Pomiar absolutnej wydajności kwantowej próbek w proszku

Podsumowanie

W tym filmie zaprezentujemy pomiar i obliczanie bezwzględnej wydajności kwantowej oraz współrzędnych chromatyczności bezpośrednio w próbkach proszkowych, z wykorzystaniem systemu pomiaru wydajności kwantowej Hitachi F-7000.

Streszczenie

Pomiar wydajności kwantowej fluorescencji stał się istotnym narzędziem w poszukiwaniu nowych rozwiązań w zakresie rozwoju, oceny, kontroli jakości i badań nad oświetleniem, sprzętem AV, organicznymi materiałami EL, filmami, filtrami oraz sondami fluorescencyjnymi dla bioindustrii.

Wydajność kwantową oblicza się jako stosunek liczby fotonów pochłoniętych do liczby fotonów emitowanych przez materiał. Im wyższa wydajność kwantowa, tym lepsza efektywność materiału fluorescencyjnego.

Do pomiarów przedstawionych w tym filmie wykorzystamy spektrofluorometr Hitachi F-7000 wyposażony w akcesorium do pomiaru wydajności kwantowej oraz program Report Generator. Wszystkie podane informacje odnoszą się do tego systemu.

Pomiar wydajności kwantowej w próbkach proszkowych przeprowadza się zgodnie z poniższymi krokami:

1. Generowanie współczynników korekcyjnych instrumentu dla monochromatorów wzbudzenia i emisji. Jest to istotny wymóg dla prawidłowego pomiaru wydajności kwantowej. Zostało to wykonane wcześniej dla pełnego zakresu pomiarowego urządzenia i nie zostanie pokazane w tym filmie ze względu na ograniczenia czasowe.
2. Pomiar współczynników korekcyjnych sfery integrującej. Celem tego kroku jest uwzględnienie charakterystyki refleksyjności sfery integrującej wykorzystywanej do pomiarów.
3. Pomiar wzorca i próbki przy użyciu bezpośredniego oraz pośredniego wzbudzenia.
4. Obliczanie wydajności kwantowej przy użyciu wzbudzenia bezpośredniego i pośredniego. Wzbudzenie bezpośrednie ma miejsce, gdy próbka jest skierowana bezpośrednio w stronę wiązki wzbudzającej, co stanowi standardową konfigurację pomiarową. Ponieważ jednak korzystamy ze sfery integrującej, część emitowanych fotonów wynikających z fluorescencji próbki jest odbijana przez sferę integrującą i ponownie wzbudza próbkę, dlatego musimy uwzględnić wzbudzenie pośrednie. Osiąga się to poprzez pomiar próbki umieszczonej w porcie skierowanym w stronę monochromatora emisji, obliczenie pośredniej wydajności kwantowej i skorygowanie obliczeń bezpośredniej wydajności kwantowej.
5. Obliczenie skorygowanej wydajności kwantowej.
6. Obliczanie współrzędnych chromatyczności przy użyciu programu Report Generator.

System pomiaru wydajności kwantowej Hitachi F-7000 oferuje następujące zalety w tej zastosowaniu:

• Wysoka czułość (stosunek S/N 800 lub lepszy RMS). Sygnał stanowi pasmo Ramana wody mierzone w następujących warunkach: długość fali wzbudzenia (Ex) 350 nm, pasmo przenoszenia Ex i Em 5 nm, czas odpowiedzi 2 s), szum jest mierzony w maksimum piku Ramana. Wysoka czułość umożliwia pomiar próbek nawet o niskiej wydajności kwantowej. Przy użyciu tego systemu zmierzyliśmy wydajności kwantowe tak niskie jak 0,1 dla próbki kwasu salicylowego i tak wysokie jak 0,8 dla próbki wolframianu magnezu.
• Wysoce precyzyjny pomiar z zakresem dynamicznym obejmującym 6 rzędów wielkości pozwala na pomiar zarówno ostrych piki rozproszeniowych o wysokiej intensywności, jak i szerokich piki fluorescencji o niskiej intensywności w tych samych warunkach.
• Wysoka przepustowość pomiarowa i ograniczona ekspozycja próbki na światło dzięki wysokiej prędkości skanowania do 60 000 nm/minutę oraz automatycznej funkcji migawki.
• Pomiar wydajności kwantowej w szerokim zakresie długości fal od 240 do 800 nm.
• Dokładne pomiary wydajności kwantowej są wynikiem zebrania odpowiedzi spektralnej instrumentu oraz czynników korekcyjnych sfery całkującej przed pomiarem próbki.
• Szeroki wybór obliczanych parametrów zapewniony przez dedykowane i łatwe w obsłudze oprogramowanie.

W tym filmie zmierzymy salicylan sodu w formie proszku, którego wydajność kwantowa wynosi od 0,4 do 0,5.

Protokół

1. Konfiguracja systemu

1. Spektrofotometr fluorescencyjny F-7000 wyposażony w detektor z fotopowielaczem o wysokiej czułości i rozszerzonym zakresie R-928F.
2. Akcesoria do F-7000: do wygenerowania czynników korekcji widmowej instrumentu wykorzystano rodaminę B, dyfuzor światła, filtr czerwony oraz pomocnicze źródło światła.
3. Akcesorium do pomiaru wydajności kwantowej, w skład którego wchodzą: sfera integrująca 60 mm, białe płytki z tlenku glinu, biały wzorzec Spectralon, kuwety proszkowe (2 szt.), proszek tlenku glinu oraz oprogramowanie do pomiaru wydajności kwantowej.
4. Program Report Generator oraz odpowiedni szablon zostaną wykorzystane do obliczenia współrzędnych chromaticzności.

2. Konfiguracja systemu

1. Włącz spektrofluorometr Hitachi F-7000 i pozwól lampie ksenonowej rozgrzać się przez jedną godzinę. Rozpocznij korzystanie ze standardowej komory na próbki (uchwytu kuwet) zainstalowanej w urządzeniu.

3. Pozyskiwanie współczynników korekcyjnych sfery integrującej

Podczas pomiaru współczynników korekcyjnych sfery całkującej oprogramowanie automatycznie wybiera parametry testowe pomiaru wymienione w Tabeli 1.

WARUNKI ANALITYCZNE
Pomiar	Skanowanie długości fali
Tryb skanowania	Synchroniczny
Tryb danych	Fluorescencja
EM WL	200 nm
EX Start WL	200 nm
EX koniec WL	900 nm
Prędkość skanowania	240 nm/min
Opóźnienie	5,0 s
Szpara wyjściowa	5,0 nm
Szpara EM	20 nm
Napięcie PMT	250 V
Widma skorygowane	WŁ.
Odpowiedź	Auto

Tabela 1.

3.1. Pozyskiwanie danych z dyfuzora

1. Umieść dyfuzor w standardowej komorze pomiarowej i zamknij komorę.
2. Kliknij okno Quantum Yield Correction Factor Measurement, a następnie Diffuser Measurement.
3. Wprowadź nazwę pliku: „IS_factor_F70_diffuser” dla danych dyfuzora i kliknij OK (Wideo 1).
4. Po zakończeniu pomiaru plik zostanie zapisany w folderze „Correct” programu FL Solutions. Rysunek 1 przedstawia przykład danych z pomiaru dyfuzora (Diffuser Measurement).

3.2. Pozyskanie współczynnika korekcyjnego dla próbki pustej (referencyjnej)

1. Zdejmij standardową komorę próbki z urządzenia, schowaj dyfuzor, a następnie zainstaluj kulę integrującą.
2. Wypełnij komórkę proszkową proszkiem tlenku glinu do wysokości co najmniej 25 mm, aby upewnić się, że proszek całkowicie zakrywa otwór kuli integrującej. Ostrożnie opukaj dno komórki, aby zagęścić proszek.
3. Umieść białą płytkę z tlenku glinu w porcie referencyjnym (P2) kuli integrującej (tym skierowanym w stronę monochromatora emisyjnego), a komórkę z proszkiem tlenku glinu w porcie próbki (P1) kuli integrującej (tym skierowanym w stronę monochromatora wzbudzenia).
4. Kliknij okno Pomiaru Współczynnika Korekcji Wydajności Kwantowej, a następnie wybierz Pomiar Kulą Integrującą (bez próbki) (Wideo 2).
5. Oprogramowanie wyświetli przypomnienie o ustawieniu próbek. Wpisz nazwę „IS with no sample” i kliknij OK.
6. Po pomiarze plik zostanie zapisany w folderze „Correct” programu FL Solutions. Rycina 2 przedstawia przykład danych pomiarowych dla kuli integrującej bez próbki.

3.3. Wyznaczenie współczynnika korekcji w obecności próbki:

1. Wyjmij kuwetę z proszkiem tlenku glinu i zastąp ją białym wzorcem Spectralon. (Wzorzec Spectralon powinien być skierowany w stronę monochromatora wzbudzenia (P1)).
2. Kliknij okno pomiaru współczynnika korekcji wydajności kwantowej (Quantum Yield Correction Factor Measurement), a następnie wybierz Pomiar w sferze całkującej z próbką (Integrating Sphere Measurement (with sample)). Oprogramowanie przypomni o ustawieniu materiału odniesienia dla refleksyjności (Standard Reflectance Material) do pomiaru.
3. Wprowadź nazwę: „IS with sample” dla pliku danych sfery całkującej z próbką i kliknij OK (Video 3).
4. Po pomiarze plik zostanie zapisany w folderze „Correct” programu FL Solutions. Rycina 3 przedstawia przykład danych pomiarowych z sfery całkującej z próbką.

UWAGA: W przypadku konieczności zastosowania filtrów odcinających w celu zablokowania światła rozproszonego drugiego rzędu po stronie emisji, które zakłóca szczyt fluorescencji, należy zmierzyć linię bazową używając samego dyfuzora, a następnie dyfuzora wraz z odpowiednim filtrem. Pliki z tymi danymi zostaną wykorzystane przez oprogramowanie podczas obliczania wydajności kwantowej. W praktyce zalecamy pomiar wszystkich filtrów odcinających w ramach wstępnej konfiguracji systemu.

4. Pomiar próbki (proszek salicylanu sodu)

Pomiar wydajności kwantowej polega na zarejestrowaniu widma emisji zarówno dla próbki pustej (referencyjnej), jak i w obecności próbki. Wybierz parametry pomiaru analitycznego w następujący sposób:

1. Kliknij przycisk „Method”, a następnie w zakładce General wybierz skanowanie długości fali (wavelength scan) jako tryb pomiaru i wprowadź odpowiednie informacje dotyczące operatora oraz akcesoriów (Wideo 4).
2. Kliknij zakładkę „Instrument” i wprowadź parametry pomiarowe instrumentu, zgodnie z treścią Tabeli 2 (Wideo 5).

WARUNKI ANALITYCZNE
Pomiar	Skanowanie długości fali
Tryb skanowania	Emisja
Tryb danych	Fluorescencja
EX WL	350 nm
Rozpoczęcie WL EM	330 nm
Koniec WL EM	600 nm
Prędkość skanowania	1200 nm/min
Opóźnienie	0 s
Szpara wzbudzenia	5,0 nm
Szpara EM	5,0 nm
Napięcie PMT	350 V
Skorygowane widma	WŁ.
Odpowiedź	Auto
Skorygowane widma	WŁ.

Tabela 2.

3. W tej chwili nie są wymagane żadne dodatkowe ustawienia, ponieważ konfigurację kart Monitor, Processing oraz Report można przeprowadzić po dokonaniu pomiarów danych. Przejrzymy je teraz, a następnie klikniemy przycisk OK, aby wprowadzić wybrane parametry pomiarowe do instrumentu (Video 6).
4. Opcjonalnie, wybrane ustawienia można zapisać do późniejszego wykorzystania. Przejdziemy teraz do pomiaru wzorca odniesienia tlenku glinu przy użyciu wzbudzenia bezpośredniego.
5. Umieść kuwetę z proszkiem Al2O3 w porcie pomiarowym próbki (P1) (przed wiązką wzbudzającą).
6. Kliknij przycisk „Sample” i wpisz nazwę próbki: „P1_Baseline_Al2O3”, następnie zaznacz pole obok „Auto file”. Wybierz folder i nazwę pliku dla danych: „P1_Baseline_Al2O3”, a następnie kliknij „Save” i „OK” (Video 7).
7. Kliknij przycisk „Measure”, aby zmierzyć próbkę Al2O3 (Video 8). Po otwarciu okna przetwarzania danych kliknij przycisk „Auto Scale Axis”, aby dostosować skalę i zwizualizować pik rozproszony przy wzbudzeniu bezpośrednim (Figure 4).
8. Teraz przystąpimy do pomiaru próbki salicylanu sodu przy użyciu wzbudzenia bezpośredniego. Kliknij ikonę „Sample” i wprowadź „P1_Sodium Salicylate” jako nazwę próbki i pliku, a następnie kliknij przycisk OK (Video 9).
9. Umieść próbkę salicylanu sodu w kuwecie proszkowej i w porcie P1 sfery integrującej (porcie skierowanym w stronę wiązki światła wzbudzającego), a następnie kliknij przycisk „Measure” (Video 10). Po otwarciu okna przetwarzania danych kliknij przycisk „Auto Scale Axis”, aby dostosować skalę i zwizualizować piki rozproszenia oraz fluorescencji.
10. W tej chwili powtórzymy pomiary dla tlenku glinu i salicylanu sodu z próbkami umieszczonymi w porcie P2 sfery integrującej, aby odczytać je przy użyciu wzbudzenia pośredniego.
11. Najpierw kliknij przycisk „Sample” i wpisz nazwę próbki oraz pliku: „P2_Baseline_Al2O3” dla obu tych pól (Video 11).
12. Przenieś białą płytkę z tlenku glinu z P2 do P1 sfery integrującej i umieść kuwetę wypełnioną proszkiem tlenku glinu w P2.
13. Kliknij przycisk „Measure”, aby odczytać próbkę (Video 12).
14. Aby zakończyć pomiar próbek, musimy zmierzyć próbkę salicylanu sodu przy użyciu naświetlania pośredniego. Najpierw wpisujemy nazwy próbki i pliku analogicznie jak w poprzednich krokach. Nazwa będzie brzmieć P2_Sodium salicylate (Video 13).
15. Umieść próbkę salicylanu sodu w porcie P2 sfery integrującej i kliknij przycisk Measure (Video 14).

5. Obliczanie wydajności kwantowej

W pierwszej kolejności przejdziemy do ładowania współczynników korekcyjnych sfery całkującej.

1. Kliknij przycisk Quantum Yield Calculation, aby otworzyć program do obliczania wydajności kwantowej (Wideo 15).
2. Kliknij przycisk Quantum Yield Correction Factor Setting (Wideo 16).
3. Przejdź do karty Integrating Sphere Correction i zaznacz pole przed napisem "Integrating sphere correction", następnie przejdź do karty Filter Correction i upewnij się, że pole "Filter correction" nie jest zaznaczone, a następnie ponownie kliknij kartę Integrating Sphere Correction (Wideo 17).
4. Kliknij przycisk Load w sekcji Diffuse Measurement Data, a następnie wybierz plik "IS_factor_F70 no sample" (Wideo 18).
5. Wybierz plik "IS_factor_F70_diffuser", a następnie kliknij przycisk Load (Wideo 19).
6. Kliknij przycisk Load w sekcji Integrating sphere measurement data (without sample) (Wideo 20).
7. Wybierz plik "IS_factor_F70 no sample", a następnie kliknij przycisk Load (Wideo 21).
8. Kliknij przycisk Load w sekcji Integrating sphere measurement data (with sample) (Wideo 22).
9. Wybierz plik "IS_factor_F70 with sample", a następnie kliknij przycisk Load (Wideo 23).
10. Znormalizowaną długość fali można pozostawić na poziomie 600nm lub dostosować do wartości długości fali, dla której korekcja sfery integrującej wynosi 1. Aby to zrobić, upewnij się, że zaznaczone jest pole przed napisem "Display quantum yield calculation window", a następnie kliknij przycisk OK w oknie "Quantum Yield Factor Setting", co zamknie to okno (Wideo 24).
11. Teraz kliknij kartę "Integrating Sphere Correction" w oknie "Quantum Yield Calculation" i przesuwaj kursor, aż odczyt korekcji sfery integrującej wyniesie "1", zapisując wartość długości fali (Wideo 25).
12. Kliknij w Quantum Yield Correction Factor Setting i w razie potrzeby zmień znormalizowaną długość fali na wartość uzyskaną w poprzednim kroku, a następnie kliknij przycisk OK (Wideo 26).

Kolejnym krokiem jest załadowanie plików danych Baseline oraz Sample

13. Kliknij kartę „Quantum Yield Calculation” (Wideo 27).
14. Kliknij przycisk ładowania, aby wczytać „Data without sample” (plik P1_Baseline_ Al2O3) dla naświetlania bezpośredniego oraz wczytać „Data with sample” (plik P1_Sodium salicylate) dla naświetlania bezpośredniego (Wideo 28).
15. Następnie przejdziemy do wyboru obszarów „scattering” (rozpraszania) oraz „fluorescence” (fluorescencji) (Wideo 29).
16. Teraz obliczymy wydajność kwantową dla bezpośredniego naświetlania próbki. Kliknij przycisk „Calculation” i odczytaj wyniki (Wideo 30). Dane te będą nam potrzebne do końcowego obliczenia wydajności kwantowej próbki z uwzględnieniem wzbudzenia pośredniego.
17. Kliknij „Text file” i zapisz dane pod nazwą pliku „QY Direct Irradiation” (Wideo 31).
18. Korzystając z plików danych P2_Baseline_Al2O3 oraz P2_Sodium salicylate, obliczymy wydajność kwantową dla wzbudzenia pośredniego (Wideo 32). Teraz zapiszemy te dane do końcowego obliczenia wydajności kwantowej.
19. Kliknij „Text file” i zapisz tekstowy plik danych pod nazwą „QY Indirect Irradiation” (Wideo 33). Teraz otworzymy w programie Excel dwa pliki tekstowe z danymi wydajności kwantowej dla wzbudzenia bezpośredniego i pośredniego. Na koniec obliczymy wydajność kwantową próbki z uwzględnieniem efektu wzbudzenia pośredniego, korzystając z następującego wzoru:

Φ=Φd-(1-Ad)ΦI

Gdzie:

Φ to skorygowana wydajność kwantowa z uwzględnieniem wzbudzenia pośredniego

Φd to wewnętrzna wydajność kwantowa przy bezpośrednim wzbudzeniu. (Wewnętrzna wydajność kwantowa = Ilość fluorescencji / Ilość pochłoniętego światła wzbudzającego).

Ad to absorpcja dla wzbudzenia bezpośredniego. (Jest to stosunek ilości wiązki wzbudzenia pochłoniętej przez próbkę). (Absorbancja = (ArEx - CsEx)/ ArEx, gdzie ArEx to ilość światła wzbudzenia, a CsEx to ilość światła odbitego)

ΦI to wewnętrzna wydajność kwantowa przy wzbudzeniu pośrednim

Φ=0.536 - (1 - 0.848)0.420 Obliczone
Φ=0.47216

6. Obliczanie współrzędnych chromatyczności

1. Użyjemy opcjonalnego oprogramowania Report Generator wraz z szablonem przygotowanym do obliczania współrzędnych chromaticzności.
2. Otwórz plik danych P1_Sodium salicylate (Video 34).
3. Kliknij przycisk „Property”, a następnie kartę „Report”. W sekcji „Output” wybierz z menu rozwijanego opcję „Use print generator sheet”. W sekcji „Print items” wybierz szablon „FL70Std01_Color-chart.xls”, a następnie kliknij przycisk „Open”. Nie ma potrzeby wybierania zakresu i odstępu długości fali, ponieważ jest to wykonywane automatycznie przez Report Generator (Video 35).
4. Kolejnym krokiem jest utworzenie raportu. Kliknij kartę „Report”; zostanie wówczas wykonane makro tworzące raport, który zostanie zapisany w folderze „Reports” w formacie Excel pod nazwą próbki (Video 36).
5. W tym momencie możemy otworzyć raport, aby zapoznać się z danymi dotyczącymi koloru (Video 37).

7. Klucze do sukcesu

1. Należy używać świeżych próbek.
2. Należy pamiętać, że materiały od różnych producentów mogą dawać odmienne wyniki.
3. Ostukaj dno celi do proszków, aby zagęścić próbkę i uzyskać jednolitą powierzchnię do pomiaru.
4. Chronić próbki przed światłem. Ulegają one degradacji pod wpływem ekspozycji na światło.
5. W celu zminimalizowania ekspozycji próbki na światło należy spróbować zastosować szybszą prędkość skanowania.

8. Reprezentatywne wyniki

8.1. Salicylan sodu charakteryzuje się wydajnością kwantową w zakresie od 0,4 do 0,5

Rycina 1. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną rycinę.

Rycina 2. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną rycinę.

Rysunek 3. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększony rysunek.

Prosimy kliknąć tutaj, aby obejrzeć Wideo 1.
Prosimy kliknąć tutaj, aby obejrzeć Wideo 2.
Prosimy kliknąć tutaj, aby obejrzeć Wideo 3.
Prosimy kliknąć tutaj, aby obejrzeć Wideo 4.
Prosimy kliknąć tutaj, aby obejrzeć Wideo 5.
Prosimy kliknąć tutaj, aby obejrzeć Wideo 6.
Prosimy kliknąć tutaj, aby obejrzeć Wideo 7.
Prosimy kliknąć tutaj, aby obejrzeć Wideo 8.
Prosimy kliknąć tutaj, aby obejrzeć Wideo 9.
Prosimy kliknąć tutaj, aby obejrzeć Wideo 10.
Prosimy kliknąć tutaj, aby obejrzeć Wideo 11.
Prosimy kliknąć tutaj, aby obejrzeć Wideo 12.
Prosimy kliknąć tutaj, aby obejrzeć Wideo 13.
Prosimy kliknąć tutaj, aby obejrzeć Wideo 14.
Prosimy kliknąć tutaj, aby obejrzeć Wideo 15.
Prosimy kliknąć tutaj, aby obejrzeć Wideo 16.
Prosimy kliknąć tutaj, aby obejrzeć Wideo 17.
Prosimy kliknąć tutaj, aby obejrzeć Wideo 18.
Prosimy kliknąć tutaj, aby obejrzeć Wideo 19.
Prosimy kliknąć tutaj, aby obejrzeć Wideo 20.
Prosimy kliknąć tutaj, aby obejrzeć Wideo 21.
Prosimy kliknąć tutaj, aby obejrzeć Wideo 22.
Prosimy kliknąć tutaj, aby obejrzeć Wideo 23.
Prosimy kliknąć tutaj, aby obejrzeć Wideo 24.
Prosimy kliknąć tutaj, aby obejrzeć Wideo 25.
Prosimy kliknąć tutaj, aby obejrzeć Wideo 26.
Prosimy kliknąć tutaj, aby obejrzeć Wideo 27.
Prosimy kliknąć tutaj, aby obejrzeć Wideo 28.
Prosimy kliknąć tutaj, aby obejrzeć Wideo 29.
Prosimy kliknąć tutaj, aby obejrzeć Wideo 30.
Prosimy kliknąć tutaj, aby obejrzeć Wideo 31.
Prosimy kliknąć tutaj, aby obejrzeć Wideo 32.
Prosimy kliknąć tutaj, aby obejrzeć Wideo 33.
Prosimy kliknąć tutaj, aby obejrzeć Wideo 34.
Prosimy kliknąć tutaj, aby obejrzeć Wideo 35.
Prosimy kliknąć tutaj, aby obejrzeć Wideo 36.
Prosimy kliknąć tutaj, aby obejrzeć Wideo 37.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Proszek salicylanu sodu	Wako Pure Chemical Industries, Ltd.	191-03142	Masa molowa 160.10