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熒光量子產(chǎn)率的測定

更新時間:2023-05-15      點(diǎn)擊次數(shù):7354

除了熒光的光譜位置外,熒光量子產(chǎn)率(η fl;英文fluorescence quantum field,QY)是熒光團(tuán)的一個重要光學(xué)參數(shù)。除了消光系數(shù)的大小,當(dāng)染料用作熒光標(biāo)記時,量子產(chǎn)率的水平特別決定了獲得的信號強(qiáng)度:因此在英語用法中,消光系數(shù)和量子產(chǎn)率的乘積被稱為作為熒光團(tuán)的“亮度"。

量子產(chǎn)率本質(zhì)上取決于染料的分子結(jié)構(gòu),但也受到許多外部因素的影響。這些包括環(huán)境的溫度、粘度、極性和pH值。這種環(huán)境可以由溶劑分子和任何溶劑組成,也可以由例如偶聯(lián)的生物分子或細(xì)胞膜組成,熒光染料位于其附近。通過改變熒光,可以得出有關(guān)環(huán)境某些特性的結(jié)論:可以說,熒光染料充當(dāng)分子探針。

熒光量子產(chǎn)率定義為以熒光形式發(fā)射的光子數(shù)(= 光量子)與樣品先前吸收的光子數(shù)之比:如果所有



吸收的光子都以熒光形式發(fā)射,則量子產(chǎn)率為 1 或 100 % 獲得。然而,激發(fā)態(tài)的非輻射失活過程總是與發(fā)射競爭,因此部分吸收的能量以熱量的形式釋放到環(huán)境中。

正是這種現(xiàn)象被用于絕對判定通過“量熱"方法(例如熱開花方法)的量子產(chǎn)率。這需要相對復(fù)雜的測試設(shè)置以及對測量概念和評估的全面理論理解。

更簡單地說,熒光團(tuán)(樣品)的未知量子產(chǎn)率可以通過將其與熒光光譜儀中標(biāo)準(zhǔn)或參考染料(參考)的已知量子產(chǎn)率進(jìn)行比較來確定。這種所謂的相對確定可以通過不同的方式進(jìn)行:

  • 在單次測量中比較樣品與參考染料

  • 在幾個單獨(dú)的測量中將樣品與幾種參考染料進(jìn)行比較

  • 將樣品與不同濃度的參考染料進(jìn)行比較,并對獲得的測量值進(jìn)行后續(xù)評估。


結(jié)果的統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確性隨著進(jìn)行的比較測量的次數(shù)而增加。

使用相對方法的理論先決條件是要比較的兩種溶液,樣品和參考,在激發(fā)波長下具有相同的吸收,因此吸收相同數(shù)量的光子。然后兩種溶液在相同條件下記錄的積分熒光光譜的商(IF = 熒光帶的面積)給出兩種染料的量子產(chǎn)率比,這樣就可以很容易地計(jì)算出未知的量子產(chǎn)率:



記錄樣品和參考的整個熒光光譜(積分熒光強(qiáng)度)的重要性通過以下示例用這種比較方法進(jìn)行了說明:染料



ATTO 488羧基和ATTO 430LS羧基在吸收光譜的交叉點(diǎn)被激發(fā)(相同的吸收) 和測量的熒光光譜。與標(biāo)準(zhǔn)品(羅丹明 6G)的比較測量導(dǎo)致ATTO 488羧基的熒光量子產(chǎn)率為 80%。使用此值,使用描述的相關(guān)方法獲得ATTO 430LS的 65% 的值羧基。另一方面,如果您只查看相應(yīng)熒光最大值處的強(qiáng)度,您只能從ATTO 488羧基的已知 80% 中獲得 33% 的ATTO 430LS羧基。這種強(qiáng)烈的差異是由于熒光帶的寬度不同,即兩種染料的熒光光譜分布不同。 通過使用相同的測量參數(shù),可以從設(shè)備端實(shí)現(xiàn)用于記錄樣品和參考熒光光譜的相同條件。這些包括光束路徑的幾何形狀(例如 90° 或正面布置)、檢測器放大(增益)、狹縫寬度(或帶通)和相同的激發(fā)波長。


例如,可以選擇樣品和參比的長波吸收帶的交點(diǎn)作為激發(fā)波長。然后,在染料條帶的相應(yīng)最大值處的吸收可能略有不同。
使用示例 阿托 488 羧基和 阿托 532 羧基在各自的吸收最大值處的吸光度值略有不同,這一點(diǎn)變得很清楚:在記錄了兩種測量溶液的吸收光譜后,可以通過疊加兩種光譜來確定兩種溶液具有相同吸光度(此處為0.0183)的交點(diǎn)(此處為513.1 nm)。(對于較小的值,吸光度和吸光度相同。



另一方面,如果決定在樣品和參考的吸收最大值處激發(fā),則兩種溶液在各自波長下必須具有相同的吸收。在所示示例中,ATTO 488羧基可在 500 nm 激發(fā),ATTO 532羧基可在 532 nm 激發(fā);兩種溶液的吸光度均為 0.0420。



在這種情況下,必須在熒光測量中對兩個激發(fā)波長下的不同激發(fā)強(qiáng)度進(jìn)行相應(yīng)的校正。在現(xiàn)代熒光光譜儀中,這種與波長相關(guān)的強(qiáng)度差異由光電二極管確定為標(biāo)準(zhǔn),同時還測量激發(fā)光源隨時間的強(qiáng)度波動。此校正必須在測量期間通過設(shè)備軟件激活,因?yàn)榇撕髮o法再進(jìn)行。

此外,所選測量范圍應(yīng)覆蓋整個熒光光譜,即長波邊緣的測量強(qiáng)度應(yīng)幾乎降至檢測器噪聲水平。

即使?jié)M足所有這些要求,熒光量子產(chǎn)率的精確測定在實(shí)踐中也非常苛刻,需要做好充分的準(zhǔn)備和仔細(xì)的測量。

 
關(guān)于量子產(chǎn)率測量和可能的誤差來源的說明
 

  • 參比染料必須合適,并且必須足夠精確地知道其量子產(chǎn)率。例如,可以通過將其與另一個參考進(jìn)行比較來確保這一點(diǎn)。

  • 參比染料的選擇方式應(yīng)使其能夠在與樣品相同的范圍內(nèi)被吸收,即激發(fā)。理想情況下,兩個吸收光譜重疊,并且可以在熒光測量期間在兩個波段的交叉點(diǎn)激發(fā)。

  • 必須保持所有玻璃器皿和比色皿絕對清潔。

  • 使用的溶劑應(yīng)具有“光譜學(xué)"規(guī)格,并應(yīng)檢查其固有熒光。

  • 例如,如果由于溶解度的差異而將不同的溶劑用于樣品和參比,則必須通過在計(jì)算中包括兩個折射率n來考慮這一點(diǎn):


 

  • 對于熒光測量,應(yīng)使用光程長度為 10 mm 的標(biāo)準(zhǔn)熒光比色皿。

  • 為了減少重吸收效應(yīng)的發(fā)生,10mm電池中的吸光度不應(yīng)超過0.05。
    在較高濃度下,可能會發(fā)生所謂的內(nèi)部濾光片效應(yīng),這極大地偽造了熒光測量:
    一方面,激發(fā)光不再深入溶液,這可能導(dǎo)致比色皿中心的樣品激發(fā)減少。
    另一方面,從那里發(fā)出的熒光在離開比色皿之前通過溶液時被光束路徑中的其他熒光團(tuán)部分(重新)吸收。這導(dǎo)致熒光光譜在短波范圍內(nèi)被切斷。

  • 必須注意確保吸收測量的基線不會因未溶解顆?;蚺K比色皿窗口的光散射而失真。

  • 順便說一下,這種散射現(xiàn)象也會干擾熒光測量,因?yàn)樯⑸涔饪梢缘竭_(dá)溶液中顆?;虮壬蟊砻嫔系臋z測器。因此,在測量前應(yīng)μ過濾所使用的溶劑和溶液,并用不起毛的布從外部擦拭比色皿窗口。注意:指紋!

  • 熒光測量的測量參數(shù)(增益、狹縫寬度)必須適應(yīng)發(fā)生的熒光強(qiáng)度,以便所使用的檢測器(例如光電倍增管)不會因過多的光而損壞。測量必須在探測器的線性范圍內(nèi)進(jìn)行,因?yàn)橹挥羞@樣,測量的光強(qiáng)度才會與照射的光強(qiáng)度成正比。

  • 人們應(yīng)該意識到溫度對測量結(jié)果的影響。

 
許多制造商現(xiàn)在都包含使用其熒光光譜儀測量熒光量子產(chǎn)率的精確說明和工作說明,也可以從相應(yīng)網(wǎng)站下載。通常也可以在這里找到有關(guān)相應(yīng)設(shè)備設(shè)置和測量參數(shù)的詳細(xì)信息和注意事項(xiàng)。正在努力開發(fā)熒光標(biāo)準(zhǔn)的方法和程序。我們給出的熒光光譜是用HORIBA Jobin Yvon

Fluorolog 3熒光光譜儀測得的。為此,ATTO-染料在 22°C 下檢查水溶液(PBS,pH 7.4)中的相應(yīng)羧基衍生物。測量是在標(biāo)準(zhǔn)的 90° 排列中進(jìn)行的,具有水平的激發(fā)和發(fā)射極化。為了確定ATTO染料的熒光量子產(chǎn)率,將具有熒光量子產(chǎn)率的熒光團(tuán)用作參考染料。取決于光譜范圍,例如B、使用羅丹明6G、羅丹明630等。

熒光光譜的一般信息

在吸收光譜儀的情況下,幾乎只使用雙光束裝置,其中樣品溶液和參比物質(zhì)(例如帶有純?nèi)軇┑谋壬螅巴瑫r"掃描。結(jié)果,獲得的頻譜成為所謂的 設(shè)備特性 這是由于單色器(光柵、狹縫)和鏡子反射的不同透射率,除其他外,對于不同的偏振光和特定的檢測器特性。

由于熒光光譜中原則上不存在這種參考光束路徑,因此必須以不同的方式校正每個熒光光譜儀的器件特性,具體取決于光學(xué)元件和光束路徑的路徑,這些特性是不同的,以獲得樣品的“真實(shí)"熒光光譜。

在現(xiàn)代熒光光譜儀的情況下,控制和評估軟件通常包含所謂的 校正功能,可用于在測量過程中直接或通過用戶的后續(xù)指令校正被測設(shè)備光譜。此校正功能由制造商創(chuàng)建,例如,通過將相關(guān)設(shè)備測量的發(fā)射光譜與校準(zhǔn)燈的實(shí)際發(fā)射光譜進(jìn)行比較。

除此之外,在每次熒光測量中都應(yīng)考慮另一種現(xiàn)象。這些是 熒光偏振: 只有當(dāng)熒光團(tuán)在激發(fā)態(tài)的生命周期內(nèi)能在培養(yǎng)基中自由移動時,才能獲得非偏振熒光。在這種情況下,水平和垂直偏振熒光的比例是相同的。

自由遷移率受溶劑的溫度相關(guān)粘度和分子體積的影響。

在丙酮、甲醇、乙醇和水等低粘度溶劑中,這種極化效應(yīng)通常只在室溫測量中壽命在納秒范圍內(nèi)的小型有機(jī)熒光團(tuán)中起次要作用。

但是,如果樣品和/或參比的熒光由于分子尺寸和/或熒光壽命的強(qiáng)烈不同而不再非偏振甚至不同的偏振,則可能導(dǎo)致測量的熒光光譜偽造,從而導(dǎo)致錯誤計(jì)算的量子產(chǎn)率。

為了確定熒光基團(tuán)溶液的熒光偏振,有一種相對簡單的方法,可以在J. R. Lakowicz中找到其理論推導(dǎo)和解釋。

研究與大分子(聚合物、蛋白質(zhì)、DNA等)偶聯(lián)的熒光標(biāo)記物的熒光偏振,其自由遷移率在其激發(fā)態(tài)的生命周期內(nèi)受到限制甚至受到抑制,可以與FRET技術(shù)相結(jié)合,為分子結(jié)構(gòu)(幾何形狀,距離,方向)和相關(guān)動態(tài)現(xiàn)象提供重要的見解。


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