研究生稳态瞬态光谱实验课程的教学探讨

陶艳春 张诗童

【摘要】发光功能材料是显示、照明、传感等领域的基础，发展新一代发光功能材料体系是当前亟待解决的重大科学问题之一。对于从事发光材料体系开发工作的化学领域研究生，除必须掌握新材料的合成技术外，另一项最重要的基础科研技能是利用现代仪器手段获得材料真实、准确的光谱信息。本文从仪器使用与研究生教学实践两方面出发，探讨稳态瞬态荧光光谱仪光谱实验课程教学中可能遇到的关键问题，并提出可供教师同行参照的解决思路。

【关键词】稳态瞬态 光谱实验 教学探讨

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2018）27-0235-02

一、开展研究生稳态瞬态荧光光谱实验课程的背景

发光功能材料一直是化学与材料科学研究人员最关注的研究内容之一，尤其是近20年来有机发光材料、量子点发光材料以及钙钛矿型无机发光材料的出现大大推动了显示行业的技术革新，这一新现状为研究生教学工作提出了新的要求。一方面，新型发光材料的表征工作显然不能仅仅局限于本科生阶段已经学习的简单的吸收、发射光谱测试；另一方面，从事发光材料研究的导师及研究生数量多，各研究组的材料性质性能各有差异，光谱测试虽然具有一定的常规操作流程，但是对于一个具体的材料，必须基于对其发光性质深刻的认识，结合合适的测量方法才能获得真实的光谱信息，仅靠专职实验技术人员协助测试显然无助于满足研究生教学与日常科研需求。基于上述背景，实验室于2013年购置了英国爱丁堡（Edinburgh）公司生产的FLS980稳态瞬态光谱仪，同时开始开展相关实验课程的教学工作。

二、实验教学组织形式

相比于本科生阶段的仪器使用教学，研究生阶段的教学更注重培养利用专业基础知识获取具体问题解决方案的能力。因此，我实验室的仪器教学课程除包括常规使用教学外，往往还担负仪器需求较多的研究组专门测试人员的培训工作。基于这一实际情况，我们的实验教学组织形式采取“儀器理论培训+上机测试培训”的方式。具体来说，仪器理论培训部分以授课形式完成，重点帮助学生唤醒并强化本科阶段仪器分析课程对荧光光谱仪结构的已有知识积累，强调仪器操作规程、安全信息以及相关注意事项；上机培训部分在安排教师演示实验教学，强化理论教学内容的同时，对有重要仪器需求的研究组还分别单独划出上机培训机时，设计适合各研究组样品特点的具体测试方案，以达到在获得数据的基础需求同时，还能满足获得更加精准、真实数据的要求。按照以往仪器教学经验，我们的理论教学以仪器原理、功能介绍以及安全教育为主，具体的仪器操作步骤教学安排在演示及上机指导部分完成。实践表明这样的教学安排相对于在理论教学部分直接讲解仪器操作流程的模式更好，学生能够在理解测试原理的基础上，快速掌握仪器使用方法。

三、教学中需要注意的问题

（一）仪器使用理论教学与安全教育

首先我们结合仪器内部构造图分别介绍稳态瞬态光谱仪的基本构成：光源、激发臂分光系统（光栅）、样品舱室、检测臂分光系统（光栅）、检测器。根据不同测试需求，其中光源还分为稳态光源（氙灯）及瞬态光源（闪耀氙灯、单分子计数激光器）两类；样品舱室按照样品检测需求需要安装溶液托架、固体托架、变温样品托架以及积分球系统等等；检测器按照测试波长不同分为紫外可见区光电倍增管（PMT）检测器以及近红外区PMT检测器。显然，该仪器价格昂贵，附件繁多，维护复杂。所以我们在这一部分教学中除帮助学生回忆本科期间所学仪器结构知识外，强调必须严格按照规程使用仪器，如出现严重问题如易损部件过早毁坏、光路不正、光源参数混乱等还需要联系专业工程师到场解决，这往往需要半个月以上的等待时间，严重影响测试进程。接下来我们结合各研究组实际研究需求，介绍仪器可实现的功能。稳态瞬态光谱仪相对于普通光谱仪，最突出、不可替代的优势就是它可以测定瞬态光谱以及时间分辨光谱，这些信息可以用于直接判断发光材料的具体激发态特征。所以在实际教学中，我们重点讲解的也是基于单光子计数法的瞬态光谱及时间分辨光谱，原因有三：第一，稳态光谱还可以利用常规光谱仪测试，数据获得途径相对较多；第二，稳态光谱的测试与瞬态光谱测试的操作规程大致相近，实际演示教学效果更好；最重要的是，虽然稳态光谱测试内容在本科仪器分析课程中已有很多介绍，但是瞬态光谱测试技术的教学在本科阶段几乎没有开展，对于研究生来说是全新的内容。最后，我们对研究生进行仪器使用的安全教育。首先，我们结合具体实例图，重点提出并纠正常见的不良仪器使用习惯，例如将不用的样品托架随意留置在样品舱室内、测试固体样品时不注意固定样品导致样品洒落、测试液体样品误用漏液的比色皿、无端更改仪器关键参数文件又不予还原、测试完成后不将样品舱盖放回原位、在仪器附近随意使用有机溶剂污染机器外壳等等。其次，我们还需要反复强调仪器使用安全问题，重点强调用电的安全（PMT检测器为金属外壳，内部电压很高）、液氮等易造成冻伤物质（近红外检测器、低温荧光附件需要）的安全使用方法以及氙灯的正确开启、使用方法（因其有爆炸可能）。

（二）上机培训演示教学

以理论教学为基础，我们在上机培训演示教学环节中，主要介绍稳态光谱、瞬态光谱的具体测试流程（主要包括设置样品托架、设置光路、开启主机及检测器、开启光源、开启控制程序、测试、保存数据、关闭机器等），重点强调每步操作流程中的多发问题以及需重点注意的问题。因为这部分教学内容是学生最为关注的，所以我们通过增加教学批次的方法，将每批教学人数控制在10人左右，以保证良好的教学效果。需要注意的是，演示教学使用的发光材料以近期报道的新材料为宜，因为瞬态光谱测试技术本身较新，经典材料不一定能够保证获得可参照的数据，并且新近报道的材料更贴近学生实际科研需求，有利于优化教学效果。下面我们就实际教学中每个操作流程需要注意的问题予以具体说明，供教师同行参考。

1.设置样品托架

光谱测试涉及液体及固体（包括封管的气体样品）两类样品，需要事先设置不同的托架。这里要强调托架安置时必须底座固定凹槽完全吻合，以确保光路准确；同时强调不允许将其他未用托架留在舱体中，因为一方面可能造成散射，另一方面可能造成内部吸光涂层损伤。

2.设置光路

测试瞬态光谱时，根据材料寿命尺度不同，需要使用不同的光源，涉及光路的调整。仪器使用实践中，经常有学生表示测试不出信号，实际上仅仅是他们忘记正确设置光路所致。所以在教学中，我们将设置光路教学放在开启仪器之前，力争将这一问题彻底避免。

3.开启主机及检测器

常规紫外可见光区PMT检测器的工作温度在-18℃以下，近红外PMT检测器的工作温度为-80℃以下，它们均需要一定的制冷时间。所以在教学中，我们强调测试前至少提前半个小时打开仪器电源以及可见光区PMT制冷器电源（它们是一体设计的）。最重要的是，如有近红外测试需求，提前准备液氮，必须首先开启制冷电源，待温度稳定在-80℃以下后，再打开单独配置的检测器高压电源，否则可能烧坏检测器。

4.开启光源、开启控制程序

等待检测器制冷的时间内，我们安排开启光源以及开启控制程序的教学。以FLS980型稳态瞬态光谱仪器为例，其配备三个光源，分别为氙灯、闪耀氙灯和固体激光器三种，其中闪耀氙灯直接打开预热一段时间即可使用并关闭，没有特别需要注意的事项。氙灯的开启需要先打开风扇电源，待温度达到一定标准（氙灯上附带液晶显示器有提示文字），才能开启氙灯开关，关闭氙灯时正相反，先关闭灯开关，待温度恢复正常再关闭风扇电源。固体激光器主题电源用钥匙开启，必须待“Laser Ready”显示灯不再闪烁后才能打开激光开关。结合仪器使用实际状况，在这里我们还重点强调一些常见的光源无法正常打开状况的解决方法：例如有时氙灯打开失败，可能是因为电路有灰尘，暂时关闭风扇再打开一般可以解决；还例如有时室内温度过低，会导致固体激光器无法启动，此时用热源（可以是手持吹风机）小心微热激光器就可以让其正常启动。

开启光源后就可以开启控制程序。此时仪器会进行自检，需要花费一些时间。这个时间可以让学生注意观察PMT温度的变化，对PMT降温时间有一个实际把握。

5.光谱测试及保存数据

光谱测试教学环节涉及问题最多，因为对于没有接触过FLS980仪器具体测试的研究生，需要从设置参数开始逐步演示测试过程以及数据保存导出过程。由于具体测试过程较复杂，在这里我们只总结实际教学中重点强调的问题，这些问题当然也是在实际测试中需要重点关注的。

（1）在稳态光谱测试中，狭缝的调节以让测试信号大于参考信号的3倍为宜，如实在无法达到上述要求，也尽量要让测试信号值达到数千到一万。但是，测试信号值绝对不能超过一百万（视积分时间不同，最好不要超过十万），否则可能造成检测器损坏，利用闪耀氙灯测试的瞬态光谱也遵守同样要求。

（2）利用固态激光器的瞬态光谱测试信号的调节以信号值小于仪器频率值（单位为Hz）5%为宜，最好控制在1%左右，否则测试结果会有很大误差。

（3）测试固体时，需要对光路进行重新调节。一个有效的方法是将激发波长调节到可见区（如500nm），调节激发光源的光斑，让其正好处于固体样品的正中央。此外，固体测试时很容易发生散射，此时需要加装对应滤光片以解决此问题。

（4）测试范围内如果可能出现倍频，必须加装滤光片扣除高级谱。

（5）有时PMT检测器会出现静电积累较多或者由于其他人测试不慎出现溢出的情况导致无法测试，这个问题可以通过对PMT彻底断电，拔出全部电源线，释放电荷的方法解决。

（6）测试完成后，务必将发射狭缝调节到最小值（0.02），保护检测器。

（7）数据保存在固定的文件夹中，拷贝数据时使用光盘存储数据。

6.关闭机器

关闭机器时，先关闭控制程序，再关闭光源，最后关闭检测器及机器电源。同时，强调必须将所有样品托架放回原来位置，将实验废弃物带离实验室，保持实验室良好环境。

（三）研究生上机指导

在赋予有较多测试需求的研究生上机测试权限之前，必须确认其已经过理论教学与实验演示教学培训。此外，根据研究组不同需求，除演示教学涉及的光谱测试基础操作外，我们还针对不同研究組的测试需求展开适合他们定制培训。比如研究延迟荧光材料或室温磷光材料的研究组，除瞬态光谱外，还对他们额外展开变温光谱测试以及时间分辨光谱测试等测试的培训，以其让仪器发挥最大作用，为科研助力。

四、结语

稳态瞬态光谱仪功能全面，但同时其操作相对复杂，维护难度也较大，这一现状为该仪器使用的教学工作提出了很高的要求。显然本文不可能将稳态瞬态光谱仪使用教学中的所有问题点覆盖完全，但是我们期望能够通过在教学中的上述总结与感悟，为教师同行提供一些参考，起到抛砖引玉的作用。

参考文献：

[1]N.J.图罗、V.拉马穆尔蒂、J.C.斯卡约诺等著，吴骊珠、佟振合、吴世康等译，现代分子光化学[M].北京：化学工业出版社，2015.

[2]张寒琦著，仪器分析（第2版）[M].北京：高等教育出版社，2013年.

[3]赵金平，单光子计数系统的研究，长春工业大学硕士学位论文，2013年.

[4]ZHANG.S， YAO L，PENG Q， et al. Achieving a Significantly Increased Efficiency in Nondoped Pure Blue Fluorescent OLED： A Quasi‐Equivalent Hybridized Excited State[J]. Advanced Functional Materials， 2015（11）： 1755-1762.

作者简介：

陶艳春（1961-），女，汉族，吉林省长春市人，高级工程师，研究方向：大型精密仪器设备的管理、维护维修、测试以及结构分析。

张诗童（1989-），男，满族，吉林省吉林市人，博士，助理研究员，研究方向：有机光电功能材料的设计、制备与应用。