天美讲堂丨光致发光光谱法检测单线态氧

2023-10-16 20:31:53, 天美天美仪拓实验室设备（上海）有限公司

单线态氧（¹O₂）是分子氧的最低激发态。它是一种不稳定的物质，会与环境快速反应，产生氧化物。¹O₂的高反应性意味着它具有许多应用，例如癌症的光动力治疗、精细化学合成和废水处理¹。在这些应用中，¹O₂是使用光敏剂 (PS) 产生的，光敏剂是一种光活性染料，被紫外光或可见光激发成单重态，然后通过系间窜跃转变为三重态。PS三线态与溶液中的三线态氧(³O₂)反应生成¹O₂可以被其他物质猝灭或发光（图1）。影响¹O₂产率的因素有很多：PS、溶剂、浓度和光激发能量的选择。每个都必须针对应用进行优化，而直接测量¹O₂在此优化过程中非常受用。

图 1.使用光敏剂生产¹O₂以及溶液中的失活途径。A是可以通过碰撞（物理猝灭）或反应（化学猝灭）使¹O₂失活的任何物质。

¹O₂在大约1270 nm处具有弱的光致发光（PL）发射，自然带宽大约为18 nm。由于 1270 nm 处的信号较弱，因此检测¹O₂发射需要灵敏的近红外 (NIR) 探测器。即使使用合适的探测器，强大的激发源和高效的光学系统也是必不可少的。在本文中，Edinburgh Instruments FLS1000 光致发光光谱仪用于表征溶液中¹O₂的 PL 光谱和寿命。比较不同的激发源和检测器以确定¹O₂检测的最佳 FLS1000 配置。

方法和材料

通过将光敏剂玫瑰红溶解在乙腈中至510 nm处的光密度为0.1和560 nm处的0.5来制备¹O₂样品，并将其装入石英比色皿中。在测量之前将溶液用空气饱和。

发射光谱在 FLS1000 光致发光光谱仪（图 2）中测量，该光谱仪配备 450 W Xe 灯、60 W 微秒闪光灯、VPL-510 可变脉宽激光器、比色皿支架、双激发单色仪、单发射单色仪、NIR PMT 检测器和InGaAs探测器。在样品和发射单色仪之间放置一个截止波长为 1200 nm 的附加长通滤光片。此外，将倍频 Nd:YAG 激光器 (Litron Nano S 130-10) 耦合到 FLS1000 的样品室。激光器提供 5-7 ns 的 532 nm 脉冲，频率为 10 Hz。

图2.FLS1000 光致发光光谱仪

单线态氧发射光谱

探测器灵敏度比较

FLS1000 光谱仪具有多个 NIR 检测器选项，用于测量¹O₂的光谱。本文中比较的探测器是：液氮冷却 PMT-1700-LN 和 InGaAs-1.65 模拟探测器。

表 1. NIR PMT 和 InGaAs 探测器的规格

¹O₂发光的强度与PS的效率成正比。¹O₂的产量越低，检测它所需的仪器就越灵敏。对于乙腈中的玫瑰红，所有检测器都可以识别来自¹O₂的 1270 nm 附近的窄发射带，但具有不同的信噪比 (SNR)。图 3 显示了在相同条件下获得的峰归一化发射光谱。

图 3.乙腈中玫瑰红产生的¹O₂的峰值归一化发射光谱。使用在 510 nm CW 模式下的 VPL-510 激光器进行激发，并使用 PMT-1700-LN 和 InGaAs-1.65 检测器进行检测。实验条件为 Δλ_em =30 nm，积分时间为 2 s，步长为 1 nm。

比较图 3 中的归一化光谱，光子计数的PMT 比 InGaAs 探测器具有明显的优势。主要原因是它们的噪声较低：光子计数探测器仅受泊松分布噪声的影响，因此 SNR 计算中的背景是暗计数的平方根。相比之下，InGaAs 是一种非光子计数探测器，因此比 PMT 具有更高的本底噪声和更低的信噪比。为了实现与PMT-1700-LN相同的 SNR，InGaAs-1.65 则需要更长的测量时间，基本长10倍以上。

激发光源比较

激发源的选择与检测器同样重要。传统的 PL 激发源是与单色仪耦合的氙灯，提供可调波长激发。当不需要可变波长时，可以使用连续激光器进行激发。激光器的功率可以比氙灯更高，并且根据型号的不同，也可以调节脉冲用于 PL 寿命测量。

图4.乙腈中玫瑰红产生的¹O₂原始发射光谱。使用 510 nm 的 CW VPL-510 激光器和氙灯进行激发（λ_ex = 560 nm，Δλ_ex = 10 nm）。实验条件为 Δλ_em = 10 nm，积分时间为2 s，步长 1 nm。

图4比较了氙灯和 VPL-510 激光器产生的¹O₂发光强度。氙灯激发的光谱是用 560 nm 的激发波长（玫瑰红的最大吸收）获得的。VPL-510 光源在 510 nm 处激发玫瑰红，远离最大值。尽管如此，VPL 激发的光谱强度更加强。

单线态氧的发射寿命

溶液中¹O₂的寿命取决于其化学环境。许多反应以及非反应性淬灭都可能同时发生，因此很难预测其寿命。最可靠的方法是使用配备光子计数探测器的时间分辨光谱仪直接测量其寿命。在此，¹O₂寿命是使用 FLS1000 中的 PMT-1700-LN 探测器测得的。

¹O₂的发光衰减时间一般为几微秒，一般使用MCS 光源进行测试，例如 µs闪光灯、高能量纳秒脉冲 Nd:YAG 激光器和可变脉宽激光器（VPL系列）。

¹O₂的寿命由两个光源表征：60 W 脉冲氙灯，另一个是VPL-510。脉冲氙灯的优点是波长和激发带宽可调，而 VPL 光源波长固定，但脉冲宽度可在 50ns-1ms 之间调节。在这种情况下，如图 5（a）和（b）所示，VPL-510 和脉冲氙灯产生的¹O₂寿命信号相差不大。图 5(c) 显示了如何调整 VPL-510 脉冲宽度以增加信号强度。

图 5. 在 FLS1000 中使用 (a) VPL-510 和 (b) 脉冲氙灯激发所获得的¹O₂的寿命衰减。图中显示了指数拟合结果。不同 VPL-510 脉冲宽度的影响见 (c)，PL 衰减采集时间相同，脉冲宽度如图所示。测量条件：(a) λe¹O₂x = 510 nm，λ_em = 1275 nm，Δλ_em = 30 nm，重复频率 = 1 kHz (b) λ_ex = 560 nm，Δλ_ex = 5 nm，λ_em = 1275 nm，Δλ_em = 30 nm，重复频率 = 100 Hz (c) λ_ex = 510 nm，λ_em = 1275 nm，Δλ_em = 30 nm，重复频率 = 1 kHz

¹O₂产量低的样品需要更高的激发能量来检测。在这种情况下，可将脉冲 Nd:YAG 激光器或光参量振荡器 (OPO) 与 FLS1000 光谱仪耦合，以获得短、高能量的激发脉冲。图 6 显示了使用 Nd:YAG 激光和 PMT-1700-LN 获得的 ¹O₂的寿命衰减数据。激光能量衰减到 5 mJ，发射带宽设置为 3 nm。其结果是衰减强度与图 5 相当。

图 6. 使用 532 nm Nd:YAG 激光激发获得的¹O₂寿命衰减。该数据是使用与图 5 不同的样品采集的（¹O₂的寿命取决于空气饱和度和 PS 浓度）。指数拟合结果如图所示。测量条件：激光能量 = 5 mJ/脉冲，重复频率 = 10 Hz，λ_em = 1275 nm，Δλ_em = 3 nm。

总结

检测单线态氧需要高性能的光谱仪，爱丁堡FLS1000可配置高功率激光器和高灵敏的探测器。模拟信号的 InGaAs 检测器可用于光谱测量，但建议使用光子计数 PMT。脉冲光源和检测器对于¹O₂的时间分辨光谱收集至关重要。

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