稳态荧光光谱仪

[align=center][font=黑体]稳态[/font][font='Times New Roman',serif]/[/font][font=黑体]瞬态荧光光谱仪的维护与管理[/font][/align][font=宋体]摘要：稳态[/font][font='Times New Roman',serif]/[/font][font=宋体]瞬态荧光光谱仪（型号：[/font][font='Times New Roman',serif]FLS1000[/font][font=宋体]）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[/font][font='Times New Roman',serif]/[/font][font=宋体]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。[/font][font=宋体]关键词：光谱仪[/font][font=宋体]维护[/font][font=宋体]管理[/font][font='Times New Roman',serif] [/font][font='Times New Roman',serif]一、 [/font][font=宋体]稳态[/font][font='Times New Roman',serif]/[/font][font=宋体]瞬态荧光光谱仪相关附件的维护[/font][font=宋体]光源简介及维护：稳态[/font][font='Times New Roman',serif]/[/font][font=宋体]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[/font][font='Times New Roman',serif]FLS1000[/font][font=宋体]光谱仪系列为例，配备三种标准光源：连续氙灯（稳态光源）、[/font][font='Times New Roman',serif]μF2[/font][font=宋体]微秒脉冲氙灯、[/font][font='Times New Roman',serif]nF920[/font][font=宋体]纳秒灯以及皮秒级脉冲激光器[/font][font='Times New Roman',serif](EPLs)[/font][font=宋体]。[/font][font=宋体]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[/font][font='Times New Roman',serif]1000[/font][font=宋体]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[/font][font='Times New Roman',serif]0.39-0.43bar[/font][font=宋体]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[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相[/color][/url]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[/font][font='Times New Roman',serif]0.39-0.43bar[/font][font=宋体]。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[/font][font='Times New Roman',serif]1 mm[/font][font=宋体]），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）：[/font][align=center][font='Times New Roman',serif][img=,169,]file:///C:/Users/Lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.png[/img][/font][/align][font=宋体]检测器简介及维护：[/font][font='Times New Roman',serif]FLS1000[/font][font=宋体]内含高增益光电倍增管[/font][font='Times New Roman',serif](PMT)[/font][font=宋体]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[/font][font='Times New Roman',serif]-[/font][font=宋体]可见检测器，其对应光谱检测范围[/font][font='Times New Roman',serif]200-980nm[/font][font=宋体]。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[/font][font='Times New Roman',serif]-[/font][font=宋体]可见检测器有自带半导体制冷片，可提供[/font][font='Times New Roman',serif]-20 ℃[/font][font=宋体]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，[/font][font='Times New Roman',serif]FLS1000[/font][font=宋体]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[/font][font='Times New Roman',serif]77 k[/font][font=宋体]的工作温度降低噪音信号，对应光谱检测范围[/font][font='Times New Roman',serif]300-1700nm[/font][font=宋体]。近红外检测器使用前，需要使用液氮降温[/font][font='Times New Roman',serif]2-3[/font][font=宋体]小时。[/font][font=宋体]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。[/font][font=宋体]二、稳态[/font][font='Times New Roman',serif]/[/font][font=宋体]瞬态荧光光谱仪的管理[/font][font=宋体]由于[/font][font='Times New Roman',serif]FLS1000[/font][font=宋体]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。[/font][font='Times New Roman',serif]FLS1000[/font][font=宋体]主要采取以下培训管理模式：[/font][font=宋体]（[/font][font='Times New Roman',serif]1[/font][font=宋体]）集中培训，自行测试[/font][font=宋体]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。[/font][font=宋体]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。[/font][font=宋体]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。[/font][font=宋体]（[/font][font='Times New Roman',serif]2[/font][font=宋体]）重点培训，专人专时测样[/font][font=宋体]量子产率测试是一项极为精确的测试，所用到的附件[/font][font='Times New Roman',serif]-[/font][font=宋体]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。[/font][font=宋体]（[/font][font='Times New Roman',serif]3[/font][font=宋体]）上机考核[/font][font=宋体]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，[/font][font='Times New Roman',serif]“[/font][font=宋体]授之鱼不如授之以渔[/font][font='Times New Roman',serif]”[/font][font=宋体]，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[/font][font='Times New Roman',serif]“[/font][font=宋体]老带新[/font][font='Times New Roman',serif]”[/font][font=宋体]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[/font][font='Times New Roman',serif]“[/font][font=宋体]传[/font][font='Times New Roman',serif]-[/font][font=宋体]帮[/font][font='Times New Roman',serif]-[/font][font=宋体]带[/font][font='Times New Roman',serif]”[/font][font=宋体]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。[/font][font='Times New Roman',serif]三、 [/font][font=宋体]结语[/font][font=宋体]本文介绍了稳态[/font][font='Times New Roman',serif]/[/font][font=宋体]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。[/font]

最近实验室装了一台稳态/瞬态荧光光谱仪FLS920，跟大家交流一下心得。 由于实验室原有的一台普通荧光仪已经不能满足实验测量的需要，因此导师决定购买一台新的荧光仪，根据课题组有关老师的使用经验和相关同行的使用情况，同时由于经费比较充足，决定购买稳态/瞬态荧光光谱仪。仪器类型确定后开始进行招标，下面列出一些招标的具体做法。 1．编制招标文件。招标文件由设备管理部门和用户共同编制完成，是投标和评标的主要依据。一份科学、合理、可行的招标文件是关系到招标工作成败的关键，其内容要求准确、完整、规范，主要包括：(1)招标公告；(2)投标人须知；(3)设备性能及配置一览表；(4)开标和评标；(5)合同的签订与执行；(6)其他。 2．发布招标信息。招标单位在招标内容确定以后通过媒体发布招标公告或投标邀请书。公布招标项目名称、招标编号、采购的数量、开标时间及地点和招标方式等。 3．开标和评标。开标在招标文件规定的时间和地点进行，设备、纪检监察、审计部门的代表、用户和专家组成员出席。评标是招标工作的重要环节，在整个招标过程中的作用至关重要，只有经过公正的评标，才能确定最优秀的中标单位。为此，学校成立招标领导组和评标专家组，专家组成员一般由5名相关专家组成。同时，我们将评标分为初评和详评两个阶段。初评：由专家组审阅投标文件是否完整、规范并符合招标文件要求；投标人所具有的主体合格性；证明文件是否齐全；投标书对招标文件作出的响应程度；确定投标人是否进入详评阶段。详评：专家组根据投标人提供的设备报价、设备性能指标、服务承诺、商家信誉、相关业绩等因素，坚持公平、公正的原则，比较性价比，进行综合打分，根据投标人得分的高低，确定中标单位。 4．签订供货合同。 我没有参加仪器的招标和谈判，对这些程序也不太了解。下面谈一些仪器的验收过程。 由于仪器比较大，到货后装在两个大木箱里，木箱上的标识很齐全，另外在木箱上有防震检验标记，如果在运输过程中发生一定程度的震动标记会发生颜色变化，要注意查看。一般仪器厂商都会派技术人员负责仪器的开箱、安装、验收与培训。在验收过程中首先将装箱单与每一个部件核对，再与合同对照有无出入。验收过程中要针对每一个部件进行样品测试，检查部件能否正常工作。如果与合同规定的部件有出入或有器件损坏，可立即要求赔偿或更换。验收完后要签订一个技术检验报告。一般仪器的安装调试过程也是一个培训过程，在这个过程要认真咨询仪器的使用，维护和售后等相关情况。另外可以举行专门的技术讲座，对这个仪器的使用人员进行一次培训。 小结：这次实验室所采购的是爱丁堡的稳态/瞬态荧光光谱仪FLS920，可以去厂商的主页查看一些相关信息(www.edinst.com).仪器的采购要量力而为，根据使用需求，经费情况选择合适的仪器。一般大型仪器的维护费用都很高，所以要考虑是否真正需要。再介绍一下稳态/瞬态荧光光谱仪FLS920仪器的特点：FLSP920 采用TCSPC（Time Correlated Single Photon Counting）技术进行荧光寿命测量，可以测量PS级的荧光寿光，测量波长范围185 -1700nm，结合附带软件可以进行如下功能测试：Measurement Modes：Signal Rates，Excitation Spectra，Emission Spectra，Anisotropy Spectra，Kinetic Measurements，Synchronous Spectra，Corrected Spectra，Temperature Resolved Spectra Map，Synchronous Spectra Map，Excitation-Emission Map，Sample Temperature Monitoring。Control Features：Wavelength selection，Grating selection，Spectral scan limits，Integration time per data point，Sample selection (3 position)，Programmed excitation shutter，Programmed attenuator，Source and detector selection，On-line spectral data correction，Post acquisition spectral correction，Polariser selection and orientation，Cryostat control，Plate reader control。Data Manipulation & Display：Arithmetic ( + , - , × , / , append )，Scaling / multiplication factor，Normalise，Baseline subtraction，Crop range，Smooth，2D, 3D, Contour and text，Grid ON / OFF，Differentiation / Integration，Peak search，CorrectionAnisotropy (G factor corrected)，Logarithmic / linear scales，Cursor locations，Join, split and extract frames。附件是合同样本和FLS920说明书（PDF格式）[IMG]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/01/201701191651_624106_1642290_3.jpg[/IMG][img]http://www.instrument.com.cn/bbs/images/affix.gif[/img][url=http://www.instrument.com.cn/bbs/download.asp?ID=124959]合同样本和FLS920说明书[/url]

[b]只要发光，您就可以用FLuoroLog检测稳态方面[/b]：为您提供激发谱、发射谱、同步谱、EEM三维谱及动态扫描；[b]测量对象[/b]：无论块体、粉体、液体或气体，无论微量还是常量，无论是在线（远程测量）还是温度控制，无论是常规还是微区空间分辨、时间分辨，无论是化学发光、生物发光或光纤导入的射线发光，简单透射荧光及角度依赖性等等，可以为您提供解决方案。瞬态方面：可以选配频域技术，提供快速的荧光寿命测量，在比较的常规配置下，满足20ps-10s范围寿命的获取。选取TCSPC的单光子计数测量技术，最新的迷你NanoLED光源，密集覆盖从250nm-1310nm的范围加之1MHz的闪烁频率和竞争力的价格，为TCSPC带来全新的形象。技术特点：[b]全反射光学系统[/b]无论灯室还是单色仪，全部采用反射式光学结构，以避免透镜带来的色差及光损失。透镜聚焦的焦距是波长的函数，在全色光经过透镜后会在轴向分布聚焦点，这种色差带来的光学强度的相关响应，是无法采用校正来消除的。对于全波段的定量，特别是光致发光绝对量子产率的测定特别重要。[b]光栅在轴扫描[/b]所有光栅采用在轴扫描，光栅扫描转动时光栅表面和旋转轴在一个平面，保证全波段的波长准确性。[b]模块化功能，模块化结构[/b]结构模块化、功能模块化，为您的需要定制打造，细节的满足您的科研要求，预留可能的升级空间，为将来的科研预留扩展。[b]多功能的样品仓[/b]样品仓提供几乎所有您需要的附件的安装。采用挡板隔离光学部件，避免粉尘和样品污染，延长仪器使用寿命。预留激光器、电缆及气氛接口，全面适合您的需求。可选的T型光学系统，用于双波长测试及更宽的波长升级需要。[b]软件部分[/b]稳态软件耦合在最为著名的数据图谱处理软件Origin中，最新版本的Fluoressence软件及升级包，彻底克服耦合中不稳定现象，让您充分享受数据轻松处理的快乐。全球公认的Datastation 和DAS6瞬态数据采集及数据拟合软件，满足您荧光寿命测试的需求[b]优异的光学元件及降噪的设计理念[/b]所有光学元件来自Horiba Jobin Yvon旗下Spex工厂，它是世界上最为著名的光学元件供应商，也是哈勃望远镜的元件供应商。采用高质量光学元件降低光学噪声，而不依赖单纯的电子增益，特别有利于采集来自固体及散光材料的真实发光信号。[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2009/10/200910101520_175149_1609847_3.jpg[/img]

由于实验室原有的一台普通荧光仪已经不能满足实验测量的需要，因此导师决定购买一台新的荧光仪，根据课题组有关老师的使用经验和相关同行的使用情况，同时由于经费比较充足，决定购买稳态/瞬态荧光光谱仪FLS920。[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2009/05/200905141050_150080_1603372_3.jpg[/img]

一、概况及发展历史1．原理在吸收紫外和可见电磁辐射的过程中，分子受激跃迁至激发电子态，大多数分子将通过与其它分子的碰撞以热的方式散发掉这部分能量，部分分子以光的形式放射出这部分能量，放射光的波长不同于所吸收辐射的波长。后一种过程称作光致发光。分子发光包括荧光、磷光、化学发光、生物发光和散射光谱等。基于化合物的荧光测量而建立起来的分析方法称为分子荧光光谱法。由光源发出的光通过切光器使其变成断续之光，通过激发光单色器变成单色光，此光即为荧光物质的激发光。被测的荧光物质在激发光照射下所发出的荧光，经过单色器变成单色荧光后照射于光电倍增管上，由其所发生的光电流经过放大器放大输至记录仪。一个激发，一个发射，采用双单色器系统，可分别测量激发光谱和荧光光谱。目前国内外荧光光谱仪示意图如图一：http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/12/201112201524_339678_2439370_3.jpg 图一 荧光光谱仪原理示意图2．分类荧光光谱仪是测定材料发光性能的基本设备。 通用荧光光谱仪大致可分为3种：(1) 基本型：在200-800 nm的紫外可见波段的稳态光谱仪。 (2) 扩展型：覆盖200-1700 nm波段的紫外可见-近红外稳态光谱仪。 (3) 综合型：覆盖上述两个波段，同时可测瞬态光谱的光谱仪。3．主要用途（1）荧光激发光谱和荧光发射光谱； （2）同步荧光（波长和能量）扫描光谱； （3）3D（Ex Em Intensity) ；（4）Time Base和CWA(固定波长单点测量）； （5）荧光寿命测量，包括寿命分辨及时间分辨；（6）计算机采集光谱数据和处理数据（Datamax和Gram32)。4．发展历史第一次记录荧光现象的是16世纪西班牙的内科医生和植物学家N.Monardes，1575年他提到在含有一种称为“LignumNephriticum”的木头切片的水溶液中，呈现了极为可爱的天蓝色。在17世纪，Boyle（1626—1691）和Newton（1624—1727）等著名科学家再次观察到荧光现象。之后荧光就引起了许多科学家的研究兴趣，荧光分析方法也越来越多的被应用到生物和化学分析当中。　 当然荧光分析方法的发展，与仪器应用的发展是分不开的。总体来说，荧光光谱仪自问世以来经过了三个阶段的发展过程： （1）手动式；（2）自动扫描；（3）微机化。19世纪以前，荧光的观察是靠肉眼进行的，直到1928年，才由Jette和West提出了第一台光电荧光计。光电荧光计的灵敏度是有限的，1939年Zworykin和Rajchman发明光电倍增管以后，在增加灵敏度和容许使用分辨率更高的单色器等方面，是一个非常重要的阶段。1943年Dutton和Bailey提出了一种荧光光谱的手工校正步骤，1948年由Studer推出了第一台自动光谱校正装置，到1952年才出现商品化的校正光谱仪器。 二、主要部件及功能 荧光光谱仪主要包括光源、激发单色器、样品池、荧光单色器及检测器等主要部件。1．光源早期的荧光分光光度计，配有能发生很窄汞线的低压汞灯。使用高压汞灯，谱线被加宽，而且也存在高强度的连续带。然而，一个完整的激发光谱的测定需一种能发射从可见到紫外范围的较高强度的光辐射的灯。氙弧灯能适于此条件，因此，它是目前在荧光分光光度计中最广泛使用的光源。2．单色器单色器的作用是把光源发出的连续光谱分解成单色光，并能准确方便地“取出”所需要的某一波长的光，它是光谱仪的心脏部分。单色器主要由狭缝、色散元件和透镜系统组成，其中色散元件是关键部件。色散元件是棱镜和反射光栅或两者的组合，它能将连续光谱色散成为单色光。（1）棱镜单色器 棱镜单色器是利用不同波长的光在棱镜内折射率不同将复合光色散为单色光的。棱镜色散作用的大小与棱镜制作材料及几何形状有关。常用的棱镜用玻璃或石英制成。可见分光光度计可以采用玻，它适用于紫外、可见整个光谱区。 （2）光栅单色器 光栅作为色散元件具有不少独特的优点。光栅可定义为一系列等宽、等距离的平行狭缝。光栅的色散原理是以光的衍射现象和干涉现象为基础的。常用的光栅单色器为反射光栅单色器，它又分为平面反射光栅和凹面反射光栅两种，其中最常用的是平面反射光栅。光栅单色器的分辨率比棱镜单色器分辨率高（可达±0.2nm），而且它可用的波长范围也比棱镜单色器宽，且入射光80%的能量在一级光谱中。近年来，光栅的刻制复制技术也在不断地改进，其质量也在不断的提高，因而其应用日益广泛。（3）狭缝狭缝是单色器的重要组成部分，直接影响到分辨率。狭缝宽度越小，单色性越好，但光强度也随之减少。3．样品池荧光仪用的样品池需用低荧光的材料制成，通常用玻璃和石英材料，形状以方形和长方形为宜。4．检测器

[align=center][b][font=黑体]激光诱导荧光光谱的构建：弱荧光半导体性能初探[/font][/b][/align][align=center][font=宋体]魏[/font][font=宋体]巍[/font], [font=宋体]朱倩倩，李莉，李军，李艳肖[/font][/align][align=center][font=宋体]江苏大学[/font][font=宋体]分析测试中心[/font], [font=宋体]江苏[/font] [font=宋体]镇江[/font] 212013[/align][b][font=黑体]摘[/font][font=黑体]要[/font]: [/b][font=宋体]通过激光诱导荧光光谱测试模块的搭建，利用激光诱导荧光光谱对氧化钛、多氧酸盐等半导体固体材料的稳态荧光测试手段，通过多组分调控稳态荧光强度，发现光催化材料的协同作用影响荧光强度，为新型光催化材料体系筛选提供理论指导。将检测模块扩大到物理、化学、生物、医药和材料科学等研究领域。作为学校公共服务平台，支撑了学校的物理、化学、材料、环境等学科的发展。[/font][b][font=黑体]关键词[/font]: [/b][font=宋体]激光诱导荧光；弱荧光[/font][font=宋体]；荧光光谱；测试[/font][align=center][b]Construction of laser induced fluorescence spectrum module:Study on properties of weak fluorescence semiconductor[/b][/align][align=center] WEI Wei, ZHU Qian-qian, LI Li, LIJun, LI Yan-xiao[/align][align=center]Analysis &Testing Center, Jiangsu University,Zhenjiang 212013, China[/align][b]Abstract:[/b]Through the construction oflaser-induced fluorescence spectroscopy test module, laser induced fluorescencespectroscopy was used to test steady-state fluorescence of semiconductor solidmaterials such as titanium oxide and polyoxate. Through multi-componentregulation of steady-state fluorescence intensity, it was found that thesynergistic effect of photocatalytic materials affects the fluorescenceintensity, providing theoretical guidance for the screening of newphotocatalytic material systems. The detection module will be expanded to theresearch areas of physics, chemistry, biology, medicine and materials science.As a public service platform for the school, it supports the development ofphysics, chemistry, materials, environment and other disciplines of the school.[b]Key words:[/b] Laser inducedfluorescence Weak fluorescence Fluorescence spectrum test[font=宋体]众所周知，荧光光谱（[/font]Photoluminescence Spectroscopy[font=宋体]）是研究材料的电子结构和光学性能的有效方法，特别是对于一些缺陷的判断，并且能获得光生载流子的迁移、捕获和复合等信息。分析测试中心的稳态瞬态荧光测量系统中的稳态荧光模块由激发光源、单色器、试样池、光检测器及读数装置等部件组成。采用的激发光源为[/font]75W[font=宋体]的氙灯。该灯通常具有较宽的连续输出波长范围，在稳态荧光光谱仪上的应用最多，通常对于分子荧光检测以及光致发光材料的检测都具有较好的信号，系统信噪比一般为[/font]6000:1[font=宋体]，最高可达[/font]10000:1[font=宋体]，采样频率：[/font]50000[font=宋体]点[/font]/[font=宋体]秒～[/font]1[font=宋体]点[/font]/100[font=宋体]秒，波长范围从紫外到近红外[/font]185 [font=宋体]～[/font] 1700nm[font=宋体]，样品所处的环境温度可调变温条件下荧光测量[/font]77[font=宋体]～[/font] 320K[font=宋体]。在稳态光谱测量中，通过使用光子计数技术，提供最高的微弱信号检出能力，可对荧光物质进行定性检测和定量分析。但是对于荧光信号较弱的半导体固体材料，由于弧光灯光源经单色器分光后，其光强较弱相应发射谱信号也较弱，这时[b][u]很难探测到半导体固体材料的微弱荧光信号[/u][/b]。[/font][font=宋体]光催化材料作为当今国际材料研究领域中的重大科学前沿存在亟待解决的诸多问题，如：由于缺少光催化材料设计理论，认识不足，导致高效光催化材料开发研究进展缓慢。在光催化及光伏材料研究中，对于光诱导电荷分离及其迁移过程的深入认识是一个非常关键的科学问题。通过研究半导体光催化材料的荧光衰减动力学信息，对于理解纳米尺度电荷及能量的传输过程都异常重要。[/font][b] 1[font=宋体]研究背景[/font]1.1[font=黑体]选题背景[/font][/b][font=宋体]江苏大学分析测试中心于[/font]2009[font=宋体]年[/font]12[font=宋体]月购置美国[/font]Photon Technology International[font=宋体]公司（现被日本[/font]HORIBA[font=宋体]公司收购，致力于高性能荧光光谱测量技术和系统的研发与生产）所生产的高级稳态瞬态荧光测量系统（英文名称：[/font]QuantaMaster & TimeMasterSpectrofluorometer[font=宋体]，产品型号：[/font]QuantaMaster[sup]TM[/sup]40[font=宋体]）。该系统是一套高性能荧光光谱测量系统，用于测试材料的激发发射光谱、磷光[/font]/[font=宋体]荧光寿命、量子化产率、变温及显微荧光测试。主要应用于物理、化学、生物、医药和材料科学等研究领域荧光性能测试。作为学校公共服务平台，该测试系统服务江苏大学相关研究团队的光催化剂的荧光性能分析和评价，近[/font]3[font=宋体]年（[/font]2015[font=宋体]年至[/font]2018[font=宋体]年）支撑学校光催化领域发表[/font]SCI[font=宋体]论文[/font]303[font=宋体]篇，含[/font]16[font=宋体]篇高被引论文，总被引频次达[/font]3579[font=宋体]，在[/font]web of science[font=宋体]中以“[/font]photocatalyst”[font=宋体]（光催化）关键词检索，江苏大学位列全球发文量排名第二位，促使江苏大学在国际光催化领域的发展，支撑了学校的物理、化学、材料、环境等学科的发展（工程学、材料科学、化学、农业科学进入[/font]ESI[font=宋体]排名全球前[/font]1%[font=宋体]），为荧光光谱在若干新型光催化材料设计中的应用提供了重要的理论基础和工艺参数，达到国内领先水平。[/font][font=宋体]与此同时，光催化材料作为当今国际材料研究领域中的重大科学前沿存在亟待解决的诸多问题，如：由于缺少光催化材料设计理论，认识不足，导致高效光催化材料开发研究进展缓慢。在光催化及光伏材料研究中，对于光诱导电荷分离及其迁移过程的深入认识是一个非常关键的科学问题。通过研究半导体光催化材料的荧光衰减动力学信息，对于理解纳米尺度电荷及能量的传输过程都异常重要。伴随着校内样品体系的多样性和测试要求的可选性，运行近十年的稳态瞬态荧光测量系统面临着前所未有的升级挑战。[/font][b]1.2[font=黑体]拟改进的问题[/font][font=宋体]如何探测半导体固体材料的微弱荧光信号[/font][/b][font=宋体]由荧光的发光原理可知，分子荧光光谱与激发光源的波长无关，只与荧光物质本身的能级结构有关，所以，可以根据荧光谱线对荧光物质进行定性分析鉴别。照射光越强，被激发到激发态的分子数越多，因而产生的荧光强度越强，测量时灵敏度越高。一般由激光诱导荧光测量物质的信号比由一般光源诱导荧光所测的灵敏度提高[/font]2~10[font=宋体]倍。利用激光光源强度大，单色性好的特点，可以大大提高荧光测定的灵敏度和检测限，以激光为光源的荧光检测技术被称为[b][u]激光诱导荧光光谱（[/u][/b][/font][b][u]Laser-Induced Fluorescence Spectroscopy, LIF[font=宋体]谱）[/font][/u][font=宋体]。[/font][/b][font=宋体]激光诱导荧光光谱（图[/font]2[font=宋体]为核心部件）可用于测量原子与分子的浓度、能态布居数分布、探测分子内的能量传递过程等方面。[/font][font=宋体]激光诱导荧光光谱仪器组成：与普通的荧光检测器一样，激光诱导荧光检测器主要由光源、光学系统、检测池和光检测元件组成，两者最重要的区别是[b][u]激光诱导荧光检测器的光源是激光器[/u][/b]。[/font][font=宋体]核心激光器：激光器是激光诱导荧光检测器的重要组成部分，用脉冲激光为光源，采用时间分辨技术可消除瑞利散射光（半径比光或其他电磁辐射的波长小很多的微小颗粒对入射光束的散射）和拉曼散射光（光波在被散射后频率发生变化）对测定的干扰，同时增加被测成分之间测定的选择性。以上这些特性使激光诱导荧光检测器的信噪比大大增强，显示出最高的灵敏度和较好的选择性。[/font][b]1.3[font=黑体]拟采取的方法[/font][/b][font=宋体]现有的高级稳态瞬态荧光测量系统为多重模块（光源模块、样品室模块、检测器模块）组成，主机光路系统：[/font]X-[font=宋体]型结构（图[/font]1,2[font=宋体]），极易拆卸装载新模块，在改造方面具有独特的优势。搭建以激光为光源的荧光检测技术被称为激光诱导荧光光谱。从仪器各模块的布局来判定，目前稳态瞬态荧光测量系统已拥有样品室、检测器等模块，缺少的是激光器，将购置的新型激光器作为配件装载至测试系统，通过调整光路。采用对应的长通滤光片可实现激光诱导荧光光谱的测试。但是由于激光光源波长单一，因此实际测试中需选取合适的激发波长进行相应的检测。选择合适的波长以应对测试需求。[/font][align=center][img=,690,259]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310101625013372_3443_5248244_3.png!w690x259.jpg[/img][/align][align=center][b][font=宋体]图[/font]1. [font=宋体]主机光路系统及光源模块[/font][/b][/align][align=center][img=,690,255]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310101625122837_8467_5248244_3.png!w690x255.jpg[/img][/align][align=center][b][font=宋体]图[/font]2. [font=宋体]样品室模块和检测器模块[/font][/b][/align][b] 2 [/b][font=宋体]结果与分析[/font][b]2.1 [font=宋体]设计思路[/font][/b][align=center][img=,645,267]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310101625230462_867_5248244_3.png!w645x267.jpg[/img][/align][align=center][b][font=宋体]图[/font]3 [font=宋体]激光诱导荧光光谱测试模块[/font](a)[font=宋体]搭建前[/font] (b)[font=宋体]搭建后[/font][/b][/align][font=宋体]伴随着校内样品体系的多样性和测试要求的可选性，运行近十年的稳态瞬态荧光测量系统面临着前所未有的升级挑战。改进的问题：如何探测半导体固体材料的微弱荧光信号作为主要研究问题。借助江苏大学自制实验仪器设备项目（[/font][b]ZZYQSB201910[/b][font=宋体]）的资助下[/font][font=宋体]，明确激光诱导荧光光谱模块所需激光器的测试要求，利用所购置的配件（样品架，激光光源，载样台等），完成原测试系统的拆卸和搭建。对现有高级稳态瞬态荧光测量系统的样品室模块组成（图[/font]3 (a)[font=宋体]），进行样品室搭建（图[/font]3 (b)[font=宋体]），对小功率光纤耦合激光器的波长进行筛选以应对测试需求，申请发明专利：一种含外接激光光源的高级稳态荧光光谱仪[/font]([font=宋体]发明专利号：[/font]202110297550.4) [font=宋体]，利用激光光路搭建以激光为光源的荧光检测技术被称为激光诱导荧光光谱（[/font]Laser-Induced Fluorescence Spectroscopy, LIF[font=宋体]谱）。[/font][align=center][img=,534,296]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310101625329704_3414_5248244_3.png!w534x296.jpg[/img][/align][align=center][b][font=宋体]图[/font]4 [font=宋体]激光诱导荧光光谱调制模块及测试数据[/font][/b][/align][font=宋体]搭建的激光诱导荧光光谱，可用于测量原子与分子的浓度、能态布居数分布、探测分子内的能量传递过程等方面。对于荧光信号较弱的半导体固体材料，采用激光诱导方式，持续激光光源经单色器分光后，其光强较弱相应发射谱信号也相对增强，通过调节激光调制器（图[/font]4[font=宋体]左所示）探测到半导体固体材料的微弱荧光信号，如图[/font]4[font=宋体]右，测量到三氧化钨，氧化铋及其二者复合材料的荧光信号。[/font][b][font=宋体]代表性案例[/font][/b][font=宋体]：（[/font][b][i]ChineseJournal of Catalysis[/i][/b], 2021, 42(1), 87-96.[font=宋体]）[/font][align=center][img=,690,306]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310101625433210_7114_5248244_3.png!w690x306.jpg[/img][/align][align=center][b][font=宋体]图[/font]5[font=宋体]激光诱导荧光光谱测试模块的应用案例[/font][/b][/align][font=宋体]图[/font]5[font=宋体]左显示了[/font]Zn[sub]0.1[/sub]Cd[sub]0.9[/sub]S [font=宋体]和[/font] 25% MO-ZnCdS[font=宋体]的稳态荧光光谱，可以清晰的看到[/font] 25% MO-ZnCdS[font=宋体]具有更低的荧光强度，说明[/font]25% MO-ZnCdS [font=宋体]在光照激发下产生的光生电子[/font]-[font=宋体]空穴对更不容易发生复合猝灭，而光生电子[/font]-[font=宋体]空穴对的快速复合是限制材料光催化活性的重要因素。[/font]Zn[sub]0.1[/sub]Cd[sub]0.9[/sub]S [font=宋体]和[/font]25% MO-ZnCdS [font=宋体]的时间分辨荧光衰减光谱被呈现在了图[/font]5[font=宋体]右，[/font]Zn[sub]0.1[/sub]Cd[sub]0.9[/sub]S [font=宋体]的平均荧光寿命为[/font] 2.76 ns[font=宋体]，[/font]25% MO-ZnCdS [font=宋体]的平均荧光寿命为[/font] 2.76 ns[font=宋体]。[/font]25% MO-ZnCdS [font=宋体]具有更低的平均荧光寿命，说明其光生载流子更容易分离和转移到催化剂的表面。以上结果证明了，[/font]Zn[sub]0.1[/sub]Cd[sub]0.9[/sub]S [font=宋体]在与[/font] MoO[sub]3-x[/sub] [font=宋体]复合形成[/font] 1D/2D Zn[sub]0.1[/sub]Cd[sub]0.9[/sub]S/MoO[sub]3?x[/sub][font=宋体]复合光催化剂后，光生电荷的分离和迁移效率提高了，而光生电子[/font]-[font=宋体]空穴对的复合猝灭被抑制了。这可能是由于一维的[/font] Zn[sub]0.1[/sub]Cd[sub]0.9[/sub]S[font=宋体]与二维的[/font] MoO[sub]3?x [/sub][font=宋体]纳米片之间形成了紧密的界面接触，二者之间形成了异质结构，在两相界面处产生了内建电场，这会促进光生载流子的分离和转移。[/font][b]3[font=宋体]结[/font][font=宋体]论[/font][/b][font=宋体]搭建的激光诱导荧光光谱测试模块，对于荧光信号较弱的半导体固体材料，采用激光诱导方式，持续激光光源经单色器分光后，其光强较弱相应发射谱信号也相对增强，通过调节激光调制器探测到半导体固体材料的微弱荧光信号，筛选激光器以达到探测半导体固体材料的荧光信号。将新功能应用更好地应用于物理、化学、医药和材料科学等研究领域，以满足日益增长的科研测试需求，从而进一步反馈学校科研项目的发展和高质量科技成果的产出，系统的研制将对我国在激光诱导荧光光谱测量方面取得重要进展。[/font][b][font=宋体]参考文献：[/font][/b][1][font=宋体]朱倩倩[/font], [font=宋体]李艳肖[/font],[font=宋体]魏巍；一种含外接激光光源的高级稳态荧光光谱仪。申请发明专利号：[/font]202110297550.4[font=宋体]。[/font][2]Peng, J., Shen, J., Yu, X., Tang, H., Liu, Q. (2021). Construction ofLSPR-enhanced 0D/2D CdS/MoO[sub]3?x[/sub] S-scheme heterojunctions forvisible-light-driven photocatalytic H[sub]2 [/sub]evolution. [b][i]ChineseJournal of Catalysis[/i][/b], 42(1), 87-96.[3]Li, L., She, X., Yi, J., Pan, L., Xia, K., Wei, W., Li, H. (2019). IntegratingCoO[sub]x [/sub]cocatalyst on hexagonal α-Fe[sub]2[/sub]O[sub]3[/sub] foreffective photocatalytic oxygen evolution. [b][i]Applied Surface Science[/i][/b], 469,933-940.[hr/]

[size=14px][color=#ff0000]摘要：针对气凝胶和超级绝热材料（VIP）等超低导热系数材料的测试，常用的稳态法热导仪往往会在测量精度和灵敏度方面表现出不足。为考核稳态法导热仪的超低导热系数测试能力，本文提出了一种简便可行的考核方法，通过对一系列不同厚度的样品进行导热系数测试，最终根据导热系数随厚度的变化来判断和考核稳态法热导仪的导热系数测试下限，以准确掌握稳态法导热仪的测试能力，为正确使用和改进导热仪提供参考和指导。[/color][/size][size=14px][/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=18px][color=#ff0000]一、问题的提出[/color][/size][size=16px]在隔热材料的研发和生产过程中，隔热材料的导热系数测试结果经常会受到质疑，特别是隔热材料导热系数小于空气（0.026W/mK）的气凝胶和超级绝热材料（VIP），这些超低导热系数的测试结果往往存在较大误差。隔热材料低导热系数的测试普遍采用稳态法（防护热板法和热流计法），对应于低导热系数测试不准确现象，相应的稳态法导热仪往往会存在以下问题：（1）稳态法导热仪的测量精度和灵敏度不够，无法准确测量低导热和超低导热系数，无法准确测量超低导热系数以及导热系数的微小变化，无法满足材料研发和生产中工艺和配方调整和评价需要。（2）由于缺乏导热系数在0.02W/mK左右（或更低）的标准参考材料，对于已有的稳态法导热仪，如何判断仪器的低导热系数测试能力，由此来大致判断测量结果的准确性。为解决上述问题，本文将提出一种简便可行的考核方法，通过对一系列不同厚度的隔热材料样品进行导热系数测试，根据导热系数随厚度的变化情况来判断和考核稳态法热导仪的导热系数测试下限，以准确掌握稳态法导热仪的测试能力，为正确使用和改进导热仪提供参考和指导。[/size][size=18px][color=#ff0000]二、评估方法和考核试验[/color][/size][size=16px]考核试验的依据是稳态法的导热系数测试结果不应随样品的厚度发生而改变，如果发生改变，则说明导热系数测试产生误差。由此可用来判断导热仪的误差范围和测试极限。气凝胶软毡考作为考核试验样品，单层软毡厚度略大于10mm，通过多层叠加来实现不同厚度。测试采用了热流计法导热仪，样品为300mm边长的正方形，样品厚度分别为10、20、30、40和50mm，样品的平均温度为30℃，冷热面温差为20℃，结果如图1所示。[/size][align=center][size=14px][img=气凝胶超低热导率测试,600,380]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/05/202205251654466502_5355_3384_3.png!w690x437.jpg[/img][/size][/align][size=14px][/size][align=center]图1 不同厚度气凝胶软毡导热系数测试结果[/align][size=16px]从图1测试结果可以看出，在厚度20~40mm范围内，测试结果不会随厚度变化而改变，导热系数平均值为0.02045W/mK。随着厚度降低到10mm，导热系数测试结果有变小的趋势，此时说明样品太薄使得厚度测量和厚度均匀性给样品内部热流场均匀性所带来的误差影响变大。从图1测试结果还可以看出，当厚度增大到50mm时，导热系数测试结果有变大的趋势，这种现象说明随着样品厚度的增大，样品热阻也随之增大，稳态时流经样品厚度方向上的热流量变小，热流传感器对小热流的测量出现误差变大的现象。同时样品厚度增大使得样品内部热流场均匀性所带来的误差影响变大。在图1所示的测试结果中，尽管对薄样品和厚样品的测试结果偏离了平均值，但偏差还是没有超出导热仪的±5%的误差范围，这证明了此热流计法导热仪完全具备准确测试0.02W/mK导热系数的能力。[/size][size=18px][color=#ff0000]三、导热系数测试下限分析[/color][/size][size=16px]根据上述考核试验测试得到相同材料不同厚度下的导热系数，可以依据傅里叶稳态传热定律推算出流经样品的热流密度，如表1所示。如果假设热流计法导热仪中热流计的灵敏度为10uV/(W/m2)，那么就可以得到相应的热流计电压输出值。这里选择10uV/(W/m2)作为热流计的灵敏度，是因为目前普遍的热流计灵敏度都在这个数值以下。另外，选择此灵敏度主要仅是为了更方便的描述如何进行导热系数测试下限判定，其他灵敏度也能说明问题。[/size][align=center]表1 根据不同厚度样品的热导率测试结果推算出的热流密度和热流计电压输出值[/align][align=center][size=14px][img=气凝胶超低热导率测试,690,202]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/05/202205251655508891_6096_3384_3.png!w690x202.jpg[/img][/size][/align][size=16px]按照傅里叶传热定律，如果假设样品的导热系数保持不变并与样品厚度无关，那么随着样品厚度增加，样品热阻会线性增大，流经样品的热流密度会线性减小，对应的热流计输出信号（电压值）也会线性减小。从表1的推算结果也显示了这种变化过程，但不同的是由于热流计电压输出测试仪表的测量精度有限，在大厚度、高热组和小热流密度时，电压信号测量会带有明显误差。由此可见，在低导热系数测试中，主要测量误差来源是热流计的灵敏度。根据表1，如果假设103uV是电压测量仪表的准确测量下限，对应10uV/(W/m2)灵敏度的热流计，热流计准确测量热流密度的下限为10W/m2，可准确测量的最大热阻为1.95m2K/W。由此，可以根据这个可测热阻值1.95m2K/W，推算出20mm最佳厚度样品的可准确测量的最低导热系数为0.02/1.95=0.0102W/mK。如果设定可接受的误差范围为±5%，那么10uV/(W/m2)灵敏度的热流计法导热仪，其测试下限为0.0102×0.95=0.0097W/mK，约为。由此可见，上述的热流计法导热仪的导热系数测试下限基本为0.01W/mK，且误差在5%的误差范围内。那么对于真空绝热材料（VIP），这类材料的导热系数一般在3~8W/mK之间，那么用此灵敏度的导热仪测试将会带来巨大误差。由此可见，为了保证测量超低导热系数的绝热材料，必须进一步提高热流计的灵敏度。由此也可以得出同样的结论，采用稳态保护热板法导热仪测量超低导热系数，关键之一是必须进一步降低护热板的漏热。[/size][size=18px][color=#ff0000]四、总结[/color][/size][size=16px]对于稳态法热导率测试，通过对一些列不同厚度但材质相同的样品进行测试，可以大致判断出稳态法热导率测试仪器的测试能力，特别是判断导热仪是否具备超低导热系数测试的能力，并用此方法对稳态法导热仪进行考核。[/size][size=14px][/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=14px][/size][size=14px][/size][size=14px][/size][size=14px][/size][size=14px][/size][size=14px][/size]