כאן, אנו מציגים את שיטת האפיון ספקטרוסקופיות של מולקולות אורגניות באמצעות פוטולומיניסנציה זמן לפתור ספקטרוסקופיה בציר ננו-כדי-אלפית בתנאים ללא חמצן. שיטות כדי להסיר ביעילות חמצן מן הדגימות ולהגביל, לפיכך, הפריה חוץ גופית שכבתה מתוארים גם.
כאן, אנו מציגים שיטה הגיונית של רכישת וניתוח של פוטולומיניסנציה זמן לפתור באמצעות מצלמת iCCD מרביים. מערכת זו מאפשרת רכישת ספקטרה פוטולומיניסנציה כיסוי המשטר זמן של ננו שניות עד 0.1 s. זה מאפשר לנו לעקוב אחר השינויים בעוצמה (ריקבון) ואת פליטת הספקטרום לאורך זמן. באמצעות שיטה זו, זה אפשרי ללמוד תופעות photophysical מגוונות, כמו פליטת זרחורנות, ומופעל התרומות של זריחה, עיכוב מהיר במולקולות מציג תרמית מושהית קרינה פלואורסצנטית (TADF). למרבה הפלא, כל ספקטרום, נרקב מתקבלים בניסוי יחיד. זה יכול להיעשות עבור מוצקים (סרט דק, אבקה, קריסטל) ודוגמאות נוזלי, המגבלות רק איפה הרגישות ספקטרלי של המצלמה ועל אורך הגל עירור (532 ננומטר, 355 nm, 337 ננומטר, 266 ננומטר). טכניקה זו היא, לפיכך, חשוב מאוד כאשר חוקרים את הדינמיקה עירור ב אורגניים פולטי עבור היישום שלהם אורגני דיודות פולטות אור ובאזורים אחרים שבהם שלישיה קציר היא בעלת חשיבות עליונה. מאז שלישיה הברית הם מתרצה בחוזקה על ידי חמצן, מקרן עם הארה TADF יעיל, או אלה מציג בטמפרטורת החדר זרחורנות (RTP), צריכים להיות מוכנים כראוי על מנת להסיר כל חמצן מומס פתרונות, סרטים. אחרת, אין פליטה מאריכים יתקיימו. השיטה degassing דגימות מוצק כפי שהוצג בעבודה זו היא בסיסית ופשוטה, אבל degassing של דגימות נוזלים יוצר קשיים נוספים, הוא מעניין במיוחד. שיטה של מזעור אובדן הממס ולשנות את הריכוז הדגימה, תוך מתן אפשרות עדיין כדי להסיר חמצן יעילה מאוד, באופן הדיר, מוצגת בעבודה זו.
ספקטרוסקופיה זמן לפתור הוא כלי חיוני במחקרים של חומרים חדשניים עבור היישום של אורגני דיודות פולטות אור (OLED)1,2,3. טכניקות אלה חשובים במיוחד עבור הדורות האחרונים של OLED הפולטים [קרי, כמו קרינה פלואורסצנטית מושהית תרמית מופעל (TADF)4,5,6,7, 8 או הזרחני9,10,11 מולקולות], שבו מעבד פוטולומיניסנציה יכול להיות שנצפו בציר זמן רחבה (עד שניות). מעניין, טכניקות אלה יכולים לשמש גם כדי לחקור electroluminescence במכשירים, על פני זמן מתאים משטרים12,13. השיטות המתוארות לעיל, באופן כללי, מתמקדים המאפיינים הבאים תלויי-זמן המערבות אותות פוטולומיניסנציה כגון משך החיים של ריקבון, את הצורה ואת האנרגיה של ספקטרום פליטה, והתלות שלו טמפרטורה או גורמים אחרים.
בסך הכל, השיטה הפופולרית ביותר של ספקטרוסקופיה זמן לפתור היא בקורלציה זמן פוטון יחיד סופר (TCSPC) או שינויים שלה, כגון TCSPC רב-ערוצי. שיטה זו מתאימה במיוחד לעקוב אחר נרקב מהר עם דיוק גבוהה מאוד, בדרך כלל בציר ננו. עם זאת, יש חיסרון גדול, כפי אינו מאפשר בעקבות השינויים בספקטרום פוטולומיניסנציה בצורה קלה. שזה יפתר באמצעות פס מצלמות14,15. עם זאת, שתי השיטות אינם מתאימים לבצע הפריה חוץ גופית מאריכים נרקב. במקרה זה, שיטות ממותגת זמן ושינוי קנה מידה רב-ערוצי הן השיטות של הבחירות.
בעבודה זו, נדון ממותגת בזמן רכישת פוטולומיניסנציה אותות בטווח זמן של פחות מננו שנייה עד 0.1 – 1 s יחיד ניסוי16,17,18. יתר על כן, האיכות של המצלמה הוא מצוין עקב הגבוה הרגישות של גלאי זה משמש (מצלמה iCCD). זה מאפשר התבוננות מצוין לשינויים ספקטרום הפליטה, החקירה של הדינמיקות עירור בפירוט, זיהוי הפליטה של מינים שונים נרגש במערכת אחת מולקולרית. צדדיות של ציוד זה אומת על-ידי מספר האחרונות פרסומים19,20,21,22,23,24,25 , 26. המקור עירור הוא גם nd: yag לייזר עם שיעור החזרה של 10 הרץ, מתן ערכה של הרמוניות (266 nm, 355 ננומטר, 532 ננומטר) או לייזר חנקן (337 ננומטר) של קצב החזרה ניתן לשינוי בין 1-30 הרץ.
עקרון העבודה של מצלמות iCCD מבוסס על intensifier התמונה, אשר לא רק מעצימה את האור הנכנסת אלא גם עובד כמו תריס (שער). Intensifier מורכב photocathode הרגישה מגוון ספקטרלי מסוים [קרי, אולטרה סגול (UV), גלוי, red וסגול (ניר)], צלחת מיקרו ערוץ (MCP), של זרחן. על ידי שינוי של photocathode, זה אפשרי להתאים את המצלמה לשימוש מסוים. Photocathode ממיר פוטונים נכנסת photoelectrons זה מוכפלים ב ת ואח את המסך פוספור ליצירת פוטונים. פוטונים אלה, באמצעות מערכת של עדשות, מתמקדים על גבי שבב CCD, מומרים אות חשמלי. לפרטים נוספים, עיין בדף האינטרנט של היצרן27.
כדי לאסוף את ספקטרום הפליטה לאורך כל הטווח בין 1 ns ל-100 מילישניות עם מספיק יחס אות לרעש, הזמן אינטגרציה (חשיפה) מגדיל בצורה אקספוננציאלית יחד עם אקספוננציאלית להגדיל את משך ההשהיה. זה מוכתב על-ידי המאפיינים של הריקבון פוטולומיניסנציה, אשר עוקב אחר חוקי מעריכי ברוב המערכות.
השיטה המתוארת כאן ניתן ליישם מספר טפסים, כולל אלה של משטח לא אחיד, אבקות או גבישים קטנים19וגדלים לדוגמה. בעל מדגם הוא מותאם בקלות כדי לתמוך מספר כימיקלים שונים, כולל חיטוי רפואי סטנדרטי, degassing או זרימה וואקום. כל הדגימות עם פוטולומיניסנציה בטווח של 350-750 ננומטר יכול ייחקרו על ידי ציוד זה. המערכת הוא מצויד גם עם cryostat חנקן נוזלי כדי לבצע מדידות תלוית טמפרטורה של דגימות הנוזלית עד 77 K ו- cryostat הליום סגור-מחזור כדי לבצע מדידות של דגימות מוצק עד 15 ק דבר זה מאפשר ללמוד תופעות כאלה כמו TADF וזרחורנות. לסיכום, כל המתחם או כל סוג של מדגם זה פולט פוטולומיניסנציה באזור שצוין ואת טווח הזמן, אשר סופג אור הלייזר עירור יכול ייחקרו בציוד הזה.
ההסרה של חמצן מולקולרי הוא נושא חשוב במיוחד לגבי חקירת photophysics של מולקולות עם פליטה חיים ארוכים. לפיכך, ניתוח ניסיוני של דגימות degassing (פתרונות וסרטים) גם מתואר באופן מפורט כאן. שהקשה על ידי חמצן לומינסנציה מאריכים ומשפיעה היא בעיה רצינית לגבי חקירת פלורסצנטיות מושהית, זרחורנות. עם זאת, אפקט quenching זה מקלה גם על החקירה התרומה של שלישיה מתרגש למדינות הפריה חוץ גופית הכוללת. זה נמצאים מדידת היחס בעוצמה פוטולומיניסנציה של פתרון/סרט degassed תנאים אוויר רווי17,23 כמו שלישיות הן מתרצה על ידי חמצן, היחס degassing-אוויר פליטה נותן מידע ישיר על התרומה של הברית מאריכים שהיו אחראים מאריכים פליטות (וגם אז מושהית זריחה או זרחורנות). זה יכול לשמש לאחר מכן כדי לחלץ מידע על הירידה בתשואות של שלישיה-צורה אורגנית TADF פולטים. חמצן מולקולרי קיים במצב הקרקע שלישיה biradical. על ספיגת האנרגיה של ca. 1 eV, שלישיה חמצן עובר מעבר סינגלאט מתרגש המדינה. בדרך כלל, עירור מולקולות יש אנרגיה של גופיה, שלישיה גבוה יותר מאשר 1 eV. אנרגיה זו, לכן, ניתן להעביר חמצן בעת התנגשות. כתוצאה מכך, מולקולת מחזיר למצב הקרקע או עובר במעבר הבין – מערכתי.
אחת השיטות הפופולריות ביותר של degassing פתרונות שמבעבע אותם עם גז נייטרלית ללא תוכן חמצן, חנקן בדרך כלל מאוד טהור או ארגון. טכניקה זו עוזרת מאוד מחקר שונים אזורים (קרי, אלקטרוכימיה או photophysics)28,29,30,31. אולם, בעוד זהו הליך פשוט אפילו יעיל למרבית המטרות, פשוט מנקה פתרון עם גז נייטרלית אינה תמיד הדרך המתאים ביותר, כמו הסרת חמצן בכמויות זעירות הוא כמעט בלתי אפשרי בשיטה זו. יתר על כן, אובדן הממס חמור יכול להתרחש עקב התנודתיות שלו, דבר שעלול להוביל שינויים בריכוז של המדגם במחקר. אולם, זה ניתן למנוע על ידי רוויה הגז עם הממס המשמשים את הפתרון.
בטכניקה המתוארת כאן מבוססת על עיקרון שונה. הוא מאפשר צמצום הפסדים ממס עד למינימום, מספק רמות הדיר של חמצן הסרת. הטכניקה דורש מיוחדת, בדרך כלל תוצרת בית degassing כימיקלים הכוללת תא קוורץ לצורך רכישת האות הפריה חוץ גופית – זריחה או זרחורנות -, בקבוקון זכוכית קטן עם צורה כדורית מפשיר/הקפאה, שסתום. Degassing מתבצע תחת חוזרות מחזורים מפשיר/הקפאה. חמצן החילוץ מתבצע בחלל ריק, באמצעות המדגם בתא את הבקבוק, ומתרחשת בזמן המדגם הוא קפוא, ואחריו נותן הדגימה equilibrate בטמפרטורת החדר, עם השסתום ואקום סגור – במהלך תקופה זו, פתרון התכה, ו חמצן מומס שלב נוזלי הוא שוחרר. זה מחייבת שימוש cuvette את עצמה משאבת ואקום רוטרי רגיל, מקור חנקן נוזלי לקירור. ניתן להשתמש בשיטת עם מגוון של ממיסים, רצוי אלה של נקודת התכה נמוכה כמו טולואן, אתנול, methylcyclohexane, 2-methyltetrahydrofuran. Degassing פתרונות בעזרת טכניקה זו הוא מהיר, יעיל ואמין.
איור 1 מציג עם ערכת איך נוצרת הפריה חוץ גופית TADF ו- RTP בתוך מולקולות אורגניות. בקש זריחה זריחה מושהית, זרחורנות ניתן כל לרשום את אותו סידור מדידה. בטכניקה זו, לא רק נרקב הפריה חוץ גופית, אלא גם זמן לפתור ספקטרום הפליטה ניתן להקליט. פעולה זו מאפשרת אפיון מולקולרי המערכת וזיהוי נתיישב של פולטי RTP ו TADF. איור 3 מראה, פולט TADF בדרך כלל יציג ספקטרום הפליטה אותו מעל כל הריקבון, בעוד פולט RTP מציג פלורסצנטיות קצרת ימים, זרחורנות מאריכים המשתפות ספקטרום הפליטה.
Degassing פתרון הוא אחד נקודות קריטיות ביותר בשיטה זו. פלסטיק סופיים להיות שחוקים בקלות, המערכת מפסיקה להיות הרמטי. במקרה של ספק, מומלץ לבדוק את cuvette עם חומר ידוע עם גורם degassing הוקמה. ביולוגיה מולקולרית גם הם שבירים; לכן, degassing צריכה להתבצע במשנה זהירות.
כמו המערכת דורש בדרך כלל לייזר פעמו nd: yag, תחזוקה נאותה של יחידת לייזר חייב להתבצע באופן קבוע. יש להחליף את flashlamp השאיבה באופן קבוע, זה צריך להיעשות רק על ידי טכנאי מוסמך או אדם מנוסה אחר.
הלייזר דורש 30 דקות כדי לחמם, זה אימון טוב כדי להפעיל את הלייזר לפני degassing את הדגימה. ברגע המדגם הוא degassed, הלייזר תהיה מוכנה לקחת את המידות. עם זאת, הפעם degassing סרט קשה לקבוע בעזרת ציוד זה. לכן, מומלץ לבצע ניסוי מצב יציב עם fluorometer רגיל כדי להעריך את הזמן degassing (ייצוב של עוצמת פוטולומיניסנציה על שאיבה למטה).
על קצרי מועד פולטי (כלומר, אלה אשר פלורסצנטיות נרקב בתוך מבצע איתחול), יהיו רק כמה ספקטרה רשמה, פליטת קרינת נמשך תקופה קצרה של זמן. במקרה זה, TCSPC או מצלמה פס לבצע הרבה יותר טוב. מצד שני, הפולטים מאריכים יכול להיות בעייתי אם הפליטה נמשך יותר מ-100 מילישניות (קרי, זרחורנות). כדי להרחיב את חלון זמן אפקטיבי, חנקן לייזר משמש במקרים אלה. זה מאפשר הפחתת שיעור החזרה של הלייזר 1 הרץ והארכת חלון הזמן 1 s.
בפרוטוקול שמוצג כאן נמצאת במרחק למופת, מוקדש משתמש חדש ולא מנוסה. מפעיל מנוסה יכול לשנות את הפרוטוקול במגוון דרכים שונות. קיים פוטנציאל להמשיך ולפתח את המערכת כדי להאריך את הרגישות של המצלמה באדום (ניר) על-ידי החלפת את photocathode, כפי שצוין לעיל, מבוא.
ניתוח הנתונים במקרה של הניסוי הזה היא עבודה זמן רב, כמו ניסוי נותן רשות האישורים. ספקטרה 100. הספקטרום צריך לחלק את הזמן אינטגרציה לשחזר את העששת הפריה חוץ גופית, לעתים קרובות מנורמל (חצויות המרבי, מתוקננת, או אזור מנורמל) כדי להקל על ניתוח הספקטרום בזמנים שונים עיכוב. במהלך הניתוח, נבדקות הבדלים הספקטרום (קרי, משמרות אדום או כחול הדרגתי). אם המדידה מתבצעת תפקודה של הטמפרטורה, הספקטרום יכול להציג את הנוכחות של זריחה מושהית, זרחורנות או שניהם, בהתאם העיכוב בטמפרטורה או זמן בשימוש. נרקב ארעי מתקבלים על ידי התוויית ספקטרום הפריה חוץ גופית משולבת נגד העיכוב, לאחר חלוקת כל ספקטרום לפי זמנם אינטגרציה בהתאמה. הריקבון ארעית פוטולומיניסנציה מתקבל, יכול להיות מותאם כדי לחשב את החיים קרינה של הבקשה ואת פלורסצנטיות מושהה או זרחורנות.
The authors have nothing to disclose.
המחקר שהוביל את התוצאות הללו קיבלה מימון מן המחקר 2020 אופק של האיחוד האירופי ואת התוכנית חדשנות בהסכם גרנט מארי הספרותמוזאון מס 674990 (EXCILIGHT), ומן EPSRC, EP/L02621X/1.
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 |