2-1 樣品的製備
本研究的紫質衍生物是由國立暨南大學應用化學系林敬堯教授實驗室所提 供，將紫質衍生物溶解在光譜級的溶劑中。為避免自我吸收的效應發生，吸收光 譜與螢光光譜的測量均使用2 mm 的石英比色管，並將其濃度配製在小於 1×10-5 M 的濃度內。
敏化奈米二氧化鈦薄膜的製備是採用溶膠-凝膠(sol-gel)法1, 2，溶膠-凝膠法在 形成薄膜和大塊固體方面有顯著的優點，在1997 年 Gratzel 發表染料敏化的奈米 晶體太陽能電池的優異光電轉換效率，其二氧化鈦奈米晶體薄膜的製備也是利用 溶膠-凝膠法，其奈米粒子的平均大小為 10-20 奈米3。本實驗採用的溶膠-凝膠法 的步驟如下所示:(1)先取異丙基鈦酸鹽(titanium isopropoxide, 97%, Aldrich) 25 mL 慢慢滴入149 mL 去離子水與 1 mL 的硝酸(70%)中，此時會在稀硝酸溶液中形成 雪花般的白色二氧化鈦聚集體；(2)將此溶液加熱至 60~70 ℃，並維持此溫度 8 小 時後，將其乳白色溶液裝至迴旋濃縮儀中，將其溶液體積濃縮至原體積的1/3；(3) 將濃縮後的二氧化鈦膠態溶液加入等量體積的聚乙烯基甘油(polyethylenglycol 600, Merck)，並將其混合均勻；(4)將其混合膠態溶液取適當的量滴至 ITO 玻璃上，放 至在旋轉鍍膜儀上，使其轉速為4000 rpm，旋轉 30 秒後放置入 450 ℃烤箱中加熱 40 分鐘；(5)重複(4)的步驟 9 次，在 ITO 玻璃上總鍍上 10 層二氧化鈦粒子薄膜；
(6)將鍍好的二氧化鈦薄膜片放入 0.1 M 的氯化鈦(TiCl4)的水溶液中半小時後，用純 氮氣將其表面吹乾，再放入450 ℃烤箱中加熱 30 分鐘；(7)將製備完的奈米二氧化 鈦薄膜片靜置在已配製好的紫質溶液中4 小時，然後再用溶劑將其表面洗淨，放 入乾燥箱中避免水氣與光線的照射。
2-2 紫外-可見光吸收光譜儀
本實驗之吸收光譜量測方法主要有兩部分，一部份為液態樣品的量測；另一 部份則為固相染料敏化奈米二氧化鈦薄膜樣品的量測，以下分別論述。
樣品的吸收光譜之測量是使用 Varian 公司，型號為 Cary50 的紫外-可見光光 譜儀。使用光源為氙燈，其光區範圍為190 ~ 1100 nm，實驗所使用的掃描速率為 每秒1200 nm，光譜解析度為 0.25 nm。對於液相樣品的參考樣品，使用與溶液樣 品相同的溶劑當做參考樣品；而對於染料敏化奈米二氧化鈦薄膜的測量，則以空 白的奈米二氧化鈦薄膜來當作參考樣品，因為敏化奈米二氧化鈦薄膜的穿透性良
好，故以穿透式的方式來測量其吸收光譜。
2-3 螢光光譜儀
本實驗螢光光譜的測量利用脈衝式二極體雷射為激發光源，經由光纖打入樣 品，在90°方向上以光纖收集樣品的放光並傳送到CCD 光譜儀（USB2000-FLG，
Ocean Optics）進行光譜的偵測。偵測波長範圍 378-1050 nm，入射孔徑為 200 μm，
解析度為10 nm，偵測器為 2048-圖素線性 CCD 列陣。
2-4 時間相關單光子計數系統
2-4-1 時間相關單光子計數系統原理與裝置圖
本實驗主要利用PicoQuant 公司所生產的時間相關單光子計數系統來進行時 間-解析螢光光譜（time-resolved fluorescence spectra）的測量。其工作原理如圖 2-1 所示4， 茲簡述如下。利用脈衝光源週期性激發樣品以進行單一光子的偵測，精 確的記錄所偵測到的光子訊號與雷射同步觸發訊號（synchronization trigger，SYNC trigger）的相對時間，並對單一光子所測得的相對時間進行累計，以重建螢光訊號 波形。由於”pile up”的效應5， TCSPC 技術所要求的實驗條件為”每個週期所偵測 到的光子數目遠小於1”，在此偵測條件下才可正確地重現實際放光訊號的時間波 形 (temporal profile)。
圖 2-1. 時間相關單光子計數的工作原理
TCSPC 之儀器配置如圖 2-2 所示。所使用之激發光源為脈衝式的二極體雷射
（pulsed diode laser），其最小半高寬（full width half maximum，FWHM）約為 80 ps 的脈衝。當雷射輸出時，由光源本身的控制器（driver；PDL 800-B，PicoQuant）送 出同步觸發訊號，經由分數式時間鑑別器（constant fractional discriminator，CFD）
判別訊號有效與否並設定訊號到達時間，再由可調節式延遲器（variable delay line；
425A，ORTEC）調整進入 TCSPC 模組（SPC630，PicoQuant）的延遲時間。激發光 源經由一面反射鏡導向樣品室（sample chamber），可經由調整鏡面上的兩個旋鈕控 制導向樣品的雷射光方向，反射鏡前具有一光圈（iris）可調節進入樣品室的雷射光 通量，接著通過一個聚焦透鏡（focusing lens）聚焦到樣品上。樣品的放光利用兩面 透鏡進行收集，再經由一個光圈調節收集的光通量及一可選擇垂直（perpendicular）、 水平（horizontal）或魔術角度（magic angle）偏振方向的偏振器（polarizer），接著 再 通 過 相 減 式 的 雙 光 柵 光 譜 儀(subtractive double monochromator ； 9030DS ， Sciencetech），而進入偵測器。
圖 2-2. Fluo Time 200 儀器配置圖。
偵 測 器 為 微 頻 道 光 電 倍 增 管 （micro-channel plate photon-multiplier tube ， MCP-PMT ； R3809U-57 ，Hamamatsu ）， 其 輸 出 的 電 流 值 經 由 一 個 前 置 放 大 器
（Pre-Amplifier）將訊號轉換成正電壓值並放大以達到 TCSPC 模組可以接受的範 圍，接著進入TCSPC 模組進行訊號計時的工作。
利用兩個分數式鑑別器（constant fractional discriminator，CFD）分別判別螢光 及觸發訊號有效與否並決定其所到達的時間，再以標準訊號（NIM）送入時間-振 幅轉換器（time-to-amplitude converter，TAC）中。當 TAC 收到螢光訊號後，內部 的電容便開始充電，直到收到下一發觸發訊號時停止充電，並產生電壓輸出，所輸 出的電壓振幅正比於兩訊號輸入 TAC 的相對時間差。最後以類比-數位轉換器
（analog-to-digital converter，ADC）將電壓振幅轉換為個別的時間頻道（channel），
Single photon events
Multi- photon events
Single photon events
Multi- photon events
Disc / LLD
ULD Noise
Single photon events
Multi- photon events
圖 2-4 TAC偵測單一光子的計時機制。
TAC有兩種充電模式：一為正常的開始-結束模式（normal start-stop mode），
以同步觸發訊號為開始的訊號，螢光訊號為停止的訊號；另一種則為反轉的開始-結束模式（reverse start-stop mode），此時以螢光訊號為開始的訊號，同步觸發訊號 作為結束。為了取得真實的訊號必須降低每週期收到螢光的機率，而TAC若以正常
TAC setting time
start-stop time TAC dead time
Photon
TAC setting time
start-stop time TAC dead time
Photon
TAC setting time
start-stop time TAC dead time
Photon
TAC setting time Photon
TAC setting time Photon
TAC setting time
start-stop time TAC dead time
start-stop time TAC dead time
偵測取樣，可將其螢光產生的時間分佈完整再現。時間頻道數目包括4096、1024、
256、64 個頻道，可經由軟體調變，選擇最適合的頻道數目。
2-4-2-5. 可調節式延遲器
TAC 所輸出電壓會經由類比-數位轉換器轉換成所對應的時間頻道並進入多頻 道分析儀儲存累計。各個頻道代表了不同的電壓值（時間差），但由於頻道的數目 有限，所以需要利用延遲器調節觸發訊號送入 TAC 的時間來改變其輸出電壓值，
如此可在螢幕上呈現完整的衰減訊號。
2-4-2-6 雙光柵光譜儀 (Double Monochromator)
當系統所要求的時間解析度達到數十皮秒時，此時則需考慮光路徑所造成的影 響，其中影響最大的即為單光儀，簡述如下：當一平行光束打在光柵不同位置時，
其產生的繞射光將因行經不同的光程而造成時間上的差異，為此利用兩個相對的光 柵藉由相對轉動對光行進時間上的偏差進行補償。光柵適用光譜範圍為 350-900 nm，可選擇寬度為 0.5、1.0 及 2.0 毫米（millimeter，mm）的狹縫進行實驗，提供 光譜頻寬（spectral bandwidth）為 4、8、及 16 nm。
2-4-2-7 二極體雷射光源
本實驗使用 PicoQuant 公司所生產的脈衝式二極體雷射 LDH-P-C 400、
LDH-P-C 435，其激發波長分別為 405 及 435nm，半高寬為 80 ps，可由控制器選 擇脈衝的重複率（2.5 MHz ~ 40 MHz）及調整雷射輸出的能量。
2-5 皮秒時間—解析螢光非等向性光譜技術 2-5-1 非等向性原理
螢光非等向性的原理可由單分子來推導出，假設其分子的吸收與發射躍遷矩 (transition moment)是互相平行的。令其分子放置在相對於 Z 軸為 θ 角和相對於 Y 軸為ψ角的位置，如圖2-5 所示。在基態時，分子在溶液中是等向性(isotropic)的。
已知螢光的行為像發光偶極(radiating dipole)。其螢光強度正比於發光偶極在觀測 位置上的投影大小的平方。另外螢光的偏極方向是與躍遷矩平行，因此其強度大 小是經過偏振片(polarizer)後正比於發光偶極的電場投影在與可通過偏振片之平行 或垂直方向上大小的平方值，在平行方向上的螢光強度以I//來表示，而垂直方方 向上的螢光強度，則以I 來表示。這兩方向上的大小如下公式2-1 與 2-2 所示:
圖 2-5 單分子被z軸方向的偏振光激發後，在y軸的位置上所觀測到的平行與垂直於激發光電場之 螢光強度概念圖。
I//(θ, )=cos θφ 2
(2-1)
I⊥(θ, )=sin θsinφ 2 2φ (2-2) 因為分子在溶液中的分布是隨機分布的，當分子相對於y 軸有 ψ 角的位置上，以 z 軸為對稱線，在相對的位置所分子存在的機率是相同的，以 z 軸旋轉 ψ 角由0-2π 內的平均值< sin2ψ>=1/2，所以在水平方位與垂直方位的螢光強度就如同公式 2-4 與2-5 所示:2 2
2 0
2
0
sin 1
sin 2
d
d
π
π
φ φ φ
φ
< >=
∫
=∫
(2-3)
I//(θ) = cos2θ (2-4)
I⊥(θ) = 1
2sin2θ (2-5)
又因為非等向值(anisotropy，r)的定義如公式 2-6 所示，將公式 2-4 與 2-5 中的 I//
與I⊥代入，可得公式2-7。這表示若 θ 角為 0o時，也就是激發與螢光躍遷矩為共同 方向時，非等向值(r)為 1.0；若激發與螢光躍遷矩之間的夾角為 90 時，此時的非 等向值則為-0.5。公式 2-7 為分子的吸收躍遷矩完全與激發光的電場同方向所推導 出來的，但是大部分的分子的吸收躍遷矩並非與激發光的電場完全平行，因此必 須考慮激發選擇(excitation photonselection)的效應。