可靠的光化学和光物理表征对于理解和优化光催化过程至关重要。然而，传统的、手动光谱方法用于测定双分子光反应淬灭常数、摩尔消光系数和光致发光量子产率（PLQY）通常耗时、昂贵、耗费材料和人力，并产生大量化学废物。本文报道了Roblonski，一个紧凑、材料高效的微流体机器人平台，能够以高精度、重现性和准确性自动化执行这三种基础光化学分析。以Ru(bpy)3(PF6)2作为模型光敏剂和光催化剂，研究人员利用该平台对11种激发态电子和三线态能量转移淬灭剂进行了Stern–Volmer分析，对跨越3个数量级摩尔消光系数的五种化合物在多种溶剂中进行了Beer–Lambert研究，并对PLQY效率范围超过3个数量级的荧光团/发光团进行了相对PLQY测定。机器生成的结果与手动实验测量结果以及涵盖不同光谱特征、溶剂环境和信号强度范围的文献基准相匹配。与传统手动方法相比，Roblonski显著减少了样品消耗（溶液体积减少20倍，试剂摩尔数减少1000倍）并加快了数据收集速度（提升4倍）。通过将这些光化学相关分析集成到一个单一的、紧凑的自动化平台中，Roblonski有潜力降低实验障碍，实现对光催化剂和底物的数据密集型评估，并增强自主光化学发现和表征的能力。
平台仪器与操作
为在单一自动化平台上进行Stern–Volmer（SV）、Beer–Lambert（BL）和PLQY研究，研究团队围绕Gilson GX-241移液器式机器人液体处理器（LH）和OceanOptics QE-Pro光电二极管阵列光谱仪（有效范围350–950 nm）开发了Roblonski。作为一个流动池，团队制造了一个铝制支架，用于在采样移液器上方的LH管路段对齐光纤；这些光纤将光谱仪与宽带紫外-可见氘-卤素光源（OceanOptics）和窄带UV LED光源（ThorLabs）耦合。穿过流动池的LH氟化乙烯丙烯（FEP）管的有效光程确定为0.10 cm。将流动池模块集成到LH中减少了平台的总体占地面积，最小化了样品传输时间（即死体积），并消除了对额外泵和进样口的需要。所开发的机器人流体平台最终需要0.27立方米的空间（宽87厘米，深47厘米，高约66厘米，不包括计算机及其外围设备），小到可以放入手套箱。平台成本低于3万美元（但使用当前市场设备的复制版本估计约为7万美元，主要成本来自光谱仪和LH）。操作开始时，用户将1.5 mL样品瓶装载到LH平台上，并指定瓶参数、光谱采集参数和测定细节。平台随后自动执行液体转移、采样、混合、测量和清洗操作，并保存原始和处理后的数据。平台可以根据提供的信号目标值（仅限BL和PLQY）或拟合质量阈值（仅限SV）自动调整，例如稀释储备溶液或准备重复样品以增强数据。
校准与初步表征
为确保预期分析的准确性和精密度，首先对平台的基本性能进行了表征。体积移液精度通过重量法测量（实际体积 = 标称体积 × 0.976 – 0.244 μL），在0.5–50 μL等分范围内校准曲线精确（R² = 0.9998）。无转移测量允许对蒸发（约0.25 μL/min）进行校正。使用比色皿测量的锌(II) 四苯基卟啉在乙腈中的校准，确定0.04英寸（标称内径）FEP管的有效光程为0.102 ± 0.004 cm（0.039英寸）。通过模拟SV工作流程测量了交叉污染，最终确定的工作流程估计交叉污染率低于每次交互<0.15 μL污染物，其中样品瓶用薄隔膜密封，并且在采样瓶之间不对外部针进行清洗。有趣的是，用水或吸收性组织清洗针外部似乎会加剧交叉污染。假设外部清洗会在针尖捕获一些无法适当排出的清洗液，并且吸收材料会迅速饱和。考虑到流动池的运动，测量了平台上随机位置的入射光和PL信号，以识别光纤或FEP管移动和弯曲可能产生的伪影。未发现明显变化，变异系数（CV）分别小于0.65%和1.5%。
通过Stern–Volmer研究解码淬灭动力学
在Roblonski的第一个实验演示中，使用钌(II)光催化剂对11种淬灭剂和1个对照样品自动进行了SV分析，并随后与文献参考值和手动批量研究测量结果进行了基准测试。自动和手动研究均在开放空气环境中进行，样品暴露于大气中的基态三线态氧（O2），这可能会降低观察到的淬灭常数。文献参考值尽可能选择匹配这些条件。选择Ru(bpy)3(PF6)2作为光催化剂，因为其在文献中已有充分表征；选择的淬灭剂涵盖了其淬灭速率常数（kq；KSV除以无淬灭剂时的PL寿命）的几个数量级，并代表了多种常见的淬灭剂家族。所选组合包括硝基芳香族化合物、多环芳烃和二茂铁衍生物，它们都通过动态（碰撞）淬灭机制淬灭Ru(bpy)32+*，并且预计在空气存在下能抵抗测量伪影。使用光激发的Ru(bpy)32+*在淬灭剂（Q）存在下，三种不同的双分子反应途径是可能的：能量转移、氧化电子转移和还原电子转移。Roblonski被编程为对每个光催化剂-淬灭剂对准备六个淬灭剂浓度（每个浓度三次重复），并在恒定光催化剂浓度下测量它们的相对PL强度。整个淬灭剂库的研究在25小时内完成，无需人工干预。同时，在相同条件下手动进行了传统的比色皿式SV实验，为每个淬灭常数建立基准，这需要大约2周时间才能完成。自动和手动的kq值（使用实验确定的Ru(bpy)32+在空气平衡乙腈中的τ0= 160 ns计算）在所有淬灭剂上都密切吻合。对于二茂铁衍生物，Ru(bpy)32+的金属到配体电荷转移（MLCT）激发态的淬灭主要通过还原电子转移进行，kq随着甲基化程度的增加而增加（二茂铁 < 1,1′-二甲基二茂铁 < 十甲基二茂铁），因为给电子的甲基逐渐降低二茂铁的氧化电位——根据Marcus理论增强了电子转移的热力学驱动力。相反，乙酰二茂铁和苯甲酰二茂铁显示出较低的kq值，因为它们的吸电子取代基提高了二茂铁的氧化电位，减少了电子转移的驱动力。与扩散控制的文献基准一致，Ru(bpy)32+–二茂铁体系在脱气乙醇中的kq值（约5.9 × 109M–1s–1）大约是脱气乙腈中（约1.1 × 1010M–1s–1）的一半，这是由于乙醇的粘度较高，减缓了双分子碰撞。硝基芳香族淬灭剂都主要通过氧化电子转移进行，但程度和效率强烈依赖于位置效应和取代基共振。研究结果恢复了预期的淬灭行为，其中共轭与淬灭呈正相关（3-硝基苯甲醛 < 4-硝基苯甲酸甲酯 < 4-硝基苯甲醛）。所有三种芳香族化合物（蒽、吖啶和芘）通过三线态-三线态（Dexter）能量转移而非电子转移来淬灭Ru(bpy)32+的MLCT激发态。尽管在环境条件下测量，手动和自动测量结果再现了文献值。分子氧本身是Ru(bpy)32+*的强三线态淬灭剂，在空气饱和条件下将激发态寿命缩短了近一个数量级。对于强淬灭剂如4-硝基苯甲醛，影响不大——在空气、乙腈中的kq值与脱气文献基准密切匹配，因为其固有淬灭已经接近扩散极限。然而，对于较弱的淬灭剂，如4-硝基苯甲酸甲酯，尤其是3-硝基苯甲醛，氧的平行淬灭途径不成比例地抑制了观察到的淬灭速率常数，导致kq的表观低估。这解释了为什么手动和自动测量的空气饱和值，虽然相互一致，但随着固有淬灭速率的降低，逐渐偏离脱气文献值。通过集成近红外（NIR）探测器，平台可以捕获氧的磷光信号（约1270 nm），即使在环境条件下也能定量分离固有和氧诱导的淬灭，将常见的实验伪影转化为机理参数。尽管如此，自动和文献数据之间的总体一致性表明Roblonski适用于评估三线态能量转移淬灭过程。这些结果共同证明了给体取代基、溶剂性质和机理竞争之间在决定淬灭动力学方面的微妙相互作用。这些结果也强调了报告实验条件（如溶剂以及样品是空气平衡还是脱气）的重要性。自动、手动和文献值之间的微小差异在预期的实验不确定性范围内，源于激发带宽、探测器响应和样品处理的细微差异。因此，重要的是要考虑对于低溶解度或吸收-发射特征重叠的淬灭剂，这些差异可能变得更加明显，在这种情况下，必须在数据处理程序中添加必要的光谱校正（例如，内滤光校正）。尽管如此，所有淬灭剂和机理的总体一致性证实了Roblonski可以使用微升级样品，在不牺牲准确性的情况下，快速、可重现地测定宽动态范围内的kq值。
效率表征
为了量化操作的时间和材料成本，将Roblonski与手动和三种自动SV分析进行了比较，后者由其他研究者先前建立。这种比较涵盖了三种模式：平行批量（在微孔板中）、串行机器人流体和动态流动实验。对于每个SV活动（确定一个催化剂-淬灭剂对的单个SV淬灭常数所需的一组N个强度测量），Roblonski提供了竞争优势。尽管该方法在数据采集速度上不如其他自动化方法快，但它在体积上使用的材料要少得多（并且只有一个实现方案在摩尔数上使用的材料更少），需要更少或更小的消耗品（玻璃瓶、微孔板等），产生的化学废物显著减少（特别是与微孔板实现方案相比），并且相对小巧且便宜。总体而言，Roblonski在时间和人力上表现出显著的减少：与手动操作相比，SV研究的总时间减少了4倍，操作员主动时间（样品制备和/或数据分析）减少了2倍。文献报道的批量和平行流平台仅在一个分析（SV分析）中得到演示。相比之下，文献报道了一个机器人流体平台，该平台在两种模式下进行了演示：淬灭活性的快速筛选和完整的SV分析。Roblonski设计用于三种独立的光化学分析，无需进行实验修改，并且可以轻松扩展以纳入其他分析，例如动态PL实验（寿命测定）。值得注意的是，类似批量的样品处理实现了可达到浓度的宽动态范围（通过连续稀释），这在纯流动平台中由于连接处体积流速比的物理限制而难以实现。下面介绍的BL消光系数和PLQY研究的操作成本在支持信息中报告。
通过Beer–Lambert研究调查光吸收特性
为了基准测试平台在紫外-可见吸收光谱方面的准确性和多功能性，研究人员利用Roblonski自动测定了一组具有不同类型电子跃迁的五种代表性化合物的BL摩尔消光系数（ε）：锌(II)酞菁、二茂铁、Ru(bpy)3(PF6)2、罗丹明B和苝。选择这些化合物是为了跨越ε值的宽动态范围（二茂铁在442 nm处配体场d-d跃迁的96 M–1cm–1到Zn(II)酞菁在674 nm处π-π*跃迁的277,000 M–1cm–1），并捕获简单和复杂的光谱轮廓。值得注意的是，芳香烃苝由于其吸收光谱中表现出振动精细结构而显示出多个吸收最大值，从而能够评估Roblonski同时提取多个波长处消光系数的能力。选择溶剂是为了确保足够的溶解度和光谱保真度。在自动化工作流程中，每个BL研究使用7个测量的浓度-吸光度点进行，并辅以一个额外的、以原点为中心的点进行线性回归（这是一种比固定截距线性回归更具诊断性的方法）。为了最大化测量精度，研究人员在LH管路中采用了一个工作瓶，而不是微液滴，这一设计选择增加了每个重复的样品使用量（瓶内250 μL对比液滴50 μL），但减少了对流动池管频繁更换的需要，并确保了在重复运行中稳定的信号性能。为了进行比较，手动测量使用传统的比色皿法进行，该方法涉及制备多个稀释液并在标准的1 cm²石英比色皿中记录吸光度。自动化、手动和文献的BL消光系数值被呈现出来。Roblonski展示了在所有研究的化合物中提供高度线性的吸光度-浓度关系（R² ≥ 0.998）并具有出色重现性的能力。通过自动化方法获得的摩尔消光系数与手动测定值和文献基准密切匹配，验证了在三个数量级ε值范围内以及对于单峰和多峰光谱的准确性。自动和手动结果与文献基准之间的微小差异在预期的实验和文献不确定性范围内，对于常规摩尔消光系数，这种不确定性通常在~5–10%左右，源于浓度测定、光程校准和仪器因素。在苝于435.5 nm处的情况下，自动化设备观察到的ε值略低可归因于一个微妙的光谱特征：主峰蓝色侧的一个小肩峰。与用于手动测量的台式分光光度计相比，Roblonski的光纤耦合光谱仪探测器（Ocean Optics QE Pro）的光谱分辨率较低，记录的λmax落在肩峰和真实峰值最大值之间，产生了略微降低的值。重要的是，这种效应仅局限于苝的第一个振动吸收峰，并不影响整体的BL一致性趋势。
通过相对PL量子产率测定进行效率基准测试
接下来，为了评估Roblonski进行联合发射-吸收测量的能力，测量了一组代表性荧光团的相对PLQY值。对于不显示磷光的荧光团，PL测量实际上是荧光测量——下文将始终使用PL，因为检测器未设置为区分两者。在这种相对QY方法中，参考荧光团和样品都在稀释系列中进行测量，然后将积分PL强度对1–10–A作图（其中A是激发波长处的吸光度）。线性拟合的斜率与PLQY成正比。通过对溶剂折射率（nD）进行校正，相对斜率（样品与标准品）决定了绝对PLQY值。在本研究中，在环己烷中以365 nm激发的9,10-二苯基蒽（DPA）作为参考（荧光QY = 0.93 ± 0.03）。重要的是，使用Roblonski进行这些定量测定不需要光学比色皿。这种基于斜率的相对PLQY方法实现具有几个优点，特别是在自动化背景下。通过处理一系列稀释液并积分整个发射带，它最大限度地减少了基线偏移、波长依赖性探测器灵敏度和激发强度微小波动带来的误差。绘制积分PL强度对1–10–A的图 inherently 考虑了浓度变化，并确保校准曲线上的每个点都具有物理意义。此外，这种方法对于样品和参考之间的小光谱偏移是稳健的。它可以在不需要探测器绝对辐照度校准的情况下进行，使其非常适合在紧凑的微流体装置中进行高通量测量。自动化、手动和文献值之间的微小差异在预期的实验误差范围内，反映了光学几何形状、仪器响应、材料纯度和溶剂微环境的差异。在相同条件下包含手动基准提供了关键的实验室内验证，确认Roblonski可以准确测定跨越大约0.1–100%的绝对PLQY，涵盖化学上多样的荧光团和溶剂。自动化PLQY测量方法，如在本平台上部署的那样，再现了文献和手动PLQY值，涵盖了广泛的发射体、溶剂和PLQY值。例如，在环己烷中，蒽（文献值：28%）和苝（文献值：94%）的自动化、手动和文献PLQY值之间的差异不超过6个百分点（z分数1.4）。在PLQY量表的低端，机器测定的Ru(bpy)3(PF6)2在乙腈中的PLQY落在文献值1.8%的0.2个百分点内（z分数0.9）——证明了即使对于源自光敏剂的低光致发光量子效率也能准确执行。
结论
在三个案例研究——SV淬灭分析、BL摩尔消光系数测定和PLQY测量——中，Roblonski始终以高保真度再现了手动和文献值，尽管涉及不同的化学体系、光物理过程和宽动态范围。研究人员将这种灵活性和精确性部分归因于类似批量的样品制备与微流体检测器集成之间的协同作用。执行连续稀释以获取宽浓度范围的能力以及平台上自动制备新储备溶液的能力促进了同一平台上多种分析的部署。类似地，平台的微流体方面增强了样品液滴混合，最小化了样品体积，并减轻了测量光谱中明显的内滤光效应。总体而言，Roblonski可以作为一个多功能的多分析光化学中心，在效率、操作稳定性和通量方面进行权衡取舍。
局限性与未来方向
在SV淬灭实验中，平台的性能受溶解度和相态的影响。虽然本研究中大多数淬灭剂在约2 mM浓度下提供了良好的响应，但3-硝基苯甲醛需要500 mM的储备液才能落在检测限内。在平台的初步测试中，尝试了纯硝基苯；然而，液滴间可变的溶剂浓度对自动化数据处理提出了挑战。此外，Roblonski对沉淀敏感——既影响其执行液体处理任务的能力，也影响其准确测量光谱的能力。重要的是，Roblonski不是自主的。操作员必须提供可接受的信号阈值，提供预期峰位置的估计（或自动定位这些峰的方法），确定令人满意的光谱测量参数（扫描次数、扫描间距和积分时间），并以大致令人满意的浓度制备初始储备溶液（Roblonski只能对用户提供的储备溶液进行一次稀释尝试以达到可接受的浓度）。将Roblonski扩展到新的化学系统或分析可能需要一些用户重新配置。固定的平台属性，如LH背衬溶剂、光谱仪狭缝尺寸、流动池管直径（即光程）和光纤直径，可能需要在分析之间进行调整。诸如更换光源或将可观测范围扩展到紫外-可见光之外等挑战是可行的，使用光学分束器和多个光源/探测器；然而，这些解决方案将大大增加平台的总体成本。展望未来，Roblonski的溶剂兼容性和适应性使其适用于光化学动力学、光致变色、光化学上转换和动态光致发光测量的定量研究。类似地，Roblonski的灵活性使其适用于软硬材料、有机和无机材料、半导体纳米晶体、金属有机框架和其他有价值的光子材料平台的光谱评估。SV结果突显了未来工作的一个关键概念点：仅凭淬灭速率常数不能完全揭示机理，因为可比较的kq值可能源于电子转移、能量转移或两者的组合。解开这些途径需要补充的时间分辨技术，例如纳秒或飞秒瞬态吸收光谱，直接探测电荷分离或三线态中间体。除了基于NIR的单线态氧校正之外，SV数据处理的一个有趣途径是自动化选择底层淬灭模型（例如，Lehrer调整淬灭模式）。Roblonski平台的近期目标包括与实验室辅助软件（如Co-Scientist）集成以提供更友好的非程序员界面，以及通过时间相关单光子计数或门控检测纳入寿命测量分析。Roblons
