本文要點：近紅外二區(qū)（NIR-II，1000–1700 nm）的光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY）是衡量有機染料，在生物成像和光電子器件方面性能的直接指標。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有機熒光染料的PLQY值較低，導致測量誤差較大。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的標準參照物進行測量。但IR-26的具體PLQY值并不明確，據(jù)報道其范圍在0.05%到0.50%之間。這種偏差可能會導致相對PLQY測量出現(xiàn)較大誤差。在本研究中，報道了一種名為TPE-BBT的高亮度有機熒光染料，在THF中展現(xiàn)出高達3.94%的PLQY，可利用商業(yè)積分球精確測量。以TPE-BBT為標準，準確測定了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準，能夠準確評估NIR-II有機熒光染料的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）聚集誘導發(fā)光（AIE）發(fā)光體TPE-BBT，開發(fā)了一種新的NIR-II材料PLQY標準。TPE-BBT的甲苯溶液經(jīng)積分球測量顯示出高PLQY（超過6%）。這是迄今為止報道的NIR-II發(fā)射有機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)實驗的標準。研究顯示，在室溫（20℃）下，當808 nm處的吸光度在0.01至0.1之間時，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溶液為標準，成功校準了兩種商業(yè)化的NIR-II PLQY標準品——IR-1061和IR-26的PLQY。

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

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）基團組成的電子供體構(gòu)成（圖2a）。TPE-BBT 展現(xiàn)出顯著的AIE效應。當該分子溶解在良溶劑二甲基亞砜（DMSO）中時，僅展現(xiàn)出微弱的熒光。然而，當形成聚集體時，由于分子運動受到限制，發(fā)射強度顯著增強，從而實現(xiàn)了約2%的絕對PLQY。隨著聚集程度的進一步增加，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標準。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性具有挑戰(zhàn)性，不同的研究實驗室可能無法實現(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標準會更好。作為一種NIR-II發(fā)射的有機熒光團，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。當極性較高時，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（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，促進局域激發(fā)（LE）態(tài)下更好的電子重疊，從而實現(xiàn)增強的發(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。

圖3. TPE-BBT在各種有機溶劑中的吸收和發(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)出紅移吸收和PL強度。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的吸收略有藍移，伴隨著熒光強度的下降。使用高極性的溶劑如二甲基亞砜（DMSO）和二甲基甲酰胺（DMF）會導致吸收峰進一步藍移，且這些溶劑會導致熒光強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。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溶劑來制備TPE-BBT溶液，作為NIR-II材料的新PLQY標準。鑒于甲苯溶液的明亮發(fā)光可能會影響相對PLQY測量的準確性，選擇TPE-BBT的THF溶液作為本研究的標準。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?；诖擞^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。較弱的光熱效應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溶液的標準。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準確測量的PLQY標準。

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測量的參考標準，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）和計算公式，可以便捷地進行相對PLQY測量，從而準確測量低PLQY樣品或在沒有積分球設備的情況下進行測量。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，樣品和參考標準的分子濃度可能有顯著不同，因此必須依據(jù)吸光度嚴格確定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，進行線性回歸分析以計算斜率。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，旨在驗證TPE-BBT作為新PLQY標準的可靠性，并獲取IR-26和IR-1061的準確絕對PLQY，賦予相對PLQY實際意義和可比性，推動NIR-II材料領域發(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，計算了其1000–1500 nm范圍的積分熒光強度以避免校正影響。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標準。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溶液為標準，研究者成功測定了兩種商業(yè)化NIR-II PLQY標準品IR-26（DCE中PLQY為0.0284%）和IR-1061（DCM中PLQY為0.182%）的PLQY。IR-26的校準值使相對PLQY測量僅略偏離絕對值，能準確反映樣品的PLQY。結(jié)果表明，TPE-BBT的THF溶液可作為NIR-II熒光團測量PLQY的可靠標準。

參考文獻

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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