文章介绍了一种采用时间相关单光子计数原理搭建的荧光寿命测量光学系统，实验验证了单量子点发射荧光的单光子性。针对石英玻片、硅片、金膜等不同基片上多处具有单光子荧光发射特性的单量子点，对其发射荧光的寿命进行了测量、对比，计算了对于不同基片上单量子点发射荧光的衰减速率、量子产率等与量子点到基片有效距离的依赖关系。

实验基于时间相关单光子计数（Time Correlated Single Photon Counting, TCSPC）技术测量量子点发射荧光的寿命，通过EMCCD（Ixon Ultra X-10854，Andor）进行荧光成像，对单量子点发射的荧光进行连续的数据采集以记录、分析其闪烁行为、荧光寿命等，光学实验装置如图1所示。

图 1实验装置图。

其中，1：皮秒激光器；2：激发片；3,10,18：分光平片；4：全反射平面镜；5,11,13,15,16,19:透镜；6：样品；7：物镜；8：二向色镜；9：发射片；12：电子倍增电荷耦合器件；14：针孔；17,20：单光子雪崩二极管；21：时间相关单光子计数模块。

皮秒激光器（PDL 800-B，PicoQuant）发出的激光（中心波长640nm）经过滤色镜组中的激发片（ET620/60x-49006，Chroma）获取更为有效的窄带激发光，激发光经显微物镜聚焦到载物台上的量子点使其发射荧光。量子点发射的荧光与反射回来的激发光经过滤色镜组中的二向色镜（T660lpxr，Chroma）与发射片（ET700/75m-49006，Chroma）获得更纯净的透射荧光。透射荧光可以通过EMCCD进行荧光成像，也可以通过针孔被单光子雪崩二极管（PDM Series，MPD）采集，经TCSPC采集卡（PicoHarp 300，PicoQuant）信号处理得到荧光寿命等参量。考虑到正入射激光的聚焦光斑比较小，又搭建了一路斜入射激光，以大面积激发量子点发射荧光实现宽场荧光成像，便于寻找待观测的单量子点。

对于样品，首先把基片（石英玻片、硅片、金膜）放入烧杯中，加入适量乙醇，利用超声振荡器（QT3120，天津瑞普电子仪器公司）清洗10分钟，再用去离子水超声振荡清洗5分钟，接着用氮气吹干基片上的液滴，最后用等离子体清洗机（PDC-32G，Mycro）清洗2分钟。将量子点（Q21361MP，Life Technologies Corporation）用去离子水稀释至1pM，取10μL 稀释过的量子点溶液，用匀胶机（WS-650MZ-23NPP，Mycro）以3000r/min 的转速旋转 30s，分别旋转涂布在石英玻片、硅片、金膜上。

将基片上量子点样品放到显微镜载物台上进行宽场荧光成像，图2(b)为宽场荧光成像图，选取其中单量子点发射的荧光进行数据采集、分析。图2中(a)、(c)分别显示了石英玻片上单量子点发射荧光的强度随时间变化曲线以及荧光强度衰减曲线（对应图2(b)中红色圆圈内单量子点），图2(c)中红色实线为荧光强度衰减的指数函数拟合曲线，拟合得到该量子点发射荧光的寿命为42ns，图2(c)内插图为单量子点发射荧光的二阶相关函数曲线，在时间延迟为0的位置能够明显看到强度低于最大强度一半的凹陷，该凹陷表明该单量子点 发射的荧光具有单光子性。图2(d)给出了量子点发射荧光的光谱，从中可以看出荧光中心波长约为 705nm。

图 2 单量子点荧光发射特性的测量。

其中，(a)石英玻片上单量子点发射荧光的强度随时间变化的曲线（采用雪崩二极管或EMCCD采集）；(b)宽场荧光成像，红色圆圈内为测试的单量子点；(c)石英玻片上单量子点发射荧光的强度衰减曲线，内插图为该量子点发射荧光的二阶相关函数曲线（显示单光子发射）； (d)量子点荧光光谱（荧光中心波长约为 705nm）。

针对不同基片上具有单光子发射特性的单量子点，测量得到的荧光寿命分布如图 3(a)- (c)所示，依次对应石英玻片、硅片、金膜，横坐标为基片上单量子点发射荧光的寿命，纵坐标为对应的量子点个数。设荧光寿命 t=t1±s   （t1为被统计的一组量子点发射荧光的平均寿命，s为该组量子点寿命的标准偏差）。经过统计，得到石英玻片、硅片、金膜上量子点发射荧光的寿命分别为 (44.93±6.218) ns，(36.29±7.183) ns，(28.97±3.874) ns。数据表明金膜上量子点发射荧光的寿命最短，硅片次之，而石英玻片上的量子点发射荧光的寿命最长。由于荧光总的衰减速率（即总的辐射速率，包括远场辐射速率与非辐射速率两部分）反比于荧光寿命，因此，对于石英玻片、硅片、金膜上的量子点，荧光总的衰减速率依次增大。

图 3单量子点发射单光子荧光的寿命分布。(a)-(c)依次为石英玻片、硅片、金膜上单量子点的测量结果。

之后测量分析了不同基片上具有单光子发射特性的量子点的闪烁行为。将EMCCD采集的单量子点荧光成像区域所有像元的计数相加，得到量子点发射荧光的强度随时间变化的曲线如图4所示。图4首行至末行依次为采集得到的石英玻片、硅片、金膜上的量子点发射荧光强度数据，图4中三列分别为三处单量子点的数据，其中由于环境杂散光、EMCCD暗电流噪声等产生暗计数（计数最小值）不为零。图4表明，相比于石英玻片和硅片，金膜上单量子点的持续发光时间最长，即金膜上单量子点荧光发射的闪烁现象被抑制，有较好的持续发光的性能。而硅片与玻片上单量子点荧光发射闪烁行为差别不大，此外，玻片上单量子点的发光强度要高于硅片。

图 4荧光强度随时间变化的曲线。(a1)-(a3)依次为石英玻片上三处单量子点的数据；(b1)-(b3)依次为硅片上三处单量子点的数据；(c1)-(c3)依次为金膜上三处单量子点的数据。

利用图4的数据，进一步得到了不同基片上单量子点发光强度的统计分布，如图5所示，横坐标代表荧光强度,纵坐标代表对应该荧光强度的时间占比。图5表明，相比于石英玻片和硅片，金膜上单量子点发射荧光的强度分布较为分散并有较明显的两极分化，且主要分布于较大的荧光强度，这进一步表明金膜上单量子点持续发光时间较长且荧光较强。石英玻片和硅片上量子点的荧光强度集中分布在强度较低的部分，但石英玻片上强度较大的部分也有少许分布，这表明石英玻片上单量子点持续发光时间较短，但发光时荧光强度较大。而硅片上量子点的荧光强度主要集中在与背景光（周围环境杂散光，设备暗电流噪声等）强度接近的区域，这表明硅片上的单量子点持续发光时间较短，且发光时荧光强度较低，接近背景光强度。关于不同基片上单量子点的闪烁特性，已有工作基于不同基片上界面电荷转移动力学机理进行解释，不同基片的导带具有不同的势能，当其势能大于量子点内核的势能时，在外界激发光激发下，量子点导带的电子很难转移到基片的导带，进而导致量子点持续发光时间较长。但目前关于量子点闪烁机理还有待进一步明确和深入研究。

图 5单量子点荧光强度的统计分布。(a1)-(a3)依次为石英玻片上三处单量子点的数据；(b1)-(b3)依次为硅片上三处单量子点的数据；(c1)-(c3)依次为金膜上三处单量子点的数据。

来自《基片对单量子点单光子荧光发射的调控研究》