天美講堂丨光致發(fā)光光譜法檢測(cè)單線態(tài)氧

天美公司分析儀器

2023.10.16

單線態(tài)氧（1O2）是分子氧的最低激發(fā)態(tài)。它是一種不穩(wěn)定的物質(zhì)，會(huì)與環(huán)境快速反應(yīng)，產(chǎn)生氧化物。1O2的高反應(yīng)性意味著它具有許多應(yīng)用，例如癌癥的光動(dòng)力治療、精細(xì)化學(xué)合成和廢水處理1。在這些應(yīng)用中，1O2是使用光敏劑 (PS) 產(chǎn)生的，光敏劑是一種光活性染料，被紫外光或可見(jiàn)光激發(fā)成單重態(tài)，然后通過(guò)系間竄躍轉(zhuǎn)變?yōu)槿貞B(tài)。PS三線態(tài)與溶液中的三線態(tài)氧(3O2)反應(yīng)生成1O2可以被其他物質(zhì)猝滅或發(fā)光（圖1）。影響1O2產(chǎn)率的因素有很多：PS、溶劑、濃度和光激發(fā)能量的選擇。每個(gè)都必須針對(duì)應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，而直接測(cè)量1O2在此優(yōu)化過(guò)程中非常受用。

圖 1.使用光敏劑生產(chǎn)1O2以及溶液中的失活途徑。A是可以通過(guò)碰撞（物理猝滅）或反應(yīng)（化學(xué)猝滅）使1O2失活的任何物質(zhì)。

1O2在大約1270 nm處具有弱的光致發(fā)光（PL）發(fā)射，自然帶寬大約為18 nm。由于 1270 nm 處的信號(hào)較弱，因此檢測(cè)1O2發(fā)射需要靈敏的近紅外 (NIR) 探測(cè)器。即使使用合適的探測(cè)器，強(qiáng)大的激發(fā)源和高效的光學(xué)系統(tǒng)也是必不可少的。在本文中，Edinburgh Instruments FLS1000 光致發(fā)光光譜儀用于表征溶液中1O2的 PL 光譜和壽命。比較不同的激發(fā)源和檢測(cè)器以確定1O2檢測(cè)的最佳 FLS1000 配置。

方法和材料

通過(guò)將光敏劑玫瑰紅溶解在乙腈中至510 nm處的光密度為0.1和560 nm處的0.5來(lái)制備1O2樣品，并將其裝入石英比色皿中。在測(cè)量之前將溶液用空氣飽和。

發(fā)射光譜在 FLS1000 光致發(fā)光光譜儀（圖 2）中測(cè)量，該光譜儀配備 450 W Xe 燈、60 W 微秒閃光燈、VPL-510 可變脈寬激光器、比色皿支架、雙激發(fā)單色儀、單發(fā)射單色儀、NIR PMT 檢測(cè)器和InGaAs探測(cè)器。在樣品和發(fā)射單色儀之間放置一個(gè)截止波長(zhǎng)為 1200 nm 的附加長(zhǎng)通濾光片。此外，將倍頻 Nd:YAG 激光器 (Litron Nano S 130-10) 耦合到 FLS1000 的樣品室。激光器提供 5-7 ns 的 532 nm 脈沖，頻率為 10 Hz。

圖2.FLS1000 光致發(fā)光光譜儀

單線態(tài)氧發(fā)射光譜

探測(cè)器靈敏度比較

FLS1000 光譜儀具有多個(gè) NIR 檢測(cè)器選項(xiàng)，用于測(cè)量1O2的光譜。本文中比較的探測(cè)器是：液氮冷卻 PMT-1700-LN 和 InGaAs-1.65 模擬探測(cè)器。

表 1. NIR PMT 和 InGaAs 探測(cè)器的規(guī)格

1O2發(fā)光的強(qiáng)度與PS的效率成正比。1O2的產(chǎn)量越低，檢測(cè)它所需的儀器就越靈敏。對(duì)于乙腈中的玫瑰紅，所有檢測(cè)器都可以識(shí)別來(lái)自1O2的 1270 nm 附近的窄發(fā)射帶，但具有不同的信噪比 (SNR)。圖 3 顯示了在相同條件下獲得的峰歸一化發(fā)射光譜。

圖 3.乙腈中玫瑰紅產(chǎn)生的1O2的峰值歸一化發(fā)射光譜。使用在 510 nm CW 模式下的 VPL-510 激光器進(jìn)行激發(fā)，并使用 PMT-1700-LN 和 InGaAs-1.65 檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)條件為 Δλem =30 nm，積分時(shí)間為 2 s，步長(zhǎng)為 1 nm。

比較圖 3 中的歸一化光譜，光子計(jì)數(shù)的PMT 比 InGaAs 探測(cè)器具有明顯的優(yōu)勢(shì)。主要原因是它們的噪聲較低：光子計(jì)數(shù)探測(cè)器僅受泊松分布噪聲的影響，因此 SNR 計(jì)算中的背景是暗計(jì)數(shù)的平方根。相比之下，InGaAs 是一種非光子計(jì)數(shù)探測(cè)器，因此比 PMT 具有更高的本底噪聲和更低的信噪比。為了實(shí)現(xiàn)與PMT-1700-LN相同的 SNR，InGaAs-1.65 則需要更長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間，基本長(zhǎng)10倍以上。

激發(fā)光源比較

激發(fā)源的選擇與檢測(cè)器同樣重要。傳統(tǒng)的 PL 激發(fā)源是與單色儀耦合的氙燈，提供可調(diào)波長(zhǎng)激發(fā)。當(dāng)不需要可變波長(zhǎng)時(shí)，可以使用連續(xù)激光器進(jìn)行激發(fā)。激光器的功率可以比氙燈更高，并且根據(jù)型號(hào)的不同，也可以調(diào)節(jié)脈沖用于 PL 壽命測(cè)量。

圖4.乙腈中玫瑰紅產(chǎn)生的1O2原始發(fā)射光譜。使用 510 nm 的 CW VPL-510 激光器和氙燈進(jìn)行激發(fā)（λex = 560 nm，Δλex = 10 nm）。實(shí)驗(yàn)條件為 Δλem = 10 nm，積分時(shí)間為2 s，步長(zhǎng) 1 nm。

圖4比較了氙燈和 VPL-510 激光器產(chǎn)生的1O2發(fā)光強(qiáng)度。氙燈激發(fā)的光譜是用 560 nm 的激發(fā)波長(zhǎng)（玫瑰紅的最大吸收）獲得的。VPL-510 光源在 510 nm 處激發(fā)玫瑰紅，遠(yuǎn)離最大值。盡管如此，VPL 激發(fā)的光譜強(qiáng)度更加強(qiáng)。

單線態(tài)氧的發(fā)射壽命

溶液中1O2的壽命取決于其化學(xué)環(huán)境。許多反應(yīng)以及非反應(yīng)性淬滅都可能同時(shí)發(fā)生，因此很難預(yù)測(cè)其壽命。最可靠的方法是使用配備光子計(jì)數(shù)探測(cè)器的時(shí)間分辨光譜儀直接測(cè)量其壽命。在此，1O2壽命是使用 FLS1000 中的 PMT-1700-LN 探測(cè)器測(cè)得的。

1O2的發(fā)光衰減時(shí)間一般為幾微秒，一般使用MCS 光源進(jìn)行測(cè)試，例如 μs閃光燈、高能量納秒脈沖 Nd:YAG 激光器和可變脈寬激光器（VPL系列）。

1O2的壽命由兩個(gè)光源表征：60 W 脈沖氙燈，另一個(gè)是VPL-510。脈沖氙燈的優(yōu)點(diǎn)是波長(zhǎng)和激發(fā)帶寬可調(diào)，而 VPL 光源波長(zhǎng)固定，但脈沖寬度可在 50ns-1ms 之間調(diào)節(jié)。在這種情況下，如圖 5（a）和（b）所示，VPL-510 和脈沖氙燈產(chǎn)生的1O2壽命信號(hào)相差不大。圖 5(c) 顯示了如何調(diào)整 VPL-510 脈沖寬度以增加信號(hào)強(qiáng)度。

圖 5. 在 FLS1000 中使用 (a) VPL-510 和 (b) 脈沖氙燈激發(fā)所獲得的1O2的壽命衰減。圖中顯示了指數(shù)擬合結(jié)果。不同 VPL-510 脈沖寬度的影響見(jiàn) (c)，PL 衰減采集時(shí)間相同，脈沖寬度如圖所示。測(cè)量條件：(a) λe1O2x = 510 nm，λem = 1275 nm，Δλem = 30 nm，重復(fù)頻率 = 1 kHz (b) λex = 560 nm，Δλex = 5 nm，λem = 1275 nm，Δλem = 30 nm，重復(fù)頻率 = 100 Hz (c) λex = 510 nm，λem = 1275 nm，Δλem = 30 nm，重復(fù)頻率 = 1 kHz

1O2產(chǎn)量低的樣品需要更高的激發(fā)能量來(lái)檢測(cè)。在這種情況下，可將脈沖 Nd:YAG 激光器或光參量振蕩器 (OPO) 與 FLS1000 光譜儀耦合，以獲得短、高能量的激發(fā)脈沖。圖 6 顯示了使用 Nd:YAG 激光和 PMT-1700-LN 獲得的?1O2的壽命衰減數(shù)據(jù)。激光能量衰減到 5 mJ，發(fā)射帶寬設(shè)置為 3 nm。其結(jié)果是衰減強(qiáng)度與圖 5 相當(dāng)。

圖 6. 使用 532 nm Nd:YAG 激光激發(fā)獲得的1O2壽命衰減。該數(shù)據(jù)是使用與圖 5 不同的樣品采集的（1O2的壽命取決于空氣飽和度和 PS 濃度）。指數(shù)擬合結(jié)果如圖所示。測(cè)量條件：激光能量 = 5 mJ/脈沖，重復(fù)頻率 = 10 Hz，λem = 1275 nm，Δλem = 3 nm。

總結(jié)

檢測(cè)單線態(tài)氧需要高性能的光譜儀，愛(ài)丁堡FLS1000可配置高功率激光器和高靈敏的探測(cè)器。模擬信號(hào)的 InGaAs 檢測(cè)器可用于光譜測(cè)量，但建議使用光子計(jì)數(shù) PMT。脈沖光源和檢測(cè)器對(duì)于1O2的時(shí)間分辨光譜收集至關(guān)重要。

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