Artykuł metodologiczny

Czasowo-rozdzielcza spektroskopia fotoluminescencyjna nanokryształów półprzewodnikowych i innych fluoroforów

DOI:

10.3791/64101

⸱

4 sierpnia 2022

1Department of Physics, University of Alberta

W tym artykule

Podsumowanie

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

Ten artykuł przedstawia eksperymentalny poradnik dotyczący fotoluminescencji czasowo-rozdzielczej. Opisany zostanie sprzęt używany w wielu konfiguracjach zliczania pojedynczych fotonów i przedstawione zostaną podstawowe instrukcje. Ma to na celu pomóc studentom i eksperymentatorom w zrozumieniu kluczowych parametrów systemu i prawidłowego ich ustawienia w konfiguracjach fotoluminescencji z rozdzielczością czasową.

Streszczenie

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

Fotoluminescencja czasowo-rozdzielcza (TRPL) jest kluczową techniką dla zrozumienia fotofizyki nanokryształów półprzewodnikowych i materiałów emitujących światło w ogóle. Praca ta stanowi podstawę do tworzenia i przeprowadzania TRPL na nanokryształach i materiałach pokrewnych przy użyciu systemów zliczania pojedynczych fotonów (SPC). Podstawowych źródeł błędów w pomiarze można uniknąć, biorąc pod uwagę konfigurację doświadczalną i kalibrację. Omówione zostaną właściwości detektora, szybkość zliczania, odpowiedź spektralna, odbicia w układach optycznych oraz specyficzne ustawienia oprzyrządowania do zliczania pojedynczych fotonów. Dbałość o te szczegóły pomaga zapewnić odtwarzalność i jest niezbędna do uzyskania najlepszych możliwych danych z systemu SPC. Głównym celem protokołu jest pomoc studentowi TRPL w zrozumieniu konfiguracji eksperymentalnej i kluczowych parametrów sprzętowych, które należy ogólnie zrozumieć, aby uzyskać użyteczne dane TRPL w wielu popularnych konfiguracjach zliczania pojedynczych fotonów. Drugorzędnym celem jest służenie jako skondensowany starter dla studenta eksperymentalnej czasowo-rozdzielczej spektroskopii luminescencji.

Wprowadzenie

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

Fotoluminescencja czasowo-rozdzielcza (TRPL) jest ważną i standardową metodą badania fotofizyki materiałów luminescencyjnych. Systemy pomiarowe TRPL mogą być otwartymi konfiguracjami skonstruowanymi przez eksperymentatora lub mogą być samodzielnymi jednostkami zakupionymi bezpośrednio od producenta. Otwarte konfiguracje są uważane za lepsze od jednostek TRPL typu "zamknięta skrzynka", ponieważ pozwalają na bardziej eksperymentalną kontrolę i dodatkowe sposoby zbierania użytecznych danych; Wymagają one jednak pełniejszego zrozumienia pomiaru. TRPL jest szeroko stosowany w rozwoju urządzeń luminescencyjnych i powinien być zawsze raportowany wraz z podstawowym widmem emisyjnym nanokryształów półprzewodnikowych i innych materiałów emitujących światło. Istnieje wiele metod wykonywania TRPL; Ten elementarz skupia się na systemach zliczania pojedynczych fotonów.

Zanim zaczniesz, ważne jest, aby zapoznać się z kilkoma wcześniejszymi pracami. Po pierwsze, Principles of Fluorescence Spectroscopy by Joseph Lakowicz1 to obszerne kompendium zawierające rozdział poświęcony metodom TRPL. Wprowadzenie do spektroskopii fluorescencyjnej Ashutosha Sharmy zawiera nieco przestarzały rozdział o fluorymetrach z rozdzielczością czasową i fazową2 używanych głównie przez chemików i biologów. Spektroskopia fluorescencyjna: nowe metody i zastosowania3 pozostaje cenna, mimo że ma już ponad 20 lat. Najnowsze informacje i postępy można znaleźć w podręcznikach i uwagach technicznych4,5,6,7,8. Istnieje również kilka doskonałych rozdziałów, recenzji i e-booków poświęconych ogólnemu wprowadzeniu do metod TRPL9,10,11,12,13,14,15.

Metody zliczania pojedynczych fotonów (SPC) są powszechne i szeroko stosowane, ale istnieje kilka koncepcji, które studenci spektroskopii fluorescencyjnej powinni nauczyć, aby uzyskać dobre dane. Zasady zawarte w niniejszym dokumencie są ogólne i mają zastosowanie do szerokiego zakresu eksperymentów SPC. Oczywiście, po zebraniu danych, algorytmy i metody dopasowania są kolejną istotną sztuką. Dopasowanie modelu TRPL jest niezwykle ważne i często jest wykonywane nieprawidłowo, pomimo faktu, że wiele poprzednich prac skupiało się na tym konkretnym problemie16,17,18,19. Niniejsza praca skupia się jednak przede wszystkim na eksperymentalnych aspektach TRPL.

Uzasadnieniem dla tej pracy jest opracowanie kompleksowego przewodnika w kierunku wykonywania TRPL z popularnymi modułami zliczania pojedynczych fotonów (SPC). Ponieważ systemy te są skomplikowane technicznie, dobre zrozumienie podstawowych zmiennych eksperymentalnych jest ważne dla optymalizacji gromadzenia danych i minimalizacji pojawiania się artefaktów, których można uniknąć. Podczas gdy techniki takie jak optyczne bramkowanie Kerra i sprzęt, taki jak kamery smugowe, stwarzają szczególne możliwości dla ultraszybkich TRPL15, ostatnie osiągnięcia techniczne w dziedzinie SPC sprawiły, że nanosekundowy i subnanosekundowy TRPL jest łatwo dostępny dla prawie każdego eksperymentalnego laboratorium optycznego. SPC dodatkowo oferuje poprawę szybkości i rozdzielczości w porównaniu ze starszymi metodami, takimi jak kombinacje fotodiody i oscyloskopu.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

1. Przygotowanie

  1. Przestrzegaj wszystkich procedur bezpieczeństwa sprzętu i lasera w laboratorium. Zawsze wykonuj wyrównanie z minimalną możliwą mocą lasera. Nosić odpowiednie okulary ochronne do lasera.
  2. Sprawdź widmo PL z próbki przed podłączeniem wyjścia do konfiguracji SPC. Upewnij się, że widmo wygląda zgodnie z oczekiwaniami i że nie ma światła lasera wzbudzenia. Może być konieczne dostrojenie PL poprzez osłabienie źródła wzbudzenia lub użycie filtrów o neutralnej gęstości.
    UWAGA: Ostrzeżenie: zbyt dużo światła może trwale uszkodzić detektor SPC.
  3. Upewnij się, że minimalizujesz ilość odbitego lub rozproszonego światła laserowego, które dostaje się do optyki kolekcji, ponieważ jest to główne źródło artefaktów.

2. Konfiguracja i wstępne wyrównanie

UWAGA: Większość z tych kroków powinna być konieczna tylko przy tworzeniu nowej konfiguracji.

UWAGA: Podczas wykonywania wyrównania noś odpowiednie okulary ochronne do lasera. Usuń odblaskowe przedmioty osobiste, takie jak biżuteria lub zegarek na rękę. Uszkodzenie sprzętu może wystąpić, jeśli detektor zostanie wystawiony na zbyt dużo światła lub jeśli użyjesz niewłaściwej objętościtage wejściowe dla konkretnego sprzętu.

  1. Użyj notatnika i najpierw zrób szkic. Zawsze używaj co najmniej dwóch lusterek. Lustra pomagają wyrównać wiązkę lasera. W przypadku SPC konfiguracja powinna wyglądać podobnie do pokazanej w Rysunek 1; dla powolnych zaników przy użyciu modulatora akustyczno-optycznego (patrz Dyskusja), będzie to wyglądało podobnie do pokazanego na Rysunek 2.
  2. Weź próbkę, która jest albo płaską płytką lub szkiełkiem, albo roztworem w kuwecie. Użyj szkiełka lub kuwety wykonanej z przezroczystej stopionej krzemionki lub kwarcu. Nie należy używać szkiełek mikroskopowych ani szklanych fiolek, ponieważ mają one słabe białawe tło PL i pochłaniają promieniowanie UV.
  3. Postaraj się, aby linie wiązki przebiegały wzdłuż kierunków stołu optycznego. Upewnij się, że pokrętła dokręcające uchwyty słupków są łatwo dostępne. Staraj się, aby wiązka była jak najbardziej pozioma.
  4. Jeśli korzystasz ze światłowodów, należy odpowiednio dobrać włókna. Istnieją różne średnice włókien i różne zakresy długości fal (włókna zoptymalizowane pod kątem UV i NIR). W przypadku słabych sygnałów użyj światłowodu o dużej średnicy. Unikaj "mieszania i dopasowywania" włókien różnych typów. TRPL może wymagać długich włókien ze względu na odbicia.
  5. Jeśli próbka znajduje się w kuwecie, użyj uchwytu na kuwetę. Jeśli jest to wafel lub szkiełko, użyj płytki clamp uchwyt.
  6. Skonfiguruj eksperyment mniej więcej tak, jak pokazano na Rysunek 1 lub Rysunek 2. Użyj ostatniego lustra, aby upewnić się, że wiązka lasera uderza w próbkę i ląduje blisko przodu optyki zbierającej.
    UWAGA: Jeśli wiązka uderzy w róg kuwety i odbije się w całym wnętrzu kuwety, może dojść do wielu wewnętrznych odbić. Może to prowadzić do dziwnego lub "niechlujnego" widma TRPL, szczególnie w pobliżu szczytu.
  7. Wykonaj zgrubne wyrównanie, poluzowując pokrętło na uchwycie lusterka i powoli obracając lusterko ręcznie.
    UWAGA: Nie pozwól, aby żadne ręce przeszkadzały belce. Uważaj na odbicia. Załóż odpowiednie laserowe okulary ochronne.
  8. Wykonaj dokładne wyrównanie za pomocą lub pokręteł wyrównujących na uchwycie lusterka. Dokonaj tej regulacji, maksymalizując sygnał PL na ekranie komputera.
  9. Zablokuj wszystkie odbite belki. Upewnij się, że wszystkie rozproszone belki są uwzględnione i odpowiednio zablokowane.
  10. Nigdy nie zginaj światłowodów do promieni mniejszych niż ~20 cm. W przeciwnym razie światłowód może pęknąć.
  11. Jeśli to możliwe, należy użyć filtra długoprzepustowego z odcięciem co najmniej 25 nm dłuższym niż długość fali lasera. Filtry interferencji mają kierunek do przodu i do tyłu.
  12. Uzyskaj wyraźne, zoptymalizowane spektrum PL bez artefaktów. Dostosuj intensywność odpowiednio do detektora SPC. W razie wątpliwości użyj niskiej intensywności PL.

3. Spektroskopia TRPL

  1. Pobieranie danych za pomocą modułu SPC (szybka dynamika)
    1. Upewnij się, że w detektorze zliczającym pojedyncze fotony używany jest odpowiedni filtr blokujący laser i konfiguracja migawki. Zostanie uszkodzony, jeśli dostanie się zbyt dużo światła. Migawka jest zamknięta.
    2. Włącz laser i dostosuj częstotliwość zgodnie z potrzebami. Włącz generator opóźnienia impulsów i skonfiguruj.
    3. Poprowadź PL do uchwytu filtra/żaluzji detektora SPC.
    4. Sterownik detektora i oprogramowanie sterujące SPC powinny być uruchomione, a także chłodzenie, jeśli jest dostępne. Dostosuj wzmocnienie detektora do niższej wartości. Zasilaj cały sprzęt.
    5. Upewnij się, że częstotliwość synchronizacji jest poprawnie zarejestrowana w interfejsie SPCM.
    6. Zasil PMT (wyjścia włączone). CFD i TAC powinny teraz odczytywać niską częstotliwość (ciemne zliczenia).
    7. Powoli otwórz migawkę czujnika. Jeśli zobaczysz ostrzeżenie o nasyceniu, natychmiast je zamknij. W przeciwnym razie otwórz go całkowicie.
      UWAGA: Zbyt dużo światła może trwale uszkodzić detektor.
    8. Powinna być teraz większa liczba kontraktów CFD, TAC i ADC. Ostrożnie zwiększaj wzmocnienie detektora. Dostosuj moc lasera, aby uniknąć nawarstwiania się.
    9. Jeśli liczba ADC jest niska i nie widać widma TRPL, dostosuj generator opóźnienia lub częstotliwość synchronizacji, aby zbliżyć maksimum TRPL do lewej strony okna zbierania (bliżej t = 0).
    10. Dokonaj regulacji parametrów zgodnie z opisem w tekście głównym, aż będzie można zaobserwować dobry ślad zaniku PL w zarejestrowanym interwale.
    11. Po zakończeniu nagrywania natychmiast zamknij migawkę i wyłącz zasilanie detektora. Wyłącz laser. Zapisywanie danych.
  2. Pobieranie danych za pomocą wielokanałowego skalara (niska dynamika)
    1. Włącz sterowanie i zasilanie laserem CW i modulatorem akustyczno-optycznym.
    2. Otwórz migawkę lasera. Ustaw generator przebiegów na 1 Hz, odpowiedni wzór napięcia i wielkość (np. fala prostokątna 0-4 V, 50% obciążenia). Sprawdź dane wyjściowe AOM. Powinna być wiązka o prawie połowie intensywności światła drogowego. Jeśli nie, wykonaj pełne wyrównanie AOM.
    3. Używając przysłony, upewnij się, że tylko jasna, wiązka jest wyrównana na próbce. Zwiększ częstotliwość do żądanej wartości (np. 200 Hz). Sprawdź PL = za pomocą spektrometru, jak opisano wcześniej.
    4. Włącz detektor. Uruchom oprogramowanie MSC. Ustaw oprogramowanie MSC zgodnie z procedurą. Wybierz swoje przedziały czasowe.
    5. Poprowadź PL do wejścia czujnika. Upewnij się, że używany jest odpowiedni filtr.
    6. Włącz PMT, a następnie powoli otwórz migawkę, jak w kroku 3.1.7. Natychmiast zamknij migawkę, jeśli pojawi się ostrzeżenie o nasyceniu. Jeśli tak, osłabij sygnał PL.
    7. Zbieranie danych. Natychmiast zamknij migawkę i wyłącz zasilanie PMT po zakończeniu. Zamknij migawkę lasera. Zapisz dane.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Standardowa krzywa rozpadu SPC jest pokazana w Rysunek 3. Początkowy wzrost został przesunięty tak, aby szczyt odpowiadał czasowi zerowemu (nie ma to miejsca w przypadku surowych danych ze względu na opóźnienia elektroniczne i optyczne). Stosunek sygnału do tła wynosi około 100, ponieważ ta próbka ma długotrwałą, ale słabą fosforescencję. Na skali logarytmicznej wyraźnie widać słabe odbicie, które występuje około 50 ns po głównym piku TRPL. Wynika to z odbić wewnątrz światłowodu o długości 5...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

W każdej konfiguracji SPC istnieje kilka ważnych parametrów kontrolowanych przez użytkownika, które muszą być zrozumiałe dla użytkownika. Te parametry wyjaśnią ograniczenia metody SPC dla TRPL, pozwolą użytkownikowi łatwiej rozwiązywać problemy z konfiguracją, jeśli coś pójdzie nie tak, i pomogą zrozumieć krytyczne kroki, które są skutecznie wymagane do dobrego gromadzenia danych. Co więcej, różne próbki często wymagają różnych ustawień systemowych - innymi słowy, nie można mieć jednej procedury dla wszystkich możliwych ...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Autor deklaruje brak sprzecznych interesów finansowych.

Podziękowania

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

Kanadyjska Rada ds. Badań Nauk Przyrodniczych i Inżynierii (Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada) finansuje te badania. Podziękowania dla Xiaoyuan Liu za wykonanie dopasowania na rysunku 3 i Dundappa Mumbaraddi za dostarczenie próbki perowskitu domieszkowanego pierwiastkami ziem rzadkich. Podziękowania dla Juliusa Heitza za udostępnienie Reference20.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
AOMIsomet1260C
LaserAlphalasPicopower
LaserCoherentEnterprise
MCSBecker-HicklPMS-400
PMTBecker-HicklHPM100-50
PMTHamamatsuH-7422
SPCMBecker-HicklPrzekaźnik EMN130

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Liczenie pojedynczych foton wmateria y fluorescencyjneuk ad do wiadczalnyw a ciwo ci detektoraodpowied widmowaodbicia optycznespektroskopia luminescencyjna
Film wkrótce dostępny

Powiązane artykuły