热点应用丨近红外PbS量子点的光物理性质表征

2024-01-11 10:27:18 天美仪拓实验室设备（上海）有限公司

要点：

● FLS1000荧光光谱仪具有单光子计数的近红外PMT检测器，可以完全表征近红外的光致发光特性。

● 可获得近红外吸收光谱和光致发光光谱。

● 利用HPL-MCS模式测得的光致发光寿命为1.5 µs。

● 利用FLS1000的积分球测得近红外区的量子产率为49.9%。

简介

量子点（QD）具有发光（PL）波长易调谐的特性。其已被广泛应用于探测器、传感器、荧光引导手术和废水处理等领域，甚至其波长可扩展至近红外区。^1–4近红外（NIR）荧光成像是一种很有发展潜力的成像方式，因为在该光谱窗口中的光稳定性好，组织穿透性强。⁴

硫化铅（PbS）量子点已被用于活体小鼠的非侵入深层组织成像。⁵它们的波长可调谐特性是通过两亲分子封端来控制，这保持了小尺寸纳米颗粒的稳定，防止其生长不受控制。⁶需要表征完整的光物理特性来帮助开发发光更强的PL探针并优化其功能。在本文中，完整表征了PbS量子点的光物理特性。

材料与方法

将PbS量子点在四氯乙烯（PCE）（无水，Sigma）中制备分散体。将样品装入光程为10mm的石英比色皿中。用爱丁堡DS5紫外-可见分光光度计测试了PbS量子点的吸收光谱。使用FLS1000荧光光谱仪进行了PL表征（图1）。

图1 爱丁堡FLS1000稳态瞬态荧光光谱仪

FLS1000配备了450 W氙灯、单激发和单发射单色器以及液氮制冷的单光子计数（LN2）PMT-1700近红外检测器。对于寿命模块，该系统具有多通道扫描（MCS）模式和HPL-670皮秒脉冲激光器。将样品放在标准液体支架中进行光谱和寿命测试，并使用积分球附件确定其量子产率。

吸收和发射光谱

分别使用DS5和FLS1000测试PbS量子点的吸收光谱和发射光谱，如图2所示。吸收光谱显示其在可见区有强吸收，吸光度随着波长增大而减小，在1050 nm处的近红外区出现吸收峰。样品吸光度在1050 nm处保持在0.10以下，以弱化对PL光谱上升沿的再吸收影响。

图2 在DS5上从500-1100 nm（黑色）测试的PCE中PbS量子点的吸收光谱。PCE中PbS量子点的归一化发射光谱（红色），激发波长为670 nm。

积分球附件测试量子产率

使用积分球附件测试近红外区的光致发光量子产率（PLQY）（图3）。积分球附件能够在没有已知PLQY的参照样品的情况下测量固体和液体样品的量子产率。这对于NIR区的量子产率测试是特别有利的。

图3 测试PLQY时积分球的工作原理。激发光为蓝色，发射光为红色。

使用FLS1000得到PbS量子点和PCE溶剂（空白）的散射和光致发光光谱（图4）。

图4 计算PLQY的光谱（红色为PbS量子点的光谱，黑色为PCE空白溶剂的光谱）。负值和零值在对数坐标上显示为1。绿色框选为散射峰值的积分区域，蓝色框选为发射峰值的积分区域。

通过计算在670 nm处NIR发射的积分强度与吸收光的积分强度的比率计算PLQY，公式如下：

其中E是发射积分强度，S分别是样品（S）和参比（R）的散射积分强度。使用Fluoracle软件分析，PbS量子点的PLQY为49.9±0.2%，误差为三次重复的标准偏差。

光致发光寿命

多通道缩放扫描（MCS）是一种用于测试10 ns以上磷光寿命的光子计数技术。MCS模式是测试量子点寿命的理想选择。为了测量PbS的PL寿命，使用HPL-670的 MCS模式进行激发，监测1140 nm处收集的光子信号，得到PL曲线（图5）。得到的衰减曲线拟合成寿命为1.5 µs的单指数衰减。

图5 用HPL-670 MCS模式（100 kHz重复频率、10 µs脉冲周期）激发得到的PbS量子点的光致发光衰减曲线（1140 nm）。最小二乘尾部拟合为图中红色曲线，χ²为1.15。

总结

FLS1000光致发光光谱仪成功地用于评估了近红外发射PbS量子点样品的稳态和瞬态光谱，其积分球附件获得样品的绝对量子效率为49.9%，并使用HPL-670 MCS模式测其寿命为1.5µs。

参考文献

Yang, H. Liu, Y. Huang, L. Li, X. Zhu and Y. Ding, One-step hydrothermal synthesis of near-infrared emission carbon quantum dots as fluorescence aptamer sensor for cortisol sensing and imaging, Talanta, 2023, 260, 1–8.

Ren, Y. Liu, R. Zhang, Y. Zheng, T. Zhao, J. Han, C. Chen and E. Duan, Near-infrared carbon quantum dots from PEG-based deep eutectic solvents for high-accuracy quantitative analysis of naphthenic acids in wastewater, J Environ Chem Eng, 2023, 11, 1–10.

Y. Huang, J. H. Chen, F. Nan, Y. Lin and L. Zhou, Enhancement of near ultraviolet spectral range responsibility of silicon photodetectors via additional fluorescent InP/ZnS quantum dots layer, Opt Laser Technol, 2023, 166, 1–7.

Asha Krishnan, K. Yadav, P. Roach and V. Chelvam, A targeted near-infrared nanoprobe for deep-tissue penetration and imaging of prostate cancer, Biomater Sci, 2021, 9, 2295–2312.

Imamura, S. Yamada, S. Tsuboi, Y. Nakane, Y. Tsukasaki, A. Komatsuzaki and T. Jin, Near-infrared emitting PbS quantum dots for in vivo fluorescence imaging of the thrombotic state in septic mouse brain, Molecules, 2016, 21, 1–12.

Gulati, M. Sachdeva and K. K. Bhasin, in AIP Conference Proceedings, AIP, 2018, p. 030214.

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