1.State Key Laboratory of Quantum Optics and Quantum Optics Devices, Institute of Laser Spectroscopy, Shanxi University, Taiyuan 030006, China 2.Collaborative Innovation Center of Extreme Optics, Shanxi University, Taiyuan 030006, China
Fund Project:Project supported by the National Key R&D Program of China (Grant No. 2017YFA0304203), the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 61527824, 11504216, 61675119, U1510133, 61605104, 11434007), the Program for Changjiang Scholars and Innovative Research Team in University of Ministry of Education of China (Grant No. IRT13076), and the 1331KSC Program, Shanxi Province, China
Received Date:07 November 2018
Accepted Date:16 December 2018
Available Online:01 February 2019
Published Online:20 February 2019
Abstract:Conjugated polymers have been widely used in optical sensors, light-emitting diodes and solar cells, due to their attractive optical and semiconducting properties. It is widely accepted that the optical and electrical properties of conjugated polymer molecules depend on the conjugated segments, i.e., chromophores in conjugated polymer molecule. The study of the evolution of the absorption and emission properties of single conjugated polymer molecules is essential to provide complementary information for the influence of conformation of conjugated polymer on its energy transfer process, as well as on the performance of optoelectronic devices based on conjugated polymers. Although the extensive studies have been reported to elucidate the optical properties of conjugated polymers with single molecule spectroscopy, simultaneous revealing their absorption and emission properties and their real-time evolution are rarely reported. In this paper, we simultaneously measure the absorption and emission properties of chromophores in single Poly[2,7-(9,9-dioctylfluorene)-alt-4,7-bis(thiophen-2-yl)benzo-2,1,3-thiadiazole](PFO-DBT) conjugated polymer molecules and their real-time evolution by frequency-domain reconstructed defocused wide-field imaging. The emission dipole orientation of chromophore is achieved by applying defocused wide-field fluorescence imaging. The change of defocused patterns of individual polymer chain describes the angular distribution of emitted light and thus the emitting dipole orientation. Meanwhile, the absorption dipole orientation of chromophore in single conjugated PFO-DBT polymer molecule can be clarified in reconstructed frequency-domain imaging by modulating the relative phase of the pulse pairs and performing Fourier transform to the photoluminescence response. The population density of excited state of absorbing chromophore depends both on the relative phase between the ultrashort pulse pairs and on the orientation of absorption transition dipole moment of the chromophore. By extracting the frequency-domain information of fluorescence that is proportional to the population density of excited state, the evolution of absorption dipole orientation of chromophore can be derived. We distinguish three cases for the evolution of chromophores of single PFO-DBT conjugated polymer molecules: the absorption and emission chromophores both keep constant in single PFO-DBT conjugated polymer molecules; one of the dipole orientations of absorption and emission changes, while the other remains unchanged; both of them change simultaneously. The results may pave the way for the further understanding of the role of conformation in the energy transfer pathway in both natural and artificial light harvesting systems at nano- and micro-level. Keywords:conjugated polymers/ single molecule spectroscopy/ defocused imaging/ transition dipole orientation
从(5)式中可以看出, 激发态布居概率不仅决定于脉冲对的相对相位, 而且与发色团的吸收跃迁偶极取向有关. 调制脉冲对的相对相位可以实现激发态布居概率的调制. 相应共轭聚合物单分子荧光发射的概率与被激光激发的发色团激发态布居概率有关, 通过调制脉冲对相对相位可以调制单分子荧光. 我们对共轭聚合物单分子荧光信号做傅里叶变换, 可以在相应的相位调制频率处得到其频谱信息. 傅里叶变换后频谱信息的相位在$0 \leqslant \beta \leqslant \displaystyle\frac{{{\text{π}}}}{2}$和$ - \displaystyle\frac{{{\text{π}}}}{2} \leqslant \beta < 0$之间出现反转. 因此, 通过测量共轭聚合物荧光信号并进行傅里叶变换得到相位信息, 可以跟踪发色团的吸收跃迁偶极取向的变化. 共轭聚合物单分子的发射跃迁偶极取向可以通过散焦宽场荧光成像测量. 我们在之前的研究中发现利用甲苯制备的PFO-DBT共轭聚合物单分子显示出单个发色团发射特性[13], 即每一时刻只有一个能量最低的发色团发射荧光. 在散焦宽场荧光成像中, 单个发色团的荧光在EMCCD上的散焦投影显示出特定的双瓣状强度分布模式, 这种强度分布模式明显区分于多个发色团同时发射形成的环形或圆形强度分布, 且其分布模式取决于单个发色团发射跃迁偶极取向. 基于散焦系统成像基本理论[31,32], 通过计算可以得到不同取向跃迁偶极子辐射对应的散焦模式. 实验观测到的散焦成像与最接近的理论模型匹配, 得到共轭聚合物单分子的发射偶极取向. 图1(b)右半部分为发射跃迁偶极矩为${{{\mu '}}} $的共轭聚合物单分子散焦成像示意图. 其中蓝色箭头代表发射跃迁偶极取向; z轴是光束传播方向; $\theta$为天顶角, 是偶极矩与z轴的夹角; $\varphi $是偶极矩在x-y平面内的投影与x轴的夹角, 称为方位角; 发射跃迁偶极矩可以用这两个角来表示. 跟踪每个分子的散焦光斑强度分布随时间的变化可获得分子发射偶极取向的变化. 利用傅里叶变换方法和散焦成像技术可以得到发色团吸收与发射偶极特性并且实时分析其动力学演化. 对于发射偶极取向动态演化的测量, 其时间分辨率主要受限于EMCCD的积分时间和共轭聚合物单分子荧光的信号背景比. 理论上, 如果共轭聚合物单分子具有足够高的信号背景比, 对发射偶极取向动态演化分析的时间分辨率可以达到EMCCD的分辨极限33 ms. 同时, 由于受到宽场成像EMCCD的最高时间分辨率33 ms的限制, 在通过对荧光信号傅里叶变换得到调制频谱信息时, 根据采样定律, 所能选取的最大调制频率约为15 Hz. 若要通过傅里叶变换得到调制频谱信息, 需要对至少一个周期的调制信号采样分析, 采样帧数至少需要3帧以上, 对应的吸收偶极取向动态演化最高时间分辨率约为100 ms. 而在实验过程中, 考虑到单分子荧光信号背景比对实验的影响, 我们选取调制频率为1 Hz, 散焦宽场成像积分时间为100 ms, 傅里叶变换帧数为50帧, 以获得足够的荧光信号实现对吸收和发射特性的分析. 如果样品的信号背景比足够高, 采用时间分辨率更高的探测装置并选取更大的调制频率, 对吸收和发射特性动态演化的测量可以获得更高的时间分辨率. 3.结果与讨论图2所示为掺杂于PMMA中的PFO-DBT共轭聚合物单分子散焦宽场成像时域序列图和利用相对相位调制的脉冲对激发并对共轭聚合物单分子荧光傅里叶变换获得的频域信息重构的序列图. 图2(a)—(c)分别显示了同一区域PFO-DBT单分子在5, 10和15 s时的散焦成像, 以及相应的拟合结果. 从图中可以看出, 旋转涂覆的共轭聚合物单分子具有随机的发射偶极取向分布. 图中白色箭头方向代表用黄色圆圈标出的三个典型共轭聚合物单分子的发射偶极取向的方位角方向. 图2(d)—(f)显示了与图2(a)—(c)所示序列相同的频域信息重构成像图和相应的拟合结果. 图中共轭聚合物单分子频域重构成像颜色的变化反映出相位的变化, 即吸收偶极取向发生变化, 其中红色代表正相位, 白色代表负相位. 由于受到共轭聚合物单分子荧光信号背景比的限制, 在对单分子时域成像和频域重构成像的过程中, 信号背景比差的单分子难以进行有效拟合; 并且, 在实验过程中有些单分子发生快速光漂白或在中间过程出现长时间的暗态, 无法提取有效信号. 所以在对共轭聚合物单分子时域成像和频域重构成像拟合过程中将上述两类分子排除. 从图2中所示的三个典型的共轭聚合物分子的时域成像和频域重构成像序列, 可以发现在发光过程中共轭聚合物单分子很好地保持了单个发色团发射的特征, 即双瓣模式的光斑强度分布. 对于分子Ⅰ, 光斑强度分布在整个成像时间内没有发生变化, 表明其发射偶极取向未发生变化. 同时, 从频域重构成像中可以看出, 分子Ⅰ的相位也保持恒定, 表明其吸收偶极取向也没有发生变化. 而对于分子Ⅱ, 分子的发射偶极取向没有发生明显变化, 但是分子的相位在6 s之后发生了明显的改变, 由正相位变为负相位, 这表明分子Ⅱ的吸收偶极取向发生了变化. 相比之下, 分子Ⅲ在整个成像过程中频域信息没有变化, 但光斑强度分布在10 s与15 s发生了变化. 也就是说, 分子Ⅲ的吸收偶极取向没有明显变化, 但其发射偶极取向发生变化. 利用频域信息重构的散焦宽场成像, 我们对共轭聚合物单分子发色团吸收和发射跃迁偶极取向不同变化实现了有效区分, 并跟踪了其动态演化过程. 图 2 共轭聚合物单分子散焦宽场荧光成像时域序列图与利用傅里叶变换频域信息重构的成像序列图 (a)—(c)上半部分为实验测得的散焦宽场荧光成像随时间变化序列, 下半部分为相应的拟合结果; (d)—(f)为与散焦宽场荧光成像同样区域分子的频域信息重构成像图, 不同颜色代表相位的差异, 其中红色代表正相位, 白色代表负相位, 上半部分为直接重构成像结果, 下半部分为拟合结果 Figure2. Schematic of the time-domain imaging sequence and reconstructed frequency-domain imaging by Fourier transform for single conjugated polymer molecules based on defocused wide-field fluorescence imaging. The upper part of (a), (b) and (c) gives the experimental results of defocused wide-field fluorescence imaging, while the lower part shows the simulation results. (d), (e) and (f) are the reconstructed frequency-domain imaging at the same area, where red color represents positive phase and white represents negative phase, the upper part gives the results of reconstructed imaging, while the lower part shows the simulation results.
图3所示为图2中黄色圆圈所标示的PFO-DBT单分子Ⅰ, Ⅱ和Ⅲ的荧光调制轨迹和发射偶极取向方位角随时间变化的轨迹. 图3(a)表示施加在EOM上的调制信号, 用于调制脉冲对之间的相对相位; 图3(b)—(d)对应分子的荧光调制轨迹. 由图3(b)可以看到, 分子Ⅰ的荧光调制信号与施加在EOM上的锯齿波信号保持反相, 表明分子Ⅰ参与光吸收的发色团保持不变. 同时, 共轭聚合物单分子发射偶极取向方位角角度几乎保持恒定不变. 我们对方位角角度进行统计分析, 得到其平均值为34.0° ± 0.1°, 如图3(e)所示. 在约11 s后没有显示相应的角度变化, 是由于分子荧光信号变弱, 难以提取有效的角度信息或对角度拟合不准确. 由于PMMA宿主基质阻止了聚合物链的扭转运动, 而分支结构的不同也会导致临近发色团的发射偶极取向有很明显的差异[23], 因此, 可以认为在成像过程中聚合物单分子发射荧光的发色团也没有改变. 对于分子Ⅱ, 初始时共轭聚合物单分子荧光调制轨迹与EOM的调制信号轨迹同相, 而在6 s后反相, 如图3(c) 所示. 但是共轭聚合物单分子方位角角度保持恒定, 其平均值为47.7° ± 1.9°, 如图3(f) 所示. 因此分子Ⅱ参与光吸收的发色团发生变化, 但始终由同一能量最低的发色团发射荧光. 对于分子Ⅲ, 荧光调制轨迹与EOM的调制信号保持同相(图3(d)), 而方位角角度在正、负值之间频繁变化, 其统计结果出现两个明显的峰值, 分别为70.9° ± 7.9°和–67.2° ± 0.8°(图3(g)). 也就是说, 分子Ⅲ参与光吸收的发色团没有明显变化, 但其发射偶极取向频繁变化, 表明发射荧光的发色团发生了变化. 从图3中可以发现, 分子Ⅰ和分子Ⅱ在实验时间内只有一个发色团发出荧光. 相比而言, 分子Ⅲ可能存在两个甚至三个能量最低的发色团依次发射荧光. 这与我们之前研究发现的PFO-DBT共轭聚合物单分子发射荧光的发色团数目分布一致[13]. 图 3 共轭聚合物单分子Ⅰ, Ⅱ和Ⅲ的荧光调制轨迹和相应发射偶极取向发射角的变化 (a)施加在EOM上的锯齿波信号; (b), (c), (d)每个分子的荧光调制轨迹; (e), (f), (g)角度的变化 Figure3. Modulated fluorescence trajectories and corresponding emission angle of single conjugated polymer molecules Ⅰ, Ⅱ and Ⅲ: (a) The sawtooth wave signal applied on EOM that used for phase modulation of pulse pairs; (b), (c), and (d) the modulated fluorescence trajectories of each molecule; (e), (f), and (g) the change of the angle for molecules Ⅰ, Ⅱ and Ⅲ, respectively.
PFO-DBT分子还存在吸收偶极矩和发射偶极矩同时变化的情况, 如图4所示. 在实验时间内分子1的散焦光斑模式和频域重构成像的相位未发生变化, 表明分子1有固定的吸收跃迁偶极矩和发射跃迁偶极矩. 从图4(f)和图4(h)中可以看到, 分子1的荧光调制轨迹与EOM上施加的锯齿波信号(图4(e))反相, 发射偶极取向的方位角角度总是负值(–81.2° ± 0.1°). 与之相比, 分子2的发射偶极取向方位角角度在实验时间内发生了明显变化, 并且分子的频域重构成像相位也发生了变化, 表明分子2的吸收跃迁偶极取向和发射跃迁偶极取向都发生了变化. 图4(g)和图4(i)所示荧光调制轨迹和角度随时间的轨迹同样显示了这一变化. 在约5 s之后, 荧光调制轨迹和锯齿波信号之间的相关性从反相变为同相, 而共轭聚合物单分子2的发射偶极取向方位角也显示出明显变化, 存在约三个明显的峰值位置(–76° ± 0.2°, –17.6° ± 0.2°和15.1° ± 2.7°). 吸收和发射偶极取向同时发生变化, 表明部分PFO-DBT共轭聚合物单分子存在多个发色团依次吸收激光且有多个发色团依次发射荧光, 显示出共轭聚合物单分子中复杂的能量转移过程. 图 4 (a), (b)共轭聚合物单分子散焦宽场成像时域序列图和相应模式的拟合结果; (c), (d)频域信息重构成像和相应的拟合结果, 其中红色代表正相位, 白色代表负相位; (e)施加在EOM上的锯齿波信号; (f), (g)分别显示分子1和2的荧光调制轨迹; (h), (i)分别显示分子1和2的发射角的变化; 图中展示了共轭聚合物单分子吸收和发射偶极取向均保持恒定(分子1)以及吸收和发射偶极取向同时发生变化(分子2)的情况 Figure4. (a) and (b) are the snapshots of time-domain imaging based on defocused wide-field fluorescence imaging of single conjugated polymer molecules and corresponding simulation results; (c) and (d) show the reconstructed frequency-domain imaging and corresponding simulation results, where red color represents positive phase and white represents negative phase; (e) the sawtooth wave signal applied on EOM that used for phase modulation of pulse pairs; (f) and (g) show the fluorescence modulation trajectories of molecules 1 and 2, respectively; (h) and (i) show the change of emission angle of molecules 1 and 2, respectively. The absorption and emission dipole orientation of single conjugated polymer molecule 1 keep constant, while that of molecule 2 change simultaneously.