荧光寿命瞬态吸收分析系统

闪烁体是一类吸收高能粒子或射线后能够发光（探测器灵敏波段）的材料，可分为有机和无机两大类，按其形态又可分为固体、液体和气体三种。 当闪烁体受到高能粒子或射线照射后能够发生能级跃迁，且产生的紫外可见光强度可被光电探测器探测到。当X射线与闪烁体作用时，一个X射线光子，可以产生多个光子，与紫外可见光不同，因为X射线的能量足以使物体电离，使电子脱离能级的束缚。能量越高的X射线光子，通过产生俄歇电子，康普顿散射等产生更多的电离电子（二次电子），二次电子热能化退至激发能级，通过荧光或磷光的方式发光。因此闪烁体对辐射具有能量分辨率。在医学上，闪烁体是核医学影像设备的核心部件，通过它可以快速诊断出人体各器官的病变大小和位置。闪烁体在行李安检、集装箱检查、大型工业设备无损探伤、石油测井、放射性探测、环境监测等领域也都发挥着不可替代的作用。闪烁体还是制造各类对撞机中电磁量能器的重要材料，它可捕捉核反应后产生的各种粒子的信息，是人类探索微观世界及宇宙演变的重要工具。稳态瞬态荧光-闪烁体综合性能表征系统可综合测试稳态瞬态光致发光以及X射线辐射发光。X射线辐射样品仓安装可控屏蔽快门，在辐射光源最大功率下关闭快门时，样品位置辐射剂量小于10uSv/h，辐射防护满足国标GBZ115-2023《低能射线装置放射防护标准》的要求。 该系统可根据用户需要搭建以下功能● 稳态荧光/瞬态荧光● 稳态X射线荧光/瞬态X射线荧光● X射线荧光成像● 显微荧光/显微荧光寿命成像● 温度相关光谱 X射线荧光成像瞬态X射线荧光寿命测试技术参数X射线荧光成像TYP 39分辨率卡的X射线图像。测试1mm厚的YAG(Ce)时，分辨率可以达到20pl/mm以上。

背景介绍—瞬态吸收光谱和瞬态吸收成像的应用基于泵浦探测（Pump-Probe）原理的瞬态吸收光谱，在频率维度和时间维度上提供了丰富的光谱和动力学信息，过去的几十年应用于物理、化学、材料、能源、生物等广泛领域。当今，许多领域科学研究的范式和需求都在不断更新。尤其是随着钙钛矿光伏、二维材料、量子器件、高温超导等前沿领域的发展，科学家迫亟需在空间维度上揭示载流子等微观离子的迁移和演化规律，研究微纳米材料的物理态在空间分布上的异质性。瞬态吸收成像，可在空间和时间维度上研究微观粒子和能量的运动和演化，是研究微观粒子和能量的时空演化、阐释微观机制的重要工具。瞬态吸收成像，一般有两种实现方式，点扫描成像和宽场成像。相对点扫描成像，宽场成像模式具有速度快、通量高，成像质量更加细腻的特点。Omni-TAM900为北京卓立汉光仪器有限公司全新推出的一款宽场飞秒瞬态吸收成像系统。该系统集成像和动力学于一体，联合飞秒泵浦-探测技术和显微技术，通过自主知识产权的干涉放大技术增强图像信噪比，可获得高质量的成像效果并大幅度缩短测试时间。仪器基本功能和性能：仪器具有点泵浦-宽场探测，和宽场泵浦-宽场探测两种工作模式。分点泵浦模式可用于测量载流子迁移和热导率等；宽场泵浦模式可用于测量载流子分布和物理态的空间异质性等。仪器特点和创新高灵敏、高通量，可测量到单个纳米颗粒、单层石墨烯乃至单层分子晶体的瞬态吸收信号。仪器原理和实现方式Omni-TAM900宽场飞秒瞬态吸收成像系统原理如下图所示，经过飞秒激光器和光学参量放大器（OPA）之后出来的飞秒激光，通过显微镜的光学系统进入，并作为泵浦光源激发样品，而另一束经过空间调制的探测光在一定的时间延迟之后也经过显微系统到达样品，样品在激发态对探测光产生的吸收情况会被显微镜上的sCMOS 相机记录下来。通过调节光学延迟线（Optical Delay Line），得到样品在不同延迟时间下的sCMOS图像。Omni-TAM900 可以有两种成像模式（如下图所示）： 聚焦泵浦光模式（点泵浦，宽场探测）和宽场泵浦光模式（宽场泵浦、宽场探测），前者主要用于研究载流子的迁移，后者用于检测载流子的空间分布状况。软件软件可进行同步采集，自动控制和处理，载流子的寿命、载流子的迁移速率、载流子的分布、动力学等信息均可以通过软件得到。应用方向及实测数据 Omni-TAM900宽场飞秒瞬态吸收成像系统是测量载流子时空演化的强大工具，可广泛应用于物理、材料及器件的前沿研究，比如：太阳能电池、低维材料、量子器件、超导材料、新型半导体、纳米催化、生物传感等，对纳米尺度和飞秒时空尺度中的超快的物理、化学及生物过程进行监测。 金属镀膜中的载流子迁移和热扩散10 nm厚金属薄膜上的超快热载流子和热扩散，采用仪器的点激发，宽场探测模式。半导体中的载流子迁移和热扩散同时监测Si基半导体中的载流子迁移和热扩散（可测量半导体材料的热导率），采用仪器的点激发，宽场探测模式。光伏材料中的载流子迁移和演化钙钛矿CsPbBr3载流子成像，迁移动力学及边缘态动力学研究。采用仪器的宽场激发，宽场探测模式催化材料中的热载流子分布和“热点”局部热电子密度高、寿命长，可能具有更高的催化活性。采用仪器的宽场激发，宽场探测模式。新型二维材料中的边缘物理态研究二维WS2中激子分布情况，激子寿命研究。可以看到，多层的边缘具有更高激子密度和更长激子寿命技术参数 光源飞秒激光 +OPA，激光波长范围取决于应用场景检测器sCMOS成像空间分辨率500 nm载流子迁移定位精度30nm时间分辨率500 fs (100 fs 激光脉冲条件下）时间延迟线0-4 ns/0-8 ns显微镜模块倒置显微镜，上方为开放空间，后期可兼容低温模块、探针台、电学调控、磁场等特殊实验场景。测量模式点泵浦 + 宽场探测（载流子迁移）宽场泵浦 + 宽场探测（载流子分布）仪器工作模式反射 / 散射已发表文献：J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 13928专利：202110510123.X（以上展示的所有实测数据均为本型号仪器测得，并已公开发表，更多细节请查阅以上文献）。更多参考文献：（为了方便用户参考研究前沿，如下列出一些国际上利用瞬态吸收成像方法的研究案例。这些数据并非用该型号仪器获得，但是卓立Omni-TAM900仪器可实现这些应用场景中的绝大多数功能。如有特殊需求，欢迎与卓立汉光联系。）Science 2017, 356, 59 (钙钛矿超长热载流子)Nat. Mater. 2020, 19, 617 （转角二维量子异质结）Science 2021, 371, 371 （超导材料电荷密度波）Science 2022, 377, 437 （立方砷化硼超高载流子）Nat. Mater. 2020 , 9, 56 (材料中的携能载流子)

荧光和荧光寿命分子包含多个单能态S0、S1、S2… 和三重态T1… ，每个能态都包含多个精细的能级。正常情况下，大部分电子处在*低能态即基态S0 的*低能级上，当分子被光束照射，会吸收光子能量，电子被激发到更高的能态S1 或S2 上，在S2 能态上的电子只能存在很短暂的时间，便会通过内转换过程跃迁到S1 上，而S1 能态上的电子亦会在极短时间内跃迁到S1 的*低能级上，而这些电子会存在一段时间后通过震荡弛豫辐射跃迁到基态，这个过程会释放一个光子，即荧光。此外，亦会有电子跃迁至三重态T1 上，再由T1 跃迁至基态，我们称之为磷光。荧光特性研究荧光特性时，主要在以下几方面进行分析：激发光谱，发射光谱、荧光强度、偏振荧光、荧光发光量子产率、荧光寿命等。其中荧光寿命（Fluorescence Lifetime）是指荧光分子在激发态上存在的平均时间（纳秒量级）。荧光寿命测试荧光寿命一般在几纳秒至几百纳秒之间，如今主要有两类测试方法：时域测量和频域测量时间稳定性实验测试曲线：1 时域测量由一束窄脉冲将荧光分子激发至较高能态S1，接着测量荧光的发射几率随时间的变化。其中目前广泛应用的是时间相关单光子计数，即TCSPC(Time Correlated Single Photon Counting)时间相关单光子计数(TCSPC) 实现了从百ps-ns-us 的瞬态测试，此方法对数据的获取完全依赖快速探测器和高速电路。用统计的方法计算样品受激后发出的第一个( 也是*一的一个) 光子与激发光之间的时间差，也就是下图的START( 激发时刻) 与STOP( 发光时刻) 的时间差。由于对于Stop 信号的要求，所以TCSPC 一般需要高重复频率的光源作为激发源，其重复至少要在100KHz 以上，多数的光源都会达到MHz 量级；同时，在一般情况下还要对Stop 信号做数量上的控制，做到尽量满足在一个激发周期内，样品产生且只产生一个光子的有效荧光信号，避免光子对的出现。2 频域测量对连续激发光进行振幅调制后，分子发出的荧光强度也会受到振幅调制，两个调制信号之间存在与荧光寿命相关的相位差，因此可以测量该相位差计算荧光寿命。 左图为正弦调制激发光（绿色）频域显示，发射光信号（红色）相应的相位变化频域显示。右图为对应不同寿命的调制和相位的频域显示。TM- 调制寿命，TP- 相位寿命。[1]显微荧光寿命成像技术（FLIM）显微荧光寿命成像技术（Fluorescence Lifetime ImagingMicroscopy，FLIM）是一种在显微尺度下展现荧光寿命空间分布的技术，由于其不受样品浓度影响，具有其他荧光成像技术无法代替的优异性能，目前在生物医学工程、光电半导体材料等领域是一种重要的表征测量手段。FLIM 一般分为宽场FLIM 和激光扫描FLIM。宽场FLIM（Wide Field FLIM,WFM）该技术是用平行光照明并由物镜聚焦样品获得荧光信号，再由一宽场相机采集荧光成像。宽场FLIM 常用于快速获取大面积样品成像。时域或是频域寿命采集都可以应用在宽场成像FLIM 上。宽场FLIM 有更高帧率和低损伤的优势。2 激光扫描FLIM（Laser Scanning FLIM,LSM）激光扫描FLIM 是针对选定区域内的样品逐点获取其荧光衰减曲线，再经过拟合最终合成荧光寿命图像。相比宽场FLIM，其在空间分辨率、信噪比方面有更大的优势。扫描方式有两种：一种是固定样品，移动激光进行扫描，一种是固定激光，电动位移台带动样品移动进行扫描。显微荧光寿命成像系统RTS2-FLIM应用材料科学领域宽禁带半导体如GaN、SiC 等体系的少子寿命mapping 测量量子点如CdSe@ZnS 等用作荧光寿命成像显微镜探针钙钛矿电池/LED 薄膜的组分分析、缺陷检测铜铟镓硒CIGS，铜锌锡硫CZTS 薄膜太阳能电池的组分、缺陷检测镧系上转换纳米颗粒GaAs 或GaAsP 量子阱的载流子扩散研究生命科学领域细胞体自身荧光寿命分析自身荧光相对荧光标记的有效区分活细胞内水介质的PH 值测量局部氧气浓度测量具有相同频谱性质的不同荧光标记的区分活细胞内钙浓度测量时间分辨共振能量转移（FRET）：纳米级尺度上的远差测量，环境敏感的FRET 探针定量测量代谢成像：NAD(P)H 和FAD 胞质体的荧光寿命成像显微荧光寿命成像系统RTS2-FLIM应用案例1 用荧光分子对海拉细胞进行染色用荧光分子转子Bodipy-C12 对海拉细胞（宫颈癌细胞的一种） 进行染色。(a) 显微荧光寿命成像图，寿命范围1ns（蓝色）到2.5ns（红色）；(b) 荧光寿命直方图，脂肪滴的短寿命约在1.6ns 附近，细胞中其他位置寿命较长，在1.8ns 附近。用荧光分子转子的时间分辨测量*大的好处在于荧光寿命具备足够清晰的标签特性，且与荧光团的浓度无关。[2]2 金属修饰荧光金属修饰荧光：(a) 荧光寿命是荧光团到金表面距离的函数；(b) 用绿色荧光蛋白（GFP）标记乳腺腺癌细胞的细胞膜的共聚焦xz 横截面，垂直比例尺：5m；(c) b 图的FLIM 图，金表面附近的GFP 荧光寿命缩短。[2]3 钙钛矿太阳能电池下图研究中，展示了一种动态热风（DHA）制备工艺来控制全无机PSC 的薄膜形态和稳定性，该工艺不含有常规的有害反溶剂，可以在大气环境中制备。同时，钙钛矿掺有钡（Ba2+） 碱金属离子（BaI2:CsPbI2Br）。这种DHA 方法有助于形成均匀的晶粒并控制结晶，从而形成稳定的全无机PSC。从而在环境条件下形成完整的黑色相。经过DHA处理的钙钛矿光伏器件，在0.09cm小面积下，效率为14.85%，在1x1cm的大面积下，具有13.78%的*高效率。DHA方法制备的器件在300h后仍然保持初始效率的92%。4 MQWs 多量子阱研究在(a) 蓝宝石和(b) GaN 上生长的MQWs 的共焦PL mapping 图像。具有较小尺寸的发光团的最高密度是观察到在GaN 上生长的MQWs。在(c) 蓝宝石和(d)GaN 上生长的MQWs 的共焦TRPL mapping 图。仅对于在GaN 上生长的MQWs，强的PL 强度区域与较长PL 衰减时间的区域很好地匹配。在(e) 蓝宝石和(f)GaN 上生长的MQWs 在A 点和B 点测量的局部PL 衰减曲线，均标记在图中。对于在GaN 上生长的MQWs，点A 和B 之间的PL 衰减时间差更高。显微荧光寿命成像系统FLIM参数配置北京卓立汉光仪器有限公司提供的显微荧光寿命成像系统是基于显微和时间相关单光子计数技术，配合高精度位移台得到微观样品表面各空间分布点的荧光衰减曲线，再经过用数据拟合，得到样品表面发光寿命表征的影像。是光电半导体材料、荧光标记常用荧光分子等类似荧光寿命大多分布在纳秒、几十、几百纳秒尺度的物质的选择。参数指标：系统性能指标光谱扫描范围200-900nm最小时间分辨率16ps荧光寿命测量范围500ps-1μs@ 皮秒脉冲激光器空间分辨率≤1μm@100X 物镜@405nm 皮秒脉冲激光器荧光寿命检测IRF≤2ns配置参数激发源及匹配光谱范围（光源参数基于50MHz 重复频率）375nm 皮秒脉冲激光器，脉宽：30ps，平均功率1.5mW，荧光波段：400-850nm405nm 皮秒脉冲激光器，脉宽：25ps，平均功率2.5mW，荧光波段：430-920nm450nm 皮秒脉冲激光器，脉宽：50ps，平均功率1.9mW，荧光波段：485-950nm488nm 皮秒脉冲激光器，脉宽：70ps，平均功率1.3mW，荧光波段：500-950nm510nm 皮秒脉冲激光器，脉宽：75ps，平均功率1.1mW，荧光波段：535-950nm635nm 皮秒脉冲激光器，脉宽：65ps，平均功率4.3mW，荧光波段：670-950nm660nm 皮秒脉冲激光器，脉宽：60ps，平均功率1.9mW，荧光波段：690-950nm670nm 皮秒脉冲激光器，脉宽：40ps，平均功率0.8mW，荧光波段：700-950nm科研级正置显微镜落射明暗场卤素灯照明，12V，100W5 孔物镜转盘，标配明场用物镜：10×，50×，100×监视CCD：高清彩色CMOS 摄像头，像元尺寸：3.6μm*3.6μm，有效像素：1280H*1024V，扫描方式：逐行，快门方式：电子快门电动位移台高精度电动XY 样品台，行程：75*50mm（120*80mm 可选），最小步进：50nm，重复定位精度：＜ 1μm光谱仪320mm 焦距影像校正单色仪，双入口、狭缝出口、CCD 出口，配置三块68×68mm 大面积光栅，波长准确度：±0.1nm，波长重复性：±0.01nm，扫描步距：0.0025nm，焦面尺寸：30mm(w)×14mm(h)，狭缝缝宽：0.01-3mm 连续电动可调探测器：制冷型紫外可见光电倍增管，光谱范围：185-900nm（标配，可扩展）光谱CCD（可扩展PLmapping）低噪音科学级光谱CCD（LDC-DD），芯片格式：2000x256，像元尺寸：15μm*15μm, 探测面：30mm*3.8mm，背照式深耗尽芯片，低暗电流，*低制冷温度-60℃ @25℃环境温度，风冷，最高量子效率值95%时间相关单光子计数器（TCSPC）时间分辨率：16/32/64/128/256/512/1024ps… … 33.55μs，死时间＜ 10ns，*高65535 个直方图时间窗口，瞬时饱和计数率：100Mcps，支持稳态光谱测试；OmniFluo-FM 荧光寿命成像专用软件控制功能：控制样品平移台移动，通过显微镜的明场光学像定位到合适区域，框选扫描区域进行扫描，逐点获得荧光衰减曲线，实时生成荧光图像等数据处理功能：自动对扫描获得的FLIM 数据，逐点进行多组分荧光寿命拟合（组分数小于等于4），对逐点拟合获得的荧光强度、荧光寿命等信息生成伪彩色图像显示图像处理功能：直方图、色表、等高线、截线分析、3D 显示等操作电脑品牌操作电脑，Windows 10 操作系统软件界面控制测试界面测试软件的界面遵循“All In One”的简洁设计思路，用户可在下图所示的控制界面中完成采集数据的所有步骤：包括控制样品平移台移动，通过显微镜的明场光学像定位到合适区域，框选扫描区域进行扫描，逐点获得荧光衰减曲线，实时生成荧光图像等。数据处理界面功能丰富的荧光寿命数据处理软件，充分挖掘用户数据中的宝贵信息。可自动对扫描获得的FLIM 数据，逐点进行多组分荧光寿命拟合（组分数小于等于4），对逐点拟合获得的荧光强度、荧光寿命等信息生成伪彩色图像显示。自主开发的一套时间相关单光子计数（TCSPC）荧光寿命的拟合算法，可对荧光衰减曲线中最多包含4 个时间组分的荧光过程进行拟合，获得每个组分的荧光寿命，光子数比例，计算评价函数和残差。TCSPC 荧光寿命通常并非简单的指数衰减过程，而是与光源及探测器相关的仪器响应函数（IRF）与荧光衰减过程相互卷积的结果，因此适当的拟合方法和参数选择对获得正确可靠的荧光寿命非常重要。该软件可导入实际测量的IRF 对衰减曲线进行卷积计算和拟合。但是大多数情况下， IRF 很难正确的从实验获得，针对这种情况，软件提供了两种无需实验获取IRF 的拟合方法：1.通过算法对数据上升沿进行拟合，获得时间响应函数IRF，然后对整条衰减曲线进行卷积计算和拟合得到荧光寿命。2.对于衰减时间远长于仪器响应时间的，可对衰减曲线下降沿进行直接的指数拟合。该软件经过大量测试，可以很好的满足各种场合的用户需求。MicroLED 微盘的荧光强度像（3D 显示）：