本發(fā)明涉及熒光分析技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種熒光分析的標(biāo)準(zhǔn)光源。

背景技術(shù)：

色心(colourcenter)是指透明晶體中由點(diǎn)缺陷、點(diǎn)缺陷對或點(diǎn)缺陷群捕獲電子或空穴而構(gòu)成的一種缺陷。它的存在引起附加的光吸收帶，使晶體著色。這種吸收光波的基本單位，通稱為色心。20世紀(jì)20年代r.坡耳對堿鹵化合物晶體的色心性質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，逐步發(fā)展并完善了測定色心結(jié)構(gòu)的光譜及磁共振等技術(shù)，為色心物理學(xué)奠定了基礎(chǔ)，開拓了這一領(lǐng)域。

在1957年，coulson,ca和kearsley,mj二人就對金剛石中的色心發(fā)光做過研究；到了1968年，norris,ca研究了金剛石中色心發(fā)冷光的極化。從此金剛石中色心發(fā)光的研究也越來越多。如今，研究中使用最多的是金剛石色心即為nv色心(nitrogen-vacancycenter)。

熒光分析是指利用某些物質(zhì)在激發(fā)光照射下產(chǎn)生熒光的特性及其強(qiáng)度進(jìn)行物質(zhì)定性和定量的分析方法。1852年g.g.斯托克斯(g.g.strokes)發(fā)現(xiàn)熒光，真正的熒光光譜測量則始于本世紀(jì)60年代。熒光定量分析常采用直接比較法，將試樣與已知物質(zhì)同時放在外光源下，根據(jù)它們所發(fā)熒光的性質(zhì)、顏色和強(qiáng)度，鑒定它們是否含有同一熒光物質(zhì)。某些物質(zhì)在加入某種試劑后，其產(chǎn)物會產(chǎn)生熒光，也可采用同樣方法鑒定。最常用的方法是用熒光分光光度計(jì)繪制試樣的熒光激發(fā)光譜和熒光發(fā)射光譜，并與已知物質(zhì)的這兩種光譜進(jìn)行比較，從而鑒定所含成分。熒光定量分析是先將已知的熒光物質(zhì)配成不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，用熒光分光光度計(jì)測量其在某一波長處的熒光強(qiáng)度并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，而后在完全相同的條件下測量試樣的熒光強(qiáng)度，由標(biāo)準(zhǔn)曲線查出待測物質(zhì)的含量。70年代以來，熒光分析在儀器、方法和試劑等方面發(fā)展非常迅速，在環(huán)境監(jiān)測中有著廣泛的應(yīng)用：借助于有機(jī)試劑進(jìn)行熒光分析的無機(jī)元素已達(dá)60余種，分析靈敏度可達(dá)微克/升級，與原子吸收譜法相近，但光譜干擾少；熒光檢測器與液相色譜儀聯(lián)用，可對有機(jī)污染物進(jìn)行定量分析，如水和廢水統(tǒng)一監(jiān)測方法中多環(huán)芳烴的測定及紙層熒光分析法測bap等。

而如今，傳統(tǒng)的熒光分析在面對納米量級的半導(dǎo)體材料、生物細(xì)胞組織、有機(jī)納米材料時，以前常用的作為標(biāo)準(zhǔn)的光源經(jīng)常會出現(xiàn)發(fā)光時間短、發(fā)光穩(wěn)定性差、光源尺寸過大以及發(fā)光強(qiáng)度過高等問題。因此，用于熒光分析標(biāo)定用的穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)光源就十分必要，由此人們開始尋找新的用于熒光強(qiáng)度分析的光源物質(zhì)。

雖然有研究者已經(jīng)尋找了一些用于熒光強(qiáng)度分析的新發(fā)光源，比如硫化物、鋅化合物以及一些量子點(diǎn)，但是這些光源普遍還存在如下幾個問題：

1)發(fā)光不夠穩(wěn)定，發(fā)光持續(xù)時間短，一般在30分鐘左右就不再發(fā)光；

2)大多數(shù)發(fā)光源由化學(xué)方法合成，得到的熒光強(qiáng)度光源純度不夠高，發(fā)光波段不單一，且有一定的化學(xué)毒性，在一部分領(lǐng)域(如生物細(xì)胞等方向)使用困難；

3)光源尺寸大，遠(yuǎn)大于需要定量標(biāo)定的被測物質(zhì)，導(dǎo)致被測物質(zhì)不易被探測到；而在生物領(lǐng)域中，尺寸太大也不易進(jìn)入細(xì)胞等組織內(nèi)部，帶來不便；

4)光源位置不易固定，很容易受到外界干擾而被移動，或者擦除；

5)光源發(fā)光強(qiáng)度過高，弱光的標(biāo)定十分困難。

因此，一種可以避免上述問題的用于熒光分析的標(biāo)準(zhǔn)光源方法亟待發(fā)現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題在于提供熒光分析的標(biāo)準(zhǔn)光源，本申請?zhí)峁┑臉?biāo)準(zhǔn)光源可用于熒光分析，且標(biāo)準(zhǔn)光源的穩(wěn)定性好。

有鑒于此，本申請?zhí)峁┝艘环N熒光分析的標(biāo)準(zhǔn)光源，包括：具有至少一個色心的材料。

優(yōu)選的，所述標(biāo)準(zhǔn)光源為單光子源。

優(yōu)選的，所述標(biāo)準(zhǔn)光源包括兩個色心，每個色心存在于不同的材料中。

優(yōu)選的，所述材料為納米尺寸的材料或塊狀材料。

優(yōu)選的，所述材料為納米金剛石。

優(yōu)選的，所述色心為天然存在于材料中的色心或經(jīng)過處理后存在于材料中的色心。

優(yōu)選的，所述處理的方法為離子注入法。

優(yōu)選的，所述離子注入法之前還包括包括一級處理；所述一級處理包括光刻工藝、等離子體刻蝕工藝或濕法刻蝕工藝。

優(yōu)選的，所述離子注入法之后還包括二級處理，所述二級處理包括超聲清洗和旋涂的整體處理、高溫退火工藝、高溫氧化工藝、等離子體刻蝕工藝或濕法刻蝕工藝。

本申請?zhí)峁┝藷晒夥治龅臉?biāo)準(zhǔn)光源，該標(biāo)準(zhǔn)光源包括具有至少一種色心的材料，由于色心具有在各種環(huán)境下的光穩(wěn)定性，且發(fā)光強(qiáng)度為弱光，因此，本申請?zhí)峁┑臉?biāo)準(zhǔn)光源避免了在傳統(tǒng)熒光分析中，用于標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)光源發(fā)光不穩(wěn)定，隨時間衰減，對環(huán)境要求高等問題。

附圖說明

圖1為稀釋的納米金剛石顆粒懸濁液照片；

圖2為經(jīng)硫酸處理并清洗的石英片表面照片；

圖3為經(jīng)硫酸處理并清洗后的石英片局部放大照片；

圖4為在石英片上旋涂納米金剛石懸濁液后的薄膜邊界的照片；

圖5為單個納米金剛石顆粒的熒光成像圖(1m)；

圖6為單個納米金剛石顆粒的熒光成像圖(500k)；

圖7為在4×4μm范圍內(nèi)存在的單個納米金剛石的熒光成像圖；

圖8為實(shí)施例2制備的具有掩模圖案的金剛石塊體材料照片；

圖9為實(shí)施例2制備的具有掩模圖案的金剛石塊體材料局部放大照片；

圖10為實(shí)施例2制備的的金剛石塊體材料表面照片；

圖11為10×10μm范圍的金剛石塊體材料的nv色心陣列熒光成像圖；

圖12為5×5μm范圍的金剛石塊體材料的nv色心陣列熒光成像圖；

圖13為實(shí)施例2制備的金剛石塊體材料中單色心的熒光成像圖；

圖14為實(shí)施例2制備的金剛石塊體材料中雙色心的熒光成像圖；

圖15為實(shí)施例2制備的金剛石塊體材料中多色心的熒光成像圖；

圖16為實(shí)施例3旋涂過硫化鎘納米顆粒的金剛石片照片；

圖17為實(shí)施例3發(fā)光半導(dǎo)體硫化鎘的熒光成像圖；

圖18為實(shí)施例3nv色心與硫化鎘的熒光成像圖；

圖19為用于鑒定半導(dǎo)體或nv色心的連續(xù)波測量圖；

圖20為熒光強(qiáng)度不同的色心隨距離金剛石表面深度變化的熒光強(qiáng)度變化曲線。

具體實(shí)施方式

為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，這些描述只是為進(jìn)一步說明本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，而不是對本發(fā)明權(quán)利要求的限制。

本發(fā)明實(shí)施例公開了一種熒光分析的標(biāo)準(zhǔn)光源，包括：具有至少一個色心的材料。

本申請?zhí)峁┝艘环N熒光分析的標(biāo)準(zhǔn)光源，其為具有至少一個色心的材料。本申請主要利用色心自身的性質(zhì)，使其可作為熒光分析的標(biāo)準(zhǔn)光源。

本發(fā)明所述色心是從其內(nèi)可以發(fā)射光子的任何光學(xué)激活的原子或空穴中心，包括經(jīng)由發(fā)射單光子或多光子從激發(fā)態(tài)衰減而布置的原子或空穴中心。在實(shí)際進(jìn)行熒光信號收集的過程中，熒光強(qiáng)度的單位以光子計(jì)數(shù)，k代表10³個光子計(jì)數(shù)，m代表10⁶個光子計(jì)數(shù)。

在本申請中，所述標(biāo)準(zhǔn)光源可以為單光子源，也可以為多光子源。本申請所述具有至少一個色心的材料可以是某種材料中具有一個色心，也可以是某種材料中具有一個以上的色心，還可以是多種材料中的每種材料中至少具有一個色心；對此本申請均沒有特別的限制。

本發(fā)明中具有至少一個色心的材料典型的例子為具有金剛石結(jié)構(gòu)，典型的是金剛石材料諸如金剛石單晶材料或金剛石多晶材料，其尺寸典型的是納米量級的材料或毫米量級的塊狀材料。所述每一個色心典型的包括在金剛石材料中的雜質(zhì)或多個雜質(zhì)，例如，每個雜質(zhì)可以是臨近空穴的氮原子，形成氮-空穴(n-v)色心。

本申請所述的具有至少一個色心的材料可以是天然具有色心的材料，例如具有色心的金剛石晶體，其可具有以下性質(zhì)：單個納米金剛石，且包含單個或多個nv色心；金剛石塊體材料，其化學(xué)純度很高，c¹²含量能夠超過自然豐度更佳，通常需要通過使用同位素純化的氣體為源通過化學(xué)氣相沉積制備；也可以是經(jīng)過處理后具有色心的材料。

上述經(jīng)過處理后具有色心的材料中具體的處理方式按照本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的方式進(jìn)行，可以采用離子注入法獲得色心，更具體的可以為化學(xué)氣相沉積法獲得色心。

在離子注入法之前還包括一級處理，所述一級處理具體為光刻工藝、等離子刻蝕工藝或濕法刻蝕工藝；所述離子注入法之后還包括二級處理，所述二級處理包括超聲清洗和旋涂的整體處理、高溫退火工藝、高溫氧化工藝、等離子體刻蝕工藝或濕法刻蝕工藝。上述處理均為本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的方式，對此本申請沒有特別的限制。

以納米金剛石微粒，可采用超聲震蕩使納米金剛石顆粒分散均勻，利用勻膠機(jī)旋涂納米金剛石，以實(shí)施例1為例，根據(jù)納米金剛石懸濁液的濃度和旋涂時的轉(zhuǎn)速，可以在特定范圍區(qū)域內(nèi)調(diào)整納米金剛石顆粒的個數(shù)；還可利用電子束光刻在金剛石材料上制造掩膜圖案，使后期得到的色心按照圖案有規(guī)律的分布；還可通過離子束注入，在金剛石內(nèi)部產(chǎn)生色心；還可進(jìn)行高溫退火，使金剛石內(nèi)部的色心的產(chǎn)率大大提高；還可通過等離子體刻蝕金剛石表面，使得在金剛石內(nèi)部產(chǎn)生的色心離表面越來越近。

本發(fā)明已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過本發(fā)明提供的方法得到的熒光分析的標(biāo)準(zhǔn)光源，含有nv色心的納米金剛石，其熒光強(qiáng)度由光學(xué)系統(tǒng)的收集效率和本身內(nèi)部所含色心個數(shù)決定：在本發(fā)明實(shí)施例給出的光學(xué)平臺上，一般對于平均內(nèi)含200個色心的納米金剛石而言，其熒光強(qiáng)度在每秒400k～1.2m之間；含有nv色心的金剛石塊材，其熒光強(qiáng)度由光學(xué)系統(tǒng)的收集效率和離子注入時產(chǎn)生的色心個數(shù)決定，對于單色心，其熒光強(qiáng)度在每秒30k～50k之間；對于雙色心，其熒光強(qiáng)度在每秒60k～100k之間；對于多色心，其熒光強(qiáng)度在每秒100k以上。

如圖20所示，圖20為5個不同初始熒光強(qiáng)度不同的色心隨距離金剛石表面強(qiáng)度變化的熒光強(qiáng)度變化曲線圖；由圖可知，當(dāng)色心與金剛石表面的距離達(dá)到15nm以下時，其發(fā)光強(qiáng)度開始明顯降低；當(dāng)色心幾乎達(dá)到表面時，其發(fā)光強(qiáng)度變得很低；同樣可知，由所述等離子體刻蝕得到的金剛石內(nèi)淺層(15nm以下)的nv色心，其熒光強(qiáng)度在原本基礎(chǔ)上減弱，當(dāng)nv色心距離金剛石表面在5nm以下時，其熒光強(qiáng)度將降低到原本的2/3以下。由此可知，當(dāng)針對不同的熒光分析樣品時，需要的標(biāo)準(zhǔn)光源的強(qiáng)度不同時，可調(diào)整具有色心的材料的色心的深度實(shí)現(xiàn)熒光分析。

本發(fā)明提供了一種熒光分析的標(biāo)準(zhǔn)光源，該光源為具有至少一個色心的材料。由于色心具有各種環(huán)境下的光穩(wěn)定性、化學(xué)惰性、生物兼容性以及不易擦除；發(fā)光強(qiáng)度為弱光，且可以通過色心數(shù)或色心濃度的調(diào)節(jié)達(dá)到從單個色心的單光子源到較強(qiáng)發(fā)光強(qiáng)度的較大范圍的調(diào)節(jié)，便于對各種弱發(fā)光物體進(jìn)行熒光強(qiáng)度的定量標(biāo)定。因此，本申請以具有色心的材料作為熒光分析的標(biāo)準(zhǔn)光源避免了在傳統(tǒng)熒光分析中，用于標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)光源發(fā)光不穩(wěn)定，隨時間衰減，對環(huán)境要求高等問題。

本發(fā)明以含有nv色心的納米金剛石和人工制備的含有nv色心的金剛石塊體兩種材料為例，證明了其可作為熒光分析的標(biāo)準(zhǔn)光源。

為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明提供的一種熒光分析的標(biāo)準(zhǔn)光源進(jìn)行詳細(xì)說明，本發(fā)明的保護(hù)范圍不受以下實(shí)施例的限制。

實(shí)施例1采用納米金剛石按照如下步驟制備出用于熒光強(qiáng)度定量分析的標(biāo)準(zhǔn)光源：

步驟1：將納米金剛石溶解于少量去離子水，超聲震蕩10min；然后將所得的懸濁液按照體積比5％與去離子水混合稀釋，然后超聲震蕩10min待用，得到如圖1所示的濃度為5％的納米金剛石顆粒懸濁液；上述納米金剛石為單個納米金剛石，且包含的nv色心個數(shù)為200個

步驟2：將干凈的石英片浸泡在稀硫酸中30min，然后超聲震蕩10min；將所得的石英片置于丙酮溶液中，超聲清洗5min，然后置于異丙醇中，超聲清洗10min；反復(fù)重復(fù)清洗直至石英片表面無明顯大顆粒雜質(zhì)后，將石英片置于去離子水中，超聲清洗5min然后吹干待用，得到如圖2和圖3所示石英片，圖2為經(jīng)硫酸處理并清潔過的石英片的表面示意圖，圖3為經(jīng)硫酸處理并清洗過的石英片的局部放大圖；

步驟3：滴取一滴步驟1所得的納米金剛石懸濁液于步驟2所得的石英片上，勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)40秒，對納米金剛石懸濁液進(jìn)行旋涂分散，得到旋涂過懸濁液的石英片，如圖4所示；

將步驟3得到的樣品進(jìn)行熒光掃描成像，圖5為單個納米金剛石顆粒熒光成像圖(1m)，圖6為單個納米金剛石顆粒熒光成像圖(500k)，由圖5與圖6可知，對于單個納米金剛石顆粒其熒光強(qiáng)度為400k～1.2m；圖7為在4×4μm范圍內(nèi)存在的單個納米金剛石的熒光成像圖。

實(shí)施例2采用金剛石塊體材料按照如下步驟制備出用于熒光強(qiáng)度定量分析的標(biāo)準(zhǔn)光源：

步驟1：將金剛石塊體材料利用納米加工工藝，在表面制出帶有掩膜的陣列圖案，如圖8和圖9所示，圖8為金剛石塊材表面制備出掩膜的照片，圖9為金剛石塊材表面制備出掩膜的局部放大照片；上述金剛石塊體材料為高純電學(xué)級金剛石；

步驟2：用高能氮(n)離子束轟擊步驟1所得的金剛石塊體材料，在金剛石內(nèi)部形成nv色心；

步驟3：將步驟2得到的含有色心的金剛石進(jìn)行高溫退火以及酸洗操作，最后得到可用于熒光分析的標(biāo)準(zhǔn)光源樣品，如圖10所示，圖10為含有nv色心的金剛石塊材；

將步驟3得到的樣品進(jìn)行熒光掃描成像，如圖11和圖12所示，得到和步驟1中掩膜一致的nv色心點(diǎn)陣圖案；如圖13所示，圖13為色心陣列中單色心的熒光成像圖，由圖13可知，對于單色心的金剛石塊材，其熒光強(qiáng)度在30k～50k之間；如圖14所示，圖14為色心陣列中雙色心的熒光成像圖，由圖14可知，對于雙色心的金剛石塊材，其熒光強(qiáng)度在60k～100k之間；如圖15所示，圖15為色心陣列中多色心的熒光成像圖，由圖15可知，對于多色心的金剛石塊材，其熒光強(qiáng)度在100k以上。

實(shí)施例3采用金剛石塊體材料與發(fā)光半導(dǎo)體硫化鎘(分子式cds，下略)完成nv色心對發(fā)弱光的半導(dǎo)體納米材料的熒光強(qiáng)度標(biāo)定：

步驟1：將納米半導(dǎo)體硫化鎘粉末溶解于去離子水，超聲震蕩10min使該懸濁液均勻，然后將所得的懸濁液按照體積比5％與去離子水混合稀釋，超聲震蕩10min待用；

步驟2：將實(shí)施例2中得到的含有nv色心的塊材金剛石樣品一次用丙酮、異丙醇、去離子水超聲震蕩清洗各10min后，再用氮?dú)鈽寣⒈砻娲蹈桑?/p>

步驟3：滴取一滴步驟1所得的硫化鎘懸濁液于步驟2所得的金剛石片上，勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)40s，對硫化鎘懸濁液進(jìn)行旋涂分散，得到如圖16所示的旋涂過硫化鎘納米顆粒的金剛石片；

將步驟3得到的樣品進(jìn)行熒光掃描成像，圖17與圖18為經(jīng)過步驟1、2、3后得到的硫化鎘納米顆粒的熒光成像圖；其中圖17為單個硫化鎘納米顆粒的熒光成像圖，實(shí)施例2得到的用于熒光標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)光源在本光學(xué)系統(tǒng)下，其發(fā)光強(qiáng)度約為150k；圖18為含有多個nv色心的金剛石塊材與硫化鎘的熒光成像圖，圖中白色圓圈包圍的發(fā)光點(diǎn)是硫化鎘納米半導(dǎo)體，而白色方框包圍的是作為標(biāo)準(zhǔn)光源的nv色心，由圖18可知，硫化鎘相對于本發(fā)明的nv色心標(biāo)準(zhǔn)光源的熒光強(qiáng)度，略弱，在180k和130k左右，即完成了對兩個發(fā)光半導(dǎo)體所發(fā)出的弱光的熒光強(qiáng)度的標(biāo)定和比較。值得注意的是，為了區(qū)別熒光成像中的發(fā)光物體究竟是標(biāo)準(zhǔn)光源nv色心還是半導(dǎo)體硫化鎘，本實(shí)施例使用了連續(xù)波測量的方法，如圖19所示，左圖：nv色心在2.87ghz處有共振峰信號，而右圖：半導(dǎo)體硫化鎘沒有共振峰信號。

上述實(shí)施例展示了兩種金剛石材料制備出熒光分析標(biāo)準(zhǔn)光源的方法，以及一個使用nv色心標(biāo)準(zhǔn)光源來標(biāo)定發(fā)光半導(dǎo)體的范例。尤其指出單個nv色心發(fā)光很弱，熒光強(qiáng)度低，能很好地作為弱光發(fā)光的標(biāo)準(zhǔn)光源。

本發(fā)明可提供在任意大小范圍內(nèi)存在的單個可供使用的熒光分析的標(biāo)準(zhǔn)光源，其具體方法可參照實(shí)施例2；可在塊體材料上圈定出需要的范圍大小，利用等離子體刻蝕工藝在該范圍四周做出標(biāo)記，然后利用電子束光刻在該區(qū)域范圍內(nèi)僅制備出含有單個小孔的圖案，然后通過離子注入的方法產(chǎn)生色心，即可在需求范圍內(nèi)制備出單個熒光分析的標(biāo)準(zhǔn)光源。

另外具有色心的材料不必為金剛石，也可以是其它碳化硅等碳化物晶體，以及離子晶體等其它材料。如果金剛石晶體存在，則晶體可以以納米晶體(實(shí)施例1)、微晶體、單晶體(實(shí)施例2)以及多晶體的形式提供。色心也不單指氮-空穴，而是可以例如包括鎳和氮原子。對于色心的其他示例，可以參考“opticalpropertiesofdiamond”，adatahandbook，zaitsev，a.m.2001，xvii，isbn:3-540-66582-xspringer。

另外，應(yīng)當(dāng)理解的是，該標(biāo)準(zhǔn)光源可以用于任何需要這種光源的應(yīng)用場合。這不僅包括熒光分析，也包括其他光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用場合以及研究領(lǐng)域的應(yīng)用場合，如生物組織的熒光探測等。

以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。

對所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實(shí)施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。