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天美講堂丨相對量子產率的測定

天美公司分析儀器

2022.11.29

相對量子產率

量子產率是一個基本的光物理參數，它描述了一個樣品的熒光效率，被定義為發射的光子數量與樣品吸收的光子數量的比率。準確和可靠的量子產率測量對包括顯示材料、太陽能電池、生物成像和藥物開發等應用非常重要。

有兩種測量量子產率的方法：絕對法和相對法。在絕對法中，量子產率是用積分球直接測量的，而在相對法中，未知樣品的熒光強度與標準樣品的熒光強度相比較，以計算出未知樣品的量子產率。

愛丁堡FS5熒光光譜儀（圖1）通過相對法測量2-氨基吡啶（2AMP）的量子產率。2AMP在硫酸（H₂SO₄）中的量子產率以前曾被用作紫外-可見光范圍內的參考標準。2AMP的量子產率在1968年測量為60%¹，在1983年測量為66%²。這些文獻中的量子產率參考值現在已經有幾十年的歷史了，這里我們用1M H2SO4中的硫酸奎寧（QBS）作為參考標準，用愛丁堡FS5熒光光譜儀對2AMP在1M H₂SO₄中的量子產率進行了重新測量和評估。

圖1：FS5熒光光譜儀

方法

2AMP的相對量子產率可以通過以下公式計算³

公式1

其中下標S和R分別表示待測樣品（2AMP）和參比樣品（QBS）。Φ是量子產率，I是綜合熒光強度，A是激發波長下的吸光度。n是平均發射波長下用于待測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），所以這項值為1。

為了提高計算出的量子產率值的準確性和精確性，最好的方法是準備和測量幾個不同濃度的待測樣品和參比樣品。通過繪制2AMP和QBS的I與1-10-A的關系，可以用斜率（GradS和GradR）來計算量子產率（公式2）。這種方法可以防止潛在誤差，如染料聚集，在較高的濃度導致的非線性。

公式2

準備五種不同濃度的2AMP 1M H₂SO₄的溶液和五種QBS在1M H₂SO₄中的溶液。使用FS5熒光光譜儀測量吸收和熒光光譜，該熒光光譜儀配備有150W氙燈、PMT-980檢測器和SC-05比色皿支架。

2AMP和QBS的吸收和發射光譜

首先，通過使用FS5的內置透射檢測器測量吸收光譜來確定五個濃度2AMP和QBS溶液的吸光度值。在激發波長（310 nm）下，溶液的吸光度值被保持在0.1以下，以盡量減少內濾效應的影響，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）。所有光譜都是在愛丁堡FS5熒光光譜儀獲得。

接下來，采集了5個2AMP和QBS溶液的熒光光譜。熒光光譜儀檢測的熒光強度取決于激發波長、激發和發射帶寬以及積分時間。通過保持這些參數相同，2AMP和QBS的綜合熒光強度、I_S和I_R可以比較。實驗參數是λ_ex=310 nm，激發和發射帶寬分別設置為3 nm和0.5 nm，步長為1 nm，積分時間為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確定量子產率

每個濃度的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光譜中計算出來，如圖3所示。

為了計算GradS校準參數被設置為面積（橙色框），變量名稱被設置為1-10^-A（綠色框）。按 "應用 "計算面積（綜合熒光強度）。然后輸入從吸收光譜中得到的每種濃度的2AMP的吸光度項（1-10^-A）值（淺藍色框）。

圖3：Fluoracle中圖2c的線性分析

校準類型為線性，并勾選了通過零點的曲線（深藍色框）。熒光強度與吸光度的積分項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）。然后對五個QBS光譜重復同樣的過程來計算斜率GradR。兩條曲線及其計算的斜率都顯示在圖4中。

圖4：綜合熒光強度與2AMP和QBS的吸光度的關系

QBS在H₂SO₄中的量子產率的文獻值為ΦR=56.1%⁴。然后用公式2計算出2AMP在H₂SO₄中的量子產率為64.3%，這個值與以前報道的60%和66%的值一致。

結論

愛丁堡FS5熒光光譜儀用相對法測定2AMP在1M H₂SO₄中的量子產率。通過FS5 Fluoracle軟件的線性分析功能，數據分析變得簡單。使用QBS作為參考標準，計算出2AMP的量子產率為64.3%。這個數值與以前的文獻報告相一致，表明FS5可以進行準確和可靠的相對量子產率測量。

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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