《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：Triplet quantum yield determination with noncollinear double pulse fluorescence applied to a new class of cationic free-based porphyrins
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•采用修正公式提升三重态量子产率测量的精度。•该公式使得可在更低激光能量下进行测量，从而避免样品光损伤。•适用于光敏性样品的低重复频率少次测量。引言双脉冲（DPF）和多脉冲（MPF）荧光激发技术是用于测定发光分子三重态量子产率（TQY）的先进方法[1]、[2]、[3]、[4]。这
• 采用修正公式提升三重态量子产率测量的精度。
• 该公式使得可在更低激光能量下进行测量，从而避免样品光损伤。
• 适用于光敏性样品的低重复频率少次测量。
引言 双脉冲（DPF）和多脉冲（MPF）荧光激发技术是用于测定发光分子三重态量子产率（TQY）的先进方法[1]、[2]、[3]、[4]。这些技术通过多个激光脉冲激发分子，随后检测由此产生的连续荧光信号。TQY的测定是通过间接计算激发间隔纳秒级时间内三重态种群的形成情况来实现的。具体方法是通过分析连续脉冲激发产生的荧光被淬灭的程度，这种淬灭是由于荧光能量转移到通常不发荧光的三重态上所导致的。由于激发态的寿命通常比荧光寿命长很多倍，因此在实验时间尺度内其向基态的衰减可以忽略不计，所以才能实现这种间接测定[2]。
目前已有基于皮秒级脉冲序列[1]以及激光腔外产生的双/多脉冲激发的技术被成功应用[2]、[4]。与基于瞬态吸收的技术[5]、[6]相比，使用DPF/MPF技术时并不一定需要知道激发态的吸收截面就能得到TQY值[1]、[4]。而对于泵浦-探测型技术而言，纳秒级的时间延迟可能会带来额外限制，有时甚至需要放弃亚纳秒级的探测方式，转而使用闪光光解装置[7]。为避免这一问题，脉冲序列Z扫描法也是另一种用于研究长寿命激发态的方法[8]、[9]、[10]。不过这种方法仍需拟合多个参数，如吸收截面和衰减率，并且无法独立测定TQY值。除了DPF/MPF之外，还有其他基于发射的技术，比如利用不同频率调制的连续波激光的切分技术[11]、[12]，以及荧光相关光谱技术[13]、[14]。相比这些技术，DPF的一个显著优势在于能够分别研究纳秒级时间尺度上的效应。此外，使用DPF测定TQY或系间跃迁率所需的建模更简单，测量时间也更短。这样，通过DPF获得的光物理参数就可以作为输入，用于那些能够研究微秒和毫秒级动态的其他技术中。另外，尽管DPF/MPF技术是通过荧光间接探测三重态的，但这类技术已经能够在三重态量子产率仅为约0.1%的分子上得到应用[4]。
尽管DPF/MPF技术具有诸多优势，但仍存在一些影响其精度的因素。所用激光束的相对光斑大小及空间重叠程度都会影响最终测量结果，我们通过两种新的修正模型和非共线几何结构对这一问题进行了研究。这些模型分别考虑了平顶光束和高斯光束的分布形态。平顶光束模型更易于应用，且在荧光饱和条件下也能得到相近的测量结果。非共线几何结构对于DPF实验很有好处，因为它无需专门的共线光束组合光学器件，还能避免光束组合过程中造成的能量损失，这对于低脉冲能量的系统来说是个重要优势。此外，这种结构还便于适配不同的中心波长，进而提升不同材料上DPF技术的测量精度。如3.3节将进一步阐述的，提高样品的激发程度有助于提升测量精度。因此，原则上可以通过调节激光源的波长，使其匹配样品的吸收带，在尽可能低的脉冲能量下使尽可能多的分子进入激发态。此外，借助所提出的模型和非共线结构，即使使用不同波长的脉冲序列，也能优化DPF信号，从而验证不同激发条件下的TQY值。我们将非共线结构下的实验结果与共线结构下的结果进行了对比，后者也应用了这两种修正模型。高斯光束模型的完整公式详见补充信息部分。我们认为本研究提出的方法能够提升DPF/MPF技术的实用性，因为确定TQY值时唯一需要的光物理参数就是分子的荧光寿命，而这一参数同样可以使用相同的实验装置进行测量。
为了评估非共线结构的效果，我们测定了一种新型阳离子卟啉Por-3,4及其相应前体Por-1,2的TQY值[15]。对于卟啉及其他有机化合物而言，测定TQY值在众多科学、生物和医疗领域都具有极为重要的意义[15]。例如，这类化合物可被用作光动力疗法（PDT）中的光敏剂，用于治疗肿瘤[16]、[17]、[18]，也可用于光动力灭活微生物[19]、[20]、[21]。尤其是阳离子卟啉及其相关化合物，被广泛用作灭活病毒、真菌、原生动物以及革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌的光敏剂[22]、[23]、[24]、[25]。然而，分子中的各种官能团对其固有性质，如TQY值的影响往往没有得到定量分析，这限制了人们对这些分子在各类应用中的光化学行为的理解。例如，本研究表明Por-3（30?±?3%）与其前体Por-1（32?±?3%）的TQY值差异极小，但Por-4（25?±?2%）与其前体Por-2（33?±?3%）的TQY值差异则相当明显。
章节要点 卟啉衍生物Por-1-4的合成 用于制备阳离子卟啉衍生物Por-3和Por-4的合成策略（见图1）要求首先制备出在β-吡咯位上带有三吡啶基团的中性前体Por-1和Por-2。这些中性衍生物是通过先前已报道过的Kr?hnke型反应制得的[15]、[26]。该反应是将易获取的2-甲醛-5,10,15,20-四苯基卟啉与3-或4-乙酰吡啶在特定条件下发生反应而得到的。
双脉冲荧光实验的理论基础 DPF实验是利用两个能量相近的亚纳秒级脉冲进行的，这两个脉冲之间存在一定的时间间隔ΔT
结论 本文提出了一种既适用于共线结构也适用于非共线结构的DPF技术的新方法，同时还对比了两种适用于不同脉冲能量条件的模型。非共线DPF结构便于将各类超短脉冲激光器改装为可用于DPF实验的设备。该装置不仅可以与可调谐激光源配合使用，未来甚至还可以搭配不同中心波长的脉冲序列。此外，该技术还能同时研究基态和激发态的相关特性。
CRediT作者贡献说明 Rafael de Queiroz Garcia： 负责原文撰写——初稿编写、结果验证、方法设计及实验分析。Leandro H. Zucolotto Cocca： 负责原文撰写——审稿与编辑、数据可视化、结果验证、方法设计及实验分析。Nuno M.M. Moura： 负责原文撰写——审稿与编辑、实验所需资源筹备、实验分析及研究构思。Maria A.F. Faustino： 负责原文撰写——审稿与编辑、实验所需资源筹备、实验分析及研究构思。Cleber Renato Mendon?a： 负责原文撰写——审稿与编辑、研究经费申请。Leonardo De Boni： 负责原文撰写——审稿与
利益冲突声明 所有作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关联或个人关系。
致谢 特此感谢阿威罗大学、葡萄牙科学研究基金委员会/科技部 为LAQV-REQUIMTE项目（UIDB/50006/2020）以及FCT的PORP2PS项目（EXPL/QUI-QOR/0586/2021）提供的资金支持，这些资金来自葡萄牙国家财政拨款，部分项目还得到了PT2020合作计划框架下FEDER基金的共同资助。N.M.M. Moura还要感谢他通过FCT获得的国家级科研合同CDL-CTTRI-048-88-ARH/2018所提供的支持，该合同属于第23条中4、5和6项规定的框架合同范畴。
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