Czasowo-rozdzielcza charakterystyka fotofizyczna związków organicznych zbierających potrójnie w środowisku beztlenowym przy użyciu kamery iCCD
27 grudnia 2018
Tutaj prezentujemy metodę spektroskopowej charakterystyki cząsteczek organicznych za pomocą czasowo-rozdzielczej spektroskopii fotoluminescencyjnej w skali nanosekundowej do milisekundowej w warunkach beztlenowych. Opisano również metody skutecznego usuwania tlenu z próbek, a tym samym ograniczania wygaszania luminescencji.
Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie chemii materiałów i fotofizyki dotyczące natury stanów emisyjnych w materiałach fotoluminescencyjnych. Główną zaletą tej techniki jest to, że wszystkie widma emisyjne są dostępne od czasu zerowego do sekund opóźnienia. Na początek przygotuj cztery mililitry roztworu wybranego związku luminescencyjnego w rozpuszczalniku, jak opisano w protokole tekstowym.
Wlej roztwór do kuwety odgazowującej i zamknij zawór. Następnie podłącz pompę próżniową do szyjki wlotowej kuwety odgazowującej. Przytrzymaj szyjkę wlotową kuwety i powoli włóż kolbę okrągłodenną do ciekłego azotu.
Potrząsać nią od czasu do czasu, gdy kolba znajduje się w ciekłym azocie. Aby upewnić się, że cały roztwór jest zamrożony, należy wstrząsnąć kolbą okrągłodenną. Włącz pompę próżniową i otwórz zawór wlotowy.
Po 10 minutach zamknij zawór wlotowy i wyłącz pompę próżniową. Powoli umieścić kolbę okrągłodenną w izopropanolu. Od czasu do czasu potrząsaj kuwetą, aż rozpuszczalnik się rozpuści.
Jeśli odgazowanie się powiodło, w pierwszym cyklu należy zaobserwować powietrze wydobywające się z roztworu w postaci pęcherzyków. Teraz podgrzej roztwór w kuwecie do temperatury pokojowej. Użyj łaźni wodnej lub poczekaj, aż temperatura się wyrówna.
Włącz system laserowy. Po odczekaniu około 30 minut, aż wiązka ustabilizuje się na mocy wyjściowej pompy, należy użyć miernika mocy, aby zmierzyć fluencję lasera. Odczyt powinien wynosić około 100 mikrodżuli na impuls.
Teraz włącz system pomiarowy. Włącz oprogramowanie 4 Spec i ustaw parametry pomiaru, w tym liczbę zebranych skanów. Aby uzyskać dostęp do ustawień sterowania kamery, wybierz Okno, Kamera.
Upewnij się, że do tego czasu aparat jest włączony. Oprogramowanie łączy się teraz z kamerą. Ustaw opóźnienie i czas integracji dla parametrów czasu zerowego, w tym 981 nanosekund opóźnienia i 10 nanosekund czasu integracji.
Parametry te można następnie wykorzystać do sprawdzenia, czy konfiguracja pomiarowa jest wyrównana. Ustaw wyzwalacz dla Trig. Następnie wyślij parametry do kamery za pomocą przycisku Wyślij.
Teraz ustaw pozycję szczeliny i monochromatora odpowiednią do zakresu spektralnego i intensywności emisji próbki. Aby umieścić roztwór, zamontuj uchwyt kuwety w obszarze próbki lub umieść kuwetę w kriostatu, jeśli wymagana jest kontrola temperatury. Następnie umieść kuwetę odgazowującą w uchwycie i zabezpiecz ją za pomocą stojaka laboratoryjnego.
Upewnij się, uważnie obserwując fotoluminescencję, że wiązka lasera uderza w kuwetę. Po upewnieniu się, że wiązka laserowa jest wyrównana, przykryj próbkę jednostki, aby uniknąć rejestrowania światła w pomieszczeniu przez detektor i zmniejszyć ryzyko rozpraszania lasera. Aby przygotować się do eksperymentu, zakryj ścieżkę lasera za pomocą migawki.
Zmierz emisję tła za pomocą skrótu kontrolnego D. Następnie otwórz skrypt pomiaru automatycznego i wprowadź nazwę pliku eksperymentu w polu tekstowym. Następnie naciśnij enter i wprowadź wiersz początkowy pliku eksperymentu.
Naciśnij ponownie Enter i wprowadź ostatni wiersz pliku eksperymentu. Następnie naciśnij enter na końcu, aby uruchomić skrypt. Automatyczny skrypt pozwala na pomiar emisji przy zestawie różnych czasów opóźnienia podanych w pliku.
Po zakończeniu wybierz jedno widmo i skalę. Wyeksportuj widmo do pliku, klikając Plik, Eksport, Krzywa jako tekst. Następnie wybierz nazwę i katalog.
Wyniki są teraz gotowe do przetworzenia przez odpowiednie oprogramowanie. Po zakończeniu wszystkich zaplanowanych eksperymentów wyłącz urządzenie, postępując w odwrotnej kolejności, w jakiej zostało włączone. Wyjmij kuwetę odgazowującą z uchwytu.
Otwórz zawór wlotowy i wylej roztwór. Opłucz kuwetę acetonem, uważając, aby umyć wszystkie wewnętrzne ścianki. Powtórz płukanie trzy razy.
Pokazano tutaj profil rozpadu aktywowanego termicznie emitera opóźnionej fluorescencji w roztworze toluenu oraz widma czasowo-rozdzielcze zarejestrowane w tym samym eksperymencie z widmem fosforyzującym zarejestrowanym w niskiej temperaturze. Fluorescencja szybka i opóźniona są wyraźnie rozróżniane. Pokazano tutaj profil rozpadu fosforyzującej cząsteczki w temperaturze pokojowej w stałym gospodarzu polimerowym.
Pokazano również widma czasowo-rozdzielcze zarejestrowane w tym samym eksperymencie, z widmem fosforescencji zarejestrowanym w niskiej temperaturze. Podejmując się tej procedury, należy pamiętać o sprawdzeniu stanu plastikowej pokrywy i kuwety przed rozpoczęciem, aby zapewnić prawidłowe odgazowanie roztworu. Chociaż metoda ta może zapewnić wgląd w cząsteczki luminescencyjne, można ją również zastosować do innych systemów, takich jak ekscypleksy.
Nie zapominaj, że praca ze szklanym sprzętem w próżni może być bardzo niebezpieczna i podczas wykonywania tej procedury należy zawsze zachować środki ostrożności, takie jak noszenie okularów.
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia metodę spektroskopowej charakterystyki cząsteczek organicznych z wykorzystaniem spektroskopii fotoluminescencji z rozdzielczością czasową. Technika ta działa w skali czasowej od nanosekund do milisekund w warunkach beztlenowych, co skutecznie minimalizuje gaszenie luminescencji.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Chemia materiałowa
- Fotofizyka
Wstęp
- Zrozumienie stanów emisyjnych w materiałach fotoluminescencyjnych jest kluczowe.
- Tlen może wygaszać luminescencję, co wpływa na pomiary.
- Spektroskopia rozdzielczości czasowej pozwala na szczegółową analizę widm emisji.
Cel badania
- Opracowanie metody spektroskopowej charakterystyki cząsteczek organicznych.
- Zapewnienie wglądu w naturę stanów luminescencyjnych.
- Wykazanie skuteczności technik odgazowywania w zachowaniu luminescencji.
Zastosowane metody
- Przygotowanie roztworów związków luminescencyjnych.
- Odgazowanie przy użyciu pompy próżniowej i ciekłego azotu.
- Konfiguracja pomiarowa z systemami laserowymi i oprogramowaniem do gromadzenia danych.
- Analiza widm emisji przy różnych czasach opóźnienia.
Główne wyniki
- Skuteczne usunięcie tlenu doprowadziło do uzyskania wyraźniejszych widm emisyjnych.
- Zaobserwowano odmienne profile zaniku dla fluorescencji szybki oraz opóźnionej.
- Widma rozdzielcze w czasie dostarczyły informacji o zachowaniu fosforescencyjnym.
Wnioski
- Metoda ta zwiększa zrozumienie materiałów luminescencyjnych.
- Można ją zastosować w różnych systemach poza cząsteczkami organicznymi.
- Podczas pracy w próżni niezbędne jest przestrzeganie środków ostrożności.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Charakterystyka fotoluminescencji rozdzielonej w czasie umożliwia analizę mechanistyczną organicznych emitterów poprzez rozdzielenie wkładu fluorescencji promptowej i opóźnionej w warunkach beztlenowych. Wspiera to walidację celów w rozwoju materiałów optoelektronicznych, dostarczając ilościowych danych o dynamice stanów wzbudzonych, które są niezbędne do przewidywania wydajności urządzeń w diodach OLED i technologiach pokrewnych. Metoda ta zwiększa pewność prognostyczną na wczesnym etapie poszukiwań poprzez odróżnianie stanów emisyjnych wpływających na wydajność zbierania tripletów.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie pochodzenia stanów emisyjnych w materiałach luminescencyjnych w celu wyjaśnienia hipotez mechanistycznych.
- Wartość operacyjna: Dostarcza rozdzielczo czasowych danych spektralnych i danych o zaniku od nanosekund do 0,1 sekundy w ramach jednego eksperymentu.
- Wartość naukowa: Wspiera walidację funkcjonalną mechanizmów wykorzystania tripletów w emitterach TADF i RTP.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Dostarcza zestandaryzowane, ilościowe wyniki fotofizyczne niezbędne do przygotowania testów w procesie przesiewania materiałów.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalność dzięki kontrolowanym protokołom odgazowywania, które minimalizują artefakty wynikające z wygaszania przez tlen.
- Wartość naukowa: Umożliwia wiarygodne porównanie profili emisji w formacie próbek stałych i ciekłych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Ułatwia ciągłość translacyjną poprzez powiązanie molekularnej fotofizyki z predyktorami wydajności istotnymi dla urządzeń.
- Wartość operacyjna: Wspiera decyzje o dalszym rozwoju w oparciu o ocenę ryzyka dzięki wyraźnemu rozróżnieniu komponentów emisji promptowej i opóźnionej.
- Wartość naukowa: Pomaga w ograniczaniu ryzyka mechanistycznego poprzez izolację długożyciowych procesów emisji wrażliwych na tlen.
Integracja rurociągu i przepływu pracy
Metoda ta integruje się z wczesnymi etapami procesów odkrywania poprzez dostarczanie charakterystyki stanów wzbudzonych, która wspomaga identyfikację związków wiodących do zastosowań optoelektronicznych, a uzyskane wyniki bezpośrednio wspierają dalszy proces inżynierii urządzeń.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących udziału stanów emisyjnych w układach fotoluminescencyjnych.
- Przesiewanie: Umożliwia standaryzację testów poprzez czasowo bramkowaną akwizycję widm oraz profilowanie zaniku.
- Analityka: Opóźnienia i czasy całkowania pozwalają na pomiary ilościowe służące do porównywania zachowań fotofizycznych.
- Badania translacyjne: Łączy molekularne charakterystyki emisji z oczekiwaniami dotyczącymi wydajności urządzeń w badaniach przedklinicznych.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy platformę wielokrotnego użytku do oceny różnych klas organicznych emiterów w kontrolowanych warunkach.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Pewność prognostyczna w przypisywaniu stanu emisyjnego i efektywności pozyskiwania tripletów.
- Wartość operacyjna: Powtarzalne przygotowanie próbek w warunkach beztlenowych i pomiary dla różnych typów próbek.
- Wartość strategiczna: Uzasadnione decyzje o kontynuacji lub przerwaniu badań w oparciu o rozdzielone komponenty fotofizyczne.
- Wpływ na portfolio: Priorytetyzacja emiterów z uwzględnieniem ryzyka, oparta na zweryfikowanym potencjale emisji długotrwałej.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Doświadczenie w technikach pomiarów fotofizycznych oraz procedurach obsługi próżni.
- Instrumentarium obejmujące impulsowe systemy laserowe, kamery iCCD oraz monochromatory do rozdzielczości spektralnej.
- Międzyzespołowa standaryzacja protokołów odgazowania w celu zapewnienia spójnego usuwania tlenu.
- Uwzględnienie adaptacji dla różnych matryc próbek (ciała stałe, ciecze, polimery) i długości fal wzbudzenia.
- Ograniczenia praktyczne obejmują limity czułości spektralnej detektora oraz wymagane długości fal laserowych (532 nm, 355 nm, 337 nm, 266 nm).
