陶艷春 張?jiān)娡?/p>

【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(wèn)題之一。對(duì)于從事發(fā)光材料體系開(kāi)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(xiàng)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(shí)、準(zhǔn)確的光譜信息。本文從儀器使用與研究生教學(xué)實(shí)踐兩方面出發(fā)，探討穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)熒光光譜儀光譜實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中可能遇到的關(guān)鍵問(wèn)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(shí)驗(yàn) 教學(xué)探討

【中圖分類(lèi)號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2018）27-0235-02

一、開(kāi)展研究生穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)熒光光譜實(shí)驗(yàn)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?jī)?nèi)容之一，尤其是近20年來(lái)有機(jī)發(fā)光材料、量子點(diǎn)發(fā)光材料以及鈣鈦礦型無(wú)機(jī)發(fā)光材料的出現(xiàn)大大推動(dòng)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(jiǎn)單的吸收、發(fā)射光譜測(cè)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(cè)試雖然具有一定的常規(guī)操作流程，但是對(duì)于一個(gè)具體的材料，必須基于對(duì)其發(fā)光性質(zhì)深刻的認(rèn)識(shí)，結(jié)合合適的測(cè)量方法才能獲得真實(shí)的光譜信息，僅靠專(zhuān)職實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員協(xié)助測(cè)試顯然無(wú)助于滿(mǎn)足研究生教學(xué)與日?？蒲行枨??；谏鲜霰尘埃瑢?shí)驗(yàn)室于2013年購(gòu)置了英國(guó)愛(ài)丁堡（Edinburgh）公司生產(chǎn)的FLS980穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)光譜儀，同時(shí)開(kāi)始開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)工作。

二、實(shí)驗(yàn)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(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)獲取具體問(wèn)題解決方案的能力。因此，我實(shí)驗(yàn)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(fù)儀器需求較多的研究組專(zhuān)門(mén)測(cè)試人員的培訓(xùn)工作。基于這一實(shí)際情況，我們的實(shí)驗(yàn)教學(xué)組織形式采取“儀器理論培訓(xùn)+上機(jī)測(cè)試培訓(xùn)”的方式。具體來(lái)說(shuō)，儀器理論培訓(xùn)部分以授課形式完成，重點(diǎn)幫助學(xué)生喚醒并強(qiáng)化本科階段儀器分析課程對(duì)熒光光譜儀結(jié)構(gòu)的已有知識(shí)積累，強(qiáng)調(diào)儀器操作規(guī)程、安全信息以及相關(guān)注意事項(xiàng)；上機(jī)培訓(xùn)部分在安排教師演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)，強(qiáng)化理論教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，對(duì)有重要儀器需求的研究組還分別單獨(dú)劃出上機(jī)培訓(xùn)機(jī)時(shí)，設(shè)計(jì)適合各研究組樣品特點(diǎn)的具體測(cè)試方案，以達(dá)到在獲得數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)需求同時(shí)，還能滿(mǎn)足獲得更加精準(zhǔn)、真實(shí)數(shù)據(jù)的要求。按照以往儀器教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，我們的理論教學(xué)以?xún)x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(jī)指導(dǎo)部分完成。實(shí)踐表明這樣的教學(xué)安排相對(duì)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(cè)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(wèn)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(cè)臂分光系統(tǒng)（光柵）、檢測(cè)器。根據(jù)不同測(cè)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(jì)數(shù)激光器）兩類(lèi)；樣品艙室按照樣品檢測(cè)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(cè)器按照測(cè)試波長(zhǎng)不同分為紫外可見(jiàn)區(qū)光電倍增管（PMT）檢測(cè)器以及近紅外區(qū)PMT檢測(cè)器。顯然，該儀器價(jià)格昂貴，附件繁多，維護(hù)復(fù)雜。所以我們?cè)谶@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(shí)外，強(qiáng)調(diào)必須嚴(yán)格按照規(guī)程使用儀器，如出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題如易損部件過(guò)早毀壞、光路不正、光源參數(shù)混亂等還需要聯(lián)系專(zhuān)業(yè)工程師到場(chǎng)解決，這往往需要半個(gè)月以上的等待時(shí)間，嚴(yán)重影響測(cè)試進(jìn)程。接下來(lái)我們結(jié)合各研究組實(shí)際研究需求，介紹儀器可實(shí)現(xiàn)的功能。穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)光譜儀相對(duì)于普通光譜儀，最突出、不可替代的優(yōu)勢(shì)就是它可以測(cè)定瞬態(tài)光譜以及時(shí)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(shí)際教學(xué)中，我們重點(diǎn)講解的也是基于單光子計(jì)數(shù)法的瞬態(tài)光譜及時(shí)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(cè)試，數(shù)據(jù)獲得途徑相對(duì)較多；第二，穩(wěn)態(tài)光譜的測(cè)試與瞬態(tài)光譜測(cè)試的操作規(guī)程大致相近，實(shí)際演示教學(xué)效果更好；最重要的是，雖然穩(wěn)態(tài)光譜測(cè)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(cè)試技術(shù)的教學(xué)在本科階段幾乎沒(méi)有開(kāi)展，對(duì)于研究生來(lái)說(shuō)是全新的內(nèi)容。最后，我們對(duì)研究生進(jìn)行儀器使用的安全教育。首先，我們結(jié)合具體實(shí)例圖，重點(diǎn)提出并糾正常見(jiàn)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(cè)試固體樣品時(shí)不注意固定樣品導(dǎo)致樣品灑落、測(cè)試液體樣品誤用漏液的比色皿、無(wú)端更改儀器關(guān)鍵參數(shù)文件又不予還原、測(cè)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(jī)溶劑污染機(jī)器外殼等等。其次，我們還需要反復(fù)強(qiáng)調(diào)儀器使用安全問(wèn)題，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)用電的安全（PMT檢測(cè)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(cè)器、低溫?zé)晒飧郊枰┑陌踩褂梅椒ㄒ约半療舻恼_開(kāi)啟、使用方法（因其有爆炸可能）。

（二）上機(jī)培訓(xùn)演示教學(xué)

以理論教學(xué)為基礎(chǔ)，我們?cè)谏蠙C(jī)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(cè)試流程（主要包括設(shè)置樣品托架、設(shè)置光路、開(kāi)啟主機(jī)及檢測(cè)器、開(kāi)啟光源、開(kāi)啟控制程序、測(cè)試、保存數(shù)據(jù)、關(guān)閉機(jī)器等），重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)每步操作流程中的多發(fā)問(wèn)題以及需重點(diǎn)注意的問(wèn)題。因?yàn)檫@部分教學(xué)內(nèi)容是學(xué)生最為關(guān)注的，所以我們通過(guò)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(bào)道的新材料為宜，因?yàn)樗矐B(tài)光譜測(cè)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(bào)道的材料更貼近學(xué)生實(shí)際科研需求，有利于優(yōu)化教學(xué)效果。下面我們就實(shí)際教學(xué)中每個(gè)操作流程需要注意的問(wèn)題予以具體說(shuō)明，供教師同行參考。

1.設(shè)置樣品托架

光譜測(cè)試涉及液體及固體（包括封管的氣體樣品）兩類(lèi)樣品，需要事先設(shè)置不同的托架。這里要強(qiáng)調(diào)托架安置時(shí)必須底座固定凹槽完全吻合，以確保光路準(zhǔn)確；同時(shí)強(qiáng)調(diào)不允許將其他未用托架留在艙體中，因?yàn)橐环矫婵赡茉斐缮⑸?，另一方面可能造成?nèi)部吸光涂層損傷。

2.設(shè)置光路

測(cè)試瞬態(tài)光譜時(shí)，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(shí)踐中，經(jīng)常有學(xué)生表示測(cè)試不出信號(hào)，實(shí)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(kāi)啟儀器之前，力爭(zhēng)將這一問(wèn)題徹底避免。

3.開(kāi)啟主機(jī)及檢測(cè)器

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

4.開(kāi)啟光源、開(kāi)啟控制程序

等待檢測(cè)器制冷的時(shí)間內(nèi)，我們安排開(kāi)啟光源以及開(kāi)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(gè)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(kāi)預(yù)熱一段時(shí)間即可使用并關(guān)閉，沒(méi)有特別需要注意的事項(xiàng)。氙燈的開(kāi)啟需要先打開(kāi)風(fēng)扇電源，待溫度達(dá)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(kāi)啟氙燈開(kāi)關(guān)，關(guān)閉氙燈時(shí)正相反，先關(guān)閉燈開(kāi)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(kāi)啟，必須待“Laser Ready”顯示燈不再閃爍后才能打開(kāi)激光開(kāi)關(guān)。結(jié)合儀器使用實(shí)際狀況，在這里我們還重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)一些常見(jiàn)的光源無(wú)法正常打開(kāi)狀況的解決方法：例如有時(shí)氙燈打開(kāi)失敗，可能是因?yàn)殡娐酚谢覊m，暫時(shí)關(guān)閉風(fēng)扇再打開(kāi)一般可以解決；還例如有時(shí)室內(nèi)溫度過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致固體激光器無(wú)法啟動(dòng)，此時(shí)用熱源（可以是手持吹風(fēng)機(jī)）小心微熱激光器就可以讓其正常啟動(dòng)。

開(kāi)啟光源后就可以開(kāi)啟控制程序。此時(shí)儀器會(huì)進(jìn)行自檢，需要花費(fèi)一些時(shí)間。這個(gè)時(shí)間可以讓學(xué)生注意觀察PMT溫度的變化，對(duì)PMT降溫時(shí)間有一個(gè)實(shí)際把握。

5.光譜測(cè)試及保存數(shù)據(jù)

光譜測(cè)試教學(xué)環(huán)節(jié)涉及問(wèn)題最多，因?yàn)閷?duì)于沒(méi)有接觸過(guò)FLS980儀器具體測(cè)試的研究生，需要從設(shè)置參數(shù)開(kāi)始逐步演示測(cè)試過(guò)程以及數(shù)據(jù)保存導(dǎo)出過(guò)程。由于具體測(cè)試過(guò)程較復(fù)雜，在這里我們只總結(jié)實(shí)際教學(xué)中重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的問(wèn)題，這些問(wèn)題當(dāng)然也是在實(shí)際測(cè)試中需要重點(diǎn)關(guān)注的。

（1）在穩(wěn)態(tài)光譜測(cè)試中，狹縫的調(diào)節(jié)以讓測(cè)試信號(hào)大于參考信號(hào)的3倍為宜，如實(shí)在無(wú)法達(dá)到上述要求，也盡量要讓測(cè)試信號(hào)值達(dá)到數(shù)千到一萬(wàn)。但是，測(cè)試信號(hào)值絕對(duì)不能超過(guò)一百萬(wàn)（視積分時(shí)間不同，最好不要超過(guò)十萬(wàn)），否則可能造成檢測(cè)器損壞，利用閃耀氙燈測(cè)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(cè)試信號(hào)的調(diào)節(jié)以信號(hào)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(cè)試結(jié)果會(huì)有很大誤差。

（3）測(cè)試固體時(shí)，需要對(duì)光路進(jìn)行重新調(diào)節(jié)。一個(gè)有效的方法是將激發(fā)波長(zhǎng)調(diào)節(jié)到可見(jiàn)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(cè)試時(shí)很容易發(fā)生散射，此時(shí)需要加裝對(duì)應(yīng)濾光片以解決此問(wèn)題。

（4）測(cè)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(jí)譜。

（5）有時(shí)PMT檢測(cè)器會(huì)出現(xiàn)靜電積累較多或者由于其他人測(cè)試不慎出現(xiàn)溢出的情況導(dǎo)致無(wú)法測(cè)試，這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)對(duì)PMT徹底斷電，拔出全部電源線(xiàn)，釋放電荷的方法解決。

（6）測(cè)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(hù)檢測(cè)器。

（7）數(shù)據(jù)保存在固定的文件夾中，拷貝數(shù)據(jù)時(shí)使用光盤(pán)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

6.關(guān)閉機(jī)器

關(guān)閉機(jī)器時(shí)，先關(guān)閉控制程序，再關(guān)閉光源，最后關(guān)閉檢測(cè)器及機(jī)器電源。同時(shí)，強(qiáng)調(diào)必須將所有樣品托架放回原來(lái)位置，將實(shí)驗(yàn)廢棄物帶離實(shí)驗(yàn)室，保持實(shí)驗(yàn)室良好環(huán)境。

（三）研究生上機(jī)指導(dǎo)

在賦予有較多測(cè)試需求的研究生上機(jī)測(cè)試權(quán)限之前，必須確認(rèn)其已經(jīng)過(guò)理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)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(cè)試基礎(chǔ)操作外，我們還針對(duì)不同研究組的測(cè)試需求展開(kāi)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(duì)他們額外展開(kāi)變溫光譜測(cè)試以及時(shí)間分辨光譜測(cè)試等測(cè)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(yǔ)

穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)光譜儀功能全面，但同時(shí)其操作相對(duì)復(fù)雜，維護(hù)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(wèn)題點(diǎn)覆蓋完全，但是我們期望能夠通過(guò)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(jiǎn)介：

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

張?jiān)娡?989-），男，滿(mǎn)族，吉林省吉林市人，博士，助理研究員，研究方向：有機(jī)光電功能材料的設(shè)計(jì)、制備與應(yīng)用。