מאמר שיטה

ספקטרוסקופיה פוטו-לומינסנציה בפתרון זמן של ננו-גבישים מוליכים למחצה ופלואורופורים אחרים

DOI:

10.3791/64101

⸱

4 באוגוסט 2022

1Department of Physics, University of Alberta

במאמר זה

סיכום

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מאמר זה מציג הדרכה ניסויית על פוטו-לומינסנציה שנפתרה בזמן. החומרה המשמשת בהגדרות רבות של ספירת פוטונים בודדים תתואר ותוצג הדרכה בסיסית. זה נועד לעזור לסטודנטים ולנסיינים להבין את פרמטרי המערכת העיקריים וכיצד להגדיר אותם נכון בהגדרות פוטו-לומינסנציה שנפתרו בזמן.

תקציר

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

פוטו-לומינסנציה בפתרון זמן (TRPL) היא טכניקת מפתח להבנת הפוטופיזיקה של ננו-גבישים מוליכים למחצה וחומרים פולטי אור בכלל. עבודה זו היא פריימר להקמה וביצוע TRPL על ננו-גבישים וחומרים קשורים באמצעות מערכות ספירת פוטונים בודדים (SPC). ניתן להימנע ממקורות בסיסיים של שגיאה במדידה על ידי התחשבות במערך הניסוי והכיול. יידונו מאפייני הגלאי, קצב הספירה, התגובה הספקטרלית, השתקפויות בהגדרות אופטיות והגדרות המכשור הספציפיות לספירת פוטונים בודדים. תשומת לב לפרטים אלה מסייעת להבטיח שחזור והיא הכרחית להשגת הנתונים הטובים ביותר האפשריים ממערכת SPC. המטרה העיקרית של הפרוטוקול היא לעזור לסטודנט של TRPL להבין את מערך הניסוי ואת פרמטרי החומרה העיקריים שיש להבין בדרך כלל על מנת להשיג נתוני TRPL שימושיים בהגדרות נפוצות רבות של ספירת פוטונים בודדים. המטרה המשנית היא לשמש פריימר מעובה לסטודנט של ספקטרוסקופיה ניסויית של זוהר שנפתר בזמן.

מבוא

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

פוטו-לומינסנציה ברזולוציה בזמן (TRPL) היא שיטה חשובה וסטנדרטית לחקר הפוטופיזיקה של חומרים זוהרים. מערכות מדידה TRPL יכולות להיות הגדרות פתוחות שנבנו על ידי הנסיין או שהן יכולות להיות יחידות עצמאיות שנרכשו ישירות מהיצרן. הגדרות פתוחות נחשבות עדיפות על יחידות TRPL "סגורות" מכיוון שהן מאפשרות שליטה ניסיונית יותר ודרכים נוספות לאיסוף נתונים שימושיים; עם זאת, הם דורשים הבנה מלאה יותר של המדידה. TRPL נמצא בשימוש נרחב בפיתוח התקנים זוהרים ויש לדווח עליו תמיד יחד עם ספקטרום הפליטה הבסיסי של ננו-גבישים מוליכים למחצה וחומרים פולטי אור אחרים. ישנן שיטות רבות לביצוע TRPL; פריימר זה מתמקד במערכות ספירת פוטונים בודדים.

לפני שמתחילים, חשוב להכיר במספר עבודות קודמות. ראשית, עקרונות הספקטרוסקופיה הקרינה מאת ג'וזף לקוביץ'1 הוא תקציר גדול המכיל פרק על שיטות TRPL. המבוא לספקטרוסקופיה פלואורסצנטית של אשוטוש שארמה מכיל פרק מיושן במקצת על פלואורמטרים 2 שנפתרו בזמן ובפאזההמשמשים בעיקר כימאים וביולוגים. ספקטרוסקופיה פלואורסצנטית: שיטות ויישומים חדשים3 נותרה בעלת ערך למרות שהיא בת למעלה מ-20 שנה. את המידע וההתקדמות העדכניים ביותר ניתן למצוא בחוברות ובהערות טכניות 4,5,6,7,8. ישנם גם כמה פרקים, ביקורות וספרים אלקטרוניים מצוינים המוקדשים למבוא כללי לשיטות TRPL 9,10,11,12,13,14,15.

שיטות ספירת פוטונים בודדים (SPC) נפוצות ונמצאות בשימוש נרחב, אך ישנם מספר מושגים שסטודנטים לספקטרוסקופיה פלואורסצנטית צריכים ללמוד על מנת לקחת נתונים טובים. העקרונות כאן הם כלליים וישימים למגוון רחב של ניסויי SPC. כמובן, לאחר איסוף הנתונים, האלגוריתמים והשיטות המתאימים הם אמנות חיונית נוספת. התאמת מודל TRPL חשובה ביותר ולעתים קרובות נעשית בצורה לא נכונה למרות העובדה שעבודות קודמות רבות התמקדו ספציפית בנושא הספציפי הזה 16,17,18,19. העבודה הנוכחית, לעומת זאת, מתמקדת בעיקר בהיבטים ניסיוניים של TRPL.

הרציונל לעבודה זו הוא לפתח מדריך מקיף לביצוע TRPL עם מודולי ספירת פוטונים בודדים (SPC) נפוצים. מכיוון שמערכות אלה מסובכות מבחינה טכנית, הבנה טובה של משתני הניסוי הבסיסיים חשובה לאופטימיזציה של איסוף הנתונים ולמזעור הופעתם של חפצים שניתן להימנע מהם. בעוד שטכניקות כגון שער Kerr אופטי וציוד כגון מצלמות פסים מציגות הזדמנויות מיוחדות ל-TRPL15 מהיר במיוחד, ההתפתחויות הטכניות האחרונות בתחום ה-SPC הפכו את ה-TRPL של ננו-שניות ותת-ננו-שניות לנגישות כמעט לכל מעבדת אופטיקה ניסיונית. SPC מציעה בנוסף שיפורי מהירות ורזולוציה על פני שיטות ישנות יותר כגון שילובי פוטודיודה-אוסצילוסקופ.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. הכנה

  1. עקוב אחר כל נהלי בטיחות הציוד והלייזר של המעבדה. בצע תמיד יישורים עם עוצמת הלייזר המינימלית האפשרית. הרכיבו משקפי בטיחות לייזר מתאימים.
  2. בדוק את ספקטרום ה-PL מהדגימה לפני חיבור הפלט להגדרת SPC. ודא שהספקטרום נראה כצפוי ושאף אחד מאור הלייזר העירור לא קיים. ייתכן שיהיה צורך לכוונן את ה-PL על ידי החלשת מקור העירור או שימוש במסנני צפיפות ניטרליים.
    הערה: אזהרה: יותר מדי אור עלול לגרום נזק לצמיתות לגלאי SPC.
  3. הקפד למזער את כמות אור הלייזר המוחזר או המפוזר שנכנס לאופטיקה של האוסף מכיוון שזהו מקור עיקרי לחפצים.

2. הגדרה ויישור מראש

הערה: רוב השלבים הללו אמורים להיות נחוצים רק בעת בניית התקנה חדשה.

זהירות: בעת ביצוע יישורים, הרכיבו את משקפי הבטיחות המתאימים בלייזר. הסר פריטים אישיים מחזירי אור כגון תכשיטים או שעון יד. נזק לציוד עלול להתרחש אם הגלאי חשוף ליותר מדי אור, או אם אתה משתמש בנפח כניסה לא תקיןtages עבור הציוד הספציפי שלך.

  1. השתמש במחברת וצור סקיצה. השתמש תמיד בשתי מראות לפחות. המראות עוזרות ליישר את קרן הלייזר. עבור SPC, ההגדרה צריכה להיראות דומה לזו המוצגת באיור 1; עבור דעיכות איטיות באמצעות מודולטור אקוסטו-אופטי (ראה דיון), זה ייראה דומה לזה שמוצג באיור 2.
  2. יש דגימה שהיא רקיק שטוח או שקופית, או תמיסה בקובטה. השתמש בשקופית או קובטה העשויה מסיליקה או קוורץ. אין להשתמש בשקופיות מיקרוסקופ או בבקבוקוני זכוכית מכיוון שיש להם רקע PL לבנבן חלש והם סופגי UV.
  3. נסה לגרום לקווי האלומה לרוץ לאורך כיווני השולחן האופטי. ודא שכפתורי ההידוק למחזיקי העמודים נגישים בקלות. נסה לשמור על הקורה אופקית ככל האפשר.
  4. אם אתה משתמש בסיבים אופטיים, בחר את הסיבים בהתאם. ישנם קוטרי סיבים שונים וטווחי אורכי גל שונים (סיבים מותאמים ל-UV לעומת NIR). לאותות חלשים, השתמש בסיב בקוטר גדול. הימנעו מ"ערבוב והתאמה" של סיבים מסוגים שונים. TRPL עשוי לדרוש סיבים ארוכים עקב השתקפויות.
  5. אם הדגימה נמצאת בקובטה, השתמש במחזיק קובטה. אם מדובר בפרוסה או מגלשה, השתמש ב-Wafer clamp מחזיק.
  6. הגדר את הניסוי בערך כפי שמוצג באיור 1 או באיור 2. השתמש במראה האחרונה כדי לוודא שקרן הלייזר פוגעת בדגימה ונוחתת קרוב לחזית האופטיקה של האוסף.
    הערה: אם הקורה פוגעת ליד פינת הקובט ובסופו של דבר משתקפת בכל רחבי הקובטה, ייתכן שיהיו הרבה השתקפויות פנימיות. זה יכול להוביל לספקטרום TRPL מוזר או "מבולגן", במיוחד ליד הפסגה.
  7. בצעו יישור גס על ידי שחרור הכפתור במחזיק המראה וסיבוב איטי של המראה ביד.
    זהירות: אל תשים ידיים בדרך לקורה. היזהר מהשתקפויות. יש להרכיב משקפי בטיחות לייזר מתאימים.
  8. בצעו יישור עדין באמצעות ברגי היישור או הכפתורים שעל מחזיק המראה. בצע התאמה זו על ידי מקסום אות ה-PL על מסך המחשב.
  9. חסום את כל הקורות המשתקפות. ודא שכל הקורות התועות נלקחות בחשבון וחסומות כהלכה.
  10. לעולם אל תכופף את הסיבים האופטיים לרדיוסים קטנים מ-~20 ס"מ. אחרת, הסיבים עלולים להישבר.
  11. השתמש במסנן מעבר ארוך עם חתך ארוך לפחות 25 ננומטר מאורך גל הלייזר במידת האפשר. למסנני הפרעות יש כיוון קדימה ואחורה.
  12. השג ספקטרום PL ברור ואופטימלי ללא חפצים. התאם את העוצמה בהתאם לגלאי SPC. אם יש ספק, השתמש בעוצמת PL נמוכה.

3. ספקטרוסקופיה TRPL

  1. לקיחת נתונים עם מודול SPC (דינמיקה מהירה)
    1. ודא שהמסנן והתריס המתאימים לחסימת לייזר משמשים לגלאי ספירת הפוטונים הבודדים. זה ייפגע אם הוא יקבל יותר מדי אור. התריס סגור.
    2. הפעל את הלייזר והתאם את התדר כרצונך. הפעל את מחולל עיכוב הדופק והגדיר.
    3. נתב את ה-PL למחזיק המסנן/תריס עבור גלאי SPC.
    4. בקר הגלאי ותוכנת בקרת SPC צריכים לפעול כמו גם קירור אם זמין. התאם את רווח הגלאי לערך נמוך יותר. הפעל את כל החומרה.
    5. ודא שתדירות הסנכרון רשומה כהלכה בממשק SPCM.
    6. הפעל את ה-PMT (אפשר יציאות). ה-CFD וה-TAC אמורים כעת לקרוא בתדר נמוך (ספירות כהות).
    7. פתח לאט את התריס לגלאי. אם מופיעה אזהרת רוויה, סגור/י אותה מיד. אחרת, פתחו אותו במלואו.
      התראה: יותר מדי אור עלול לגרום נזק לצמיתות לגלאי.
    8. כעת אמורות להיות ספירות גבוהות יותר של CFD, TAC ו-ADC. הגדל את רווח הגלאי בזהירות. התאם את עוצמת הלייזר כדי למנוע הצטברות.
    9. אם ספירת ה-ADC נמוכה ולא נראה ספקטרום TRPL, כוונן את מחולל ההשהיה או את תדר הסנכרון כדי להביא את מקסימום ה-TRPL ליד הצד השמאלי של חלון האיסוף (קרוב יותר ל-t = 0).
    10. בצע התאמות לפרמטרים כמתואר בטקסט הראשי, עד שניתן יהיה להבחין בעקבות דעיכת PL טובה במרווח המוקלט.
    11. בסיום ההקלטה, סגור מיד את התריס וכבה את החשמל לגלאי. כבה את הלייזר. שמור נתונים.
  2. לקיחת נתונים באמצעות הסקלר הרב-ערוצי (דינמיקה איטית)
    1. הפעל לייזר CW ובקרת אפנון אקוסטו-אופטי.
    2. פתח את תריס הלייזר. הגדר את מחולל צורות הגל ל-1 הרץ, כרך מתאיםtagדפוס וגודל (למשל, גל מרובע 0-4 וולט, 50% חובה). בדוק את הפלט של ה-AOM. צריכה להיות קרן מהבהבת עם כמעט מחצית מעוצמת הקרן הראשית. אם לא, בצע יישור מלא של ה-AOM.
    3. באמצעות הקשתית, ודא שרק הקרן הבהירה והמהבהבת מיושרת על הדגימה. הגדל את התדר לערך הרצוי (למשל, 200 הרץ). בדוק את PL = באמצעות ספקטרומטר, כפי שתואר קודם לכן.
    4. הפעל את הגלאי. הפעל את תוכנת MSC. הגדר את תוכנת MSC בהתאם לנוהל. בחר את צעדי הזמן שלך.
    5. נתב את ה-PL לכניסת הגלאי. ודא שנעשה שימוש במסנן המתאים.
    6. הפעל את ה-PMT ולאחר מכן פתח לאט את התריס כמו בשלב 3.1.7. סגור את התריס מיד אם מופיעה אזהרת רוויה. אם כן, החלש את אות ה-PL.
    7. אסוף נתונים. סגור מיד את התריס והשבת את החשמל ל-PMT בסיום. סגור את תריס הלייזר. שמור את הנתונים.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

עקומת דעיכה סטנדרטית של SPC מוצגת באיור 3. העלייה הראשונית הוזזה כך שהשיא מתאים לזמן אפס (זה לא המקרה בנתונים הגולמיים בגלל העיכובים האלקטרוניים והאופטיים). יחס האות לרקע הוא כ-100 מכיוון שלדגימה זו יש זרחן ארוך חיים אך חלש. ניתן להבחין בבירור בהשתקפות חלשה בסולם היומן, המתרחש כ-50 ns לאחר שיא ה-TRPL הראשי. זאת בשל השתקפויות בתוך סיב התיקון האופטי באורך 5 מטרים, כפי שדווח בהמשך. סיב אופטי ארוך יותר יהיה עדיף עבור דעיכת הקרינה הארוכה יחסית הזו. הדינמיקה מראה גם התנהגות לא מעריכית חד-מעריכית ב...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ישנם מספר פרמטרים חשובים הנשלטים על ידי המשתמש בכל הגדרת SPC שעל המשתמש להבין. פרמטרים אלה יסבירו את המגבלות של שיטת SPC עבור TRPL, יאפשרו למשתמש לפתור בעיות בהתקנה ביתר קלות אם משהו משתבש, ויעזרו להבין את השלבים הקריטיים הנדרשים ביעילות לאיסוף נתונים טוב. יתר על כן, דגימות שונות ידרשו לרוב הגדרות מערכת שונות - במילים אחרות, לא יכול להיות הליך יחיד לכל עקבות ריקבון SPC האפשריים. יש לשנות את ההגדרה כל הזמן, מה שדורש הבנה של מרכיבי המפתח של המערכת. הדיון הבא הוא עם התייחסות ספציפית לציוד המשמש לאיסוף הנתונים

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המחבר מצהיר שאין אינטרסים פיננסיים מתחרים.

תודות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מועצת המחקר למדעי הטבע וההנדסה של קנדה מספקת מימון למחקר זה. תודה ל-Xiaoyuan Liu על ביצוע ההתאמה באיור 3 ול-Dundappa Mumbaraddi על מתן דגימת הפרובסקיט המסוממת באדמה נדירה. תודה לג'וליוס הייץ על הנגשת הפניה20 .

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
AOMIsomet1260C
לייזרAlphalasPicopower
לייזרקוהרנטיארגוני
MCSBecker-HicklPMS-400
PMTBecker-HicklHPM100-50
PMTHamamatsuH-7422
SPCMBecker-HicklEMN130

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Lakowicz, J. Principles of Fluorescence Spectrscopy 3rd Ed. , Springer. (2006).
  2. Sharma, A., Schulman, S. G. Introduction to Fluorescence Specroscopy. , (1999).
  3. Wolfbeis, O. S. Fluorescence Spectrscopy: New Methods and Applications. , (1993).
  4. Hamamatsu Photonics K.K.. Photomultiplier Tubes: Basics and Applications 3rd Ed. , Hamamatsu Photonics K.K. (2007).
  5. Becker, W. The bh TCSPC Handbook 9th Ed. , Becker & Hickl GmbH. (2015).
  6. Ortec Inc. Time-to-Amplitude Converters and Time Calibrator. , Available from: https://www.ortec-online.com/-/media/ametekortec/other/tac-time-calibrator.pdf?la=enrevision=14ee528d-df55-4b38-be62-2314ef4ee79d&hash=20F57C21ABDD0803D6C6EB13CD3238FD (2009).
  7. PerkinsElmer. An Introduction to Fluorescence Spectroscopy. , PerkinsElmer. (2000).
  8. Wahl, M. Time-Correlated Single Photon Counting. , PicoQuant GmbH. (2014).
  9. Chithambo, M. L. An Introduction to Time-Resolved Optically Stimulated Luminescence. , IOP Books, Morgan and Claypool Publishers. (2018).
  10. Sulkes, M., Sulkes, Z. Measurement of luminescence decays: high performance at low cost. American Journal of Physics. 79, 1104-1111 (2011).
  11. Lemmetyinen, H., Tkachenko, N. V., Valeur, B., Hotta, J., Ameloot, M., Ernsting, N. P., Gustavsson, T., Boens, N. Pure and Applied Chemistry. , (2014).
  12. Datta, R., Heaster, T. M., Sharick, J. T., Gillette, A. A., Skala, M. C. Fluorescence lifetime imaging microscopy: fundamentals and advances in instrumentation, analysis, and applications. Journal of Biomedical Optics. 25, 071203(2020).
  13. Liu, X., Lin, D., Becker, W., Niu, J., Yu, B., Liu, L., Qu, J. Fast Fluorescence lifetime imaging techniques: A review on challenge and development. Journal of Innovative Optical Health Sciences. 12, 1930003(2019).
  14. Willimink, W. J., Persson, M., Pourmorteza, A., Pelc, N. J., Fleischmann, D. Photon-counting CT: Technical Principles and Clinical Prospects. Radiology. (289), 293-312 (2018).
  15. Achermann, M. A. Time-Resolved Photoluminescence Spectroscopy. Optical Techniques for Solid State Materials Characterization. , CRC Press. Chapter 12 (2016).
  16. Jakob, M., Aissiou, A., Morrish, W., Marsiglio, F., Islam, M., Kartouzian, A., Meldrum, A. Reappraising the Luminescence Lifetime Distributions in Silicon Nanocrystals. Nanoscale Research Letters. 13, 383(2018).
  17. Berberan-Santos, M. N., Bodunov, E. N., Valeur, B. Mathematical functions for the analysis of luminescence decays with underlying distributions 1. Kohlrausch decay function (stretched exponential). Chem Phys. (315), 171-182 (2005).
  18. van Driel, A. F., Nikolaev, I. S., Vergeer, P., Lodahl, P., Vanmaekelbergh, D., Vos, W. L. Statistical analysis of time-resolved emission from ensembles of semiconductor quantum dots: Interpretation of exponential decay models. Physical Review B. 75, (2007).
  19. Röding, M., Bradley, S. J., Nydén, M., Nann, T. Fluorescence Lifetime Analysis of Graphene Quantum Dots. Journal of Physical Chemistry C. 118, 30282-30290 (2014).
  20. How to optimize the TAC settings. , Available from: https://www.becker-hickl.com/faq/how-to-optimize-the-tac-settings (2019).
  21. Szlazak, R., Tutaj, K., Grudzinski, W., Gruszecki, W. I., Luchawski, R. Plasmonic-based instrument response function for time-resolved fluorescence: Toward proper lifetime analysis. Journal of Nanoparticle Research. 15, 1677(2013).
  22. Suchowski, R. L., Gryczynski, Z., Sarkar, P., Borejdo, J., Szabelski, M., Kapusta, P., Gryzynski, I. Review of Scientific Instruments. 80, 033109(2009).
  23. Caccia, M., Nardo, L., Santoro, R., Schaffhauser, D. Silicon Photomultipliers and SPAD imagers in biophotonics: Advances and perspective. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. (926), 101-117 (2019).
  24. Acerbi, F., Perenzoni, M. High Sensitivity Photodetector for Photon-Counting Applications. Photon Counting Edited. , IntechOpen. (2018).
  25. Gundacker, S., Heering, A. The silicon photomultiplier: fundamentals and applications of a modern solid-state photon detector. Physics in Medicine and Biology. (65), 17TR01(2020).
  26. Isomet Application Note AN0510, Acousto-optic modulation. , Available from: https://isomet.com/App-Manual_pdf/AO%20Modulation.pdf (2014).
  27. AA OptoElectronic, Acousto-optic Theory Application Notes. , Available from: http://www.aaoptoelectronic.com/wp-content/uploads/documents/AAOPTO-Theory2013-4.pdf (2013).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

הסרטון יגיע בקרוב

מאמרים קשורים