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稳态/瞬态荧光光谱仪的使用与维护

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2023/10/30

分子荧光光谱

稳态/瞬态荧光光谱仪的维护与管理

摘要：稳态/瞬态荧光光谱仪（型号：FLS1000）是一款功能模块化的测试光致发光的光谱仪，专注于稳态及时间分辨光谱测试，主要应用于光物理、化学、材料科学和生命科学等方面，已成为各学科领域不可或缺的重要技术表征手段。本文系统介绍稳态/瞬态荧光光谱仪相关附件的维护以及光谱仪的管理，为光谱仪的开发、应用及使用管理提供借鉴。

关键词：光谱仪维护管理

一、稳态/瞬态荧光光谱仪相关附件的维护

光源简介及维护：稳态/瞬态荧光光谱仪主要由激发源（光源）、样品仓和检测器组成。其中，光源分为稳态光源和瞬态光源。稳态光源一般是光谱及能量连续输出的氙灯，主要用于稳态谱、量子产率的测试。瞬态光源为频率可调、具有特定脉宽的脉冲输出光源，主要有微秒灯、纳秒灯和皮秒脉冲激光器等，主要用于荧光寿命的测试。以本院购买的FLS1000光谱仪系列为例，配备三种标准光源：连续氙灯（稳态光源）、μF2微秒脉冲氙灯、nF920纳秒灯以及皮秒级脉冲激光器(EPLs)。

稳态光源氙灯在启亮以后会发热，长时间使用后，一定要关灯进行散热，散热结束方可关闭氙灯电源。氙灯使用寿命一般在1000小时，在使用寿命达到以后，要及时更换氙灯。相对而言，瞬态光源中的微秒灯和脉冲激光器维护较简单，禁止频繁开、关灯源。同时，在频率由最大切换至最小（或由最小切换至最大）过程中，建议缓慢切换。纳秒灯俗称氢灯，在使用过程中，首先观察氢压是否在0.39-0.43bar范围内，如果氢压过高，需要进行泄压操作。如果氢压过低，需要重新灌注氢气进行升压。方法如下：将阀门缓慢打开与大气相通，即可进行泄压。灌注氢气加压过程需阀门一端接通油泵进行抽真空操作，一端与氢气源接通进行灌注，反复两端拧动阀门，进行抽气、充气，待氢气灌注以后，调节压力至0.39-0.43bar。纳秒灯长久使用以后，纳秒灯电极很容易氧化，体现出来的是，及时氢压符合要求，纳秒灯也无法启亮。此时，设备管理员需取出电极打磨，然后重新安装。方法如下：先泻氢压，拔下光纤，打开纳秒灯仓门，分别取下尖头电极和平头电极，用砂布打磨电极至光亮，然后依次安装电极（两电极相隔1 mm），通过观察仓可以观察到四个像（两个实像、两个虚像），安装成功的成像效果如图所示（可以通过手机拍照显示）：

检测器简介及维护：FLS1000内含高增益光电倍增管(PMT)检测器，适用于稳态谱和时间分辨过程中的光子计数收集。最常用到的是紫外-可见检测器，其对应光谱检测范围200-980nm。检测器使用前通常都需要降温，以减少黑暗计数率，提升信噪比，紫外-可见检测器有自带半导体制冷片，可提供-20 ℃的工作温度。需要注意的是检测过程中，样品实际信号不能超过检测器的最大阈值。另外，FLS1000还配备有近红外检测器，因近红外检测器的噪音较高，需要外加液氮制冷达到77 k的工作温度降低噪音信号，对应光谱检测范围300-1700nm。近红外检测器使用前，需要使用液氮降温2-3小时。

样品仓内配备有固体支架、液体支架，根据实际实验需要，更换不同的支架来进行测试。定期清理样品仓，保证样品仓的干净、整洁。

二、稳态/瞬态荧光光谱仪的管理

由于FLS1000的功能较多，并且，随着科研的发展，科研需求呈现多样化，因此，如何在满足多样化需求的前提下提高仪器的使用效率，并减少设备故障，是需要思考的重要问题。FLS1000主要采取以下培训管理模式：

（1）集中培训，自行测试

集中组织学生实地参观，进行实物观摩培训学习，面对实物，分模块详细介绍光谱仪的基本构造（激发源、样品仓、检测器）、工作原理、功能、附件的操作特点等，详细讲解样品制备并进行操作流程演示，根据样品的形状（粉末、液体、薄膜）介绍三种制样和上样方法，两种样品支架的安装方法和注意事项。重点介绍如何根据测试不同项目选择不同的激发源和检测器。

根据不同的测试项目，首先讲解荧光光谱（激发和发射光谱）的测试采集，实物演示激发源的选择和开启、上样，详细讲解参数设置、信号调节以及条件优化等。然后，讲述荧光寿命的测试，从荧光寿命的定义出发，引导学生思考寿命衰减测试与光谱测试的不同，从而更深入的理解如何设置和调节参数，如何优化测试条件。此两项测试属于基础测试，操作简单，参数优化较容易。在此基础上，针对有测试需求的学生，进一步讲解磷光光谱和长寿命测试方法，着重讲解门控法测试磷光光谱的原理。有关磷光的测试，测试效果很大程度上依赖于磷光的强弱和寿命长短，信号调节、参数设置和优化相对而言较为困难。

关于低温、变温光谱与寿命测试，着重讲解演示如何将常温系统进行升级拓展，变装成低温、变温系统，并引导学生进行对比，透彻理解低、变温测试与常温测试的异同点。

（2）重点培训，专人专时测样

量子产率测试是一项极为精确的测试，所用到的附件-积分球是影响测试结果的关键性因素，而在测试过程中，由于静电作用或经验不足，粉尘或者样品粉末极容易附着于积分球内，造成积分球污染，一方面影响测试结果，另一方面，给仪器维护带来不便。通过前期的试运行一年，发现量子产率测试的总时长短，测试时间分散，测试人员较多。基于此，对于使用积分球测试量子产率，提出了重点培训，专人、专时测样的培训管理制度。每课题组或单位指派两名学生，重点培训量子产率测试方法，从原理、测试方法、注意事项、数据分析等方面全面培训并考核。例如：每月月初和月中分别固定两天，不做任何其他测试，专门用于测试量子产率。该课题组内所有需要测试量子产率的样品，由重点培训人带领送样人在固定的时间共同完成。重点培训，专人、专时测样的管理模式，按需求重点培训一批专业度高、熟练度高的专业人员，并将测试时间集中，减少积分球短时间多频次暴露，很大程度上减少了积分球污染的可能。同时，重点培训人带领送样人共同测试有效解决了因沟通不及时导致测试效率低等问题。

（3）上机考核

根据科研实际情况，模块化选择考核项目，从开机、原理、参数调节、注意事项等方面考察用户知识掌握情况和实践水平，针对关键性步骤反复强调和指导，并根据实际测试过程学生碰到的疑难问题，将实践中总结的经验传授给学生。最后经专业技术教师考核，认定学生已掌握理论知识和实践操作流程，实践操作符合规范，能规范完成各项测试并完成数据分析的学生可以获得独立上机操作的权限。作为专业技术教师，“授之鱼不如授之以渔”，在培训和考核过程中，教师的作用，一方面让学生成功获得规范测试的能力，更重要的是，要让学生学会分析问题和解决问题的能力。每位学生的科研方向和需求不同，碰到的问题各异，实验测试是解决问题的一种手段，要让学生知其然更知其所以然，从根源上分析问题并解决问题。通过考核获得独立上机权限的同学帮带新同学，帮助新同学完成培训。这种“老带新”的培训模式发挥了学生的主观能动性，增强了学生的责任意识和团结合作的意识，同时，也减轻了专业技术教师的压力，更有利于仪器新功能开发和拓展工作的开展。培训完成以后，经过教师考核合格的学生可以获得独立上机操作的权限。通过这种“传-帮-带”的培训考核模式，不断培训更多的学生，让更多学生成为测试小能手。

三、结语

本文介绍了稳态/瞬态荧光光谱仪的附件结构及维护方法，并结合研究院实际介绍了管理模式，提高仪器使用效率的同时，降低了仪器故障率，为光谱仪的开发、应用及使用管理提供借鉴。

附件：

稳态、瞬态荧光光谱仪的维护与管理.docx
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