Pomiar absolutnej wydajności kwantowej próbek w proszku

Luis A. Moreno

doi:10.3791/3066

Artykuł metodologiczny

Pomiar absolutnej wydajności kwantowej próbek w proszku

29.7K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/3066

⸱

12 maja 2012

Luis A. Moreno¹

¹Marketing and Applications, Hitachi High Technologies America

W tym artykule

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:

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.
Pomiar współczynników korekcyjnych sfery integrującej. Celem tego kroku jest uwzględnienie charakterystyki refleksyjności sfery integrującej wykorzystywanej do pomiarów.
Pomiar wzorca i próbki przy użyciu bezpośredniego oraz pośredniego wzbudzenia.
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.
Obliczenie skorygowanej wydajności kwantowej.
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

Spektrofotometr fluorescencyjny F-700 wyposażony w detektor z photomultiplierem R-928F o wysokiej czułości i rozszerzonym zakresie.
Akcesoria do F-70: do wygenerowania współczynników korekcji widmowej instrumentu wykorzystano rodaminę B, dyfuzor światła, filtr czerwony oraz pomocnicze źródło światła.
Akcesorium do pomiaru wydajności kwantowej, które obejmuje: sferę integrującą o średnicy 60 mm, białe płytki z tlenku glinu, biały standard Spectralon, kuwety do proszków (2 szt.), proszek tlenku glinu oraz oprogramowanie do obliczania wydajności kwantowej.
Do obliczenia współrzędnych chromatyczności zostanie wykorzystany program Report Generator wraz z odpowiednim szablonem.

2. Konfiguracja systemu

Włącz spektrofotometr fluorescencyjny Hitachi F-70 i pozwól lampie ksenonowej rozgrzać się przez jedną godzinę. Rozpocznij pracę, korzystając ze standardowego przedziału na próbkę (uchwytu na kuwetę) zainstalowanego w urządzeniu.

3. Pozyskiwanie współczynników korekcji sfery całkującej

Podczas pomiaru współczynników korekcji 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	20 nm
Start EX WL	20 nm
Koniec WL EX	90 nm
Prędkość skanowania	240 nm/min
Opóźnienie	5,0 s
Szpara wzbudzenia	5,0 nm
Szpara EM	20 nm
Napięcie PMT	250 V
Skorygowane widma	WŁ.
Odpowiedź	Auto

Tabela 1.

3.1. Pozyskiwanie danych dyfuzora

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

3.2. Wyznaczenie współczynnika korekcyjnego dla braku próbki (referencja)

Zdejmij standardową komorę na próbkę z instrumentu, schowaj dyfuzor, a następnie zainstaluj sferę integrującą.
Wypełnij celę proszkową proszkiem tlenku glinu do wysokości co najmniej 25 mm, aby upewnić się, że proszek całkowicie zakrywa otwór sfery integrującej. Ostrożnie opukaj dno celi, aby zagęścić proszek.
Umieść białą płytkę z tlenku glinu w porcie referencyjnym (P2) sfery integrującej (tym zwróconym w stronę monochromatora emisyjnego), a celę proszkową z tlenkiem glinu w porcie na próbkę (P1) sfery integrującej (tym zwróconym w stronę monochromatora wzbudzającego).
Kliknij w oknie pomiaru współczynnika korekcji wydajności kwantowej (Quantum Yield Correction Factor Measurement), a następnie wybierz Pomiar sferą integrującą (bez próbki) (Integrating Sphere Measurement (without sample)) (Video 2).
Oprogramowanie przypomni o ustawieniu próbek. Wprowadź nazwę „IS with no sample” i kliknij OK.
Po zakończeniu pomiaru plik zostanie zapisany w folderze „Correct” programu FL Solutions. Rysunek 2 przedstawia przykład danych pomiarowych dla sfery integrującej bez próbki.

3.3. Wyznaczenie współczynnika korekcyjnego w obecności próbki:

Wyjmij próbkę z proszkiem tlenku glinu i zastąp ją białym wzorcem Spectralon. (Wzorzec Spectralon powinien być skierowany w stronę monochromatora wzbudzenia (P1)).
Kliknij okno Pomiar Współczynnika Korekcji Wydajności Kwantowej, a następnie Pomiar Sfery Integrującej (z próbką). Oprogramowanie przypomni o ustawieniu Materiału Wzorcowego Odblaskowości do pomiaru.
Wprowadź nazwę: „IS with sample” dla pliku danych Sfery Integrującej z próbką i kliknij OK (Wideo 3).
Po pomiarze plik zostanie zapisany w folderze „Correct” programu FL Solutions. Rysunek 3 przedstawia przykład danych pomiarowych Sfery Integrującej z próbką.

UWAGA: W przypadku konieczności użycia filtrów odcinających w celu zablokowania rozproszonego światła drugiego rzędu po stronie emisji, które zakłóca pik 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 jako element początnej 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:

Kliknij przycisk „Method”, a w zakładce General wybierz skanowanie długości fali (wavelength scan) jako tryb pomiaru i wprowadź odpowiednie informacje o operatorze oraz akcesoriach (Wideo 4).
Kliknij zakładkę „Instrument” i wprowadź parametry pomiarowe urządzenia zgodnie z Tabelą 2 (Wideo 5).

WARUNKI ANALITYCZNE
Pomiar	Skanowanie długości fal
Tryb skanowania	Emisja
Tryb danych	Fluorescencja
EX WL	350 nm
Start EM WL	30 nm
Koniec WL EM	60 nm
Prędkość skanowania	120 nm/min
Opóźnienie	0 s
Szpara wzbudzenia (EX Slit)	5,0 nm
Szpara EM	5,0 nm
Napięcie PMT	350 V
Widma skorygowane	WŁ.
Odpowiedź	Auto
Skorygowane widma	WŁ.

Tabela 2.

W tej chwili nie są wymagane żadne dodatkowe ustawienia, ponieważ konfigurację kart Monitor, Processing i Report można wprowadzić po zmierzeniu danych. Przejrzymy je teraz i klikniemy przycisk OK, aby ustawić wybrane parametry pomiarowe w urządzeniu (Video 6).
Opcjonalnie, wybrane ustawienia można zapisać do późniejszego wykorzystania. Przejdziemy teraz do pomiaru wzorca odniesienia tlenku glinu przy użyciu bezpośredniego wzbudzenia.
Umieść kuwetę z proszkiem Al2O3 w porcie pomiarowym próbki (P1) (przed wiązką wzbudzającą).
Kliknij przycisk „Sample” i wpisz nazwę próbki: „P1_Baseline_Al2O3”, a następnie kliknij pole obok „Auto file”. Wybierz folder i nazwę pliku dla danych: „P1_Baseline_Al2O3”, a następnie kliknij „Save” i „OK” (Video 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 rozproszenia przy bezpośrednim wzbudzeniu (Figure 4).
Teraz przejdziemy do pomiaru próbki salicylanu sodu przy użyciu bezpośredniego wzbudzenia. Kliknij ikonę „Sample” i wprowadź „P1_Sodium Salicylate” jako nazwę próbki i pliku, a następnie kliknij przycisk OK (Video 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 i fluorescencji.
W tej chwili powtórzymy pomiary dla tlenku glinu i salicylanu sodu z próbkami umieszczonymi w porcie P2 sfery integrującej, aby odczytać je przy użyciu pośredniego wzbudzenia.
Najpierw kliknij przycisk „Sample” i wpisz nazwę próbki oraz pliku: „P2_Baseline_Al2O3” dla obu pól (Video 1).
Przesuń białą płytkę z tlenku glinu z P2 do P1 sfery integrującej i umieść kuwetę wypełnioną proszkiem tlenku glinu w P2.
Kliknij przycisk „Measure”, aby odczytać próbkę (Video 12).
Aby zakończyć pomiar próbki, musimy zmierzyć próbkę salicylanu sodu przy użyciu pośredniego naświetlania. Najpierw wpisujemy nazwy próbki i pliku, tak jak w poprzednich krokach. Nazwa będzie brzmieć P2_Sodium salicylate (Video 13).
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 korekcji kuli całkującej.

Kliknij przycisk Quantum Yield Calculation, aby otworzyć program do obliczania wydajności kwantowej (Video 15).
Kliknij przycisk Quantum Yield Correction Factor Setting (Video 16).
Kliknij zakładkę Integrating Sphere Correction i zaznacz pole przy „Integrating sphere correction”, następnie przejdź do zakładki Filter Correction i upewnij się, że pole „Filter correction” nie jest zaznaczone, a następnie ponownie kliknij zakładkę Integrating Sphere Correction (Video 17).
Kliknij przycisk Load w sekcji Diffuse Measurement Data, a następnie wybierz plik „IS_factor_F70 no sample” (Video 18).
Wybierz plik „IS_factor_F70_diffuser”, a następnie kliknij przycisk load (Video 19).
Kliknij przycisk Load w sekcji Integrating sphere measurement data (without sample) (Video 20).
Wybierz plik „IS_factor_F70 no sample”, a następnie kliknij przycisk load (Video 21).
Kliknij przycisk Load w sekcji Integrating sphere measurement data (with sample) (Video 2).
Wybierz plik „IS_factor_F70 with sample”, a następnie kliknij przycisk load (Video 23).
Znormalizowaną długość fali można pozostawić na poziomie 60nm lub dostosować do wartości długości fali, dla której korekcja sfery całkującej wynosi 1. Aby to zrobić, upewnij się, że pole przy „Display quantum yield calculation window” jest zaznaczone, i kliknij przycisk OK w oknie „Quantum Yield Factor Setting”, co zamknie to okno (Video 24).
Teraz kliknij zakładkę „Integrating Sphere Correction” w oknie „Quantum Yield Calculation” i przesuwaj kursor, aż odczyt korekcji sfery całkującej wyniesie „1”, zapisując wartość długości fali (Video 25).
Kliknij „Quantum Yield Correction Factor Setting” i w razie potrzeby zmień znormalizowaną długość fali na wartość uzyskaną w poprzednim kroku, a następnie kliknij przycisk OK (Video 26).

Kolejnym krokiem jest załadowanie plików danych Baseline oraz Sample

Kliknij kartę „Quantum Yield Calculation” (Wideo 27).
Załaduj „Data without sample” (plik P1_Baseline_ Al2O3) dla bezpośredniego naświetlania, klikając przycisk ładowania, a następnie załaduj „Data with sample” (plik P1_Sodium salicylate) dla bezpośredniego naświetlania (Wideo 28).
W następnym kroku przejdziemy do wyboru obszarów „scattering” i „fluorescence” (Wideo 29).
Teraz obliczymy wydajność kwantową dla bezpośredniego naświetlania próbki. Kliknij przycisk „Calculation” i odczytaj wyniki (Wideo 30). Dane te będą potrzebne do końcowego obliczenia wydajności kwantowej próbki z uwzględnieniem wzbudzenia pośredniego.
Kliknij „Text file” i zapisz dane pod nazwą pliku „QY Direct Irradiation” (Wideo 31).
Korzystając z plików danych P2_Baseline_Al2O3 i P2_Sodium salicylate, obliczymy wydajność kwantową dla wzbudzenia pośredniego (Wideo 32). Następnie zapiszemy te dane do końcowego obliczenia wydajności kwantowej.
Kliknij „Text file” i zapisz plik tekstowy z danymi pod nazwą „QY Indirect Irradiation” (Wideo 3). Teraz otwórz w programie Excel oba pliki tekstowe z danymi dotyczącymi 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 oznacza wewnętrzną wydajność kwantową przy bezpośrednim wzbudzeniu. (Wewnętrzna wydajność kwantowa = Ilość fluorescencji / Ilość pochłoniętego światła wzbudzenia.)

Ad to absorpcja dla bezpośredniego wzbudzenia. (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 użyciu wzbudzenia pośredniego

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

6. Obliczanie chromatyczności

Użyjemy opcjonalnego oprogramowania Report Generator wraz z szablonem przygotowanym do obliczania barwności.
Otwórz plik danych P1_Sodium salicylate (Wideo 34).
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 fal, ponieważ jest to wykonywane automatycznie przez program Report Generator (Wideo 35).
Kolejnym krokiem jest wygenerowanie raportu. Kliknij kartę „Report”, aby uruchomić makro tworzące raport, który zostanie zapisany w folderze „Reports” w formacie Excel pod nazwą próbki (Wideo 36).
W tym momencie można otworzyć raport, aby zapoznać się z danymi dotyczącymi barwy (Wideo 37).

7. Klucze do sukcesu

Należy używać świeżych próbek.
Należy pamiętać, że materiały od różnych producentów mogą dawać odmienne wyniki.
Opukać dno celi proszkowej, aby zagęścić próbkę i uzyskać jednorodną powierzchnię do pomiaru.
Próbki należy chronić przed światłem, ponieważ ulegają one degradacji pod jego wpływem.
W celu zminimalizowania ekspozycji próbki na światło należy spróbować zastosować większą prędkość skanowania.

8. Reprezentatywne wyniki

8.1. Znane jest, że salicylan sodu posiada wydajność kwantową od 0,4 do 0,5

Widmo odbicia rozproszonego, wykres, skala nm, analiza absorpcji, wynik badania optycznego.
Rycina 1. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększony rysunek.