CN103134590A

CN103134590A - 一种实时动态测试磷光光谱的方法

Info

Publication number: CN103134590A
Application number: CN2013100444652A
Authority: CN
Inventors: 唐超; 虞潇蓥; 徐慧; 刘瑞兰; 戎舟; 黄维
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University; Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2013-06-05

Abstract

本发明是一种实时动态测试磷光光谱的方法，该方法具体如下：由光源（1）发出的光经过激发光单色器（2）后分出不同波长的激发光（3），然后通过光信号输入到样品室（4）中，对所研究体系进行照射，经过斩波片（5），产生的磷光（6）通过光信号输出。样品发出的磷光通常为宽带光谱，需通过发射光单色器（7）分光成为无激发光的单色光,再经过光电转换器（8），光信号被转换为电信号，然后通过电信号输出（9）到数据采集卡（10）；为了样品室（4）测试的需要，还设有温度和压力控制系统（11）和其它环境控制系统（12）对样品室（4）进行控制，整个仪器系统由计算机数据处理（13）进行控制和数据处理；本发明采用普通连续光源，通过高速数据采集卡来实现动态磷光光谱的测试。

Description

一种实时动态测试磷光光谱的方法

技术领域

本发明属于磷光光谱学仪器领域。通过对磷光光谱进行动态化测试设计，以获得所研究体系的实时动态磷光光谱曲线，进而可以通过该实时动态磷光光谱来研究动态进行的化学、材料和生物体系。

背景技术

磷光是光致发光，因此必须选择合适的激发光波长，这可以根据它们的激发光谱曲线来确定。磷光具有的特点有：磷光辐射的波长较荧光长；磷光的寿命和辐射强度对重元素原子和顺磁性离子极其敏感；磷光最重要的特点是它的长寿命。但一般的磷光光谱只能对处于平衡态的体系进行研究，而实际发生的化学过程，材料的聚集过程和生物体系中的生命过程都不是处于平衡态而是动态进行的，因此，这就需要动态的磷光光谱仪。

目前已经商业化的动态磷光光谱仪是所谓的瞬态磷光光谱仪。在稳态光谱方面：该设备可以测量样品的激发谱、发射谱、同步谱及动态扫描，同时测试样品的量子产率。在瞬态光谱方面：可以通过选用不同波长的激光灯测试样品的磷光寿命，同时可以在低温下测试样品的磷光寿命。脉冲光源激发样品后,样品发出磷光光子信号,每次脉冲后只记录某特定波长单个光子出现的时间t,经过多次计数,测得磷光光子出现的几率分布P(t),此P(t)曲线就相当于激发停止后磷光强度随时间衰减的I(t)曲线。尽管目前的激光技术已经可以实现飞秒级的激光脉冲，因而可以实现飞秒级的瞬态光谱。但从研究实时动态进行的化学、材料和生物体系而言，基于瞬态激光光源的仪器存在以下问题：

1）相对普通连续光源，激光脉冲光源是很昂贵的，因而所得的瞬态磷光光谱仪比现行的普通紫外可见磷光光谱仪昂贵很多，难以推广作为常态仪器；

2）普通的磷光光谱需要激发光，很多时候的研究需要一个连续的单色激发光源（通常的紫外可见磷光光谱仪的光谱范围为200-850nm左右）。为降低成本，现行的瞬态磷光光谱仪的激光脉冲光源通常是固定的几个波长。如果要实现连续的瞬态激发光源，则所得仪器将极为昂贵，一般的实验室难以承受。

因此，现行的瞬态磷光光谱仪要么价格昂贵难以承受，要么难以实现连续的激发光光谱，这使得其难以广泛地应用于动态进行的化学、材料和生物过程研究与探测。动态体系的科学研究和实际应用需要一种既价格便宜，又能实现连续激发光谱的磷光光谱仪，本发明的基于连续光源和数据采集卡的动态磷光光谱仪则满足了这一需求。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种实时动态测试磷光光谱的方法，通过这种仪器可以直接对具有实际和科学意义的实时动态的化学、材料和生物过程进行测试。

技术方案：本发明的实时动态测试磷光光谱的方法具体如下：

由光源发出的光经过激发光单色器后分出不同波长的激发光，然后通过光信号输入到样品室中，对所研究体系进行照射，经过斩波片产生的磷光通过光信号输出；样品发出的磷光通常为宽带光谱，需通过发射光单色器分光成为无激发光的单色光，再经过光电转换器，光信号被转换为电信号，然后通过电信号输出到数据采集卡；为了样品室测试的需要，还设有温度和压力控制系统和其它环境控制系统对样品室进行控制，整个仪器系统由计算机数据处理进行控制和数据处理；本发明采用普通连续光源，通过高速数据采集卡来实现动态磷光光谱的测试。

所述的光源具有强度足够且稳定的连续光谱，连续光源采用氢灯、氘灯、钨灯、氙灯、汞灯或发光二极管灯。

所述的光电转换器采用电荷耦合元件来实现将光学信号直接转换为模拟电流信号，然后该模拟电流信号被传输到数据采集卡，通过高速数据采集卡的高速采集而实现动态磷光测试。

本发明实现动态测试的原理是依据数据采集卡的采集速率的，目前的电子工业已经可以方便的提供各个采样速率的数据采集卡，其采用速率可以从低频至10⁹ Hz，即本发明的磷光光谱的测试速率可以根据需要在每秒数千次、数万次、10⁶、10⁹范围内变化。且因为数据采集卡的数据采集速率在不超过最大采集速率的情况下可以设定的，这就意味着动态测试光谱的速率也是可以设定的，这会在具体的化学、材料和生物动态体系的研究和生产中带来极大的方便。

有益效果：本发明的动态磷光光谱仪采用普通的连续光源和二级单色系统，在得到无激发光的单色光后增加电荷耦合元件CCD将光信号转换为电信号，然后用高速数据采集卡进行高速实时动态数据采集，从而实现动态化的磷光光谱的测试。CCD已经是广泛使用的光学元件，价格通常在数千元左右，高速数据采集卡是常用的电信号硬件设备，其价格也仅在万元或者几万元左右。而现有的商业化高速数据采集卡的采集速率可以达到每秒10⁹次，这样，本发明的动态磷光光谱仪可以实现每秒测试10⁹次磷光光谱，这已经可以满足绝大部分的实时动态的测试要求。且同普通磷光光谱仪相比，价格只增加几万元，就算是配备较好的数据采集卡，价格也只增加约十万元。而且，一旦实现量产推广，在批量采购下，价格会更加便宜。因而，本发明的动态磷光光谱既可以实现最高纳秒级的瞬态连续磷光光谱测试，仪器价格也增加不多。本发明的仪器在性能上能满足大部分的动态测试要求，而在价格上也增加不多。

附图说明

图1是本发明仪器的整体结构示意图。

其中有：光源1、激发光单色器2、激发光3、样品室4、斩波片5、磷光6、发射光单色器7、光电转换器8、电信号输出9、数据采集卡10、温度和压力控制系统11、环境控制系统12、计算机数据处理13。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的内容，通过以下具体的实施例来进一步说明本发明的技术方案，但该实施例并不限制本发明。

光源可以采用一般的紫外可见连续光源，包括钨灯、氢灯、高压汞灯、氙弧灯等。本实施方式用用具有磷光活性的有机化合物溶液作为样品溶液。光源通过光栅分光而获得单色光，然后入射到样品溶液，经过斩波片，利用分子受激所产生的荧光与磷光的寿命不同获取磷光辐射。由于有机化合物溶液的磷光通常都不是单色光，而是一个较宽的光谱带，这样就需要将磷光分解成单色光加以测试。出射的磷光依然用光栅分光而得到单色光，光栅上的单色光定位的入射到光电转化器CCD上，转化成模拟电信号。然后电信号由后续的高速数据采集卡进行采集。由于有机化合物的磷光通常在紫外和可见光范围内，且紫外可见光的频率远远高于数据采集卡的采样频率，因而采集速率由数据采集卡决定。在光源存在的情况下，单色光是一直入射样品的，同时也是一直在照射样品后产生磷光的，本发明在整体设计上采用光电转换器将光信号转换为电信号，然后用高速数据采集卡进行高速数据采集，从而实现动态化测试。

光源采用常用的钨灯作为连续光源，激发单色器采用光栅，通过光栅后光源被分出不同波长的激发光，然后通过光信号输入到样品室中，通过光信号输出激发样品产生磷光，由于样品发出的磷光为宽带光谱，需通过发射单色器分光成为无激发光的单色光，由光栅所分光所得到的单色光是可以通过计算而定位的，仪器中可以选择300～800 nm的光谱范围，这样，就可以得到300～800 nm范围内的单色光，且每一波长的单色光入射的方向是确定的。光电转化器采用CCD，CCD的本质是由很多个单个光电转换器组成，每个光电转化器为一个像素点。由于每一个波长的入射光的方向是确定的，这样，当透射光到达光电转换器CCD时，每一个波长的透射光的方位也是确定地照射到CCD上的某个或某几个像素点上。这样，仪器就实现了同时将单色光入射到光电转换器CCD上，而目前的CCD技术已经可以方便的对所需要波长范围的同时入射的单色光进行光电转换。并且同时输出模拟电信号到数据采集卡上。由数据采集卡对所获得的数据进行分析处理，整个系统由计算机控制。

要实现动态磷光光谱测试，对于不断进行的动态过程，为了准确得到随时间t变化的磷光光谱，采用微元法原理进行数据测试，即在d t 时间范围内，可认为反应体系是静态的。由于磷光光谱仪中的入射单色光的频率远远高于数据采集卡的频率，因此，整个数据采集的速率由数据采集卡的采集速率来决定。如果配备GHz的数据采集卡，则整个动态测试的速率为每秒10⁹次，即可以实现在每秒的时间内测试磷光光谱10⁹次，所以该仪器很容易作为常态动态仪器而加以推广。

Claims

1. 一种实时动态测试磷光光谱的方法，其特征在于该方法具体如下：

由光源（1）发出的光经过激发光单色器（2）后分出不同波长的激发光（3），然后通过光信号输入到样品室（4）中，对所研究体系进行照射，经过斩波片（5）产生的磷光（6）通过光信号输出；样品发出的磷光通常为宽带光谱，需通过发射光单色器（7）分光成为无激发光的单色光，再经过光电转换器（8），光信号被转换为电信号，然后通过电信号输出（9）到数据采集卡（10）；为了样品室（4）测试的需要，还设有温度和压力控制系统（11）和其它环境控制系统（12）对样品室（4）进行控制，整个仪器系统由计算机数据处理（13）进行控制和数据处理；采用普通连续光源，通过高速数据采集卡来实现动态磷光光谱的测试。

2.如权利要求1所述的一种实时动态测试磷光光谱的方法，其特征在于所述的光源（1）具有强度足够且稳定的连续光谱，连续光源采用氢灯、氘灯、钨灯、氙灯、汞灯或发光二极管灯。

3.如权利要求1所述的一种实时动态测试磷光光谱的方法，其特征在于所述的光电转换器（8）采用电荷耦合元件（CCD）来实现将光学信号直接转换为模拟电流信号，然后该模拟电流信号被传输到数据采集卡（10），通过高速数据采集卡的高速采集而实现动态磷光测试。