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天美講堂丨相對(duì)量子產(chǎn)率的測(cè)定
相對(duì)量子產(chǎn)率
量子產(chǎn)率是一個(gè)基本的光物理參數(shù)，它描述了一個(gè)樣品的熒光效率，被定義為發(fā)射的光子數(shù)量與樣品吸收的光子數(shù)量的比率。準(zhǔn)確和可靠的量子產(chǎn)率測(cè)量對(duì)包括顯示材料、太陽(yáng)能電池、生物成像和藥物開(kāi)發(fā)等應(yīng)用非常重要。
有兩種測(cè)量量子產(chǎn)率的方法：絕對(duì)法和相對(duì)法。在絕對(duì)法中，量子產(chǎn)率是用積分球直接測(cè)量的，而在相對(duì)法中，未知樣品的熒光強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)樣品的熒光強(qiáng)度相比較，以計(jì)算出未知樣品的量子產(chǎn)率。
愛(ài)丁堡FS5熒光光譜儀（圖1）通過(guò)相對(duì)法測(cè)量2-氨基吡啶（2AMP）的量子產(chǎn)率。2AMP在硫酸（H2SO4）中的量子產(chǎn)率以前曾被用作紫外-可見(jiàn)光范圍內(nèi)的參考標(biāo)準(zhǔn)。2AMP的量子產(chǎn)率在1968年測(cè)量為60%1，在1983年測(cè)量為66%2。這些文獻(xiàn)中的量子產(chǎn)率參考值現(xiàn)在已經(jīng)有幾十年的歷史了，這里我們用1M H2SO4中的硫酸奎寧（QBS）作為參考標(biāo)準(zhǔn)，用愛(ài)丁堡FS5熒光光譜儀對(duì)2AMP在1M H2SO4中的量子產(chǎn)率進(jìn)行了重新測(cè)量和評(píng)估。
圖1：FS5熒光光譜儀
方 法
2AMP的相對(duì)量子產(chǎn)率可以通過(guò)以下公式計(jì)算3
公式1
其中下標(biāo)S和R分別表示待測(cè)樣品（2AMP）和參比樣品（QBS）。Φ是量子產(chǎn)率，I是綜合熒光強(qiáng)度，A是激發(fā)波長(zhǎng)下的吸光度。n是平均發(fā)射波長(zhǎng)下用于待測(cè)樣品和參比樣品的溶劑的折射率。本文中，2AMP和QBS都使用了相同的溶劑（1M H2SO4），所以這項(xiàng)值為1。
為了提高計(jì)算出的量子產(chǎn)率值的準(zhǔn)確性和精確性，最好的方法是準(zhǔn)備和測(cè)量幾個(gè)不同濃度的待測(cè)樣品和參比樣品。通過(guò)繪制2AMP和QBS的I與1-10-A的關(guān)系，可以用斜率（GradS和GradR）來(lái)計(jì)算量子產(chǎn)率（公式2）。這種方法可以防止?jié)撛谡`差，如染料聚集，在較高的濃度導(dǎo)致的非線性。
公式2
準(zhǔn)備五種不同濃度的2AMP 1M H2SO4的溶液和五種QBS在1M H2SO4中的溶液。使用FS5熒光光譜儀測(cè)量吸收和熒光光譜，該熒光光譜儀配備有150W氙燈、PMT-980檢測(cè)器和SC-05比色皿支架。
2AMP和QBS的吸收和發(fā)射光譜
首先，通過(guò)使用FS5的內(nèi)置透射檢測(cè)器測(cè)量吸收光譜來(lái)確定五個(gè)濃度2AMP和QBS溶液的吸光度值。在激發(fā)波長(zhǎng)（310 nm）下，溶液的吸光度值被保持在0.1以下，以盡量減少內(nèi)濾效應(yīng)的影響，吸光度值范圍在0.008和0.098之間。2AMP和QBS的歸一化吸收光譜顯示在圖2a中。
圖2：（a）2AMP（綠色）和QBS（紫色）的歸一化吸光光譜。(b) 2AMP（綠色）和QBS（紫色）的歸一化熒光光譜。(c) 不同濃度的2AMP的熒光光譜。C1溶液是濃度最低的（在310nm處的吸光度=0.01），C5是濃度最高的（在310nm處的吸光度=0.098）。所有光譜都是在愛(ài)丁堡FS5熒光光譜儀獲得。
接下來(lái)，采集了5個(gè)2AMP和QBS溶液的熒光光譜。熒光光譜儀檢測(cè)的熒光強(qiáng)度取決于激發(fā)波長(zhǎng)、激發(fā)和發(fā)射帶寬以及積分時(shí)間。通過(guò)保持這些參數(shù)相同，2AMP和QBS的綜合熒光強(qiáng)度、IS和IR可以比較。實(shí)驗(yàn)參數(shù)是λex=310 nm，激發(fā)和發(fā)射帶寬分別設(shè)置為3 nm和0.5 nm，步長(zhǎng)為1 nm，積分時(shí)間為0.5 s。圖2b顯示了2AMP和QBS的歸一化熒光光譜。
使用熒光線性分析來(lái)確定量子產(chǎn)率
每個(gè)濃度的2AMP的熒光光譜被合并到Fluoracle中一張圖（圖2c）。公式2中的斜率GradS可以使用Fluoracle的線性分析功能從圖2c中的2AMP光譜中計(jì)算出來(lái)，如圖3所示。
為了計(jì)算GradS校準(zhǔn)參數(shù)被設(shè)置為面積（橙色框），變量名稱(chēng)被設(shè)置為1-10-A（綠色框）。按 "應(yīng)用 "計(jì)算面積（綜合熒光強(qiáng)度）。然后輸入從吸收光譜中得到的每種濃度的2AMP的吸光度項(xiàng)（1-10-A）值（淺藍(lán)色框）。
圖3：Fluoracle中圖2c的線性分析
校準(zhǔn)類(lèi)型為線性，并勾選了通過(guò)零點(diǎn)的曲線（深藍(lán)色框）。熒光強(qiáng)度與吸光度的積分項(xiàng)與線性擬合一起繪制在屏幕的右下方。曲線的斜率（GradS）為K1（紅色框）。然后對(duì)五個(gè)QBS光譜重復(fù)同樣的過(guò)程來(lái)計(jì)算斜率GradR。兩條曲線及其計(jì)算的斜率都顯示在圖4中。
圖4：綜合熒光強(qiáng)度與2AMP和QBS的吸光度的關(guān)系
QBS在H2SO4中的量子產(chǎn)率的文獻(xiàn)值為ΦR=56.1%4。然后用公式2計(jì)算出2AMP在H2SO4中的量子產(chǎn)率為64.3%，這個(gè)值與以前報(bào)道的60%和66%的值一致。
結(jié) 論
愛(ài)丁堡FS5熒光光譜儀用相對(duì)法測(cè)定2AMP在1M H2SO4中的量子產(chǎn)率。通過(guò)FS5 Fluoracle軟件的線性分析功能，數(shù)據(jù)分析變得簡(jiǎn)單。使用QBS作為參考標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算出2AMP的量子產(chǎn)率為64.3%。這個(gè)數(shù)值與以前的文獻(xiàn)報(bào)告相一致，表明FS5可以進(jìn)行準(zhǔn)確和可靠的相對(duì)量子產(chǎn)率測(cè)量。
參考文件
1. R. Rusakowicz, A. C. Testa, 2-Aminopyridine as a standard for low-wavelength spectrofluorimetry. J. Phys. Chem. 72, 2680–2681 (1968).
2. S. R. Meech, D. Phillips, Photophysics of some common fluorescence standards. J. Photochem. 23, 193–217 (1983).
3. K. L. Wong, J. C. Bünzli, P. A. Tanner, Quantum yield and brightness. J. Lumin. 224, 117256 (2020).
4. B. Gelernt, A. Findeisen, A. Stein, J. A. Poole, Absolute measurement of the quantum yield of quinine bisulphate. J. Chem. Soc. Faraday Trans. 2 Mol. Chem. Phys. 70, 939–940 (1974).
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