利用高亮度有机荧光团精确测量NIR-II的相对量子产率

本文要点：近红外二区（NIR-II，1000–1700 nm）的光致发光量子产率（PLQY）是衡量有机染料，在生物成像和光电子器件方面性能的直接指标。积分球技术是测定绝对PLQY的有效手段。然而，由于大多数NIR-II有机荧光染料的PLQY值较低，导致测量误差较大。因此，目前常用的PLQY测定方法是相对法，即使用光致发光光谱仪和类似IR-26的标准参照物进行测量。但IR-26的具体PLQY值并不明确，据报道其范围在0.05%到0.50%之间。这种偏差可能会导致相对PLQY测量出现较大误差。在本研究中，报道了一种名为TPE-BBT的高亮度有机荧光染料，在THF中展现出高达3.94%的PLQY，可利用商业积分球精确测量。以TPE-BBT为标准，准确测定了IR-26在1,2-二氯乙烷中的PLQY值为0.0284%，以及IR-1061在二氯甲烷中的PLQY值为0.182%。希望借助这一可靠的参照标准，能够准确评估NIR-II有机荧光染料的PLQY。

图1. 不同方式测量光致发光量子产率（PLQY）示意图

公式 1-4

在本研究中，利用近红外二区（NIR-II）聚集诱导发光（AIE）发光体TPE-BBT，开发了一种新的NIR-II材料PLQY标准。TPE-BBT的甲苯溶液经积分球测量显示出高PLQY（超过6%）。这是迄今为止报道的NIR-II发射有机小分子染料溶液中绝对PLQY值最高的之一。随后，研究者制备了PLQY适中（约4%）的TPE-BBT四氢呋喃（THF）溶液，作为后续实验的标准。研究显示，在室温（20℃）下，当808 nm处的吸光度在0.01至0.1之间时，未观察到聚集现象，且浓度依赖的PLQY变化在正常仪器误差范围内。以确定PLQY为3.94±0.25%的TPE-BBT溶液为标准，成功校准了两种商业化的NIR-II PLQY标准品——IR-1061和IR-26的PLQY。

图2. a）TPE-BBT的化学结构。b）TPE-BBT的AIE效应示意图。c）TICT工艺示意图。d）TPE-BBT溶液随溶剂极性降低而增强的PL强度示意图

TPE-BBT 是一种展示出超高光致发光量子产率（PLQY）的聚集诱导发光（AIE）发光体（AIEgen）。其结构由苯并双噻二唑（BBT）电子受体和由体积庞大的噻吩π桥与四苯乙烯（TPE）基团组成的电子供体构成（图2a）。TPE-BBT 展现出显著的AIE效应。当该分子溶解在良溶剂二甲基亚砜（DMSO）中时，仅展现出微弱的荧光。然而，当形成聚集体时，由于分子运动受到限制，发射强度显著增强，从而实现了约2%的绝对PLQY。随着聚集程度的进一步增加，无论是通过形成非晶粉末甚至晶体，PLQY持续上升，在晶体状态下超过10%（图2b）。

其高PLQY表明TPE-BBT可能是一种可靠的近红外二区（NIR-II）材料的PLQY标准。此外，TPE-BBT展现出从600 nm到900 nm的吸收以及从850 nm到1500 nm的荧光，这与NIR-II材料的典型特性相吻合。然而，在制备TPE-BBT纳米颗粒的过程中，确保一致性和可重复性具有挑战性，不同的研究实验室可能无法实现固定的PLQY。相比之下，简单地将TPE-BBT溶解在其良溶剂中以制备溶液样品作为PLQY标准会更好。作为一种NIR-II发射的有机荧光团，TPE-BBT具有典型的给体-受体（D-A）电子结构。因此，其发射受到环境极性的显著影响。当极性较高时，分子将呈现扭曲构象以稳定激发态的电荷分离，这就是发光猝灭的扭曲分子内电荷转移（TICT）效应（图2c）。理论上，如果为TPE-BBT提供低极性环境，则可以抑制电荷分离，促进局域激发（LE）态下更好的电子重叠，从而实现增强的发射（图2d）。因此，研究者选择了一系列具有不同极性的TPE-BBT良溶剂，以研究其溶剂效应。

图3. TPE-BBT在各种有机溶剂中的吸收和发射光谱

本文首先测量了TPE-BBT在不同溶剂中的吸收和发射光谱。如图3a、b所示，TPE-BBT在低极性的甲苯中展现出红移吸收和PL强度。在中等极性的溶剂（四氢呋喃（THF）、二氧六环、二氯甲烷（DCM）、1,2-二氯乙烷（DCE）和氯仿）中，TPE-BBT的吸收略有蓝移，伴随着荧光强度的下降。使用高极性的溶剂如二甲基亚砜（DMSO）和二甲基甲酰胺（DMF）会导致吸收峰进一步蓝移，且这些溶剂会导致荧光强度显著下降和轻微红移。这些结果表明TPE-BBT具有明显的TICT效应。然后，使用808 nm激光激发（通常用于NIR-II生物成像）测量了TPE-BBT在不同溶剂中的PLQY（图3c）。在低极性的甲苯中，TPE-BBT具有最高的PLQY（>6%）。在中等极性的溶剂中，TPE-BBT也显示出约4-5%的高PLQY。在高极性的溶剂如DMSO中，积分球在此时无法检测到足够的NIR-II光子，无法测量到可靠的PLQY。

根据这些结果，研究者选择低到中等极性的有机溶剂来制备TPE-BBT溶液，作为NIR-II材料的新PLQY标准。鉴于甲苯溶液的明亮发光可能会影响相对PLQY测量的准确性，选择TPE-BBT的THF溶液作为本研究的标准。通常，在相对PLQY测试中，需要将激发波长处的吸光度保持在0.01到0.1之间。图3d显示，对应于该吸光度范围的分子浓度范围约为10-100 µm。在对不同浓度下的吸收光谱进行归一化处理后，没有发现明显的变化，表明没有染料聚集或新物种形成（图3e）。在不同的激光功率下测试了染料的PLQY，验证100 µm样品数据的稳定性，并观察到小幅波动（图3f）。同时研究者还检查了光热转换对PLQY测量的影响。TPE-BBT在THF中的UV-vis吸收光谱显示，在20到60°C之间，808 nm处的吸光度保持恒定。基于此观察，研究者测量了TPE-BBT在THF中的温度依赖性PL光谱，以研究温度对PLQY的影响。TPE-BBT的PL光谱在各种温度下变化很小，且积分PL强度没有显著变化。这些结果表明温度变化对PLQY测量的影响可以忽略不计。较弱的光热效应和对温度变化的不敏感性解释了为什么改变激光功率不会影响PLQY测量（图3f）。在THF中，100 µm TPE-BBT在不同激光功率下的平均PLQY值为3.94%，甚至高于其纳米颗粒形式。最终，将3.94%的PLQY确定为TPE-BBT的THF溶液的标准。TPE-BBT表现出优异的稳定性，研究者用放置两年的TPE-BBT固体粉末制备了有机溶液，并测量了吸收光谱。发现该光谱与新制备的TPE-BBT几乎相同所有这些结果证明，TPE-BBT的THF溶液可以作为NIR-II窗口中相对PLQY准确测量的PLQY标准。

图4. 使用TPE-BBT的THF溶液作为参考的相对PLQY测量程序的示意图

TPE-BBT溶液随后被用作相对PLQY测量的参考标准，操作流程如图4所示。首先，使用四氢呋喃（THF）制备了浓度约为1 mM的TPE-BBT储备液，然后将其用THF进一步稀释，得到一系列浓度在10至100 µM之间的溶液。接着，通过紫外-可见光谱（UV-vis spectroscopy）确认这些TPE-BBT溶液在808 nm处的吸光度介于0.01至0.1之间，并精确记录这些吸光度值。利用光致发光光谱仪（PL spectrometer）和计算公式，可以便捷地进行相对PLQY测量，从而准确测量低PLQY样品或在没有积分球设备的情况下进行测量。采用类似步骤，制备一系列测试样品溶液，确保其在808 nm处的吸光度同样在0.01至0.1范围内。需注意，由于摩尔吸光系数存在差异，样品和参考标准的分子浓度可能有显著不同，因此必须依据吸光度严格确定NIR-II样品的浓度。接下来，使用PL光谱仪在相同条件下测量TPE-BBT和NIR-II样品溶液的光谱。由于样品和参考的发射波长可能存在差异，需对PL光谱仪进行发射校正。绘制各化合物的光谱积分面积与吸光度的关系图后，进行线性回归分析以计算斜率。最后，结合样品和参考溶剂的折射率因子，将斜率值代入公式（4）计算NIR-II样品的相对PLQY。

图5. TPE-BBT（THF中850-1500 nm）、IR-1061（DCM中850-150 nm）和IR-26（DCE中850-1500nm）的积分PL光谱与吸光度及其关系图

本文利用测定了两种NIR-II染料IR-26和IR-1061的相对PLQY（图5a）。这两种染料常用于808 nm激发的NIR-II材料的相对PLQY测量。本研究以TPE-BBT为参考测定IR-26和IR-1061的相对PLQY，旨在验证TPE-BBT作为新PLQY标准的可靠性，并获取IR-26和IR-1061的准确绝对PLQY，赋予相对PLQY实际意义和可比性，推动NIR-II材料领域发展。图5b–d分别展示了TPE-BBT（THF溶液）、IR-26（DCE溶液）和IR-1061（DCM溶液）的PL光谱。IR-26在850–1000 nm范围的基线抬高源于校正放大的背景噪声。因IR-26在该范围无荧光，计算了其1000–1500 nm范围的积分荧光强度以避免校正影响。经线性回归分析后，代入TPE-BBT的PLQY值3.94%，测得IR-26的PLQY为0.0284%，IR-1061为0.182%（图5e）。原工作中以PLQY 0.5%的IR-26为参考，计算TPE-BBT纳米颗粒绝对PLQY为1.8%，相对PLQY为31.5%；而以IR-26 PLQY 0.0284%代入后，TPE-BBT纳米颗粒相对PLQY为1.8%，与绝对PLQY吻合。

总之，研究者使用积分球仪器测得THF中TPE-BBT的绝对PLQY为3.94%。其高PLQY及适宜的吸收和发射波长表明，TPE-BBT可作为NIR-II材料的可靠PLQY标准。TPE-BBT溶液在室温下808 nm处吸光度于0.01–0.1范围内，PLQY几乎不受浓度影响，且未见聚集现象。以TPE-BBT溶液为标准，研究者成功测定了两种商业化NIR-II PLQY标准品IR-26（DCE中PLQY为0.0284%）和IR-1061（DCM中PLQY为0.182%）的PLQY。IR-26的校准值使相对PLQY测量仅略偏离绝对值，能准确反映样品的PLQY。结果表明，TPE-BBT的THF溶液可作为NIR-II荧光团测量PLQY的可靠标准。

参考文献

Shen H, Zhu X, Zhang J, et al. A Bright Organic Fluorophore for Accurate Measurement of the Relative Quantum Yield in the NIR‐II Window[J]. Small, 2025, 21(13): 2411866.

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