引用本文
郑永丽, 张晓东, 周永丰. 四线法弱发光样品绝对量子产率的测量[J]. 光谱学与光谱分析, 2025,45(1): 95-100.
ZHENG Yong-li, ZHANG Xiao-dong, ZHOU Yong-feng. Measurement of Absolute Quantum Yield of Weak Luminescence Samples by Four-Line Method[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2025,45(1): 95-100.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2025)01-0095-06  
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四线法弱发光样品绝对量子产率的测量
郑永丽1, 张晓东2, 周永丰1
1.上海交通大学化学与化工学院, 上海 200240
2.上海珩翼行科技有限公司, 上海 200235

作者简介: 郑永丽, 女, 1978年生, 上海交通大学化学与化工学院高级工程师 e-mail: ylzheng07@sjtu.edu.cn

收稿日期: 2023-11-18 修订日期: 2024-04-08
基金: 国家自然科学基金青年科学基金项目(21901160), 上海交通大学决策咨询课题资助项目(JCZXSJA2019-004, JCZXSJB2022-004)资助
摘要

弱发光样品量子产率测量困难, 提出了四线法的测量方法, 采用荧光光谱仪和积分球附件相结合的测量方式, 主要利用衰减片的添加来实现样品荧光发射信号的相对增强, 较大程度提高了弱发光样品量子产率测量的准确度。采用该装置测定了标准物质YG晶体的绝对量子产率为42.0%, 相对误差0.95%, 验证了荧光分光光度计和积分球结合的方式用于绝对量子产率测量的可行性。然后介绍了四线法用于绝对量子产率测量的依据、 测量过程及数据处理方法。采用四线法测量了标准样品罗丹明6G和硫酸奎宁的绝对量子产率, 结果显示相对误差分别为1.3%和1.1%, 远小于5.0%(量子产率允许误差), 表明该方法具有较高的准确性。详细探讨了实验条件对四线法绝对量子产率测量结果的影响, 发现测试的最佳条件为衰减片放于激发端、 衰减后的光源强度达到荧光光谱仪检测器光强线性响应区间的上限。采用不同浓度罗丹明6G溶液模拟弱发光、 中强发光以及强发光样品, 分别用二线法(常规方法)和四线法测量各溶液的绝对量子产率, 将测试结果与文献报导数据对比, 发现四线法更适用于弱发光和中强发光样品绝对量子产率的测量, 尤其用于弱发光样品测量时, 相对误差由二线法的10%降至四线法的0.32%。

关键词: 绝对量子产率; 四线法; 衰减片; 弱发光样品; 标准样品
中图分类号:O657 文献标志码:A
Measurement of Absolute Quantum Yield of Weak Luminescence Samples by Four-Line Method
ZHENG Yong-li1, ZHANG Xiao-dong2, ZHOU Yong-feng1
1. School of Chemistry and Chemical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
2. Shanghai Hengyixing Technology Co., Ltd., Shanghai 200235, China
Abstract

Aiming at the difficulty of the absolute quantum yield measurement of weak luminescence samples, a Four-Line method is proposed, mainly using the neutral density attenuator to realize the relative enhancement of the sample emission signal. The fluorescence spectrometer and integrating sphere measure the absolute quantum yield. To investigate the feasibility of the Four-Line method, the quantum yields of standard samples rhodamine 6G and quinine sulfate were measured. The results show that the relative errors are 1.3% and 1.1%, respectively, far less than 5.0%, indicating this method has high accuracy. The influence of experimental conditions on quantum yield measured by the Four-Line method is discussed. It is found that the best experimental condition is that the neutral density attenuator is placed at the excitation position, and the attenuated light source intensity reaches the upper limit of the linear response interval of the detector. They used rhodamine 6G solution with different concentrations to simulate weak, medium, strong, and strong luminescence samples. The quantum yields of the solutions were measured by the Two-Line method (conventional method) and the Four-Line method, respectively, and the results were compared with those reported in the literature. The research shows that the Four-Line method is more suitable for the absolute quantum yield measurement of weak and medium luminescence samples, and the relative error is reduced from 10% by the Two-Line method to 0.32%.

Keyword: Absolute quantum yield; Four-Line method; Neutral density attenuator; Weak luminescence samples; Standard samples
引言

荧光量子产率指物质吸收光子后所发射的光子数与其所吸收的光子数之比值, 是衡量物质发光效率的尺度。常用的量子产率测量方法有两种: 绝对量子产率方法和相对量子产率方法[1, 2]。相对量子产率方法采用标准物为参照, 在相同条件下分别测量标准物和样品的吸光度和荧光强度, 通过公式计算得到样品的相对量子产率[3, 4], 该方法只能用于液体样品, 并且测量误差比较大。绝对量子产率方法在测量过程中应用积分球附件[5]可以克服这些问题, 近年来在样品量子产率的测量方面得到广泛的应用[6, 7, 8, 9]。但对于弱发光样品(本文中指发射信号比较弱的发光物质), 特别是弱发光固体样品, 绝对量子产率方法测量起来非常困难。主要因为光谱类仪器的检测器对于光强存在线性响应区间, 要求激发光源强度有一上限值。在弱发光样品的绝对量子产率测量中, 当光源强度比较低时, 样品的发射峰也比较小, 检测非常困难, 误差相对较大, 因此该类样品绝对量子产率的测量成为光谱研究者很大困扰。

随着石墨烯、 钙钛矿太阳能电池、 光催化剂等材料的快速发展, 弱发光材料绝对量子产率测量的需求日益增加[10, 11, 12, 13]。目前还没有合适的测量弱发光样品绝对量子产率的方法。如果能找到一种方法, 既能满足光源强度不高, 又能检测到样品信号, 在弱发光样品绝对量子产率的测量中将具有较大的使用价值。研究中提出了弱发光样品绝对量子产率四线法的测量。

选择罗丹明6G和硫酸奎宁为标准物, 通过其绝对量子产率的测量对四线法的可行性进行验证, 并探讨了实验装置、 光源强度对实验结果准确性的影响。以不同浓度罗丹明6G溶液模拟弱发光、 中等发光以及强发光样品, 分别用常规方法和四线法测量其绝对量子产率, 将实验结果与文献数据对比, 考察了发光样品绝对量子产率四线法测量结果的准确性。

1 实验部分
1.1 仪器与试剂

荧光光谱仪(QM/TM/IM, PTI公司, 美国), 检测器光强线性响应区间2.0× 105~1.0× 106 counts。紫外/可见/近红外分光光度计(Lambda 750S, 珀金埃尔默公司, 美国), 光谱范围190~2 500 nm。中性衰减片, Newport oriel和霍达兴光公司, 衰减倍数(DB)分别为2.2、 2.6及3.0。积分球(Everfine, 中国), SPEKTRON-R98涂层, 直径80 mm。

硫酸奎宁(quinine sulfate, QS), 纯度99%, 荧光分析专用, 购自Aladdin公司; 罗丹明6G(rhodamine 6G, R6G), 纯度≥ 99%, 光谱级, 购自Acros Organics公司; 硫酸, 乙醇, 分析纯; YG晶体, PTI公司配备, 激发波长352 nm, 绝对量子产率42.0%。

1.2 方法

1.2.1 概念与定义

相对误差: 样品绝对量子产率测量三次, 取平均值, 与参考文献中数值取差值后再除以参考文献中数值。

发光样品: 绝对量子产率测量中, 光源强度在检测器光强线性响应区间内, 能够明显检测出荧光发射信号的样品为强发光样品; 虽能够检测到样品发射信号, 但噪音明显, 曲线积分误差比较大的样品为中等发光样品; 发射信号极弱无法进行曲线积分, 甚至无法检测到发射信号的样品为弱发光样品。

1.2.2 标准样品溶液制备

QS粉末溶于0.10 mol· L-1的稀硫酸中, 得到浓度分别为2.5× 10-5、 5.0× 10-5和5.0× 10-3 mol· L-1的三种溶液。

R6G粉末溶于乙醇中, 得到浓度分别为1.0× 10-6、 1.0× 10-5、 2.5× 10-5和5.0× 10-5 mol· L-1的四种溶液。

取2.0 mL上述样品溶液于石英比色皿(1 cm× 1 cm)中, 分别测量其350和488 nm激发下的发射光谱图和绝对量子产率。

1.2.3 四线法绝对量子产率测量

强发光样品绝对量子产率测量时, 通常测试两条曲线, 即样品吸收和发射曲线。通过这两条曲线的数学运算及面积积分, 得出样品的量子产率[14]。即为常用的物质量子产率测定的绝对方法, 称之为二线法(Two-line method)。对于弱发光样品, 吸收部分信号强度在检测器光强线性响应区间, 可以直接得到。而发射部分信号较小, 难以直接检测得到, 给计算结果带来较大的误差。

增强发射部分信号的方法有调节狭缝大小、 提高样品浓度、 增大工作电压等, 这些方法在增强样品发射信号的同时, 也增强了激发光源的信号, 解决不了在检测器光强线性响应区间内难以检测到弱发光样品发射信号的问题。为此提出测试四条曲线的办法。装置示意见图1, 其中图1(a)为荧光分光光度计光路图, 积分球[图1(b)]放置于样品池处, 样品或者背景放置于积分球内部样品架上, 衰减片[图1(c)]放置于样品室聚光镜L1左侧1号位置或者聚光镜L2右侧2号位置。测试时, 首先调节仪器参数使样品有明显的发射信号, 测试曲线记为S; 再把样品换成背景, 扫描得到背景曲线B; 放置衰减片使背景吸收后光源信号强度落在检测器光强线性响应区间, 得到衰减后背景曲线BND, 背景再次换成样品扫描得到衰减后样品曲线SND, 最终运算后的结果扣除衰减片的影响即可得到量子产率。整个过程中需要测试四条曲线, 称之为四线法(Four-line method)[15]。测试曲线及数据处理见图2, 其中图2(a)是有、 无衰减片添加时背景和样品的光谱曲线, 图2(b)是测试曲线经过数学运算后得到样品吸收和发射信号, 详细说明如下:

B: 背景曲线; BND: 加衰减片之后的背景曲线。

S: 样品光谱曲线; SND: 加衰减片样品光谱曲线。

S-B: 样品光谱曲线与背景曲线求差谱, 得到样品的发射信号, 峰面积为AS-B。

SND-BND: 加衰减片后样品光谱曲线与背景曲线求差谱, 得到加衰减片样品的发射信号, 峰面积为ASND-BND。

BND-SND: 加衰减片后背景曲线与样品光谱曲线求差谱, 得到样品的吸收信号, 峰面积为ABND-SND。

图1 四线法绝对量子产率测量示意图
(a): 荧光分光光度计光路图; (b): 积分球; (c): 衰减片Fig.1 Scheme of quantum yield measurement by Four-line method
(a): Spectrofluorometer optical diagram; (b): Integrating sphere; (c): Neutral density attenuator

图2 四线法量子产率测量曲线(a)及数据处理(b)Fig.2 Fluorescence curve (a) and data processing (b) of quantum yield measurement by Four-line method

定义DB为衰减倍数, 其数值等于背景曲线衰减前B与衰减后BND峰值的强度比。

QYT=(ASND⁃BND)/(ABND⁃SND)(二线法绝对量子产率计算)QYF=[(AS⁃B)/(ABND⁃SND)]/DB(四线法绝对量子产率计算)

四线法绝对量子产率计算式中, 因样品光谱曲线S峰值强度在仪器检测器光强线性响应区间内, 样品发射信号部分通过没加衰减片样品和背景曲线差谱S-B求得。因未加衰减片的背景曲线B峰值强度超出了仪器检测器光强线性响应区间, 样品吸收部分采用加了衰减片背景和样品曲线差谱BND-SND求得, 达到了单单对样品发射信号进行放大的目的。

2 结果与讨论
2.1 装置

2.1.1 光谱仪与积分球结合装置准确性的验证

采用荧光光谱仪和积分球相结合的装置测量绝对量子产率, 为了验证该实验装置的适用性, 测量了YG晶体的绝对量子产率(激发波长352 nm, 量子产率42.0%), 结果为42.4%, 相对误差0.95%, 该装置满足测试要求。

2.1.2 衰减片的选择

四线法的核心在于衰减片的使用, 对于大多数样品, 发射光谱的范围在300~800 nm之间, 为无衰减透过率曲线为100%直线[图3(a)]要求衰减片在该范围内具有相同的透光率。选择两个公司的衰减片产品Newport oriel和霍达兴光, 分别测试了其透光率[图3(a, b, c)]。在300~800 nm范围内, Newport oriel产品的透过率曲线为一直线[图3(a)], 表明300~800 nm区间内具有相同的透过率, 而霍达兴光产品[图3(c)]当波长小于460 nm时出现透光率出现缓慢降低[图3(b)], 当波长小于350 nm时快速降低至不透光, 因此在测试中选择Newport oriel衰减片。

图3 不同公司衰减片透光率对比
a: 无衰减片; b: 霍达兴光; c: Newport orielFig.3 Transmittance of attenuators of different companies
a: Without attenuators; b: Huoda xingguang; c: Newport oriel

2.2 标准样品的选择和绝对量子产率的测定

2.2.1 标准样品浓度的选择

选取较为常用的标准物质QS和R6G作为研究对象, 其中QS的激发和发射光谱与样品的浓度有关[图4(a, b)]。随着浓度的增加, QS的激发波长发生红移。5× 10-5 mol· L-1为350 nm, 5× 10-3 mol· L-1为366 nm, 发射波长基本不变, 约450 nm。同时发现当溶液浓度增加时, 样品的荧光强度先增加而后下降。因而荧光光谱的测量对选择标准样品合适浓度具有重要参考, 该体系选择350 nm激发, 浓度为2.5× 10-5 mol· L-1。

图4 不同浓度硫酸奎宁荧光激发(Ex)和发射光谱(Em)
(a): 5× 10-5 mol· L-1; (b): 5× 10-3 mol· L-1Fig.4 Excitation (Ex) and emission (Em) spectra of quinine sumfate with different concentration
(a): 5× 10-5 mol· L-1; (b): 5× 10-3 mol· L-1

R6G光谱曲线比较稳定, 随着浓度的变化, 激发、 发射波长没有明显的位移。由于488 nm为激发波长的绝对量子产率有较多文献报道[16], 可为四线法的验证提供参考, 故选择488 nm为激发波长, 浓度为2.5× 10-5 mol· L-1。

2.2.2 标准样品绝对量子产率的测量

标准物质及浓度见2.2.1, 该浓度下物质具有中等荧光强度, 绝对量子产率的测量分别采用二线法和四线法。表1为后者具有较高的准确度, 两种方法所测结果相对误差小于5.0%, 均在允许误差范围内。

表1 标准样品绝对量子产率的测量 Table 1 Quantum yield measurement of standard samples
2.3 实验参数对四线法绝对量子产率测量的影响

四线法是基于弱发光样品绝对量子产率的测量而提出, 使用衰减片实现。主要考察衰减片放置位置、 衰减方式以及样品发光强度对测量结果准确度的影响。

2.3.1 衰减片位置

衰减片的添加主要用于把光源强度控制在检测器光强线性响应区间内, 可以放置于光源和样品室之间的光路上(激发端, QYEx), 也可以放置于样品室和检测器之间的光路上(发射端, QYEm)。测试样品和测试条件同2.2, 结果表明衰减片加在激发端具有较小的平均偏差(表2)。由于加在激发端, 降低了光源散射等带来的误差。

表2 衰减片位置对实验结果影响 Table 2 Influence of the attenuator position on the results

2.3.2 衰减方式的影响

为了考察衰减方式的影响, 设计两组实验。标准样品选择R6G, 浓度2.5× 10-5 mol· L-1, 激发波长488 nm。

第一组实验

仪器光源强度不变, 分别采用不同衰减强度的衰减片(衰减倍数分别为DB=2.4, 2.6和3.0), 其中衰减后光源强度(attenuated light source intensity)最大为1.0× 106 (检测器光强线性响应区间上限), 衰减倍数越高, 衰减后光源强度越小。采用不同衰减片测得样品的绝对量子产率见表3。

表3 衰减倍数对实验结果影响(光源强度不变) Table 3 Influence of DB on the results (the light source intensity unchanged)

第二组实验

采用不同衰减强度的衰减片, 调节光源强度, 使得衰减后光源强度均为1.0× 106。采用不同衰减片时, 测得样品的绝对量子产率见表4。

表4 衰减倍数对实验结果影响(衰减后光源强度不变) Table 4 Influence of DB on the results (the attenuated light source intensity unchanged)

由表3和表4可以看出, 采用第二组实验的衰减方式, 相对误差较小, 即测试结果具有较高的准确度。由于衰减倍数越高, 吸收及发射信号强度越低, 进行计算时误差偏大。

2.3.3 样品发光强度

分别以不同浓度R6G溶液(1.0× 10-6、 1.0× 10-5、 2.5× 10-5和5.0× 10-5 mol· L-1)模拟弱发光、 中等发光以及强发光样品, 考察四线法针对不同发光强度样品测量的准确性。选择R6G, 是因为该物质发光性能稳定, 当浓度小于1.0× 10-2 mol· L-1时, 其绝对量子产率数值不发生变化为一定值0.940[18]。图5(a—d)为分别用二线法和四线法测试的量子产率曲线, 两者吸收部分相同, 而发射部分四线法是放大后的结果。最终计算结果见表5。

图5 不同浓度R6G二线法和四线法绝对量子产率测量曲线
a: 1.0× 10-6 mol· L-1; b: 1.0× 10-5 mol· L-1; c: 2.5× 10-5 mol· L-1; d: 5.0× 10-5 mol· L-1Fig.5 Measurement curves of quantum yield of R6G with different concentration by Two-line and Four-line method
a: 1.0× 10-6 mol· L-1; b: 1.0× 10-5 mol· L-1; c: 2.5× 10-5 mol· L-1; d: 5.0× 10-5 mol· L-1

表5 不同浓度R6G样品二线法和四线法绝对量子产率 Table 5 Quantum yield of R6G with different concentrations by Two-line and Four-line method

随着浓度的增加, 二线法相对误差快速降低, 四线法缓慢增加。二线法在R6G较低浓度(1.0× 10-6 mol· L-1)时, 相对误差超过10%, 满足不了测试要求, 此方法对于弱发光样品绝对量子产率的测量具有较大的局限性。反观四线法, 在整个浓度区间, 虽然相对误差随着浓度的增加而有所增大, 但都小于5.0%, 在量子产率测量允许误差范围之内。

2.4 四线法绝对量子产率测量的应用

目前以此方法测试的样品主要为有机物发光、 光催化材料以及太阳能电池芯片等, 这些材料发光强度比较弱, 直接测量其绝对量子产率时, 无法检测出发射信号, 误差比较大。采用四线法, 选取合适的衰减片, 得到较为合理的实验数据[19, 20, 21, 22]。

3 结论

四线法主要通过使用衰减片实现样品绝对量子产率的测量, 该方法操作简便, 具有较高的准确度。当衰减片放于激发端, 衰减光源强度达到仪器检测器光强线性响应区间的上限时, 测试结果具有较小的相对误差。与二线法相比, 四线法更加适用于弱发光及中等强度(R6G浓度 ≤ 2.5× 10-5 mol· L-1, 光程1.0 cm)发光样品, 在发光机理研究, 光催化以及太阳能电池芯片等领域具有较高的应用价值。

参考文献
[1] FAN Zi-yan, LIU Zheng-jie, ZHANG Rui-long, et al(范子燕, 刘正杰, 张瑞龙, 等). Chinese J. Anal. Chem. (分析化学), 2021, 49(7): 1208. [本文引用:1]
[2] John-Christopher B, van Veggel C J M. Nanoscale, 2010, 2(8): 1417. [本文引用:1]
[3] Lakowicz J R. Principes of Fluorescence Spectroscopy, Second Edition. New York: Kluwer Academic/Plenum Publishers, 1999. 141. [本文引用:1]
[4] Kazaryan S A, Nevolin V N, Starodubtsev N F. Inorganic Materials: Applied Research, 2019, 10(2): 271. [本文引用:1]
[5] Faulkner D O, McDowell J J, Price A J. Laser Photonics Rev. , 2012, 6(6): 802. [本文引用:1]
[6] De Araujo R E, Dominguez C T. Quantum Dots, 3 Edition 2135, 2020, 2135: 37. [本文引用:1]
[7] Schneider F, Ruhland t D, Gregor I, et al. J. Phys. Chem. Lett. , 2021, 8(7): 1472. [本文引用:1]
[8] Litman Y E, Rodriguez H B, Braslavsky S E, et al. Photochem. Photobiol. , 2018, 94(5): 865. [本文引用:1]
[9] Zhydachevskyy Y, Tsiumra V, Baran M, et al. J. Lumin. , 2018, 196: 169. [本文引用:1]
[10] Wu X W, Han X, Xu Q S, et al. J. Am. Chem. Soc. , 2019, 141(17): 7081. [本文引用:1]
[11] Shin B, Sohn H. J. Nanosci. Nanotechnol. , 2020, 20(9): 5599. [本文引用:1]
[12] Gutierrez-Partida E, Hempel H, Caicedo-Davila S, et al. ACS Energy Lett. , 2021, 6(3): 1045. [本文引用:1]
[13] Zhang Z M, Zhang S B, Gushchina I, et al. J. Phys. Chem. Lett. , 2021, 12(16): 4024. [本文引用:1]
[14] ZHENG Yong-li, CHEN Yan, LIU Li-yue, et al(郑永丽, 陈燕, 刘丽月, 等). Research and Exploration in Laboratory(实验室研究与探索), 2022, 41(8): 10. [本文引用:1]
[15] ZHENG Yong-li, ZHANG Xiao-dong(郑永丽, 张晓东). Device and Method for Measuring Absolute Quantum Yield(用于绝对量子产率的测量装置与方法). Chinese Patent(中国专利): CN202310516473. 6, 2023. [本文引用:1]
[16] Fischer M, Georges J. Chem. Phys. Lett. , 1996, 260(1-2): 115. [本文引用:1]
[17] Brouwe A. Pure Appl. Chem. , 2011, 83(12): 2213. [本文引用:1]
[18] Eastman J W. Photochem. Photobiol. , 1967, 6: 55. [本文引用:1]
[19] He Z H, Gao H Q, Zhang S T, et al. Adv. Mater. , 2019, 31(18): 1. [本文引用:1]
[20] Wang Q, Dou X Y, Chen X H, et al. Angew. Chem. Int. Ed. , 2019, 58(36): 12667. [本文引用:1]
[21] Zheng S Y, Zhu T W, Wang Y Z, et al. Angew. Chem. Int. Ed. , 2020, 59(25): 10018. [本文引用:1]
[22] Wang Y Z, Bin X, Chen X H, et al. Macromol. Rapid Commun. , 2018, 39(21): 1. [本文引用:1]