當光子撞擊光電陰極時，光電子被發射到真空中，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射。電子倍增的過程在每個相鄰的打拿極重復進行，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是很容易實現的，這意味著單個光子會產生一個大的電流脈沖，可以很容易地檢測到;從而實現高靈敏度熒光檢測。
高電子倍增增益需要注意的是PMT必須避免強光信號的照射，產生過多電流使PMT飽和并可能損壞PMT。特別是當兩種發射過程發生在*不同的時間尺度(如熒光和磷光)，PMT很可能因為過強熒光信號而飽和。解決這個問題的方法是對PMT進行定時控制，以保護它不被過度曝光。在本應用說明中，會介紹在FLS1000中門控PMT的*優勢。
重疊的熒光和磷光衰減測試
在時間分辨光致發光光譜中，由短脈沖光激發樣品，通常光源為脈沖激光器和脈沖燈，由此來獲得光致發光衰減曲線。用來測量和記錄光子達到檢測器時間的方法取決于光致發光壽命的大小。對于壽命在ps或ns級的熒光樣品，由于其優良的時間分辨率，選擇時間相關單光子計數(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率下進行快速采集，采用單光子計數多通道掃描(MCS)技術。本節描述的PMT飽和條件和時間門控技術適用于MCS磷光測試。
事實上，許多實際樣品同時顯示出熒光和磷光發射，這使得磷光壽命的測試具有挑戰性。例如，假設在激光激發波長處具有相同吸收系數和等效光致發光量子產率兩種組分以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。在它們全部的光致發光衰變過程中，兩種組分將發出相同數量的光子;然而，具有短壽命的組必然會在更短的時間間隔內發射出熒光光子。
這兩種組分的光子發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為具有熒光介質中的Tb3+離子的光致發光衰減圖。最前面的尖峰來自于熒光發射，而后面的長尾則來自于Tb3+離子的磷光?？梢钥吹?，在熒光期間記錄的光子數是磷光發射期間的約100倍，這反過來意味著在熒光發射期間，每秒鐘撞擊探測器的光子數約100倍。
當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PMT檢測的信號超過2百萬次/秒時，PMT將開始飽和，光子計數則變得非線性。當采集的信號進一步增加到達10-100萬次/秒時，PMT中的高電流將會導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，當樣品用高功率激光或閃光燈激發時，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PMT的光子數（通過降低激發能量或減小發射側狹縫)，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，因為在設置條件時，信號采集強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進行時間門控，這樣在熒光發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現的，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，從而可以實現僅在感興趣的時間區域內檢測，濾除高強度熒光。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，打拿極關閉數量是有效的熒光抑制和門控電路的時間響應之間的權衡。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，這適合于大多數磷光發射體。如果您的應用測試需要更短的上升時間，可以將具體需求提供給我們。
將具有熒光介質的Tb3+離子樣品使用門控檢測器再次進行壽命測試，其結果如圖5所示。門控延遲的時間設置為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，因為可以使用更高的磷光計數率，而不會有探測器熒光過強而使得檢測器飽和的風險。
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，在設定的具體門寬的光子數被記錄為發射光譜。圖6顯示了上面討論過的Tb3+樣品的光譜。當進行光譜測量時，如果使用沒有門控PMT，則光譜圖中則會出現一個寬的熒光背景，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如有機分子。例如，對OLED發射體的研究，需要準確的熒光和磷光光譜來計算能級分裂。當將樣品冷卻至80K時，這些發射體發射出主要的熒光，并有少量重疊的磷光貢獻。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，樣品使用脈寬可調的激光器VPL-375并將脈寬設置為500μs，在不同的門控設置條件下測試熒光和磷光光譜。熒光光譜設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。
結論
門控PMT電路用于測量樣品中包含發生在不同的時間尺度的發射是非常好的選擇和解決方案。通過時間門控，FLS1000的PMT-900或PMT-980探測器可以去除熒光發射，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，以獲得不同的光譜。
參考文獻
[1] 1.Photomultiplier Tubes: Basics and Applications 3rd Ed. Hamamatsu Photonics
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