當(dāng)光子撞擊光電陰極時，光電子被發(fā)射到真空中，并被施加的電壓加速到第一個打拿極上，在那里它被乘上二次電子發(fā)射。電子倍增的過程在每個相鄰的打拿極重復(fù)進(jìn)行，而倍增的二次電子隨后被陽極收集。因此電子倍增增益超過1×107是很容易實(shí)現(xiàn)的，這意味著單個光子會產(chǎn)生一個大的電流脈沖，可以很容易地檢測到;從而實(shí)現(xiàn)高靈敏度熒光檢測。
高電子倍增增益需要注意的是PMT必須避免強(qiáng)光信號的照射，產(chǎn)生過多電流使PMT飽和并可能損壞PMT。特別是當(dāng)兩種發(fā)射過程發(fā)生在*不同的時間尺度(如熒光和磷光)，PMT很可能因?yàn)檫^強(qiáng)熒光信號而飽和。解決這個問題的方法是對PMT進(jìn)行定時控制，以保護(hù)它不被過度曝光。在本應(yīng)用說明中，會介紹在FLS1000中門控PMT的*優(yōu)勢。
重疊的熒光和磷光衰減測試
在時間分辨光致發(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，由此來獲得光致發(fā)光衰減曲線。用來測量和記錄光子達(dá)到檢測器時間的方法取決于光致發(fā)光壽命的大小。對于壽命在ps或ns級的熒光樣品，由于其優(yōu)良的時間分辨率，選擇時間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)(TCSPC)方法。對于壽命在μs到ms時間尺度的磷光樣品，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飽和條件和時間門控技術(shù)適用于MCS磷光測試。
事實(shí)上，許多實(shí)際樣品同時顯示出熒光和磷光發(fā)射，這使得磷光壽命的測試具有挑戰(zhàn)性。例如，假設(shè)在激光激發(fā)波長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在更短的時間間隔內(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。最前面的尖峰來自于熒光發(fā)射，而后面的長尾則來自于Tb3+離子的磷光。可以看到，在熒光期間記錄的光子數(shù)是磷光發(fā)射期間的約100倍，這反過來意味著在熒光發(fā)射期間，每秒鐘撞擊探測器的光子數(shù)約100倍。
當(dāng)試圖測量磷光衰減時，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檢測的信號超過2百萬次/秒時，PMT將開始飽和，光子計(jì)數(shù)則變得非線性。當(dāng)采集的信號進(jìn)一步增加到達(dá)10-100萬次/秒時，PMT中的高電流將會導(dǎo)致電壓下降和增益降低，從而造成磷光衰減曲線失真以及對PMT的損害。
在典型的磷光測試中，當(dāng)樣品用高功率激光或閃光燈激發(fā)時，熒光峰信號率可以很容易地超過1億次/秒。為避免檢測器飽和，簡單的方式就是減弱到達(dá)PMT的光子數(shù)（通過降低激發(fā)能量或減小發(fā)射側(cè)狹縫)，從而將熒光峰的信號采集率而降低到一個安全水平。然而，這對于磷光測試來說是極為低效的方法，因?yàn)樵谠O(shè)置條件時，信號采集強(qiáng)度會受到短壽命熒光組分的限制，這會大大增加測量磷光所需的時間。
FLS1000的門控PMT檢測器
解決這個問題的高效解決方案是對PMT進(jìn)行時間門控，這樣在熒光發(fā)射期間就可以防止過度曝光(圖4)。時間門控檢測器是通過在PMT插口增加一個門控電路來實(shí)現(xiàn)的，它可以切斷打拿極中前三個電子倍增器的電壓;從而大大降低了PMT的電子倍增增益。FLS1000的Fluoracle軟件可以設(shè)置門延遲(激光或閃光燈脈沖到門啟動的時間)和門寬，從而可以實(shí)現(xiàn)僅在感興趣的時間區(qū)域內(nèi)檢測，濾除高強(qiáng)度熒光。門控電路可作為附加組件用于FLS1000中配置的PMT-900和PMT-980可見探測器的選項(xiàng)，打拿極關(guān)閉數(shù)量是有效的熒光抑制和門控電路的時間響應(yīng)之間的權(quán)衡。三個打拿極的切換提供了高熒光抑制(＞1x106抑制比)和15us短上升時間之間的良好平衡，這適合于大多數(shù)磷光發(fā)射體。如果您的應(yīng)用測試需要更短的上升時間，可以將具體需求提供給我們。
將具有熒光介質(zhì)的Tb3+離子樣品使用門控檢測器再次進(jìn)行壽命測試，其結(jié)果如圖5所示。門控延遲的時間設(shè)置為0.5ms，門寬為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。通過使用時間門控檢測器，獲得磷光衰減曲線的效率更高，因?yàn)榭梢允褂酶叩牧坠庥?jì)數(shù)率，而不會有探測器熒光過強(qiáng)而使得檢測器飽和的風(fēng)險(xiǎn)。
去除稀土熒光粉中的熒光背景
PMT門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。在門控光譜測試中，樣品被脈沖光源激發(fā)，在設(shè)定的具體門寬的光子數(shù)被記錄為發(fā)射光譜。圖6顯示了上面討論過的Tb3+樣品的光譜。當(dāng)進(jìn)行光譜測量時，如果使用沒有門控PMT，則光譜圖中則會出現(xiàn)一個寬的熒光背景，使光譜失真。而通過啟用PMT檢測器的門控并只記錄圖5中所示的30ms門寬內(nèi)的光子，則可以獲得濾除熒光組分后真正的磷光光譜。
測試OLED中熒光和磷光光譜
熒光和磷光也可以來自同一物質(zhì)如有機(jī)分子。例如，對OLED發(fā)射體的研究，需要準(zhǔn)確的熒光和磷光光譜來計(jì)算能級分裂。當(dāng)將樣品冷卻至80K時，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)。門控PMT可以用來分離熒光和磷光來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，在不同的門控設(shè)置條件下測試熒光和磷光光譜。熒光光譜設(shè)置的門寬與激光器脈寬一致；磷光光譜通過延時門控5ms后測試。
結(jié)論
門控PMT電路用于測量樣品中包含發(fā)生在不同的時間尺度的發(fā)射是非常好的選擇和解決方案。通過時間門控，F(xiàn)LS1000的PMT-900或PMT-980探測器可以去除熒光發(fā)射，從而快速高效地獲得磷光衰減。此外，門控可以用來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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