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Chemistry

Zeitaufgelöste photophysikalischen Charakterisierung der Triplett-Ernte organische Verbindungen in einer sauerstofffreien Umgebung verwenden eine iCCD Kamera

doi: 10.3791/56614 Published: December 27, 2018

Summary

Hier präsentieren wir Ihnen eine Methode, die spektroskopische Charakterisierung organischer Moleküle mittels zeitaufgelöste Photolumineszenz-Spektroskopie auf die Nanosekunden-Millisekunde Zeitskala in sauerstofffreien Bedingungen. Methoden, um effizient Sauerstoff aus den Proben zu entfernen und so zu begrenzen, Lumineszenz abschrecken werden ebenfalls beschrieben.

Abstract

Hier präsentieren wir Ihnen eine sinnvolle Methode der Akquisition und Analyse von zeitaufgelöste Photolumineszenz mit einem ultraschnellen iCCD-Kamera. Dieses System ermöglicht die Erfassung von Photolumineszenz Spektren abdecken Zeitregime von Nanosekunden bis zu 0,1 s. Dies ermöglicht es uns, die Änderungen in der Intensität (Verfall) und Emission der Spektren im Laufe der Zeit zu folgen. Mit dieser Methode, es ist möglich, diverse photophysikalischen Phänomene, wie z. B. die Emission von Phosphoreszenz, zu studieren und die Beiträge der prompten und verzögerte Fluoreszenz in Molekülen zeigen thermisch aktiviert verzögerte Fluoreszenz (TADF). Bemerkenswert ist, werden alle Spektren und zerfällt in einem einzigen Experiment gewonnen. Dies kann für Feststoffe (Pulver, Dünnschicht, Kristall) und flüssiger Proben, wo die einzigen Einschränkungen sind die spektrale Empfindlichkeit der Kamera und die Erregung Wellenlänge (532 nm, 355 nm, 337 nm und 266 nm). Diese Technik ist daher sehr wichtig, bei der Untersuchung der angeregten Zustand Dynamik in organischen Strahler für ihre Anwendung in organischen Leuchtdioden und anderen Bereichen wo Triplett Ernte von größter Bedeutung ist. Da Triplett Staaten stark durch Sauerstoff, Strahler mit effizienten TADF Lumineszenz oder zeigen Raumtemperatur Phosphoreszenz (RTP) gestillt werden, muss richtig vorbereitet, um gelösten Sauerstoff aus Lösungen und Filme zu entfernen sein. Andernfalls wird keine langlebigen Emission beobachtet werden. Die Methode der Entgasung fester Proben, wie in dieser Arbeit dargestellt ist einfach und simpel, aber das Ausgasen von flüssigen Proben schafft zusätzliche Schwierigkeiten und ist besonders interessant. Eine Methode der Lösungsmittel Verlust zu minimieren und ändern die Probenkonzentration gleichzeitig noch Sauerstoff in eine sehr effiziente und einer wiederholbaren Weise zu entfernen wird in dieser Arbeit vorgestellt.

Introduction

Zeitaufgelöste Spektroskopie ist ein wesentliches Werkzeug in den Studien von neuen Materialien für die Anwendung von organischen Leuchtdioden (OLED)1,2,3. Diese Techniken sind besonders wichtig für die neuesten Generationen von OLED-Strahler [d. h.als thermisch aktivierte verzögerte Fluoreszenz (TADF)4,5,6,7, 8 oder10,11 Moleküle phosphoreszierende9,], werden wo Photolumineszenz Prozesse beobachtet in einer breiten Zeitskala (bis Sekunden). Interessanterweise können solche Techniken auch verwendet werden, zu untersuchen, Elektrolumineszenz in Geräten, über geeignete Zeit Regime12,13. Die oben beschriebenen Methoden, in der Regel folgende zeitabhängige Eigenschaften steht im Mittelpunkt, die Photolumineszenz Signale wie der Verfall Lebensdauer, die Form und Energie von Emissionsspektren und seine Abhängigkeit von Temperatur oder andere Faktoren einbeziehen.

Insgesamt ist die populärste Methode der zeitaufgelöste Spektroskopie Zeit korreliert einzelnes Photon counting (TCSPC) oder seine Modifikationen wie Mehrkanal-TCSPC. Diese Methode ist besonders geeignet, um schnell zerfällt mit einer sehr hohen Genauigkeit, in der Regel auf die Nanosekunde Zeitskala zu folgen. Allerdings hat es einen großen Nachteil, da es nicht auf einfache Weise nach den Veränderungen im Spektrum Photolumineszenz zulässt. Dies wird mit Streifen Kameras14,15aufgelöst. Beide Methoden sind jedoch nicht geeignet, langlebigen Lumineszenz zerfällt zu folgen. In diesem Fall sind Zeit-gated Methoden und Mehrkanal-Skalierung die Methoden der Wahl.

In dieser Arbeit besprechen wir den Zeit-gated Erwerb von Photolumineszenz Signale in einem Zeitraum von weniger als einer Nanosekunde bis zu 0,1 - 1 s in einem einzigen experiment16,17,18. Darüber hinaus die Qualität der Spektren ist ausgezeichnet durch die hohe Empfindlichkeit des Detektors, der ist (eine iCCD Kamera) verwendet. Dies ermöglicht die Beobachtung der sehr feine Änderungen in das Emissionsspektrum und die Untersuchung der angeregten Zustand Dynamik im Detail, die Emission von aufgeregt Arten in einem molekularen System zu identifizieren. Die Vielseitigkeit dieses Gerätes bestätigt mehrere aktuelle Publikationen19,20,21,22,23,24,25 , 26. die Anregungsquelle ist entweder ein ND: YAG-Laser mit einer Wiederholungsrate 10 Hz, denen eine Reihe von Oberschwingungen (266 nm, 355 nm und 532 nm) oder einem Stickstoff-Laser (337 nm) von einer veränderlichen Wiederholungsrate zwischen 1-30 Hz.

Das Prinzip der Arbeit der iCCD Kameras basiert auf den Bildverstärker, die nicht nur das einfallende Licht verstärkt, sondern auch als ein Auslöser (Tor arbeitet). Der Verstärker besteht aus einer Photokathode, die empfindlich auf einen bestimmten Spektralbereich [d.h., sichtbar, Ultraviolett (UV), roten und Nah-Infrarot (NIR)], ein Mikro-Kanalplatte (MCP) und ein Phosphor. Durch die Veränderung der Photokathode, ist es möglich, die Kamera auf eine bestimmte Verwendung anzupassen. Die Photokathode wandelt eingehende Photonen in Photoelektronen, die werden in den MCP multipliziert und drücken Sie dann die Phosphor-Bildschirm erzeugen Photonen. Diese Photonen durch ein System von Linsen, sind ausgerichtet auf einem CCD-Chip und in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Weitere Informationen finden Sie auf der Hersteller Seite27.

Sammeln Emissionsspektren über den gesamten Bereich von 1 ns bis 100 ms mit genügend Signal-Rausch-Verhältnis, die Integrationszeit (Exposition) steigt exponentiell zusammen mit exponentiell die zeitliche Verzögerung. Dies ist durch die Eigenschaften des Zerfalls Photolumineszenz diktiert, in den meisten Systemen exponentielle Gesetzen folgt.

Die hier beschriebene Methode kann auf mehrere Stichprobengrößen und Formen, einschließlich derjenigen mit unebener Oberfläche, Pulver oder kleine Kristalle19angewendet werden. Der Probenhalter ist leicht angepasst, mehrere unterschiedliche Küvetten, einschließlich Standard- und Entgasung Küvetten oder Fluss Küvetten zu unterstützen. Alle Proben mit Photolumineszenz in einem Bereich von 350-750 nm können von diesen Geräten untersucht werden. Das System verfügt auch über einen flüssigen Stickstoff Kryostat temperaturabhängige Messung von festen und flüssigen Proben bis 77 K und einer geschlossenen Helium-Kryostaten zur Durchführung von Messungen von festen Proben bis zu 15 K. Dadurch sind solche Phänomene wie TADF und Phosphoreszenz zu studieren. Zusammenfassend lässt sich sagen kann in diesem Gerät Verbindung oder jede Art von Muster, die emittiert Photolumineszenz in der angegebenen Region und Zeitraum und welche absorbiert das Laserlicht Erregung, untersucht werden.

Die Entfernung von molekularem Sauerstoff ist ein besonders wichtiges Thema bei der Untersuchung von Photophysik der Moleküle mit einem langlebigen Ausstoß. Daher ist ein experimentelles Verfahren der Entgasung Proben (Lösungen und Filme) auch hier im Detail beschrieben. Abschrecken durch Sauerstoff wirkt sich auf langlebigen Lumineszenz und ist ein großes Problem bei der Untersuchung von verzögerte Fluoreszenz und Phosphoreszenz. Allerdings diesbezüglich abschrecken erleichtert auch die Untersuchung des Beitrags der Dreiergruppe aufgeregt Staaten insgesamt Lumineszenz. Dies entfällt für die Messung der Photolumineszenz Intensitätsverhältnis einer entgast Lösung/Folie zu Luft gesättigt Bedingungen17,23. Wie Drillinge durch Sauerstoff abgeschreckt werden, ergibt die Entgasung Luftemissionen Verhältnis direkte Informationen über den Beitrag der langlebigen Staaten, die für den langlebigen Emissionen (und also verzögerte Fluoreszenz oder Phosphoreszenz) verantwortlich sind. Hiermit kann dann Informationen über die Erträge der Triplett-Bildung in organischen TADF Strahler zu extrahieren. Molekularer Sauerstoff existiert in einem Triplett-Grundzustand als eine Biradical. Bei der Absorption von Energie von ca. 1 eV Triplett-Sauerstoff durchläuft einen Übergang zu einem Singulett aufgeregt Zustand. In der Regel haben angeregten Zustand Moleküle eine Energie von Singulett- und Triplett höher als 1 eV. Diese Energie kann daher, auf Sauerstoff bei einer Kollision übertragen werden. Infolgedessen das Molekül kehrt nach einem Grundzustand oder intersystem Crossing durchläuft.

Eine der beliebtesten Methoden der Entgasung Lösungen ist sie mit einem neutralen Gas ohne Sauerstoffgehalt, in der Regel sehr reinen Stickstoff oder Argon sprudeln. Diese Technik ist sehr hilfreich in verschiedenen Bereichen (d.h., Elektrochemie oder Photophysik)28,29,30,31. Dies ist zwar ein einfaches Verfahren und sogar für die meisten Zwecke effektiv, einfach spülen eine Lösung mit einem neutralen Gas ist nicht immer ist der geeignetste Weg, wie das Entfernen von Sauerstoff in Spurenmengen jedoch fast unmöglich, mit dieser Methode. Darüber hinaus kann schwere Lösungsmittel Verlust aufgrund der Volatilität auftreten, führen zu Veränderungen in der Konzentration der Probe untersucht. Jedoch kann dies durch eine Sättigung des Gases mit dem Lösungsmittel in der Lösung verwendeten verhindert werden.

Die hier beschriebene Technik basiert auf einem anderen Prinzip. Es ermöglicht Lösungsmittel Verluste auf ein Minimum zu reduzieren und bietet wiederholbare Sauerstoff entfernen. Die Technik erfordert spezielle, meist hausgemachten Entgasung Küvetten bestehend aus einer Quarz-Zelle für den Erwerb von Lumineszenz-Signal - Fluoreszenz oder Phosphoreszenz- und einem kleinen Glaskolben mit einer Kugelform für Einfrieren/Auftauen und ein Ventil. Entgasung erfolgt unter Einfrieren/Auftauen Zyklen wiederholen. Sauerstoff-Extraktion erfolgt im Vakuum mit der Probe in das Kolben-Fach und Lösung schmelzen tritt auf, während die Probe eingefroren ist, gefolgt von der Probe bei Raumtemperatur, equilibrate mit dem Vakuum-Ventil geschlossen - während dieser Zeit zu lassen, und die in der Flüssigphase gelösten Sauerstoff wird freigegeben. Dies erfordert die Küvette mit sich, eine regelmäßige Vakuum-Kreiselpumpe und einem flüssigen Stickstoff-Quelle für die Kühlung. Die Methode kann mit einer Vielzahl von Lösungsmittel, vorzugsweise diejenigen einen niedrigen Schmelzpunkt wie Toluol, Ethanol, 2-Methyltetrahydrofuran Experimenten verwendet werden. Entgasung von Lösungen, die mit dieser Technik ist schnell, effizient und zuverlässig.

Abbildung 1 zeigt ein Schema wie TADF und RTP Lumineszenz in organischen Molekülen erzeugt wird. Prompt Fluoreszenz, verzögerte Fluoreszenz und Phosphoreszenz können alle mit den gleichen Messaufbau aufgezeichnet werden. Mit dieser Technik können nicht nur die Lumineszenz zerfällt, sondern auch die zeitaufgelöste Emissionsspektren aufgezeichnet werden. Dies ermöglicht die Charakterisierung der molekularen System und die einfache Identifizierung von RTP und TADF-Strahler. Wie Abbildung 3 zeigt, wird ein TADF Emitter normalerweise zeigen das gleiche Emissionsspektrum über den ganzen Verfall während ein RTP-Emitter zeigt eine kurzlebige Fluoreszenz und eine langlebige Phosphoreszenz, die sich unterscheiden in den Emissions-Spektren.

Protocol

Hinweis: Dies sind die Anweisungen zum Ausführen einer einziges zeitaufgelösten, langlebigen Lumineszenz Messung unter sauerstofffreien Bedingungen bei Raumtemperatur und einschließlich des Verfahrens der Probe Entgasung. Der Text beschreibt das Protokoll für entweder feste oder flüssige Proben, und da die meisten Schritte in beiden Fällen identisch sind, werden die Schritte des Protokolls, die nur für eine der zwei Arten gelten als "Film" oder "Lösung" angegeben. Die Proben und Folien verwendet das Protokoll können jeglicher Art sein. daher die Probenvorbereitung und/oder Inhalte sind irrelevant und werden nicht bekannt gegeben.

Achtung: Der Umgang mit organischen Lösungsmitteln stellt ein Risiko dar. Material Safety Data Blatt (MSDS) vor mit ihnen zu konsultieren. Alle Operationen mit Lösungsmitteln müssen unter einem Laborabzug Arbeiten durchgeführt werden. Flüssiger Stickstoff stellt ein Risiko, so es wichtig ist mit geeigneter persönlicher Schutzausrüstung (PSA) beim Umgang, einschließlich Gesicht und Handschutz (Maske, Handschuhe). Bei der Verdunstung erfährt flüssiger Stickstoff eine 600-fold Zunahme seines Volumens; daher nie verarbeiten Sie flüssigen Stickstoff in einem geschlossenen Behälter. Verwenden Sie stattdessen die entsprechende Dewar-Fläschchen. Auge/Gesicht Verschleißschutz bei der Arbeit mit Glasapparaturen unter Vakuum, wegen des Risikos einer Implosion. Die meisten aromatischen Molekülen, und besonders die neu synthetisiert, darstellen eine bekannte oder unbekannte Gesundheitsrisiko. Verwenden Sie Standardlabor PPE und Verfahren, um Kontakt mit dem Material zu vermeiden. Ein Laser der Klasse 4 wird im Protokoll verwendet. Arbeiten mit Lasern ist gefährlich und eine angemessene Ausbildung ist erforderlich. Schutzausrüstung (z.B. Schutzbrille) abdecken, die im Spektralbereich der Laseremission jederzeit getragen werden muss.

(1) Entgasung die Proben

  1. Entgasung eine Lösung
    1. Bereiten Sie 4 mL einer Lösung von ca. 10-5 M einer bestimmten leuchtende Verbindung (d. h.eine phosphoreszierende Metallkomplex oder TADF Emitter) in einem gewählten Lösungsmittel (d.h., Toluol, Experimenten, Ethanol, etc.).
      Hinweis: Für die Zwecke dieses Protokoll verwenden wir 3,11-di(10H-phenothiazin-10-yl) Dibenzo [a,j] Phenazinderivat als Emitter in Experimenten als Lösungsmittel aufgelöst.
    2. Gießen Sie die Lösung (4 mL) in die Entgasung Küvette und schließen Sie das Ventil.
    3. Notieren Sie die Photolumineszenz-Spektrum der Luft gesättigte Lösung mit einem standard Spectrofluorometer. Verwenden Sie die gleiche Erregung Wellenlänge wie der zeitaufgelösten Experiment.
      Hinweis: Hier, 355 nm verwendet.
      Hinweis: Speichern der Photolumineszenz-Spektrum im Wellenlängenbereich von 365 nm bis 800 nm. Stellen Sie sicher, dass die Fluoreszenz in einem normalen Fluoreszenz-Küvette zuvor aufgezeichnet wurde.
    4. Verbinden Sie die Vakuumpumpe am Einlass Hals die Entgasung Küvette.
    5. Halten Sie den Einlauf Hals die Küvette und setzen Sie langsam die Küvette in flüssigem Stickstoff. Schütteln Sie es gelegentlich, während die Küvette in flüssigem Stickstoff ist. Um sicherzustellen, dass die gesamte Lösung eingefroren ist, schütteln Sie die Runde Flasche überprüfen Sie die Küvette.
    6. Schalten Sie die Vakuumpumpe und öffnen Sie das Einlassventil zu. Behalten Sie mit der Lösung eingefroren dem Vakuum für 10 min. in der Nähe des Einlassventils und schalten Sie die Vakuumpumpe.
    7. Legen Sie die Küvette langsam in Isopropanol. Schütteln Sie die Küvette, gelegentlich, bis die Lösungsmittel geschmolzen ist. Wenn die Entgasung erfolgreich war, sollte Luft kommt aus der Lösung auf den ersten Zyklus, in Form von Bläschen beobachtet werden.
      Hinweis: Lösungsmittel Verlust tritt vor allem in den ersten Einfrieren/Auftauen Zyklus durch die Innenwände der die Küvette mit Lösung benetzt. Jede Lösung außerhalb der Flasche zum Einfrieren verwendet zeigt eine sichtbare Volatilität weil es nach wie vor noch bei Raumtemperatur. Entgasung erfolgt um einen Faktor entgast-zu-Luft-gesättigt zu erfassen, ist die beste Praxis Photolumineszenz Intensitäten der Lösung nach der Entgasung mit Luft gesättigt Lösung entnommen zu vergleichen, die zuvor entgast. Öffnen des Einlassventils und rühren die Lösung für ein paar Minuten geben wieder eine Luft-gesättigte Lösung.
    8. Wiederholen Sie die Schritte 1.1.5 - 1.1.7 insgesamt 3-5 X, abhängig von der verwendeten Lösungsmittel.
    9. Wärmen Sie die Lösung in die Küvette auf Raumtemperatur mit einem Wasserbad oder warten Sie, bis die Temperatur auf equilibrate.
    10. Notieren Sie die Photolumineszenz-Spektrum der entgast Lösung wie in Schritt 1.1.3.
      Hinweis: Dieser Schritt ist, um eine erfolgreiche Entgasung zu gewährleisten und zu überprüfen, ob Änderungen an der Photolumineszenz bei der Entgasung beobachtet wird. Wenn ein Faktor entgast-zu-Luft-gesättigt aufgezeichnet ist, entnehmen Sie bitte den Hinweis nach Schritt 1.1.7.
  2. Einen solideren Film Entgasung
    1. Legen Sie den vorbereiteten Film auf Größe anliegende Substrat in der Probenhalter und Schrauben Sie ihn fest. Ein typisches Beispiel ist ein dotierten Polymerfolie [d.h., Poly (Methylmethacrylat), Cyclo-Olefin-Polymer) < 0,5 mm dick, abgeschieden auf einem Quarz-CD-Substrat 12 x 1 mm.
      Hinweis: Im Sinne dieses Protokolls ist ein Film von 3,11-di(10H-phenothiazin-10-yl) Dibenzo [a,j] Phenazinderivat (1 % w/w) dotierten in Cyclo-Olefin-Polymer verwendet. Solch eine Probe auf dem CD-Substrat gegeben vorbereiten, verwenden Sie 10 mg einer Polymerlösung in Toluol (100 mg/mL) und mischen Sie sie mit 0,1 mg eines leuchtenden Stoffes in Toluol-Lösung (1 mg/mL). Trocken-Film die Probe für 30 min bei 90 ° C oder für die gleiche Menge an Zeit, legen Sie es unter einer Kreiselpumpe Vakuum (10-3 - 10-2 Mbar) bei Raumtemperatur.
    2. Decken Sie die Halterung mit einem Vakuum Leichentuch, sicherzustellen, dass die Fenster des Laserstrahls und der Kollimator Objektive konfrontiert sind. Sperren Sie das Grabtuch zu, indem Sie schließen das Entlüftungsventil und Schruppen Vakuumpumpe einschalten.
    3. Sobald der Druck im Probenraum 10-1 Mbar erreicht, schalten Sie die Pumpe Turbomolekularpumpen. Warten Sie 30 min bis 1 h, um die Probe gründlich zu entgasen.
      Hinweis: Die Entgasung Zeit richtet sich nach der Probe verwendet. Dicken Polymerproben dauert länger zu entgasen. Um die Bedingungen zu finden in denen die Probe entgast wird, empfiehlt es sich, Hinweis auf die Zeit, die es braucht, um die Probe zu entgasen, wenn eine Steady-State-Experiment (mit Fluorometer) durchführen. Überwachung der Emissionsintensität im Laufe der Zeit von Anfang bis zum Moment, wo keine weiteren Änderungen in der Intensität beobachtet werden, kann als ein Maß für die notwendige Zeit, um vollständig entgasen die Probe verwendet werden.

2. Einschalten der Ausstattung und Einrichtung des Experiments

  1. Einschalten des Lasers
    1. Schalten Sie den Laser-System.
    2. Einstellen Sie die Ausgangsleistung der Pumpe und warten Sie ca. 30 Minuten zum Aufwärmen und den Strahl zu stabilisieren.
    3. Messen Sie mit einem Leistungsmesser, den Laser-Fluence. Etwa 100 µJ pro Puls (maximale Pulsenergie) Sie sollte betragen. Die Laser-Impuls-Energie bei Bedarf anpassen und verwenden ein Graufilter Puls Anregungsenergie auf der angegebenen Ebene anpassen, falls erforderlich.
      Hinweis: Für die Sicherheit des Benutzers und Probe Schäden zu vermeiden, sollten Laser-Impuls-Energie nicht 100 µJ pro Puls in ein typisches Experiment nicht überschreiten. Wenn der Fotolumineszenz der Probe sehr hell ist, kann die Laserleistung reduziert werden, so dass der Detektor nicht gesättigt ist.
  2. Aufstellen der Ausrüstung
    1. Schalten Sie das Mess-System.
      Hinweis: Das Mess-System besteht aus einem Laser (oben beschrieben), einer iCCD-Kamera, einem Spektrographen und einen Computer, und diese sollten bei diesem Schritt des Protokolls eingeschaltet werden.
    2. Schalten Sie die 4 Spec Software und Spektrometer Steuerprogramm. Richten Sie die Messparameter (d. h., die Spektrographen Schlitzbreite Wellenlängenbereich und die Anzahl der gesammelten Scans).
    3. Um die Kamera-Steuerung-Setup zuzugreifen, wählen Sie Fenster | Kamera. Stellen Sie sicher, dass die Kamera bis zu diesem Zeitpunkt eingeschaltet ist. Die Software verbindet sich nun mit der Kamera. Legen Sie die Verzögerung und die Integrationszeit für die Null-Zeit-Parameter: 981 ns der Verzögerung und 10 ns der Integrationszeit. Diese Parameter können dann verwendet werden, zu überprüfen, ob die Messanordnung ausgerichtet ist. Legen Sie einen Trigger für – Trig. Dann senden Sie die Parameter der Kamera mit der Schaltfläche " senden ".
      1. Scan-Sequenz einstellen | Scans pro exp. bis 100, die angibt, 100 Frames aufgezeichnet (100 Impulse des Lasers verwendet werden), ein Spektrum zu den angegebenen Zeiten für Verzögerung und Tor zu produzieren. Mit -Fenster | Steuerung der Kamera, Set MCP gewinnen Spannung bis 850 V. Mit den gegebenen Parametern ist der Wellenlängenbereich verwendet etwa 400-700 nm (abhängig von der aktuellen Kalibrierung).
    4. Initialisieren Sie der Monochromator und legen Sie den Schlitz und Monochromator Position/Gitter angebracht, der Spektralbereich und die Intensität der Emission der Proben.
      1. Die Spektrometer-Position auf 650, der Turm 1 und axialer Eingang 1 einstellen. Drücken Sie die Eingabetaste , und klicken Sie dann auf Ausführen. Stellen Sie sicher, dass das Spektrometer ausgeführt wird, was darauf hinweist, dass der Befehl erfolgreich gesendet wurde.
    5. Das System für den ausgewählten Wellenlängenbereich zu kalibrieren. Dies geschieht mit Hilfe eines vorbereiteten Kalibrierdatei. Klicken Sie -Datei | Kalibrierung der Lastkurve und wählen Sie die entsprechende Kalibrierung Datei auf die 4 Spec Programm. Nachdem die Datei geladen wurde, ist die Kalibrierung durchgeführt.
      Hinweis: Verwenden der Kalibrierdatei für Spektrometer Position 650.
      1. Bereiten Sie den Satz von Verzögerungszeiten und entsprechenden Integrationszeiten, die verwendet wird, um die Spektren während der Messung zu sammeln.
      2. Erinnern Sie die Null Zeit, als alle Delay-Zeiten, die in der Software eingestellt eine Summe Null und die tatsächliche Delay-Zeit werden. Für Verzögerung 0, 10,..., und 90 ns, verwenden Sie ein 10 ns Integrationszeit. Für Verzögerung jederzeit 100, 200,..., und 900 ns, verwenden eine 100 ns Integrationszeit. Für Verzögerung mal 1, 2,..., und 9 µs, Verwendung einer Integrationszeit von 1 µs und schließlich Verzögerung mal 10 20,... 90 µs, verwenden einer Integrationszeit von 10 µs. Dies kann bis zu 100 ms Zeitfenster diktiert der Laserpuls verlängert werden, aber dieser Region nicht im Protokoll verwendet werden.
  3. Platzierung der Probenmaterials
    1. Platzieren eine Lösung
      1. Passen Sie ein Küvettenhalter im Musterbereich oder passen Sie die Küvette in einem Kryostaten, wenn Temperaturkontrolle erforderlich ist.
        Hinweis: Die Verwendung von einer Entgasung Küvette zur temperaturabhängigen Studien ist ähnlich wie die Verwendung von Entgasung Küvetten wie in Schritt 1.1, aber mit den Dimensionen des Kryostaten angepasst.
      2. Legen Sie die Entgasung Küvette in den Halter und befestigen Sie es mit einem Labor-Stand.
      3. Stellen Sie sicher, durch sorgfältige Beobachtung der Photolumineszenz, dass der Laserstrahl die Küvette trifft.
      4. Bedecken Sie die Probe Gerät Vermeidung von jedem Raumlicht vom Sensor aufgezeichnet wird und zur Verringerung des Risikos der Laser-Streuung.
    2. Platzieren einen film
      1. Legen Sie einen Kryostaten im Musterbereich. Weiter wie in Schritt 1.2.
      2. Stellen Sie sicher, durch sorgfältige Beobachtung der Photolumineszenz, dass der Laserstrahl die Probe trifft. Passen Sie ggf. den Strahlengang oder Kryostat-Position.
      3. Bedecken Sie die Probe Gerät jedem Raumlicht vom Sensor aufgezeichnet wird zu vermeiden und Laser Streuung zu reduzieren.
  4. Ausrichtung der Probe und der Laser-Strahlengang
    1. Laser-Strahlengang mit einem Verschluss zu decken und einen einheitlichen Hintergrund (Strg + D) führen.
    2. Entdecken Sie den Strahlengang und notieren Sie das Spektrum (Strg + R).
    3. (nur Film) Die Emission sollte in der Mitte der vertikalen Dimension des Kamerabildes. Wenn dies nicht der Fall ist, passen Sie die Laser Beam Position/Probe Position in vertikaler Richtung.
    4. (nur Film) Wiederholen Sie die Schritte 2.4.2 und 2.4.3, bis die Emission angepasst ist.
    5. Wenn das Spektrum in der horizontalen Dimension des Bildes nicht passt, passen Sie die Monochromator Position entsprechend an. Verwenden Sie eine geeignete Eichkurve für die neue Position der Monochromator.
      Hinweis: Die Kalibrierung ist durch die Verwendung einer standard Hg-Ar-Kalibrierung-Lampe mit einem breiten Emissionsbereich (als scharfe Peaks) von UV NIR zugefügt. Das Spektrum der Lampe wird an einer angegebenen Monochromator Position aufgezeichnet und mit der Kamerasoftware, die Pixelposition ist übersetzt Wellenlänge, wie die Kalibrierung Lampe Peak Positionen bekannt sind.
    6. Wenn die Emissionsintensität maximal 10 unterschreitet6, die MCP-Gewinn-Spannung zu erhöhen oder den Monochromator Schlitz zu erweitern. Die Sättigung des Detektors wird als eine Verformung der Spektrum-Maxima oder durch das Auftreten von Artefakten im Bild beobachtet. Wenn dies beachtet wird, reduzieren Sie die Laserleistung, die MCP-Gewinn-Spannung oder den Monochromator Schlitz.
      Hinweis: Sättigung des Detektors sollte vermieden werden, da dies die MCP beschädigen kann. Die Signalstärke kann auch durch Anpassen der Größe des Laserstrahls vor Ort geregelt werden. Die Laserstärke Strahl kann auch mit einem Graufilter reduziert werden.
    7. Wenn optimiert, ist das System einsatzbereit.
  5. Aufbau des Experiments
    1. Decken Sie den Laser-Pfad mit einem Shutter.
    2. Messen Sie die Hintergrund-Emission mit der Tastenkombination Strg + D .
    3. Öffnen Sie das Skript für automatische Messung und geben Sie den Namen des Experiment-Datei in das Textfeld ein. Drücken Sie die Eingabetaste und geben Sie die Startlinie der Experiment-Datei. Drücken Sie die Eingabetaste und geben Sie die letzte Zeile der Datei Experiment. Drücken Sie die Eingabetaste am Ende um das Skript auszuführen. Das automatische Skript ermöglicht die Messung der Emission an einer Reihe von unterschiedlichen Delay-Zeiten gegeben, in der Datei.
    4. Sobald fertig sind, wählen Sie ein Spektrum und Skala. Die Spektren in die Datei zu exportieren, indem Sie auf die Datei | Exportieren | Kurve(n) als Text und wählen Sie dann einen Namen und ein Verzeichnis. Die Ergebnisse können nun von der entsprechenden Software verarbeitet werden.

3. Beendigung des Experiments

  1. Nach Abschluss aller geplanten Experimente schalten Sie die Ausrüstung, Verfahren in umgekehrter Reihenfolge, wie es in eingeschaltet wurde.
  2. (nur Film) Entfernen Sie die Probe aus der Kryostat.
    1. Das Entlüftungsventil öffnen die Klemme lösen und entfernen Sie das Vakuum Ummantelung.
    2. Entfernen Sie die Probe aus dem Probenhalter.
    3. Legen Sie das Vakuum Grabtuch zurück zu den Kryostaten.
  3. (nur in Lösung) Die Entgasung Küvette aus der Halterung entfernen und reinigen.
    Achtung: Entsorgen Sie Lösungsmittel Abfallwirtschaft Vorschriften des Instituts. Salpetersäure ist ätzend. Nehmen Sie es mit Vorsicht. PSA zu verwenden. Arbeiten Sie nur unter einem Laborabzug arbeiten.
    Hinweis: Die allgemeine Reinigung ist spezifisch für die Küvette Art und das Einlassventil verwendet. Einige Ventile sollten nicht entfernt werden; Somit muss die Reinigung durchgeführt werden, ohne das Ventil zu entfernen.
    1. Öffnen Sie den Einlass Ventil und entsorgen Sie die Lösung.
    2. Spülen Sie die Küvette mit Aceton, kümmert sich um alle Innenwände zu waschen. Wiederholen Sie die Spülung 3 X.
    3. Im Zweifelsfall die Sauberkeit der die Küvette mit Wasser waschen und dann füllen Sie es mit konzentrierter Salpetersäure (Druckaufschluss3) und lasse es über Nacht. Dann gründlich mit entionisiertem Wasser spülen und trocknen.

Representative Results

Photolumineszenz Spektren einer platinbasierten Phosphor-Lösung in Toluol verzeichneten vor und nach der Entgasung (Abbildung 2). Die Luft gesättigt Lösung ist fast nicht emissiven, während die entgast Lösung eine helle Photolumineszenz zeigt. Abbildung 3 zeigt ein Verfall Profil eine TADF Emitter in Toluol Lösung (Abbildung 3ein) und der zeitaufgelösten Spektren aufgezeichnet im gleichen Experiment (Abbildung 3b) mit einem Phosphoreszenz Spektrum aufgenommen bei 80 K, sowie eine Verfall-Profil eines Raumtemperatur phosphoreszierende Moleküls in ein solides Polymer-Host (Abb. 3c) und der zeitaufgelösten Spektren aufgezeichnet, dass gleiche (Abbildung 3d) mit einem Phosphoreszenz Spektrum aufgenommen bei 80 K experimentieren.

Abbildung 3 zeigt zwei Sätze von Daten aus verschiedenen Beispielformular (Lösung und festen Film) von zwei verschiedenen Molekülen. In Abbildung 3ein, zwei Mal Regelungen unterschieden werden: unter ~ 100 ns, der Prompt Fluoreszenz-Zerfall wird beobachtet, während zu späteren Zeiten, es ist die verzögerte Fluoreszenz-Zerfall, die beobachtet wird. Wie in Abbildung 3bgesehen, überschneiden sich die Spektren zugeordnete Prompt und verzögerte Fluoreszenz fast mit einander, wie zu erwarten ist, weil diese Emission aus dem gleichen elektronischen Zustand entstanden ist. Phosphoreszenz, die bei niedriger Temperatur aufgezeichnet wurde, ist zum Vergleich angezeigt. TADF Strahler haben in der Regel eine kleine Singlet-Triplet Energielücke; daher möglicherweise der Phosphoreszenz Spektrum sehr nah an der Fluoreszenz. Abbildung 3 c zeigt den Zerfall einer Raumtemperatur phosphoreszierende organischen Moleküls. Die Zerfälle können ähnlich aussehen, aber ein Vergleich der Spektren (Abbildung 3d) bestätigt, dass die verzögerte Emission keine Fluoreszenz, sondern Phosphoreszenz ist. Der Mangel an Punkte zwischen die kurze und die lange Zeit Regime ist typisch, wenn die langlebige Emission eine besonders lange Lebensdauer (z. B.> 10 ms hat). Der Grund ist, dass in dieser Zeitregime, die prompte Fluoreszenz bereits zu schwach ist, um zu beobachten wie es hat bereits abgeklungen, aber die langlebige Emission, wenn integrierte mit einer deutlich kürzeren Zeit als seine Lebens strahlungsinduzierte Integration Mal, noch nicht ist stark genug, um erkannt zu werden. Phosphoreszenz Spektren aufgenommen im Raum und niedriger Temperatur unterscheiden sich deutlich als Molekül zeigt Rigidochromism.

Es lohnt sich, beachten, dass das Experiment die Aufnahme von Emissionsspektren und Intensität mit nicht nur bis zu 9 Jahrzehnte Zeit, sondern auch ca. 8-9 jahrzehntelange Intensität ermöglicht. Die Spektren sind glatt und von guter Qualität.

Figure 1
Abbildung 1 : Schema zeigt die Unterschiede zwischen den Molekülen Triplett-Ernte: Leuchtstofflampen (TADF) verzögert und phosphoreszierende (RTP). Das Protokoll hier vorgestellten (wenn durch temperaturabhängige Messungen erweitert) lässt sich diese Moleküle untersuchen und notieren ihre wichtigsten Eigenschaften. Hinweis: in einigen RTP-Moleküle, die prompte Fluoreszenz kann nicht beobachtet werden. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2 : Photolumineszenz Spektren mit einem Anstieg der Photolumineszenz Intensität nach einer Lösung Entgasung. Die Abbildung zeigt die Wirkung der Entgasung einer Toluol-Lösung aus einer Platin-basierten phosphoreszierende Metalocomplex unter Verwendung des Protokolls, die in dieser Arbeit vorgestellt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3 : Repräsentative Ergebnisse. (ein) dieses Panel zeigt den Lumineszenz Zerfall vorübergehend eine TADF Emitter in Toluol. (b) dieses Panel zeigt die repräsentative Spektren aufgezeichnet im gleichen Experiment wie gezeigt in der Systemsteuerung ein, mit der Phosphoreszenz Spektrum aufgenommen bei 80 K. (c) dieses Panel den Lumineszenz Zerfall eines RTP-Moleküls Transienten in Cyclo zeigt Olefin Polymer. (d) zeigt dieses Panel Spektren aufgezeichnet im gleichen Experiment wie in Gruppe c, zusammen mit einer Niedertemperatur-Phosphoreszenz Spektrum angezeigt wird. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 4
Abbildung 4 : Schaltplan des Messsystems. Der ND: YAG-Laser produziert dritte Harmonik bei 355 nm. Das Licht des Lasers getroffen die Probe, die ein Teil des Lichts absorbiert und emittiert Photolumineszenz kurz nach. Die Photolumineszenz war dann kollimiert und konzentrierte sich auf einem Spektrographen, wo es gebrochen war. Das Licht war dann iCCD die Kamera, auf die Aufnahme der Spektren im Zeitbereich. Beachten Sie die Konfiguration der festen und flüssigen Proben. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 5
Abbildung 5 : Foto von einer Entgasung Küvette in Raumtemperatur Messungen verwendet. Die Küvette besteht aus Quarz-Fluoreszenz-Zelle, einem Glaskolben Einfrieren und ein Ventil. Alle Elemente sind mit Glasröhren verbunden. Beachten Sie, dass die Küvette nicht kommerziell erhältliche Artikel. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. 

Figure 6
Abbildung 6 : Vergleich von einem regelmäßigen Entgasung Küvette und eine Küvette für Niedertemperatur-Experimente genutzt. Die Küvette für Niedertemperatur-Messungen ist sehr ähnlich zu den regelmäßigen. Jedoch ist ausgestattet mit einer langen Glasröhre, die Dimensionen von flüssigem Stickstoff Kryostaten passen und die Quarz-Fluoreszenz-Zelle besteht aus einem Stück Quarz; Daher ist es resistent gegen Temperaturschwankungen in einem breiten Temperaturbereich. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. 

Discussion

Entgasung eine Lösung ist einer der kritischsten Punkte in dieser Methode. Kunststoff Einlassventile leicht getragen werden und das System nicht mehr hermetisch. Im Zweifelsfall ist es ratsam, die Küvette mit einem bekannten Material mit einem etablierten Entgasung zu überprüfen. Die Küvetten sind auch zerbrechlich; Entgasung sollte daher mit Vorsicht durchgeführt werden.

Da das System in der Regel einen gepulster Nd: YAG-Laser benötigt, muss eine ordnungsgemäße Wartung der Lasereinheit regelmäßig durchgeführt werden. Pumpende Blitzlampen sollten regelmäßig ausgetauscht werden, und dies sollte nur durch einen qualifizierten Techniker oder einem anderen erfahrenen Person durchgeführt werden.

Da der Laser 30 min zum Aufwärmen benötigt, empfiehlt es zum Einschalten des Lasers vor Entgasung der Probenmaterials. Sobald die Probe entgast wird, soll der Laser für den Messungen vorliegen. Die Entgasung Zeit für einen Film ist jedoch schwierig zu bestimmen, mit dem Gerät. Daher lohnt sich ein Fließgleichgewicht Experiment mit einer konventionellen Fluorometer einzuschätzen, die Entgasung Zeit durchführen (eine Stabilisierung der Photolumineszenz Intensität beim Abpumpen).

Für kurzlebige Strahler (d.h.diejenigen deren Fluoreszenz innerhalb von wenigen Nanosekunden zerfällt), werden nur wenige Spektren aufgenommen, als die Emission Verfall dauert für einen kurzen Zeitraum hinweg. In diesem Fall würde TCSPC oder ein Streifen-Kamera viel besser ausführen. Auf der anderen Seite können langlebige Strahler problematisch sein, wenn die Emission für mehr als 100 ms (d.h. Phosphoreszenz dauert). Um das effektive Zeitfenster zu erweitern, ist in diesen Fällen ein Stickstoff-Laser eingesetzt. Dies ermöglicht die Wiederholrate des Lasers auf 1 Hz zu reduzieren und erweitern das Zeitfenster auf 1 s.

Die hier gezeigte Protokoll ist nur beispielhaft und widmet sich eine neue und unerfahrene Benutzer. Ein erfahrener Betreiber kann das Protokoll auf verschiedene Weise ändern. Es gibt ein Potenzial zur Weiterentwicklung des Systems, um die Lichtempfindlichkeit der Kamera in rot zu erweitern und (NIR) durch den Austausch der Photokathode, wie in der Einführungerwähnt.

Die Datenanalyse bei diesem Experiment ist eine zeitaufwendige Aufgabe, da jedes Experiment cagibt. 100 Spektren. Die Spektren haben durch die Integrationszeit, die Lumineszenz Zerfall zu rekonstruieren geteilt werden und oft auch normalisiert (geteilt durch die maximale, standardisierte oder Bereich normalisiert) um eine Analyse der Spektren an verschiedene Delay-Zeiten zu erleichtern. Während der Analyse werden Unterschiede in den Spektren (d.h. schrittweise roten oder blauen Schichten) gesucht. Erfolgt die Messung in Abhängigkeit von der Temperatur, können die Spektren die Anwesenheit der verzögerte Fluoreszenz oder Phosphoreszenz oder beides, je nach der Temperatur oder Zeit Verzögerung zeigen. Transiente Zerfälle erhält man durch die integrierte Lumineszenz-Spektren gegen die zeitliche Verzögerung, nach der Teilung jedes Spektrum durch ihre jeweiligen Integrationszeit Plotten. Die Photolumineszenz transiente Zerfall ergibt sich, und montiert werden, um die Strahlungsleistung Lebensdauer von der Eingabeaufforderung und die verzögerte Fluoreszenz oder Phosphoreszenz zu berechnen.

Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

Die Forschung führt zu diesen Ergebnissen wird finanziell unterstützt von der Europäischen Union Horizont 2020 Forschungs- und Innovationsprogramm unter Marie Skłodowska-Curie Finanzhilfevereinbarung Nr. 674990 (EXCILIGHT) und von EPSRC, EP/L02621X/1.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Degassing cuvette Not commercial product
Nd:YAG laser EKSPLA EKSPLA NL204-0.5K-TH
Gated iCCD camera Stanford Computer Optics 4Quick Edig
Spectrograph Horiba Instruments inc. TRIAX180
Liquid nitrogen cryostat Janis Research
Helium closed cycle cryostat Cryomech
Fluorolog fluorometer Jobin Yvon
Liquid nitrogen Technical
Cyclo olefin polymer Zeon Zeonex 480
Toluene ROMIL H771 Toluene SpS

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Zeitaufgelöste photophysikalischen Charakterisierung der Triplett-Ernte organische Verbindungen in einer sauerstofffreien Umgebung verwenden eine iCCD Kamera
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Pander, P., Data, P., Dias, F. B. Time-resolved Photophysical Characterization of Triplet-harvesting Organic Compounds at an Oxygen-free Environment Using an iCCD Camera. J. Vis. Exp. (142), e56614, doi:10.3791/56614 (2018).More

Pander, P., Data, P., Dias, F. B. Time-resolved Photophysical Characterization of Triplet-harvesting Organic Compounds at an Oxygen-free Environment Using an iCCD Camera. J. Vis. Exp. (142), e56614, doi:10.3791/56614 (2018).

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