342和450 nm，两个激发带分别对应于Ce3＋离子从基态向不同激发态的能级跃迁过程，其中342 nm激发带属于Ce3＋的2F5／2→2D5／2跃迁，而450 nm 激发带属于Ce3＋的2F5／2→2D3／2跃迁。从图3（b）可以看出，当激发波长为450 nm时，该荧光粉能产生480～700 nm的宽带荧光发射，其发射峰位于540 nm左右，对应于Ce3＋离子的5d→4f能级跃迁。从图3（b）还可以看出，该荧光粉的发射带具有明显的左右不对称特性，并不属于典型的高斯型荧光发射，表明该荧光发射是由多个能级跃迁构成的。通常来说，在单一基质荧光粉中稀土离子具有多个不同能级跃迁的原因主要有：①稀土离子在晶体结构中占据不同的晶体格位，形成不同的发光中心，进而产生不同的能级跃迁；②稀土离子本身具有丰富的能级，可以产生不同的能级跃迁。从YAG：Ce荧光粉的晶体结构可以看出，YAG晶体中Y3＋离子仅有一个晶体格位，当Ce3＋离子取代Y3＋离子时只能形成一个发光中心。因此，可以排除多个不同发光中心的情况，造成YAG：Ce荧光粉发射谱带左右不对称的原因主要是Ce3＋离子本身具有不同的能级跃迁。实际上，Ce3＋离子的4f能级由于自旋耦合而劈裂为两个光谱支项，即2F7／2和2F5／2，因此，当Ce3＋由最低激发态能级2D3／2向基态跃迁时会产生两个发射谱带，分别由2D3／2→2F7／2和2D3／2→2F5／2能级跃迁引起，使Ce3＋具有很宽的不对称发射光谱。

2.3 YAG：Ce荧光粉的时间分辨光谱

图3 YAG：Ce荧光粉的激发和发射光谱

不同的荧光发射波长对应于不同的荧光动力学过程，由于YAG：Ce荧光粉具有极宽的荧光发射谱带，因此，为了深入研究YAG：Ce荧光粉的荧光动力学过程，必须对不同发射波长的时间分辨光谱进行研究。图4为监测YAG：Ce荧光粉不同发射波长的时间分辨光谱，监测波长分别为500、520、540、560、580 和600 nm，对应于图3（b）中虚线位置，图4中纵坐标为累计光子数。从图4可以看出，当监测波长分别为560、580和600 nm时，时间分辨光谱显示为一条直线，其原因是Ce3＋离子在YAG：Ce荧光粉中仅有一个发光中心，因此其荧光动力学过程为典型的单一指数衰减过程。当监测波长分别为500、520和540 nm时可以发现，除了Ce3＋离子的单一指数衰减过程之外，图中还出现了一个急剧衰减的杂散光信号，该杂散光信号与泵浦光源（prompt）信号非常相似，并且发射波长越靠近泵浦光源波长，该杂散光信号越明显，导致测试结果明显失真。因此，为了获得准确的测试结果，在测试过程中必须消除该杂散光的影响。

图4 监测不同发射波长的时间分辨光谱

为了探明图4中杂散光信号的来源，分别对YAG：Ce荧光粉和BaSO4粉体的稳态荧光发射光谱进行了测试，如图5所示。从图5中黑线可以看出，YAG：Ce荧光粉的稳态荧光发射光谱由两个宽带发射峰构成，其发射峰值分别位于460和540 nm，结合光源参数和YAG：Ce荧光粉的荧光特性可以知道，前者来自泵浦光源；而后者来自YAG：Ce荧光粉的宽带荧光发射，并且两者在500 nm附近有一个很宽的叠加区域。为了表征泵浦光源的实际光谱范围，选用BaSO4粉体作为参考样品进行了发射光谱测试。由于BaSO4粉体在可见光区域具有很强的光学反射特性，并且在蓝光激发下不会产生荧光发射，是一种良好的光学反射基底材料，因此，利用BaSO4粉体测得的发射光谱实际就是泵浦光源的发射光谱，如图5中红线所示。从图中可以看出，该泵浦光源具有非常大的光谱半高宽（～40 nm），发射峰值位于460 nm左右，向长波方向一直延伸至550 nm。因此，当监测波长为500、520和540 nm时，该泵浦光源均会对时间分辨光谱测试结果造成不同程度的干扰，并且对500 nm的干扰较强，对540 nm的干扰较弱。同时，当监测波长为560、580和600 nm时，该泵浦光源将对时间分辨光谱测试结果的干扰完全消失，这一结果与图4中时间分辨光谱的测试结果完全相符。因此，可以确定图4中杂散光信号来自泵浦光源。

图5 稳态荧光光谱

为了克服泵浦光源作为杂散光与荧光信号同时进入探测器对时间分辨光谱造成的强烈干扰，必须对泵浦光源的光谱信号进行优化。本文采用的方法是，在泵浦光源（Pulsed source）与待测样品（Sample）之间增加一片窄带的带通滤光片，该滤光片的透过光谱及安装示意图如图6所示。从图6可以看出，该带通滤光片的透过峰值位置位于450 nm，最高透过率约为90%，透过光谱半高宽仅为10 nm左右，其光谱截止区域的光学密度OD＝4，能够有效阻挡截止波段的光线透过。当带宽较宽的泵浦光通过该带通滤光片时，其半高宽将从40 nm被优化为10 nm，光谱发射峰从460nm调整至450 nm，校正后的泵浦光源与图3（a）中YAG：Ce荧光粉激发光谱完全匹配。因此，经过带通滤光片优化的泵浦光源仍然能够有效激发YAG：Ce荧光粉，使其产生荧光发射。

图6 带通滤光片透过光谱及安装示意图

图7 所示为增加带通滤光片后YAG：Ce荧光粉和BaSO4粉体的稳态（steady state）荧光发射光谱。与图5相比，优化后的泵浦光源半高宽明显变小，其值从40 nm缩小至10 nm左右，向长波方向最大延伸至460 nm，而YAG：Ce荧光粉在短波方向最小仅延伸至490 nm左右，因此，泵浦光源与YAG：Ce荧光粉在500 nm附近不再出现光谱重叠区域，即泵浦光源对YAG：Ce荧光粉的时间分辨光谱也将不会起到杂散光干扰作用。

图7 增加带通滤光片后的稳态荧光光谱

图8 所示为增加带通滤光片后监测YAG：Ce荧光粉不同发射波长的时间分辨光谱，监测波长分别为500、520、540、560、580 和600 nm。与图4 相比可以发现，当监测波长分别为500、520和540 nm时，时间分辨光谱中不再出现杂散光信号，所有的曲线均为单一指数衰减过程，表明该带通滤光片对测试信号起到了很好的优化作用。当监测波长分别为560、580和600 nm时，其测试结果与图4保持一致，表明增加该带通滤光片后不会对正常的测试过程引起其他负面影响。因此，增加带通滤光片能够对YAG：Ce荧光粉的时间分辨光谱测试提供良好的优化作用。

荧光寿命是研究发光材料荧光动力学过程的重要参数，其定义为：当某种物质被一束激发光激发后，该物质的发光中心吸收能量后从基态跃迁到某一激发态上，再以辐射跃迁的形式发出荧光回到基态。当去掉激发光后，发光中心的荧光强度降到激发时的荧光最大强度I0的1／e所需要的时间，称为荧光寿命，常用τ表示［22］。根据不同的荧光动力学过程，选用不同的拟合函数对时间分辨光谱进行拟合即可获得各自的荧光寿命。从上述分析可以知道，YAG：Ce荧光粉的时间分辨光谱属于单一指数衰减过程，因此只需要采用一阶指数（1-exponential）衰减的方法对其进行拟合，拟合公式如下：

式中：I（t）为荧光强度随时间的变化值；I0为激发时的荧光最大强度；t为激发停止后经历的时间；τ为荧光寿命。实际上，由于仪器本身存在延迟及探测器响应问题，因此通过直接测试获得的时间分辨光谱与拟合函数的理论模型之间总是存在一定的差异，尤其是对于荧光寿命较短（纳秒级）的情况，在拟合过程中必须考虑仪器本身的响应函数P（t），实际测试获得的时间分辨光谱为仪器响应函数P（t）与理论拟合函数I（t）卷积之后的结果，表达式如下：

图8 增加带通滤光片后的时间分辨光谱

实际测试过程中，P（t）是极难获得的，通常选用泵浦光源的时间分辨光谱（即prompt）来近似代替响应函数P（t），虽然这种代替存在着监测波长不同，函数本身被量子化及测试结果包含噪声等缺点，但是，它极大地简化了复杂时间分辨光谱的解析过程，因此一直被人们所采用。根据图8获得的时间分辨光谱，其一阶指数（1-exponential）衰减拟合结果如表1所示。表中χ2表示理论模型与实际测试结果的拟合度，其值定义如下：

式中：Y（i）代表实际值；FD（i）代表理论值；σ（i）代表标准偏差，该值越接近于1则表明拟合程度越好。从表中可以看出，对于所有的监测波长，其拟合度χ2均小于2，表明实际测试结果与理论模型匹配得非常好，当监测波长分别为500、520、540、560、5 800 和600 nm时，其对应的τ 分别为55.5、58.5、61.9、64.1、65.0 和66.0 ns，可以发现τ随监测波长的变大而增大。出现这种变化规律的原因是：当Ce3＋离子被泵浦光激发至激发态后，需要先经过一定的时间弛豫至激发态的较低能级，然后再跃迁至基态从而产生光子发射，其弛豫时间越长，则激发态能级越低，产生的光子发射波长越长，因此，监测波长越大则荧光寿命也越长，符合Ce3＋离子在各个波段的荧光动力学过程。

表1 YAG：Ce荧光粉的一阶指数衰减拟合结果

此外，研究发现在不同狭缝条件下测试获得的时间分辨光谱具有明显的差异，如图9所示。当监测波长固定为540 nm不变，光谱仪狭缝分别为0.4、0.8、1.2、1.6、2.0 和2.4 nm 时，随着光谱仪狭缝的增大，其时间分辨光谱明显变得扭曲，并且逐渐向短寿命方向偏移，曲线形状不再是单一指数衰减过程，导致测试结果失真，出现严重的系统误差。为了找到出现这种不良情况的原因及解决方法，需要从时间相关单光子计数器中时-幅转换器（TAC）的工作原理进行研究。

图9 不同狭缝条件下的时间分辨光谱

图1 所示时-幅转换器（TAC）的工作原理如下：TAC检测到光子的时间是由接收到Sart和Stop两个脉冲信号的时间差决定的，其中Stop脉冲信号由发射光子触发。假如在一个计时周期内探测器并没有检测到光子，那么将不会产生Stop脉冲信号，随后TAC将会重置并等待下一个Start脉冲信号。相反，假如在一个计时周期内产生了大量具有不同时间的光子，TAC也只能记录第1个触发Stop信号的光子时间，其他“迟到”的光子将被丢弃，并不能被准确记录下来，这是时间相关单光子计数法（TCSPC）存在的固有缺点。假如有大量“迟到”的光子被丢弃，就会导致时间分辨光谱出现扭曲变形的现象，与真实的荧光寿命相比，测试获得的荧光寿命将会向短寿命方向偏移，这一现象被称之为堆积效应（pile-up effect）［1］。为了尽量避免出现光子堆积效应，必须严格控制发射光子数与光源脉冲数的比例，该比例可用获得Stop和Start脉冲信号的频率之比α来表示，即：

式中：Sp和St分别为获得Stop和Start脉冲信号的频率。一般认为，当α＜2%时，光子的堆积效应即可忽略不计。表2给出了不同狭缝条件下获得的α值，以及分别采用一阶和二阶指数衰减拟合获得的结果。从表2 可以看出，当狭缝大小分别为0.4、0.8、1.2、1.6、2.0和2.4 nm 时，其对应的α 值分别为1.8%、12.4%、30.7%、50.2%、74.3% 和99.5%，表明α 值随着狭缝大小的增大而增大，当狭缝超过0.8 nm时，开始出现明显的光子堆积效应。当采用一阶指数衰减对其进行拟合时，拟合度参数χ2随α的增大从1.747增大至10.926，表明该时间分辨光谱与单一指数衰减过程的拟合度越来越差，不能获得准确的荧光寿命，因此表中并未列出。当采用二阶指数衰减对其进行拟合时，χ2均小于2，获得了良好的拟合效果。但是，当α从1.8%提高至99.5%时，测得的平均荧光寿命从60.4 ns降低至33.9 ns，产生了严重的系统误差。上述结果表明，光子的堆积效应是引起时间分辨光谱测试误差的重要原因，必须通过严格控制发射光子数与光源脉冲数的比例，才能有效降低光子堆积效应引起的测试误差。

表2 YAG：Ce荧光粉的一阶和二阶指数衰减拟合结果

3 结 语

本文采用TCSPC对YAG：Ce荧光粉的时间分辨光谱进行了测试分析，并分析讨论了TCSPC的测试原理及存在问题，获得以下结论：

（1）未经优化的泵浦光源会以杂散光的形式与样品荧光同时进入探测器，从而对时间分辨光谱产生干扰，监测波长越靠近泵浦光源，则越容易受到泵浦光源的影响。本文采用带通滤光片校正的方法对泵浦光源光谱进行了优化，消除了泵浦光源作为杂散光的影响，获得了良好的测试效果。

（2）光子的堆积效应会导致测试获得的时间分辨光谱发生扭曲，并向短寿命方向偏移。本文采用调节光谱仪狭缝大小的方法，严格控制检测到的荧光光子数与光源脉冲数的比例，可有效降低光子堆积效应引起的测试误差。

综上所述，杂散光干扰与堆积效应是采用TCSPC方法测试时间分辨光谱存在的普遍问题，本文提出的优化与改进方法不仅适用于YAG：Ce荧光粉，同时也可推广至其他发光材料的测试分析，从而为提高相关实验技术人员的测试水平提供参考。