Absolute Quantenausbeute Messung von Pulverproben

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, den absoluten Quantenausbeute-Wert von Pulverproben mithilfe eines kalibrierten fluoreszierenden Spektralphotometers vom Typ Hitachi F 7,000 zu messen. Der erste Schritt des Verfahrens ist die Erfassung der Korrekturfaktoren der Integrationskugel, um die Reflektivität der für die Messungen verwendeten Integrationskugel zu berücksichtigen. Der nächste Schritt besteht darin, die Referenz und die Probe zu messen.

Anschließend werden direkte und indirekte Anregungsmessungen zur Berechnung des korrigierten Quantenausbeute verwendet. Zusätzlich werden Chromakoordinaten anhand der Fluoreszenzemissionsdaten der Probe berechnet. Letztendlich stimmen die berechneten Quantenausbeute-Messungen mit anderen veröffentlichten Daten überein.

Die Messung relativer Quantenausbeuten hängt von der Auswahl eines zuverlässigen Standards ab. Leider gibt es bis heute keine Quantenausbeuten-Standards für Pulverproben. Die kalorimetrische Methode, bei der absolute Energieausbeuten aus Temperaturänderungen während der Bestrahlung ermittelt werden, basiert auf dem einfachen Konzept, den Temperaturanstieg einer bestrahlten lumineszierenden Probe mit dem Temperaturanstieg eines nicht lumineszierenden Materials ähnlicher optischer Dichte zu vergleichen.

Die absorbierte Energie wird aus dem Verhältnis der Temperaturänderungen der beiden Proben berechnet. Anschließend wird eine Formel angewandt, um den Quantenausbeute zu berechnen. Die kalorimetrische Methode berücksichtigt keine erneute Absorption der Energie durch die Probe und hängt von der Genauigkeit der Temperaturmessung ab, die gewöhnlich gering ist.

Diese Einschränkungen können durch die Verwendung eines gut konzipierten Messsystems für die Fluoreszenzquantenausbeute und durch die Aufnahme von Messungen der spektralen Verteilung, einschließlich der Anregungs- und Emissionsbereiche, überwunden werden. Mit diesen Verbesserungen wird diese Methode zu einer wertvollen Möglichkeit, Quantenausbeute-Messwerte, die mit anderen Techniken erhalten wurden, zu bestätigen. In diesem Video wird ein Hitachi F 7,000 Fluoreszenz-Spektrophotometer gezeigt, das mit dem Messzubehör für die Quantenausbeute und einem Berichtsgenerator-Programm ausgestattet ist.

Der F 7.000 ist mit einem hochsensitiven, empfindlichkeitserweiterten Photomultipliernachweiser vom Typ R 928 F ausgestattet, um spektrale Korrekturfaktoren für das Gerät zu erzeugen. Der F 7.000 wird mit einem Rumine, einem B-Diffusor, einem Rotfilter und einer Unterstandard-Lichtquelle ergänzt. Zur Messung der Quantenausbeute benötigt der F 7.000 eine 60 mm integrierende Kugel, weiße Aluminiumoxid-Kacheln, zwei Quarzpulverzellen mit weißem Standard, Aluminiumoxid-Pulver sowie Software zur Quantenausbeute.

Um die Farbkoordinaten zu berechnen, wird die Emissionsdaten mit der optionalen Berichtsgenerierungssoftware unter Verwendung einer benutzerdefinierten Vorlage verarbeitet, bevor das fluoreszierende Spektrofotometer F 7,000 verwendet wird. Schalten Sie es ein und lassen Sie die Xenonlampe eine Stunde lang aufwärmen, bevor Sie die Probenkammer verwenden. Bei der Messung der Korrekturfaktoren der Integrationskugel wählt die Software automatisch die Messprüfparameter aus, um die Diffusor-Daten zu erfassen. Platzieren Sie den Diffusor in der Standardprobenkammer und schließen Sie diese in der Software.

Klicken Sie auf das Fenster zur Messung des Korrekturfaktors für die Quantenausbeute und anschließend auf die Messung des Diffusors. Geben Sie danach den Dateinamen für die Diffusor-Daten ein und klicken Sie auf „OK“, um den Korrekturfaktor ohne Probe zu erfassen, der als Referenz verwendet wird. Entfernen Sie das Standardprobenfach vom Gerät und installieren Sie die Integrationskugel.

Füllen Sie nun die Pulverzelle mit Aluminiumoxidpulver bis zu einer Höhe von mindestens 25 Millimetern. Stellen Sie sicher, dass das Pulver die Öffnung der Integrationskugel vollständig bedeckt. Klopfen Sie vorsichtig auf den Boden der Zelle, um das Pulver zu verdichten.

Platzieren Sie die weiße Aluminiumoxid-Kachel in der Öffnung der Integrationskugel, so dass sie dem Emissionsmonochromator zugewandt ist. Dies ist die Referenzöffnung. Anschließend platzieren Sie die Pulverzelle mit Aluminiumoxid in der Probenöffnung mit der Bezeichnung P1, die im Softwaremenü dem Anregungsmonochromator zugewandt ist.

Klicken Sie auf das Messfenster für den Korrekturfaktor der Quantenausbeute und anschließend auf die Messung mit Integrationskugel ohne Probe. Die Software weist Sie darauf hin, die Proben einzusetzen. Geben Sie den Dateinamen iscore factor F 70_ohne Probe ein und klicken Sie auf „Okay“. Um den Korrekturfaktor in Gegenwart einer Probe zu erfassen, ersetzen Sie die Zelle durch Aluminiumoxid-Pulver. Bei der Spektralmessung am weißen Standard muss der Standard in der Software der Anregungsmonochromatorenseite zugewandt sein.

Klicken Sie auf das Fenster zur Messung des Korrekturfaktors für die Quantenausbeute und anschließend auf die Messung mit Integrationskugel und Probe. Eine Erinnerungsabfrage wird angezeigt. Geben Sie vor der Messung den Dateinamen Faktor FCO mit Probe für die Datendatei der Integrationskugel mit Probe ein und klicken Sie auf „OK“. Nach jeder dieser Messungen wird eine separate Datendatei im entsprechenden Ordner des FL-Solutions-Verzeichnisses gespeichert.

In diesem Video wird die Quantenausbeute von Natriumsalicylat in Pulverform gemessen. Bei diesem Beispiel überlappen die spektralen Eigenschaften für Anregung und Emission nicht, was es ideal für eine Demonstration der Photolumineszenz-Methode macht. Die Messung der Quantenausbeute von Proben mit überlappenden Anregungs- und Emissionsspektren ist möglich, erfordert jedoch zusätzliche Korrekturen bezüglich der verwendeten Sperrfilter zur Unterdrückung von Streupeaks.

Die Messung der Quantenausbeute umfasst die Aufnahme eines Emissionsspektrums sowohl für eine leere Referenz als auch für eine Probenmessung. Wählen Sie in der Software die analytischen Messparameter aus, indem Sie auf die Methodenschaltfläche klicken. Wählen Sie im Messmodus die Registerkarte „Allgemein“ und anschließend „Wellenlängenscan“.

Geben Sie anschließend die entsprechenden Informationen zum Bediener und zu den Zubehörteilen ein. Klicken Sie nun auf den Reiter „Instrument“ und tragen Sie die für die Probe geeigneten Instrumentenparameter ein. Unter „Messung“ sind keine weiteren Einstellungen erforderlich, bis die Daten gesammelt wurden.

Die Abtastgeschwindigkeit kann erhöht werden, um die Belichtung der Probe mit Licht zu verringern. Dies könnte die Ergebnisse für einige Proben verbessern, bevor fortgefahren wird. Überprüfen Sie die Einstellungen und klicken Sie auf die Schaltfläche „OK“, um die ausgewählten Messparameter im Gerät festzulegen.

An diesem Punkt können die ausgewählten Einstellungen für die zukünftige Verwendung gespeichert werden, bevor Sie fortfahren. Denken Sie daran, die Probe zu verdichten, indem Sie den Boden der Zelle antippen. Dies führt zu einer gleichmäßigeren Oberfläche und besseren Messergebnissen.

Um optimale Ergebnisse zu erzielen, verwenden Sie stets frische Proben, die gemäß den Herstellerbedingungen gelagert und vor Licht geschützt werden. Beachten Sie außerdem, dass ähnliche Materialien von verschiedenen Herstellern unterschiedliche Ergebnisse liefern können. Beginnen Sie nun mit den Messungen unter direkter Anregung, indem Sie das Aluminiumoxid-Referenzmaterial in Messstelle P1 laden.

Dies ist der Anschluss, der in der Software der Anregungsseite zugewandt ist. Klicken Sie auf die Schaltfläche Beispiel, geben Sie den Bezeichner ein und klicken Sie anschließend auf das Kästchen neben AutoFile. Wählen Sie den Ordner und den Dateinamen für die Daten aus und klicken Sie dann auf Speichern und OK.

Klicken Sie auf die Messschaltfläche, um die Messung der Aluminiumoxidprobe zu starten. Nachdem das Datenverarbeitungsfenster geöffnet wurde, klicken Sie auf die Schaltfläche „Autoskalierung“, um die Skalierung anzupassen. Um den Streupiek mit direkter Anregung zu visualisieren, führen Sie nun die Messung der Natriumsalicylatprobe unter Verwendung direkter Anregung durch.

Klicken Sie auf das Beispiel-Symbol. Geben Sie den Probennamen und Dateinamen ein und klicken Sie anschließend auf die Schaltfläche „Okay“. Platzieren Sie nun die Natriumsalicylat-Probe in die Pulverzelle und in den P1-Anschluss der Integrationskugel, die dem anregenden Lichtstrahl zugewandt ist.

Klicken Sie dann auf die Messschaltfläche. Wenn das Datenverarbeitungsfenster geöffnet wird, klicken Sie auf die Schaltfläche zur automatischen Achsenskalierung, um die Skalierung anzupassen und die Streu- und Fluoreszenzpeaks zu visualisieren. Um Daten mit indirekter Anregung zu erhalten, wiederholen Sie den Messvorgang für jede Probe am P-Zwei-Port der Integrationskugel.

Bevor Sie jede Messung durchführen, klicken Sie auf die Schaltfläche „Probe“ und geben Sie den entsprechenden Probennamen und Dateinamen ein. Platzieren Sie die Küvette mit der Aluminiumoxidprobe im Port P zwei, demjenigen, der dem Emissionsmonochromator zugewandt ist. Danach platzieren Sie die weiße Referenzkachel im Port P eins, demjenigen, der dem Anregungsmonochromator zugewandt ist.

Klicken Sie erneut auf die Schaltfläche „Messen“, um die Probe auszulesen. Um die Probenmessung abzuschließen, messen Sie die Natriumsalicylat-Probe mittels indirekter Bestrahlung. Zunächst geben wir die Probe in die Dateinamen ein, wie in den vorherigen Schritten.

Entfernen Sie die Aluminiumoxidprobe aus dem P-Zwei-Port und ersetzen Sie sie durch die Natriumsalicylatprobe. Klicken Sie dann auf die Schaltfläche „Messen“, um die Quantenausbeute zu berechnen. Beginnen Sie mit dem Laden der Korrekturfaktoren für die Integrationskugel.

Klicken Sie auf die Schaltfläche zur Berechnung der Quantenausbeute, um das Programm zur Quantenausbeute-Berechnung zu öffnen. Klicken Sie anschließend auf die Schaltfläche zur Einstellung des Korrekturfaktors für die Quantenausbeute. Gehen Sie dann zum Reiter zur Korrektur der Integrationskugel und aktivieren Sie das Kästchen vor der Korrektur der Integrationskugel.

Klicken Sie nun auf den Reiter „Filterkorrektur“ und stellen Sie sicher, dass das Kontrollkästchen für die Filterkorrektur deaktiviert ist. Da wir bei unseren Messungen keine Filter verwendet haben, klicken Sie erneut auf den Reiter „Korrektur mit Integrationskugel“. Klicken Sie anschließend im Abschnitt für diffuse Messdaten auf die Schaltfläche „Laden“.

Danach die Datei iscore_factor_F70_diffuser auswählen und auf die Schaltfläche „Laden“ klicken. Als Nächstes auf die Schaltfläche „Laden“ im Abschnitt „Integrationskugel-Messdaten ohne Probe“ klicken, die Datei iscore_factor_F70_no_sample auswählen und laden. Danach auf die Schaltfläche „Laden“ im Abschnitt „Integrationskugel-Messdaten mit Probe“ klicken.

Klicken Sie auf die Datei, die den Faktor FCO mit Probe enthält, und klicken Sie auf die Schaltfläche „Laden“. Die normalisierte Wellenlänge kann bei 600 Nanometern belassen oder auf den Wellenlängenwert eingestellt werden, bei dem die Integrationskugelkorrektur gleich eins ist. Wählen Sie dazu sicherstellen, dass das Kästchen vor dem Fenster zur Anzeige der Quantenausbeuteberechnung aktiviert ist, und klicken Sie auf die Schaltfläche „Okay“ im Fenster zur Einstellung des Quantenausbeutefaktors, um das Fenster zu schließen.

Klicken Sie nun auf den Reiter „Integrationskugel-Korrektur“ im Fenster zur Berechnung der Quantenausbeute und bewegen Sie den Cursor, bis die Anzeige der Integrationskugel-Korrektur den Wert eins erreicht. Notieren Sie sich die Wellenlänge, wählen Sie dann die Einstellung für den Korrekturfaktor der Quantenausbeute und ändern Sie die normalisierte Wellenlänge auf den soeben ermittelten Wert. In Ordnung, die neue Einstellung.

Beachten Sie, dass das Programm den Wert zwischen 600 und 650 Nanometern begrenzt. Der nächste Schritt ist das Laden der Basislinien- und Probendatendateien. Klicken Sie auf den Reiter zur Quantenausbeuteberechnung im Fenster zur Quantenausbeuteberechnung, um Daten ohne Probe für die direkte Anregung zu laden, indem Sie auf die Schaltfläche „Laden“ klicken.

Laden Sie dann die Daten mit der Probe für die direkte Anregung. Wählen Sie nun mithilfe des Cursors die Streu- und Fluoreszenzbereiche aus, um den Quantenausbeute für die direkte Anregung der Probe zu berechnen. Klicken Sie auf den Berechnungsbutton und lesen Sie die Ergebnisse ab. Diese Daten stellen die Probe unter Berücksichtigung der direkten Anregung dar.

Diese Daten werden für die endgültige Berechnung der Quantenausbeute verwendet. Speichern Sie sie als Textdatei unter dem Dateinamen QI direkte Bestrahlung. Laden Sie nun Datendateien für Aluminiumoxid, die mittels indirekter Anregung gemessen wurden, und für Natriumsalicylat, die ebenfalls mittels indirekter Anregung gemessen wurden.

Erweitern und wählen Sie nach dem gleichen Verfahren wie bei der direkten Anregung die Streu- und Fluoreszenzbereiche in den linken und rechten Fenstern des Quantenausbeute-Berechnungsfensters aus. Klicken Sie anschließend auf den Berechnungsknopf, um die Quantenausbeute-Daten mittels indirekter Anregung zu berechnen. Speichern Sie diese Daten danach für die endgültige Quantenausbeute-Berechnung als Textdatei mit dem Dateinamen QI indirekte Bestrahlung.

Bestimmen Sie mithilfe einer Tabellenkalkulation die Quantenausbeute der Probe, indem Sie die Daten aus den Textdateien importieren und die entsprechenden Berechnungen durchführen, um die Chroma der offenen Datendatei der Probe P1 Natriumsalicylat zu ermitteln. Dies sind die Daten zur direkten Anregungs-Emissionsmessung der Natriumsalicylat-Probe. Klicken Sie nun auf die Eigenschaftenschaltfläche und danach auf den Reiter Bericht.

Wählen Sie unter den Ausgabe-Einstellungen im Dropdown-Menü „Druckgenerator-Blatt verwenden“ aus. Wählen Sie in den Druckelementen die Vorlagendatei aus. Klicken Sie dann auf die Schaltfläche „Öffnen“.

Es ist nicht notwendig, den Wellenlängenbereich oder das Intervall auszuwählen, da dies automatisch erfolgt. Der nächste Schritt ist die Erstellung des Chromaberichts. Klicken Sie dazu auf den Reiter „Bericht“.

Dies führt das Makro aus und speichert die Daten im Berichtsordner im Tabellenformat unter dem Probennamen. Der Bericht öffnet sich, führt das Makro zur Berechnung der Chromatizität aus und schließt sich anschließend automatisch.

Zu diesem Zeitpunkt können wir den C-Farbigkeitsbericht öffnen, der unter dem gleichen Namen wie die Probedatei gespeichert wurde, die zur Durchführung der Berechnung verwendet wurde. Der Bericht dient grundsätzlich zur Berechnung der wahrgenommenen Farbe einer fluoreszierenden Probe. In diesem Fall werden gerundete numerische Ergebnisse für die Tristimulus-X-, Y-, Z-Farbwerte, die Chromakoordinaten XY und die dominante Wellenlänge WL von Natriumsalicylat oben auf den Abbildungen zwei und drei dargestellt.

Am Ende der Datei befinden sich außerdem die numerischen Ergebnisse und das CIE-Farbsättigungsdiagramm, das die Position der wahrgenommenen Farbe der Probe zeigt. Zur Analyse wurden zunächst Diffusormessdaten gesammelt. Anschließend wurden Daten aus der Integrationskugel ohne Probe und Daten aus der Integrationskugel mit Probe unter Verwendung eines weißen Spektralstandards erfasst sowie Daten aus den Bildschirmen zur Quantenausbeuteberechnung für direkte und indirekte Anregung übernommen.

Wir verwenden die Formel in Abbildung acht, um den Quantenausbeute zu berechnen, wobei nach den Berechnungen die indirekte Anregung der Probe berücksichtigt wird. Diese Daten ergaben eine Quantenausbeute von 0,47 für die Probe, was mit den berichteten Werten zwischen 0,4 und 0,5 übereinstimmt. Diese Technik ebnete den Weg für Forscher, die bessere lumineszierende Materialien für neuartige Beleuchtungsvorrichtungen und Farbstoffe erforschen, um die Quanteneffizienzen von Pulvermaterialien zu messen. Vergessen Sie nicht, dass das Arbeiten mit feinen Pulvermaterialien äußerst gefährlich sein kann, und Vorsichtsmaßnahmen wie die Verwendung geeigneter Schutzausrüstung sollten stets während der Durchführung dieses Verfahrens getroffen werden.