JoVE Logo
저자
연락처

로그인

JoVE 비디오를 활용하시려면 도서관을 통한 기관 구독이 필요합니다. 전체 비디오를 보시려면 로그인하거나 무료 트라이얼을 시작하세요.

기사 소개

  • 요약
  • 초록
  • 서문
  • 프로토콜
  • 결과
  • 토론
  • 공개
  • 감사의 말
  • 자료
  • 참고문헌
  • 재인쇄 및 허가

요약

이 논문은 시간 분해 광발광에 대한 실험적 방법을 제시합니다. 많은 단일 광자 계수 설정에 사용되는 하드웨어에 대해 설명하고 기본 방법을 제시합니다. 이는 학생과 실험자가 주요 시스템 매개변수와 시간 분해 광발광 설정에서 이를 올바르게 설정하는 방법을 이해하는 데 도움이 되도록 고안되었습니다.

초록

TRPL(Time-resolved photoluminescence)은 일반적으로 반도체 나노 결정 및 발광 물질의 광물리학을 이해하기 위한 핵심 기술입니다. 이 작업은 SPC(Single-Photon-Counting) 시스템을 사용하여 나노결정 및 관련 재료에 TRPL을 설정하고 수행하기 위한 입문서입니다. 측정에서 기본적인 오류 원인은 실험 설정 및 교정을 고려하여 피할 수 있습니다. 검출기 속성, 계수 속도, 스펙트럼 응답, 광학 설정에서의 반사 및 단일 광자 계수를 위한 특정 계측 설정에 대해 설명합니다. 이러한 세부 사항에 주의를 기울이면 재현성을 보장하는 데 도움이 되며 SPC 시스템에서 최상의 데이터를 얻는 데 필요합니다. 프로토콜의 주요 목적은 TRPL 학생이 많은 일반적인 단일 광자 계수 설정에서 유용한 TRPL 데이터를 얻기 위해 일반적으로 이해해야 하는 실험 설정 및 주요 하드웨어 매개변수를 이해하도록 돕는 것입니다. 두 번째 목적은 실험용 시간 분해 발광 분광법을 연구하는 학생을 위한 응축 입문서 역할을 하는 것입니다.

서문

TRPL(Time-resolved photoluminescence)은 발광 물질의 광물리학을 연구하기 위한 중요하고 표준적인 방법입니다. TRPL 측정 시스템은 실험자가 구성한 개방형 설정일 수도 있고 제조업체에서 직접 구매한 독립형 장치일 수도 있습니다. 개방형 설정은 더 많은 실험 제어와 유용한 데이터를 수집하는 추가 방법을 허용하기 때문에 "폐쇄 상자" TRPL 장치보다 우수한 것으로 간주됩니다. 그러나 그들은 측정에 대한 보다 완전한 이해를 요구합니다. TRPL은 발광 소자 개발에 널리 사용되며 반도체 나노 결정 및 기타 발광 물질의 기본 방출 스펙트럼과 함께 항상보고되어야합니다. TRPL을 수행하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 이 입문서는 단일 광자 계수 시스템에 중점을 둡니다.

시작하기 전에 여러 이전 작업을 인정하는 것이 중요합니다. 첫째, Joseph Lakowicz1의 Principles of Fluorescence Spectroscopy는 TRPL 방법에 대한 장이 포함된 대규모 개요서입니다. Ashutosh Sharma의 Introduction to Fluorescence Spectroscopy에는 화학자와 생물학자가 주로 사용하는 시간 및 위상 분해 형광계2에 대한 다소 오래된 장이 포함되어 있습니다. 형광 분광법: 새로운 방법 및 응용분야 3은 20년이 넘었지만 여전히 가치가 있습니다. 최신 정보 및 개선 사항은 핸드북 및 기술 노트 4,5,6,7,8에서 찾을 수 있습니다. TRPL 방법 9,10,11,12,13,14,15에 대한 일반적인 소개에 전념하는 훌륭한 장, 리뷰 및 전자 책도 있습니다.

단일 광자 계수(SPC) 방법이 일반적이고 널리 사용되지만, 형광 분광법 학생들이 좋은 데이터를 얻기 위해 배워야 하는 몇 가지 개념이 있습니다. 여기의 원칙은 일반적이며 광범위한 SPC 실험에 적용할 수 있습니다. 물론 일단 데이터가 수집되면 피팅 알고리즘과 방법은 또 다른 필수 기술입니다. TRPL 모델 피팅은 매우 중요하며, 이전의 많은 연구가 이 특정 문제에 특별히 초점을 맞추었음에도 불구하고 종종 부적절하게 수행되었습니다 16,17,18,19. 그러나 본 연구는 주로 TRPL의 실험적 측면에 초점을 맞추고 있습니다.

이 작업의 근거는 일반적인 SPC(Single-Photon-Counting) 모듈을 사용하여 TRPL을 수행하기 위한 포괄적인 가이드를 개발하는 것입니다. 이러한 시스템은 기술적으로 복잡하기 때문에 기본 실험 변수를 잘 이해하는 것은 데이터 수집을 최적화하고 피할 수 있는 인공물의 출현을 최소화하는 데 중요합니다. 광학 Kerr 게이팅과 같은 기술 및 줄무늬 카메라와 같은 장비는 초고속 TRPL15에 대한 특별한 기회를 제공하지만, SPC 분야의 최근 기술 개발로 인해 거의 모든 실험 광학 실험실에서 나노초 및 나노초 미만의 TRPL에 쉽게 액세스할 수 있습니다. SPC는 또한 광 다이오드-오실로스코프 조합과 같은 이전 방법에 비해 속도와 해상도가 향상되었습니다.

프로토콜

1. 준비

  1. 실험실의 모든 장비 및 레이저 안전 절차를 따르십시오. 항상 가능한 최소한의 레이저 출력으로 정렬하십시오. 적절한 레이저 보안경을 착용하십시오.
  2. 출력을 SPC 설정에 연결하기 전에 샘플에서 PL 스펙트럼을 확인하십시오. 스펙트럼이 예상대로 보이고 여기 레이저 광이 없는지 확인합니다. PL은 여기 소스를 약화시키거나 중성 밀도 필터를 사용하여 낮춰야 할 수 있습니다.
    알림: 경고: 빛이 너무 많으면 SPC 감지기가 영구적으로 손상될 수 있습니다.
  3. 수집 광학 장치로 유입되는 반사되거나 산란된 레이저 광의 양은 아티팩트의 주요 원인이므로 최소화해야 합니다.

2. 설정 및 사전 정렬

참고: 이러한 단계의 대부분은 새 설정을 빌드하는 경우에만 필요합니다.

주의 : 정렬을 할 때 적절한 레이저 보안경을 착용하십시오. 장신구나 손목시계와 같은 반사되는 개인 물품을 제거하십시오. 감지기가 너무 많은 빛에 노출되거나 부적절한 입력 볼륨을 사용하는 경우 장비 손상이 발생할 수 있습니다.tages 특정 장비에 대해.

  1. 공책을 사용하여 먼저 스케치를 만듭니다. 항상 두 개 이상의 거울을 사용하십시오. 미러는 레이저 빔을 정렬하는 데 도움이 됩니다. SPC의 경우 설정은 그림 1에 표시된 것과 유사해야 합니다. 음향 광학 변조기( Discussion 참조)를 사용하여 천천히 감쇠하는 경우 그림 2에 표시된 것과 유사하게 보일 것입니다.
  2. 평평한 웨이퍼 또는 슬라이드 또는 큐벳의 용액인 샘플이 있어야 합니다. 투명 용융 실리카 또는 석영으로 만든 슬라이드나 큐벳을 사용하십시오. 현미경 슬라이드 또는 유리 바이알은 희끄무레한 PL 배경이 약하고 자외선을 흡수하기 때문에 사용해서는 안 됩니다.
  3. 빔 라인이 광학 테이블의 방향을 따라 흐르도록 하십시오. 포스트 홀더의 조임 손잡이에 쉽게 접근할 수 있는지 확인하십시오. 빔을 가능한 한 수평으로 유지하십시오.
  4. 광섬유를 사용하는 경우 광섬유를 적절하게 선택하십시오. 다양한 파이버 직경과 다양한 파장 범위(UV vs. NIR 최적화 파이버)가 있습니다. 약한 신호의 경우 직경이 큰 광섬유를 사용하십시오. 다른 유형의 섬유를 "혼합하고 일치시키는" 것을 피하십시오. TRPL은 반사로 인해 긴 섬유가 필요할 수 있습니다.
  5. 샘플이 큐벳에 들어 있는 경우 큐벳 홀더를 사용하십시오. 웨이퍼 또는 슬라이드인 경우 웨이퍼 클램프 홀더를 사용하십시오.
  6. 그림 1 또는 그림 2와 같이 대략적으로 실험을 설정합니다. 마지막 미러를 사용하여 레이저 빔이 샘플에 부딪혀 수집 광학 장치의 앞쪽에 가깝게 떨어지는지 확인합니다.
    참고: 빔이 큐벳 모서리 근처에 부딪혀 큐벳 내부 전체에 반사되면 내부 반사가 많이 발생할 수 있습니다. 이로 인해 특히 피크 근처에서 이상하거나 "지저분한" TRPL 스펙트럼이 발생할 수 있습니다.
  7. 미러 홀더의 손잡이를 풀고 미러를 손으로 천천히 회전하여 거친 정렬을 수행합니다.
    주의 : 빔을 방해하는 손이 닿지 않도록 하십시오. 반사에 주의하십시오. 적절한 레이저 보안경을 착용하십시오.
  8. 미러 홀더의 정렬 나사 또는 손잡이를 사용하여 미세 정렬을 수행합니다. 컴퓨터 화면에서 PL 신호를 최대화하여 이 조정을 수행합니다.
  9. 반사된 모든 빔을 차단합니다. 모든 흩어진 빔이 고려되고 적절하게 차단되었는지 확인하십시오.
  10. 광섬유를 ~20cm보다 작은 반경으로 구부리지 마십시오. 그렇지 않으면 광섬유가 끊어질 수 있습니다.
  11. 가능하면 레이저 파장보다 최소 25nm 더 긴 cutoff를 가진 longpass filter를 사용하십시오. 간섭 필터는 정방향과 역방향이 있습니다.
  12. 아티팩트 없이 선명하고 최적화된 PL 스펙트럼을 얻을 수 있습니다. SPC 검출기에 맞게 강도를 조정합니다. 의심스러우면 낮은 PL 강도를 사용하십시오.

3. TRPL 분광법

  1. SPC 모듈로 데이터 가져오기(빠른 동역학)
    1. 단일 광자 계수 검출기에 적절한 레이저 차단 필터와 셔터 설정이 사용되었는지 확인하십시오. 너무 많은 빛을 받으면 손상됩니다. 셔터가 닫혀 있습니다.
    2. 레이저를 켜고 원하는 대로 주파수를 조정하십시오. 펄스 지연 발생기를 켜고 설정합니다.
    3. PL을 SPC 감지기의 필터/셔터 홀더로 배선합니다.
    4. 감지기 컨트롤러와 SPC 제어 소프트웨어는 사용 가능한 경우 냉각뿐만 아니라 실행 중이어야 합니다. 검출기 게인을 더 낮은 값으로 조정합니다. 모든 하드웨어에 전원을 공급합니다.
    5. 동기화 빈도가 SPCM 인터페이스에 올바르게 등록되었는지 확인합니다.
    6. PMT(인에이블 출력)에 전원을 공급합니다. 이제 CFD 및 TAC가 낮은 빈도(어두운 카운트)를 읽어야 합니다.
    7. 감지기의 셔터를 천천히 엽니다. 채도 경고가 표시되면 즉시 닫으십시오. 그렇지 않으면 완전히 엽니다.
      주의 : 너무 많은 빛은 감지기를 영구적으로 손상시킬 수 있습니다.
    8. 이제 CFD, TAC 및 ADC 수가 더 많아야 합니다. 검출기 게인을 조심스럽게 높이십시오. 쌓임을 방지하기 위해 레이저 출력을 조정하십시오.
    9. ADC 수가 낮고 TRPL 스펙트럼이 표시되지 않는 경우 지연 생성기 또는 동기화 주파수를 조정하여 TRPL 최대값을 수집 창의 왼쪽 근처(t = 0에 가까움)로 가져옵니다.
    10. 기록된 간격에서 양호한 PL 감쇠 트레이스를 관찰할 수 있을 때까지 본문에 설명된 대로 매개변수를 조정합니다.
    11. 녹화가 끝나면 즉시 셔터를 닫고 감지기의 전원을 끄십시오. 레이저를 끕니다. 데이터를 저장합니다.
  2. 다채널 스칼라로 데이터 가져오기(slow dynamics)
    1. CW 레이저 및 음향 광학 변조기 제어 및 전원을 켭니다.
    2. 레이저 셔터를 엽니다. 파형 발생기를 1Hz, 적절한 전압 패턴 및 크기(예: 0-4V 구형파, 50% 듀티)로 설정합니다. AOM의 출력을 확인합니다. 메인 빔의 거의 절반 강도로 깜박이는 빔이 있어야 합니다. 그렇지 않은 경우 AOM을 완전히 정렬합니다.
    3. 홍채를 사용하여 밝고 깜박이는 빔만 샘플에 정렬되었는지 확인합니다. 주파수를 원하는 값(예: 200Hz)으로 높입니다. 앞에서 설명한 대로 분광계를 사용하여 PL = 를 확인하십시오.
    4. 감지기에 전원을 공급합니다. MSC 소프트웨어를 실행합니다. 절차에 따라 MSC 소프트웨어를 설정합니다. 시간 단계를 선택합니다.
    5. PL을 검출기 입력으로 라우팅합니다. 적절한 필터를 사용했는지 확인하십시오.
    6. PMT에 전원을 공급한 다음 3.1.7단계와 같이 셔터를 천천히 엽니다. 채도 경고가 나타나면 즉시 셔터를 닫으십시오. 그렇다면 PL 신호를 약화시키십시오.
    7. 데이터를 수집합니다. 즉시 셔터를 닫고 완료되면 PMT의 전원을 비활성화합니다. 레이저 셔터를 닫습니다. 데이터를 저장합니다.

결과

표준 SPC 감쇠 곡선은 그림 3에 나와 있습니다. 초기 상승은 피크가 0 시간에 해당하도록 이동되었습니다(전자 및 광학 지연으로 인해 원시 데이터에서는 그렇지 않음). 신호 대 배경 비율은 약 100인데, 이 샘플은 수명이 길지만 인광이 약하기 때문입니다. 약한 반사는 로그 스케일에서 명확하게 관찰할 수 있으며, 이는 메인 TRPL 피크 이후 약 50ns 후에 ...

토론

모든 SPC 설정에는 사용자가 이해해야 하는 몇 가지 중요한 사용자 제어 매개변수가 있습니다. 이러한 매개변수는 TRPL에 대한 SPC 방법의 한계를 설명하고, 문제가 발생할 경우 사용자가 설정 문제를 더 쉽게 해결할 수 있도록 하며, 양호한 데이터 수집에 효과적으로 필요한 중요한 단계를 이해하는 데 도움이 됩니다. 더욱이, 다른 샘플은 종종 다른 시스템 설정을 필요로 ?...

공개

저자는 경쟁하는 재정적 이해관계가 없다고 선언합니다.

감사의 말

캐나다 자연과학 및 공학 연구 위원회(Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada)는 이 연구를 위한 자금을 제공합니다. 그림 3 의 피팅을 수행해 준 Xiaoyuan Liu와 희토류 도핑된 페로브스카이트 샘플을 제공한 Dundappa Mumbaraddi에게 감사드립니다. Reference20 을 사용할 수 있도록 해준 Julius Heitz에게 감사드립니다.

자료

NameCompanyCatalog NumberComments
AOMIsomet1260C
LaserAlphalasPicopower
LaserCoherentEnterprise
MCSBecker-HicklPMS-400
PMTBecker-HicklHPM100-50
PMTHamamatsuH-7422
SPCMBecker-HicklEMN130

참고문헌

  1. Lakowicz, J. . Principles of Fluorescence Spectrscopy 3rd Ed. , (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. , (2007).
  5. Becker, W. . The bh TCSPC Handbook 9th Ed. , (2015).
  6. Ortec Inc. . Time-to-Amplitude Converters and Time Calibrator. , (2009).
  7. PerkinsElmer. An Introduction to Fluorescence Spectroscopy. , (2000).
  8. Wahl, M. Time-Correlated Single Photon Counting. , (2014).
  9. Chithambo, M. L. . An Introduction to Time-Resolved Optically Stimulated Luminescence. , (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. , (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. , (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)

재인쇄 및 허가

JoVE'article의 텍스트 или 그림을 다시 사용하시려면 허가 살펴보기

허가 살펴보기

더 많은 기사 탐색

TRPL

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

개인 정보 보호

이용 약관

정책

연락처

사서에게 추천하기

JoVE 뉴스레터

연구

교육

저자

사서

JoVE 소개

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. 판권 소유