研究生穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)光譜實驗課程的教學(xué)探討

陶艷春 張詩童

【摘要】發(fā)光功能材料是顯示、照明、傳感等領(lǐng)域的基礎(chǔ)，發(fā)展新一代發(fā)光功能材料體系是當(dāng)前亟待解決的重大科學(xué)問題之一。對于從事發(fā)光材料體系開發(fā)工作的化學(xué)領(lǐng)域研究生，除必須掌握新材料的合成技術(shù)外，另一項最重要的基礎(chǔ)科研技能是利用現(xiàn)代儀器手段獲得材料真實、準(zhǔn)確的光譜信息。本文從儀器使用與研究生教學(xué)實踐兩方面出發(fā)，探討穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)熒光光譜儀光譜實驗課程教學(xué)中可能遇到的關(guān)鍵問題，并提出可供教師同行參照的解決思路。

【關(guān)鍵詞】穩(wěn)態(tài)瞬態(tài) 光譜實驗 教學(xué)探討

【中圖分類號】G64 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）27-0235-02

一、開展研究生穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)熒光光譜實驗課程的背景

發(fā)光功能材料一直是化學(xué)與材料科學(xué)研究人員最關(guān)注的研究內(nèi)容之一，尤其是近20年來有機發(fā)光材料、量子點發(fā)光材料以及鈣鈦礦型無機發(fā)光材料的出現(xiàn)大大推動了顯示行業(yè)的技術(shù)革新，這一新現(xiàn)狀為研究生教學(xué)工作提出了新的要求。一方面，新型發(fā)光材料的表征工作顯然不能僅僅局限于本科生階段已經(jīng)學(xué)習(xí)的簡單的吸收、發(fā)射光譜測試；另一方面，從事發(fā)光材料研究的導(dǎo)師及研究生數(shù)量多，各研究組的材料性質(zhì)性能各有差異，光譜測試雖然具有一定的常規(guī)操作流程，但是對于一個具體的材料，必須基于對其發(fā)光性質(zhì)深刻的認識，結(jié)合合適的測量方法才能獲得真實的光譜信息，僅靠專職實驗技術(shù)人員協(xié)助測試顯然無助于滿足研究生教學(xué)與日?？蒲行枨蟆；谏鲜霰尘埃瑢嶒炇矣?013年購置了英國愛丁堡（Edinburgh）公司生產(chǎn)的FLS980穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)光譜儀，同時開始開展相關(guān)實驗課程的教學(xué)工作。

二、實驗教學(xué)組織形式

相比于本科生階段的儀器使用教學(xué)，研究生階段的教學(xué)更注重培養(yǎng)利用專業(yè)基礎(chǔ)知識獲取具體問題解決方案的能力。因此，我實驗室的儀器教學(xué)課程除包括常規(guī)使用教學(xué)外，往往還擔(dān)負儀器需求較多的研究組專門測試人員的培訓(xùn)工作?；谶@一實際情況，我們的實驗教學(xué)組織形式采取“儀器理論培訓(xùn)+上機測試培訓(xùn)”的方式。具體來說，儀器理論培訓(xùn)部分以授課形式完成，重點幫助學(xué)生喚醒并強化本科階段儀器分析課程對熒光光譜儀結(jié)構(gòu)的已有知識積累，強調(diào)儀器操作規(guī)程、安全信息以及相關(guān)注意事項；上機培訓(xùn)部分在安排教師演示實驗教學(xué)，強化理論教學(xué)內(nèi)容的同時，對有重要儀器需求的研究組還分別單獨劃出上機培訓(xùn)機時，設(shè)計適合各研究組樣品特點的具體測試方案，以達到在獲得數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)需求同時，還能滿足獲得更加精準(zhǔn)、真實數(shù)據(jù)的要求。按照以往儀器教學(xué)經(jīng)驗，我們的理論教學(xué)以儀器原理、功能介紹以及安全教育為主，具體的儀器操作步驟教學(xué)安排在演示及上機指導(dǎo)部分完成。實踐表明這樣的教學(xué)安排相對于在理論教學(xué)部分直接講解儀器操作流程的模式更好，學(xué)生能夠在理解測試原理的基礎(chǔ)上，快速掌握儀器使用方法。

三、教學(xué)中需要注意的問題

（一）儀器使用理論教學(xué)與安全教育

首先我們結(jié)合儀器內(nèi)部構(gòu)造圖分別介紹穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)光譜儀的基本構(gòu)成：光源、激發(fā)臂分光系統(tǒng)（光柵）、樣品艙室、檢測臂分光系統(tǒng)（光柵）、檢測器。根據(jù)不同測試需求，其中光源還分為穩(wěn)態(tài)光源（氙燈）及瞬態(tài)光源（閃耀氙燈、單分子計數(shù)激光器）兩類；樣品艙室按照樣品檢測需求需要安裝溶液托架、固體托架、變溫樣品托架以及積分球系統(tǒng)等等；檢測器按照測試波長不同分為紫外可見區(qū)光電倍增管（PMT）檢測器以及近紅外區(qū)PMT檢測器。顯然，該儀器價格昂貴，附件繁多，維護復(fù)雜。所以我們在這一部分教學(xué)中除幫助學(xué)生回憶本科期間所學(xué)儀器結(jié)構(gòu)知識外，強調(diào)必須嚴格按照規(guī)程使用儀器，如出現(xiàn)嚴重問題如易損部件過早毀壞、光路不正、光源參數(shù)混亂等還需要聯(lián)系專業(yè)工程師到場解決，這往往需要半個月以上的等待時間，嚴重影響測試進程。接下來我們結(jié)合各研究組實際研究需求，介紹儀器可實現(xiàn)的功能。穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)光譜儀相對于普通光譜儀，最突出、不可替代的優(yōu)勢就是它可以測定瞬態(tài)光譜以及時間分辨光譜，這些信息可以用于直接判斷發(fā)光材料的具體激發(fā)態(tài)特征。所以在實際教學(xué)中，我們重點講解的也是基于單光子計數(shù)法的瞬態(tài)光譜及時間分辨光譜，原因有三：第一，穩(wěn)態(tài)光譜還可以利用常規(guī)光譜儀測試，數(shù)據(jù)獲得途徑相對較多；第二，穩(wěn)態(tài)光譜的測試與瞬態(tài)光譜測試的操作規(guī)程大致相近，實際演示教學(xué)效果更好；最重要的是，雖然穩(wěn)態(tài)光譜測試內(nèi)容在本科儀器分析課程中已有很多介紹，但是瞬態(tài)光譜測試技術(shù)的教學(xué)在本科階段幾乎沒有開展，對于研究生來說是全新的內(nèi)容。最后，我們對研究生進行儀器使用的安全教育。首先，我們結(jié)合具體實例圖，重點提出并糾正常見的不良儀器使用習(xí)慣，例如將不用的樣品托架隨意留置在樣品艙室內(nèi)、測試固體樣品時不注意固定樣品導(dǎo)致樣品灑落、測試液體樣品誤用漏液的比色皿、無端更改儀器關(guān)鍵參數(shù)文件又不予還原、測試完成后不將樣品艙蓋放回原位、在儀器附近隨意使用有機溶劑污染機器外殼等等。其次，我們還需要反復(fù)強調(diào)儀器使用安全問題，重點強調(diào)用電的安全（PMT檢測器為金屬外殼，內(nèi)部電壓很高）、液氮等易造成凍傷物質(zhì)（近紅外檢測器、低溫?zé)晒飧郊枰┑陌踩褂梅椒ㄒ约半療舻恼_開啟、使用方法（因其有爆炸可能）。

（二）上機培訓(xùn)演示教學(xué)

以理論教學(xué)為基礎(chǔ)，我們在上機培訓(xùn)演示教學(xué)環(huán)節(jié)中，主要介紹穩(wěn)態(tài)光譜、瞬態(tài)光譜的具體測試流程（主要包括設(shè)置樣品托架、設(shè)置光路、開啟主機及檢測器、開啟光源、開啟控制程序、測試、保存數(shù)據(jù)、關(guān)閉機器等），重點強調(diào)每步操作流程中的多發(fā)問題以及需重點注意的問題。因為這部分教學(xué)內(nèi)容是學(xué)生最為關(guān)注的，所以我們通過增加教學(xué)批次的方法，將每批教學(xué)人數(shù)控制在10人左右，以保證良好的教學(xué)效果。需要注意的是，演示教學(xué)使用的發(fā)光材料以近期報道的新材料為宜，因為瞬態(tài)光譜測試技術(shù)本身較新，經(jīng)典材料不一定能夠保證獲得可參照的數(shù)據(jù)，并且新近報道的材料更貼近學(xué)生實際科研需求，有利于優(yōu)化教學(xué)效果。下面我們就實際教學(xué)中每個操作流程需要注意的問題予以具體說明，供教師同行參考。

1.設(shè)置樣品托架

光譜測試涉及液體及固體（包括封管的氣體樣品）兩類樣品，需要事先設(shè)置不同的托架。這里要強調(diào)托架安置時必須底座固定凹槽完全吻合，以確保光路準(zhǔn)確；同時強調(diào)不允許將其他未用托架留在艙體中，因為一方面可能造成散射，另一方面可能造成內(nèi)部吸光涂層損傷。

2.設(shè)置光路

測試瞬態(tài)光譜時，根據(jù)材料壽命尺度不同，需要使用不同的光源，涉及光路的調(diào)整。儀器使用實踐中，經(jīng)常有學(xué)生表示測試不出信號，實際上僅僅是他們忘記正確設(shè)置光路所致。所以在教學(xué)中，我們將設(shè)置光路教學(xué)放在開啟儀器之前，力爭將這一問題徹底避免。

3.開啟主機及檢測器

常規(guī)紫外可見光區(qū)PMT檢測器的工作溫度在-18℃以下，近紅外PMT檢測器的工作溫度為-80℃以下，它們均需要一定的制冷時間。所以在教學(xué)中，我們強調(diào)測試前至少提前半個小時打開儀器電源以及可見光區(qū)PMT制冷器電源（它們是一體設(shè)計的）。最重要的是，如有近紅外測試需求，提前準(zhǔn)備液氮，必須首先開啟制冷電源，待溫度穩(wěn)定在-80℃以下后，再打開單獨配置的檢測器高壓電源，否則可能燒壞檢測器。

4.開啟光源、開啟控制程序

等待檢測器制冷的時間內(nèi)，我們安排開啟光源以及開啟控制程序的教學(xué)。以FLS980型穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)光譜儀器為例，其配備三個光源，分別為氙燈、閃耀氙燈和固體激光器三種，其中閃耀氙燈直接打開預(yù)熱一段時間即可使用并關(guān)閉，沒有特別需要注意的事項。氙燈的開啟需要先打開風(fēng)扇電源，待溫度達到一定標(biāo)準(zhǔn)（氙燈上附帶液晶顯示器有提示文字），才能開啟氙燈開關(guān)，關(guān)閉氙燈時正相反，先關(guān)閉燈開關(guān)，待溫度恢復(fù)正常再關(guān)閉風(fēng)扇電源。固體激光器主題電源用鑰匙開啟，必須待“Laser Ready”顯示燈不再閃爍后才能打開激光開關(guān)。結(jié)合儀器使用實際狀況，在這里我們還重點強調(diào)一些常見的光源無法正常打開狀況的解決方法：例如有時氙燈打開失敗，可能是因為電路有灰塵，暫時關(guān)閉風(fēng)扇再打開一般可以解決；還例如有時室內(nèi)溫度過低，會導(dǎo)致固體激光器無法啟動，此時用熱源（可以是手持吹風(fēng)機）小心微熱激光器就可以讓其正常啟動。

開啟光源后就可以開啟控制程序。此時儀器會進行自檢，需要花費一些時間。這個時間可以讓學(xué)生注意觀察PMT溫度的變化，對PMT降溫時間有一個實際把握。

5.光譜測試及保存數(shù)據(jù)

光譜測試教學(xué)環(huán)節(jié)涉及問題最多，因為對于沒有接觸過FLS980儀器具體測試的研究生，需要從設(shè)置參數(shù)開始逐步演示測試過程以及數(shù)據(jù)保存導(dǎo)出過程。由于具體測試過程較復(fù)雜，在這里我們只總結(jié)實際教學(xué)中重點強調(diào)的問題，這些問題當(dāng)然也是在實際測試中需要重點關(guān)注的。

（1）在穩(wěn)態(tài)光譜測試中，狹縫的調(diào)節(jié)以讓測試信號大于參考信號的3倍為宜，如實在無法達到上述要求，也盡量要讓測試信號值達到數(shù)千到一萬。但是，測試信號值絕對不能超過一百萬（視積分時間不同，最好不要超過十萬），否則可能造成檢測器損壞，利用閃耀氙燈測試的瞬態(tài)光譜也遵守同樣要求。

（2）利用固態(tài)激光器的瞬態(tài)光譜測試信號的調(diào)節(jié)以信號值小于儀器頻率值（單位為Hz）5%為宜，最好控制在1%左右，否則測試結(jié)果會有很大誤差。

（3）測試固體時，需要對光路進行重新調(diào)節(jié)。一個有效的方法是將激發(fā)波長調(diào)節(jié)到可見區(qū)（如500nm），調(diào)節(jié)激發(fā)光源的光斑，讓其正好處于固體樣品的正中央。此外，固體測試時很容易發(fā)生散射，此時需要加裝對應(yīng)濾光片以解決此問題。

（4）測試范圍內(nèi)如果可能出現(xiàn)倍頻，必須加裝濾光片扣除高級譜。

（5）有時PMT檢測器會出現(xiàn)靜電積累較多或者由于其他人測試不慎出現(xiàn)溢出的情況導(dǎo)致無法測試，這個問題可以通過對PMT徹底斷電，拔出全部電源線，釋放電荷的方法解決。

（6）測試完成后，務(wù)必將發(fā)射狹縫調(diào)節(jié)到最小值（0.02），保護檢測器。

（7）數(shù)據(jù)保存在固定的文件夾中，拷貝數(shù)據(jù)時使用光盤存儲數(shù)據(jù)。

6.關(guān)閉機器

關(guān)閉機器時，先關(guān)閉控制程序，再關(guān)閉光源，最后關(guān)閉檢測器及機器電源。同時，強調(diào)必須將所有樣品托架放回原來位置，將實驗廢棄物帶離實驗室，保持實驗室良好環(huán)境。

（三）研究生上機指導(dǎo)

在賦予有較多測試需求的研究生上機測試權(quán)限之前，必須確認其已經(jīng)過理論教學(xué)與實驗演示教學(xué)培訓(xùn)。此外，根據(jù)研究組不同需求，除演示教學(xué)涉及的光譜測試基礎(chǔ)操作外，我們還針對不同研究組的測試需求展開適合他們定制培訓(xùn)。比如研究延遲熒光材料或室溫磷光材料的研究組，除瞬態(tài)光譜外，還對他們額外展開變溫光譜測試以及時間分辨光譜測試等測試的培訓(xùn)，以其讓儀器發(fā)揮最大作用，為科研助力。

四、結(jié)語

穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)光譜儀功能全面，但同時其操作相對復(fù)雜，維護難度也較大，這一現(xiàn)狀為該儀器使用的教學(xué)工作提出了很高的要求。顯然本文不可能將穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)光譜儀使用教學(xué)中的所有問題點覆蓋完全，但是我們期望能夠通過在教學(xué)中的上述總結(jié)與感悟，為教師同行提供一些參考，起到拋磚引玉的作用。

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作者簡介：

陶艷春（1961-），女，漢族，吉林省長春市人，高級工程師，研究方向：大型精密儀器設(shè)備的管理、維護維修、測試以及結(jié)構(gòu)分析。

張詩童（1989-），男，滿族，吉林省吉林市人，博士，助理研究員，研究方向：有機光電功能材料的設(shè)計、制備與應(yīng)用。