本文要點(diǎn)：近紅外二區(qū)（NIR-II，1000–1700 nm）的光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY）是衡量有機(jī)染料，在生物成像和光電子器件方面性能的直接指標(biāo)。積分球技術(shù)是測定絕對PLQY的有效手段。然而，由于大多數(shù)NIR-II有機(jī)熒光染料的PLQY值較低，導(dǎo)致測量誤差較大。因此，目前常用的PLQY測定方法是相對法，即使用光致發(fā)光光譜儀和類似IR-26的標(biāo)準(zhǔn)參照物進(jìn)行測量。但I(xiàn)R-26的具體PLQY值并不明確，據(jù)報(bào)道其范圍在0.05%到0.50%之間。這種偏差可能會導(dǎo)致相對PLQY測量出現(xiàn)較大誤差。在本研究中，報(bào)道了一種名為TPE-BBT的高亮度有機(jī)熒光染料，在THF中展現(xiàn)出高達(dá)3.94%的PLQY，可利用商業(yè)積分球精確測量。以TPE-BBT為標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確測定了IR-26在1,2-二氯乙烷中的PLQY值為0.0284%，以及IR-1061在二氯甲烷中的PLQY值為0.182%。希望借助這一可靠的參照標(biāo)準(zhǔn)，能夠準(zhǔn)確評估NIR-II有機(jī)熒光染料的PLQY。

圖1. 不同方式測量光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY）示意圖

公式 1-4

在本研究中，利用近紅外二區(qū)（NIR-II）聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE）發(fā)光體TPE-BBT，開發(fā)了一種新的NIR-II材料PLQY標(biāo)準(zhǔn)。TPE-BBT的甲苯溶液經(jīng)積分球測量顯示出高PLQY（超過6%）。這是迄今為止報(bào)道的NIR-II發(fā)射有機(jī)小分子染料溶液中絕對PLQY值最高的之一。隨后，研究者制備了PLQY適中（約4%）的TPE-BBT四氫呋喃（THF）溶液，作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)。研究顯示，在室溫（20℃）下，當(dāng)808 nm處的吸光度在0.01至0.1之間時(shí)，未觀察到聚集現(xiàn)象，且濃度依賴的PLQY變化在正常儀器誤差范圍內(nèi)。以確定PLQY為3.94±0.25%的TPE-BBT溶液為標(biāo)準(zhǔn)，成功校準(zhǔn)了兩種商業(yè)化的NIR-II PLQY標(biāo)準(zhǔn)品——IR-1061和IR-26的PLQY。

圖2. a）TPE-BBT的化學(xué)結(jié)構(gòu)。b）TPE-BBT的AIE效應(yīng)示意圖。c）TICT工藝示意圖。d）TPE-BBT溶液隨溶劑極性降低而增強(qiáng)的PL強(qiáng)度示意圖

TPE-BBT 是一種展示出超高光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY）的聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE）發(fā)光體（AIEgen）。其結(jié)構(gòu)由苯并雙噻二唑（BBT）電子受體和由體積龐大的噻吩π橋與四苯乙烯（TPE）基團(tuán)組成的電子供體構(gòu)成（圖2a）。TPE-BBT 展現(xiàn)出顯著的AIE效應(yīng)。當(dāng)該分子溶解在良溶劑二甲基亞砜（DMSO）中時(shí)，僅展現(xiàn)出微弱的熒光。然而，當(dāng)形成聚集體時(shí)，由于分子運(yùn)動受到限制，發(fā)射強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)了約2%的絕對PLQY。隨著聚集程度的進(jìn)一步增加，無論是通過形成非晶粉末甚至晶體，PLQY持續(xù)上升，在晶體狀態(tài)下超過10%（圖2b）。

其高PLQY表明TPE-BBT可能是一種可靠的近紅外二區(qū)（NIR-II）材料的PLQY標(biāo)準(zhǔn)。此外，TPE-BBT展現(xiàn)出從600 nm到900 nm的吸收以及從850 nm到1500 nm的熒光，這與NIR-II材料的典型特性相吻合。然而，在制備TPE-BBT納米顆粒的過程中，確保一致性和可重復(fù)性具有挑戰(zhàn)性，不同的研究實(shí)驗(yàn)室可能無法實(shí)現(xiàn)固定的PLQY。相比之下，簡單地將TPE-BBT溶解在其良溶劑中以制備溶液樣品作為PLQY標(biāo)準(zhǔn)會更好。作為一種NIR-II發(fā)射的有機(jī)熒光團(tuán)，TPE-BBT具有典型的給體-受體（D-A）電子結(jié)構(gòu)。因此，其發(fā)射受到環(huán)境極性的顯著影響。當(dāng)極性較高時(shí)，分子將呈現(xiàn)扭曲構(gòu)象以穩(wěn)定激發(fā)態(tài)的電荷分離，這就是發(fā)光猝滅的扭曲分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（TICT）效應(yīng)（圖2c）。理論上，如果為TPE-BBT提供低極性環(huán)境，則可以抑制電荷分離，促進(jìn)局域激發(fā)（LE）態(tài)下更好的電子重疊，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的發(fā)射（圖2d）。因此，研究者選擇了一系列具有不同極性的TPE-BBT良溶劑，以研究其溶劑效應(yīng)。

圖3. TPE-BBT在各種有機(jī)溶劑中的吸收和發(fā)射光譜

本文首先測量了TPE-BBT在不同溶劑中的吸收和發(fā)射光譜。如圖3a、b所示，TPE-BBT在低極性的甲苯中展現(xiàn)出最顯著的紅移吸收和最強(qiáng)的PL強(qiáng)度。在中等極性的溶劑（四氫呋喃（THF）、二氧六環(huán)、二氯甲烷（DCM）、1,2-二氯乙烷（DCE）和氯仿）中，TPE-BBT的吸收略有藍(lán)移，伴隨著熒光強(qiáng)度的下降。使用高極性的溶劑如二甲基亞砜（DMSO）和二甲基甲酰胺（DMF）會導(dǎo)致吸收峰進(jìn)一步藍(lán)移，且這些溶劑會導(dǎo)致熒光強(qiáng)度顯著下降和輕微紅移。這些結(jié)果表明TPE-BBT具有明顯的TICT效應(yīng)。然后，使用808 nm激光激發(fā)（通常用于NIR-II生物成像）測量了TPE-BBT在不同溶劑中的PLQY（圖3c）。在低極性的甲苯中，TPE-BBT具有最高的PLQY（>6%）。在中等極性的溶劑中，TPE-BBT也顯示出約4-5%的高PLQY。在高極性的溶劑如DMSO中，積分球在此時(shí)無法檢測到足夠的NIR-II光子，無法測量到可靠的PLQY。

根據(jù)這些結(jié)果，研究者選擇低到中等極性的有機(jī)溶劑來制備TPE-BBT溶液，作為NIR-II材料的新PLQY標(biāo)準(zhǔn)。鑒于甲苯溶液的明亮發(fā)光可能會影響相對PLQY測量的準(zhǔn)確性，選擇TPE-BBT的THF溶液作為本研究的標(biāo)準(zhǔn)。通常，在相對PLQY測試中，需要將激發(fā)波長處的吸光度保持在0.01到0.1之間。圖3d顯示，對應(yīng)于該吸光度范圍的分子濃度范圍約為10-100 μm。在對不同濃度下的吸收光譜進(jìn)行歸一化處理后，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的變化，表明沒有染料聚集或新物種形成（圖3e）。在不同的激光功率下測試了染料的PLQY，驗(yàn)證100 μm樣品數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，并觀察到小幅波動（圖3f）。同時(shí)研究者還檢查了光熱轉(zhuǎn)換對PLQY測量的影響。TPE-BBT在THF中的UV-vis吸收光譜顯示，在20到60°C之間，808 nm處的吸光度保持恒定。基于此觀察，研究者測量了TPE-BBT在THF中的溫度依賴性PL光譜，以研究溫度對PLQY的影響。TPE-BBT的PL光譜在各種溫度下變化很小，且積分PL強(qiáng)度沒有顯著變化。這些結(jié)果表明溫度變化對PLQY測量的影響可以忽略不計(jì)。較弱的光熱效應(yīng)和對溫度變化的不敏感性解釋了為什么改變激光功率不會影響PLQY測量（圖3f）。在THF中，100 μm TPE-BBT在不同激光功率下的平均PLQY值為3.94%，甚至高于其納米顆粒形式。最終，將3.94%的PLQY確定為TPE-BBT的THF溶液的標(biāo)準(zhǔn)。TPE-BBT表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，研究者用放置兩年的TPE-BBT固體粉末制備了有機(jī)溶液，并測量了吸收光譜。發(fā)現(xiàn)該光譜與新制備的TPE-BBT幾乎相同所有這些結(jié)果證明，TPE-BBT的THF溶液可以作為NIR-II窗口中相對PLQY準(zhǔn)確測量的PLQY標(biāo)準(zhǔn)。

圖4. 使用TPE-BBT的THF溶液作為參考的相對PLQY測量程序的示意圖

TPE-BBT溶液隨后被用作相對PLQY測量的參考標(biāo)準(zhǔn)，操作流程如圖4所示。首先，使用四氫呋喃（THF）制備了濃度約為1 mM的TPE-BBT儲備液，然后將其用THF進(jìn)一步稀釋，得到一系列濃度在10至100 μM之間的溶液。接著，通過紫外-可見光譜（UV-vis spectroscopy）確認(rèn)這些TPE-BBT溶液在808 nm處的吸光度介于0.01至0.1之間，并精確記錄這些吸光度值。利用光致發(fā)光光譜儀（PL spectrometer）和計(jì)算公式，可以便捷地進(jìn)行相對PLQY測量，從而準(zhǔn)確測量低PLQY樣品或在沒有積分球設(shè)備的情況下進(jìn)行測量。采用類似步驟，制備一系列測試樣品溶液，確保其在808 nm處的吸光度同樣在0.01至0.1范圍內(nèi)。需注意，由于摩爾吸光系數(shù)存在差異，樣品和參考標(biāo)準(zhǔn)的分子濃度可能有顯著不同，因此必須依據(jù)吸光度嚴(yán)格確定NIR-II樣品的濃度。接下來，使用PL光譜儀在相同條件下測量TPE-BBT和NIR-II樣品溶液的光譜。由于樣品和參考的發(fā)射波長可能存在差異，需對PL光譜儀進(jìn)行發(fā)射校正。繪制各化合物的光譜積分面積與吸光度的關(guān)系圖后，進(jìn)行線性回歸分析以計(jì)算斜率。最后，結(jié)合樣品和參考溶劑的折射率因子，將斜率值代入公式（4）計(jì)算NIR-II樣品的相對PLQY。

圖5. TPE-BBT（THF中850-1500 nm）、IR-1061（DCM中850-150 nm）和IR-26（DCE中850-1500nm）的積分PL光譜與吸光度及其關(guān)系圖

本文利用這一流程測定了兩種NIR-II染料IR-26和IR-1061的相對PLQY（圖5a）。這兩種染料常用于808 nm激發(fā)的NIR-II材料的相對PLQY測量。本研究以TPE-BBT為參考測定IR-26和IR-1061的相對PLQY，旨在驗(yàn)證TPE-BBT作為新PLQY標(biāo)準(zhǔn)的可靠性，并獲取IR-26和IR-1061的準(zhǔn)確絕對PLQY，賦予相對PLQY實(shí)際意義和可比性，推動NIR-II材料領(lǐng)域發(fā)展。圖5b–d分別展示了TPE-BBT（THF溶液）、IR-26（DCE溶液）和IR-1061（DCM溶液）的PL光譜。IR-26在850–1000 nm范圍的基線抬高源于校正放大的背景噪聲。因IR-26在該范圍無熒光，計(jì)算了其1000–1500 nm范圍的積分熒光強(qiáng)度以避免校正影響。經(jīng)線性回歸分析后，代入TPE-BBT的PLQY值3.94%，測得IR-26的PLQY為0.0284%，IR-1061為0.182%（圖5e）。原工作中以PLQY 0.5%的IR-26為參考，計(jì)算TPE-BBT納米顆粒絕對PLQY為1.8%，相對PLQY為31.5%；而以IR-26 PLQY 0.0284%代入后，TPE-BBT納米顆粒相對PLQY為1.8%，與絕對PLQY吻合。

總之，研究者使用積分球儀器測得THF中TPE-BBT的絕對PLQY為3.94%。其高PLQY及適宜的吸收和發(fā)射波長表明，TPE-BBT可作為NIR-II材料的可靠PLQY標(biāo)準(zhǔn)。TPE-BBT溶液在室溫下808 nm處吸光度于0.01–0.1范圍內(nèi)，PLQY幾乎不受濃度影響，且未見聚集現(xiàn)象。以TPE-BBT溶液為標(biāo)準(zhǔn)，研究者成功測定了兩種商業(yè)化NIR-II PLQY標(biāo)準(zhǔn)品IR-26（DCE中PLQY為0.0284%）和IR-1061（DCM中PLQY為0.182%）的PLQY。IR-26的校準(zhǔn)值使相對PLQY測量僅略偏離絕對值，能準(zhǔn)確反映樣品的PLQY。結(jié)果表明，TPE-BBT的THF溶液可作為NIR-II熒光團(tuán)測量PLQY的可靠標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)

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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