内容提要
在第二近红外窗口（NIR-II，1000 - 1700 nm）具有光致发光特性的有机染料在生物成像和光电器件领域前景广阔。光致发光量子产率（PLQY）是衡量其性能的直接指标。积分球技术在测定绝对 PLQY 方面很有效。然而，大多数 NIR-II 有机荧光团的 PLQY 值较低，会导致显著的测量误差。因此，测定 PLQY 最常用的方法是相对法，即使用光致发光光谱仪和像 IR-26 这样的标准参考物。虽然相对法能够精确计算样品与参考物之间的 PLQY 比值，但 IR-26 的具体 PLQY 值并不明确，报道的范围在 0.05% 至 0.50% 之间。这种偏差会在相对PLQY 测量中造成显著误差。在本研究中，一种名为 TPE-BBT 的明亮有机荧光团被报道在四氢呋喃（THF）中具有3.94% 的高光致发光量子产率，并且可以使用市售的积分球进行精确测量。以 TPE-BBT 为标准，准确测定出 IR-26 在 1,2 - 二氯乙烷中的 PLQY 值为 0.0284%，IR-1061 在二氯甲烷中的 PLQY 值为 0.182%。
TPE-BBT是一种具有超高光致发光量子产率（PLQY）的聚集诱导发光（AIE）发光团（AIEgen）。它的结构由一个苯并双噻二唑（BBT）电子受体和一个电子供体组成，该电子供体包含一个庞大的噻吩 π 桥和一个四苯乙烯（TPE）部分。TPE-BBT 表现出显著的 AIE 效应。当该分子溶解在良溶剂二甲基亚砜（DMSO）中时，仅显示出微弱的荧光。然而，在形成纳米颗粒后，由于分子运动受到限制，发射显著增强，绝对光致发光量子产率达到约 2%。随着聚集程度进一步提高，通过形成无定形粉末甚至晶体，光致发光量子产率持续上升，在结晶状态下超过 10%。较高的光致发光量子产率（PLQY）值表明，TPE - BBT 有望成为近红外二区（NIR - II）材料可靠的 PLQY 标准。此外，TPE - BBT 的吸收光谱在 600 至 900 纳米之间，荧光光谱在 850 至 1500 纳米之间，这与 NIR - II 材料的典型特征高度吻合。然而，在制备 TPE - BBT 纳米颗粒的过程中，要确保其一致性和可重复性颇具挑战，不同的研究实验室可能无法获得固定的 PLQY 值。相比之下，将 TPE - BBT 简单地溶解在其良溶剂中制备溶液样品作为 PLQY 标准会更为理想。
作为一种 NIR - II 发射有机荧光团，TPE - BBT 具有典型的供体 - 受体（D - A）电子结构。因此，其发光受环境极性的影响很大。当极性较高时，分子会采取扭曲构象，以稳定激发态下的电荷分离，这就是会导致发光猝灭的扭曲分子内电荷转移（TICT）效应。如果为 TPE - BBT 提供低极性环境，电荷分离就会受到抑制，从而促进局部激发（LE）态下更好的电子重叠，实现发光增强。因此，我们选择了一系列不同极性的良溶剂来研究 TPE - BBT 的溶剂效应。
我们首先测量了 TPE-BBT 在不同溶剂中的吸收光谱和发射光谱。鉴于比色皿类型和测量几何结构在发射光谱测量中至关重要，TPE-BBT 在低极性的甲苯中表现出最大程度的吸收红移和最强的 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，同时荧光强度下降。使用像二甲基亚砜（DMSO）和二甲基甲酰胺（DMF）这样的高极性溶剂，会使吸收峰进一步蓝移，并且这些溶剂会导致荧光显著减弱并伴有轻微红移。这些结果表明 TPE-BBT 表现出明显的扭曲分子内电荷转移（TICT）效应。
接着，我们使用常用于近红外二区（NIR-II）生物成像的 808nm 激光激发，测量了 TPE-BBT 在不同溶剂中的光致发光量子产率（PLQY）。在低极性的甲苯中，TPE-BBT 具有最高的 PLQY（>6%）。在中等极性溶剂中，TPE-BBT 的 PLQY 也较高，约为 4 - 5%。在像 DMSO 这样的高极性溶剂中，我们无法测得可靠的 PLQY，这表明此时积分球无法检测到足够的近红外二区光子。
我们可以选择低至中等极性的有机溶剂来制备 TPE - BBT 溶液，作为近红外二区（NIR - II）材料新的光致发光量子产率（PLQY）标准。考虑到甲苯溶液的明亮发光可能会影响相对 PLQY 测量的准确性，我们选择使用 TPE - BBT 的四氢呋喃（THF）溶液作为本研究的标准。通常，对于相对 PLQY 测试，需要将激发波长处的吸光度保持在 0.01 到 0.1 之间。对应这一吸光度范围的分子浓度范围约为 10 - 100 μM。在对不同浓度的吸收光谱进行归一化处理后，我们没有发现明显变化，这表明没有染料聚集或新物种形成。随后，我们检测了该浓度范围内 TPE - BBT 溶液的 PLQY。所有测量结果都在 3 - 5% 的范围内，10 μM 和 25 μM 样品的误差条较大。重复测试表明，10 μM 样品的数据波动明显，这表明低浓度样品存在较大的仪器误差。为了进一步验证 100 μM 样品数据的稳定性，我们在不同激光功率下测试了其 PLQY，观察到波动较小。我们推测，在较高的样品浓度下，增强的 PL 强度降低了仪器误差。
我们还研究了光热转换对 PLQY 测量的影响。在正常测试条件下（操作时间约为 90 秒），用 100% 激光功率照射 100 μM 样品时，温度升高小于 5°C。这是使用滨松积分球光学装置测试 TPE - BBT 溶液时可达到的最大光热效应。为了消除激光照射面积差异导致的光热效应变化，我们在光热实验中确保激光光斑完全照射在样品上。因此，功率密度（(W/cm2)）与照射面积（cm2)）的乘积等于激光功率（W），当激光器设置为 100% 时，激光功率为 1.5 W。为了进一步消除潜在的温度相关影响，我们还在更广泛的温度范围内检测了 PLQY 值。直接测量 TPE - BBT 溶液中随温度变化的绝对 PLQY 对我们的积分球装置来说具有挑战性。为此，我们采用了一种相对方法。TPE - BBT 在 THF 中的紫外 - 可见吸收光谱显示，在 20°C 至 60°C 之间，808 nm 处的吸光度保持恒定。基于这一观察结果，我们测量了 TPE - BBT 在 THF 中随温度变化的 PL 光谱，以研究温度对 PLQY 的影响。PL 光谱在不同温度下变化极小，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。此外，用空气或氮气鼓泡的 THF 制备的溶液，其 PLQY 没有显著变化，这表明氧含量的影响极小。这些发现表明 100 μM TPE - BBT 的 PLQY 数据是可靠的。在不同激光功率下，100 μM TPE - BBT 在 THF 中的平均 PLQY 值为 3.94%，甚至高于其纳米颗粒形式。最终，3.94% 的 PLQY 值被确定为 TPE - BBT 的 THF 溶液的标准。然后将激发波长切换到 730 nm 以进一步确认 PLQY 值。结果表明，获得的数据也约为 4%，这进一步验证了该 PLQY 值的可靠性。值得注意的是，TPE - BBT 具有出色的储存稳定性。我们制备了在架子上存放两年的 TPE - BBT 固体粉末的有机溶液，并测量了其吸收光谱。发现该光谱与新制备的 TPE - BBT 的光谱几乎相同。所有这些结果证明，TPE - BBT 的 THF 溶液可作为近红外二区窗口中准确测量相对 PLQY 的 PLQY 标准。
随后，TPE - BBT 溶液被用作相对光致发光量子产率（PLQY）测量的参考标准。我们首先用四氢呋喃（THF）制备浓度约为 1mM 的 TPE - BBT 储备溶液，然后用 THF 进一步稀释，得到浓度在 10 - 100μM 之间的一系列溶液。接着，使用紫外 - 可见光谱法确认这些 TPE - BBT 溶液在 808nm 处的吸光度在 0.01 - 0.1 范围内，并准确记录这些吸光度值。这样，在没有积分球装置或者需要测量低 PLQY 样品时，就可以利用荧光光谱仪和计算公式方便地进行相对 PLQY 测量，从而准确评估样品。
按照类似的步骤，制备一系列测试样品溶液，使其在 808nm 处的吸光度也在 0.01 - 0.1 范围内。需要注意的是，由于摩尔吸光系数存在差异，样品和参考溶液的分子浓度可能有很大不同。近红外二区（NIR - II）样品的浓度必须严格根据吸光度来确定。接下来，使用荧光光谱仪在相同条件下测量 TPE - BBT 和 NIR - II 样品溶液的光谱。由于样品和参考物的发射波长可能不同，因此需要对荧光分光光度计进行发射校正。绘制每种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。然后将斜率值与样品和参考物溶剂的折射率因子代入公式（4），从而计算出 NIR - II 样品的相对 PLQY。
作为示例，我们采用该流程测量了两种近红外二区（NIR-II）染料 IR-26 和 IR-1061 的相对光致发光量子产率（PLQY）。这两种染料常用于 808nm 激发的 NIR-II 材料的相对 PLQY 测量。许多研究人员尝试测量它们的绝对 PLQY，但由于其 PLQY 值较低，很难获得准确结果。因此，这导致相对 PLQY 与实际 PLQY 值存在显著偏差，使得测量失去了物理意义。在此，我们以 TPE-BBT 为参考，测量 IR-26 和 IR-1061 的相对 PLQY。一方面，我们可以验证 TPE-BBT 作为新型 PLQY 标准的可靠性；另一方面，我们能够得到 IR-26 和 IR-1061 准确的绝对 PLQY，让基于它们计算出的相对 PLQY 具有实际物理意义和可比性。NIR-II 材料可比的 PLQY 将极大地推动 NIR-II 材料领域的发展与交流。
分别展示了 TPE-BBT（四氢呋喃溶液）、IR-26（1,2 - 二氯乙烷溶液）和 IR-1061（二氯甲烷溶液）的 PL 光谱。值得注意的是，尽管 TPE-BBT、IR-1061 和 IR-26 的 PL 光谱在波长上差异明显，但调整 TPE-BBT 的 PL 光谱纵坐标后可以发现，它在 IR-26 和 IR-1061 的 PL 波长范围内能发射出足够的光子。此外，校正后的积分 PL 强度与发射光子数成正比，因此，TPE-BBT 可作为各种 NIR-II 发光材料的可靠标准。另外，IR-26 在 850-1000nm 范围内基线抬高是由于校正放大了正常背景噪声。由于 IR-26 在 850-1000nm 范围内不发荧光，为避免校正的影响，我们实际计算的是 IR-26 在 1000-1500nm 范围内的积分荧光强度。
计算积分荧光强度与吸光度的线性回归线斜率后，将 TPE-BBT 的 PLQY 值设为 3.94% 代入计算，我们确定 IR-26 的 PLQY 为 0.0284%，IR-1061 的 PLQY 为 0.182%。我们认为该结果可靠，因为当我们将 IR-26 新的 PLQY 值代入相对 PLQY 计算时，我们之前研究中绝对 PLQY 与相对 PLQY 之间的显著差异大幅缩小。在之前的研究中，以 PLQY 为 0.5% 的 IR-26 为参考，计算出 TPE-BBT 纳米颗粒的绝对 PLQY 为 1.8%，而相对 PLQY 为 31.5%。相比之下，当将 IR-26 的 PLQY 值设为 0.0284% 时，TPE-BBT 纳米颗粒的相对 PLQY 为 1.8%，与它们的绝对 PLQY 吻合良好。
总结
我们使用积分球仪器测量得出 TPE-BBT 在四氢呋喃（THF）中的绝对光致发光量子产率（PLQY）为 3.94%。TPE-BBT 具有较高的 PLQY，且其吸收和发射波长适宜，这表明它可以作为近红外二区（NIR-II）材料可靠的 PLQY 标准。在室温下，当 808nm 处吸光度在 0.01-0.1 范围内时，TPE-BBT 溶液的 PLQY 随浓度的变化可忽略不计，且在此范围内未观察到聚集现象。以 TPE-BBT 溶液为标准，我们成功测量并校准了两种市售 NIR-II PLQY 标准品的 PLQY，即 IR-26（在 1,2 - 二氯乙烷中的 PLQY 为 0.0284%）和 IR-1061（在二氯甲烷中的 PLQY 为 0.182%）。IR-26 校准后的数值使得相对 PLQY 测量值与绝对值仅有轻微偏差，能够准确反映样品的 PLQY。TPE-BBT 的 THF 溶液可作为 NIR-II 荧光团可靠的 PLQY 标准。
参考文献
A Bright Organic Fluorophore for Accurate Measurement of the Relative Quantum Yield in the NIR-II Window， Hanchen Shen, Xinyan Zhu, Jianyu Zhang, Changhuo Xu,* Jacky W. Y. Lam,*and Ben Zhong Tang*， Small 2025, 2411866，
https://doi.org/10.1002/smll.202411866
