天美讲堂丨相对量子产率的测定

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2022.11.29

作者天美中国

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相对量子产率

量子产率是一个基本的光物理参数，它描述了一个样品的荧光效率，被定义为发射的光子数量与样品吸收的光子数量的比率。准确和可靠的量子产率测量对包括显示材料、太阳能电池、生物成像和药物开发等应用非常重要。

有两种测量量子产率的方法：绝对法和相对法。在绝对法中，量子产率是用积分球直接测量的，而在相对法中，未知样品的荧光强度与标准样品的荧光强度相比较，以计算出未知样品的量子产率。

爱丁堡FS5荧光光谱仪（图1）通过相对法测量2-氨基吡啶（2AMP）的量子产率。2AMP在硫酸（H₂SO₄）中的量子产率以前曾被用作紫外-可见光范围内的参考标准。2AMP的量子产率在1968年测量为60%¹，在1983年测量为66%²。这些文献中的量子产率参考值现在已经有几十年的历史了，这里我们用1M H2SO4中的硫酸奎宁（QBS）作为参考标准，用爱丁堡FS5荧光光谱仪对2AMP在1M H₂SO₄中的量子产率进行了重新测量和评估。

图1：FS5荧光光谱仪

方法

2AMP的相对量子产率可以通过以下公式计算³

公式1

其中下标S和R分别表示待测样品（2AMP）和参比样品（QBS）。Φ是量子产率，I是综合荧光强度，A是激发波长下的吸光度。n是平均发射波长下用于待测样品和参比样品的溶剂的折射率。本文中，2AMP和QBS都使用了相同的溶剂（1M H₂SO₄），所以这项值为1。

为了提高计算出的量子产率值的准确性和精确性，最好的方法是准备和测量几个不同浓度的待测样品和参比样品。通过绘制2AMP和QBS的I与1-10-A的关系，可以用斜率（GradS和GradR）来计算量子产率（公式2）。这种方法可以防止潜在误差，如染料聚集，在较高的浓度导致的非线性。

公式2

准备五种不同浓度的2AMP 1M H₂SO₄的溶液和五种QBS在1M H₂SO₄中的溶液。使用FS5荧光光谱仪测量吸收和荧光光谱，该荧光光谱仪配备有150W氙灯、PMT-980检测器和SC-05比色皿支架。

2AMP和QBS的吸收和发射光谱

首先，通过使用FS5的内置透射检测器测量吸收光谱来确定五个浓度2AMP和QBS溶液的吸光度值。在激发波长（310 nm）下，溶液的吸光度值被保持在0.1以下，以尽量减少内滤效应的影响，吸光度值范围在0.008和0.098之间。2AMP和QBS的归一化吸收光谱显示在图2a中。

图2：（a）2AMP（绿色）和QBS（紫色）的归一化吸光光谱。(b) 2AMP（绿色）和QBS（紫色）的归一化荧光光谱。(c) 不同浓度的2AMP的荧光光谱。C1溶液是浓度最低的（在310nm处的吸光度=0.01），C5是浓度最高的（在310nm处的吸光度=0.098）。所有光谱都是在爱丁堡FS5荧光光谱仪获得。

接下来，采集了5个2AMP和QBS溶液的荧光光谱。荧光光谱仪检测的荧光强度取决于激发波长、激发和发射带宽以及积分时间。通过保持这些参数相同，2AMP和QBS的综合荧光强度、I_S和I_R可以比较。实验参数是λ_ex=310 nm，激发和发射带宽分别设置为3 nm和0.5 nm，步长为1 nm，积分时间为0.5 s。图2b显示了2AMP和QBS的归一化荧光光谱。

使用荧光线性分析来确定量子产率

每个浓度的2AMP的荧光光谱被合并到Fluoracle中一张图（图2c）。公式2中的斜率GradS可以使用Fluoracle的线性分析功能从图2c中的2AMP光谱中计算出来，如图3所示。

为了计算GradS校准参数被设置为面积（橙色框），变量名称被设置为1-10^-A（绿色框）。按 "应用 "计算面积（综合荧光强度）。然后输入从吸收光谱中得到的每种浓度的2AMP的吸光度项（1-10^-A）值（浅蓝色框）。

图3：Fluoracle中图2c的线性分析

校准类型为线性，并勾选了通过零点的曲线（深蓝色框）。荧光强度与吸光度的积分项与线性拟合一起绘制在屏幕的右下方。曲线的斜率（GradS）为K1（红色框）。然后对五个QBS光谱重复同样的过程来计算斜率GradR。两条曲线及其计算的斜率都显示在图4中。

图4：综合荧光强度与2AMP和QBS的吸光度的关系

QBS在H₂SO₄中的量子产率的文献值为ΦR=56.1%⁴。然后用公式2计算出2AMP在H₂SO₄中的量子产率为64.3%，这个值与以前报道的60%和66%的值一致。

结论

爱丁堡FS5荧光光谱仪用相对法测定2AMP在1M H₂SO₄中的量子产率。通过FS5 Fluoracle软件的线性分析功能，数据分析变得简单。使用QBS作为参考标准，计算出2AMP的量子产率为64.3%。这个数值与以前的文献报告相一致，表明FS5可以进行准确和可靠的相对量子产率测量。

参考文件

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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