CN114002290B - 颗粒尺度样品原位反应中的瞬态光电压测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及原位反应参数测量技术领域，提供了一种颗粒尺度样品原位反应中的瞬态光电压测量系统及方法，该测量系统包括：光源模块、样品测试平台、样品电极组件和数据处理装置；光源模块用于产生光激励源；样品测试平台包括底座和移动组件；样品电极组件包括样品电极和探针电极，样品电极设置在底座背离光源模块的一侧，用于布置包括含有第一反应样品和第二反应样品的样品颗粒；探针电极安装在移动组件上，用于在移动组件的带动下探测样品颗粒、并与样品电极形成电容模型。通过电容模型累积样品颗粒在激励源激励下转移的电荷，从而改变了样品电极组件原先的电势平衡并形成电势差，从而得到单个样品颗粒或者多个样品颗粒发生原位反应的瞬态光电压。

Description

颗粒尺度样品原位反应中的瞬态光电压测量系统及方法

技术领域

本发明涉及原位反应参数测量技术领域，尤其是涉及一种颗粒尺度样品原位反应中的瞬态光电压测量系统及方法。

背景技术

现有技术的测量只是材料本身的电子属性的测量，如在对材料的研究中，材料电子属性的测量是必不可少的。例如：当材料或器件的表面受到外界激励信号的激励之后，表面的电荷分布会发生变化，通过对瞬时态的电荷进行测量，可以对材料或者器件的表面性能进行检测，来测试材料的表面性能。

瞬态光电压技术可以表征光生电荷的产生、分离、传输和复合的过程。然而，现有的瞬态光电压技术只能通过外加偏置电压调制或者对材料/物质本身光源扰动调制的方式，研究材料本身的电荷变化，而不能研究不同材料/物质之间的原位反应过程中的电荷的产生、分离、传输和复合的过程，尤其是不能研究不同材料/物质的原位反应过程界面的电荷传输动力学；并且对/物质本身属性的测量中也通常针对的是块状材料的测量，由于块状材料不同位置的测量结果差异可能会有不同，无法准确反映出该块状材料的性能。

因此，亟需一种能够针对样品进行颗粒尺度的原位反应电荷变化测量的装置，以便于从颗粒尺度出发研究材料的真实性能，提高测量准确性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种颗粒尺度样品原位反应中的瞬态光电压测量系统及方法，以解决现有技术中无法准确测量颗粒状样品原位反应过程中瞬态光电压的问题。

第一个方面，本发明实施例提供了一种颗粒尺度样品原位反应中的瞬态光电压测量系统，包括：光源模块、样品测试平台、样品电极组件和数据处理装置；所述光源模块用于产生光激励源；所述样品测试平台包括底座和与所述底座连接的移动组件，所述底座上设有供所述光激励源通过的第一开孔，所述光源模块位于所述第一开孔的下方；所述样品电极组件包括样品电极和探针电极，所述样品电极设置在所述底座背离所述光源模块的一侧，用于布置包括含有第一反应样品和第二反应样品的样品颗粒，所述光激励源用于通过所述第一开孔之后透过所述样品电极；所述探针电极安装在所述移动组件上，用于在所述移动组件的带动下探测所述样品颗粒、并与所述样品电极形成电容模型；所述数据处理装置分别与所述样品电极和所述探针电极电连接，用于根据所述样品电极与所述探针电极之间的电势差值，确定所述样品颗粒发生原位反应的瞬态光电压。

可选地，所述样品电极组件还包括：样品电极支座；所述样品电极支座置于所述底座上，所述样品电极支座内部设有第二开孔，所述第二开孔在所述底座上的正投影与所述第一开孔至少部分重叠；所述样品电极设置在所述样品电极支座远离所述底座的一端，所述光激励源用于通过所述第一开孔和所述第二开孔之后透过所述样品电极，以激发所述样品颗粒发生原位反应。

可选地，所述样品电极支座包括依次连接的第一筒体和第二筒体；所述第二筒体远离所述第一筒体的一端与所述第一开孔的周边区域连接，所述第二开孔设置在所述第二筒体内，所述第一筒体的内侧设有与所述第二开孔连通的第三开孔，所述第三开孔的直径大于所述第二开孔的直径；所述样品电极容置在所述第三开孔内，且与所述第三开孔与所述第二开孔的孔肩接触。

可选地，所述样品电极包括：样品盛放部件和透明电极片；所述样品盛放部件容置于所述第三开孔内，且与所述第三开孔和所述第二开孔的孔肩位置接触；所述样品盛放部件为一透明的敞口器具，所述样品盛放部件的底部设有第四开孔，所述第四开孔与所述第二开孔重叠；所述第二筒体的内侧壁设有与所述数据处理装置电连接的第一接插端口，所述样品盛放部件的侧壁设有第二接插端口，所述第一接插端口与所述第二接插端口配合连接；所述透明电极片放置于所述样品盛放部件的底部，且与所述第二接插端口远离所述第一接插端口的一端接触。

可选地，所述移动组件包括：支架、第一移动机构、第二移动机构和第三移动机构；所述支架的下端与所述底座连接，所述支架的上端与所述第一移动机构的固定部连接，所述第一移动机构的活动部与所述第二移动机构的固定部连接，所述第二移动机构的活动部与所述第三移动机构的固定部连接，所述第三移动机构的活动部与所述探针电极连接；其中，所述第一移动机构的活动部的运动方向与所述第二移动机构的活动部的运动方向都平行于水平面且相互垂直；所述第三移动机构的活动部的运动方向垂直于水平面。

可选地，所述移动组件还包括：探针夹具；所述探针夹具包括第一磁吸部件和第二磁吸部件，所述第一磁吸部件与所述第二磁吸部件的内侧均设有弧形凹槽；所述第一磁吸部件与所述第三移动机构的活动部连接，所述第二磁吸部件与所述第一磁吸部件相互吸引以将所述探针电极夹持在所述弧形凹槽内。

可选地，所述颗粒尺度样品原位反应中的瞬态光电压测量系统还包括：屏蔽箱；所述屏蔽箱的内侧壁和/或外侧壁涂覆有电磁屏蔽材料；所述样品测试平台和所述样品电极组件被所述屏蔽箱包围，所述光源模块和所述数据处理装置位于所述屏蔽箱的外部；所述屏蔽箱的底部设有与所述第一开孔相对应的第五开孔。

可选地，所述颗粒尺度样品原位反应中的瞬态光电压测量系统还包括：屏蔽盖，所述屏蔽盖的至少一侧涂覆有电磁屏蔽材料；所述屏蔽盖布置在所述第一筒体远离所述第二筒体的一端，且覆盖在所述样品电极的上方；所述屏蔽盖上设有供所述探针电极插入的第六开孔，所述第六开孔的尺寸小于外界电磁波波长 的二十分之一，且大于所述探针电极的最大直径。

可选地，所述颗粒尺度样品原位反应中的瞬态光电压测量系统还包括：光源控制模块；所述光源模块产生的所述光激励源包括两种不同波长的光源；所述光源控制模块与所述光源模块电连接，用于控制所述两种不同波长的光源按照预设间隔时间激励待测的所述样品颗粒。

可选地，所述预设间隔时间为5皮秒~5纳秒 。

第二个方面，本发明实施例还提供了一种基于第一个方面所述的颗粒尺度样品原位反应中的瞬态光电压测量系统的测量方法，包括：

在样品电极上布设预设尺寸的若干样品颗粒；

针对不同预设尺寸的所述样品颗粒，更换适应直径的探针电极；

控制移动组件驱动所述探针电极至预设位置；

控制光源模块对所述样品电极上的颗粒样品进行光激励以发生原位反应；

获取原位反应过程中所述样品电极上累积的电荷，经处理后得到所述颗粒样品原位反应中的瞬态光电压；

调整所述样品颗粒的预设尺寸，重复执行上述步骤。

本发明实施例至少具有以下技术效果：

本发明实施例提供的颗粒尺度样品原位反应中的瞬态光电压测量系统及方法，通过电容模型累积样品颗粒在激励源的激励作用下转移的电荷，转移的电荷改变了样品电极组件原先的电势平衡并形成电势差，不同的电势差可以得到单个样品颗粒或者多个样品颗粒发生原位反应中的瞬态光电压，通过该瞬态光电压表征出单个样品颗粒或者多个样品颗粒发生原位反应的电荷传输动力学参数，从而为从颗粒尺度出发研究材料的真实性能提供依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种颗粒尺度样品原位反应中的瞬态光电压测量系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种颗粒尺度样品原位反应中的瞬态光电压测量系统的样品电极支座的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种颗粒尺度样品原位反应中的瞬态光电压测量系统的样品电极支座和样品电极配合的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的图3沿着A-A的剖面结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种颗粒尺度样品原位反应中的瞬态光电压测量系统的样品电极夹具的部分结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种颗粒尺度样品原位反应中瞬态光电压测量方法的流程图。

图标：

100-光源模块；200-样品测试平台；210-底座；220-移动组件；221-探针夹具；2211-第一磁吸部件；2211a-弧形凹槽；300-样品电极组件；310-样品电极支座；311-第一筒体；3111-第三开孔；312-第二筒体；3121-第二开孔；313-第一接插端口；314-法兰盘结构；320-样品电极；321-样品盛放部件；322-透明电极片；323-第二接插端口；330-探针电极；340-屏蔽盖；400-数据处理装置；500-屏蔽箱。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语），具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式 “一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

如图1所示，本发明实施例提供了一种颗粒尺度样品原位反应中的瞬态光电压测量系统，包括：光源模块100、样品测试平台200、样品电极组件300和数据处理装置400。其中，光源模块100主要用于产生光激励源（例如：激光源），光激励源用于激励样品颗粒发生原位反应。

具体地，样品测试平台200为瞬态电压测量系统的支撑结构，样品测试平台200主要包括底座210和移动组件220，移动组件220与底座210固定连接并延伸至底座210的侧上方。底座210上设有第一开孔（图1中未示出），光源模块100位于第一开孔的下方，使得光源模块100产生的光激励源可以通过第一开孔。

进一步地，样品电极组件300包括样品电极320和探针电极330，样品电极320设置在底座210背离光源模块100的一侧，即样品电极320和光源模块100分别位于底座210的两侧。样品电极320主要用于布置样品颗粒。其中，样品颗粒主要由颗粒状的第一反应样品与液态或者气态的第二反应样品接触而形成；例如：第一反应样品为颗粒结构，将颗粒结构的第一反应样品预先布置在样品电极320上，第二反应样品采用液膜的形式附着在第一反应样品颗粒的表面，从而形成满足原位反应条件的样品颗粒。

可选地，当需要测试时，也可以将颗粒状的第一反应样品置于第二反应样品的液膜中，第二反应样品的液膜预先布置在样品电极320上。颗粒状的第一反应样品粘连或者吸附在探针电极330上，液膜状的第二反应样品附着在样品电极320上，测试时先移动探针电极330，从而将颗粒状的第一反应样品置于液膜状的第二反应样品中，从而在样品电极320上形成了满足原位反应条件的样品颗粒。

为了保证光激励源能够射向样品颗粒，本实施例中的样品电极320覆盖第一开孔，且光源模块100发出的光激励源能够通过第一开孔，并透射穿过样品电极320直至照射到样品电极320上的样品颗粒。

进一步地，探针电极330安装在移动组件220上，探针电极330可以在移动组件220的带动下在底座210上方移动，探针电极330在移动的过程中可以探测样品颗粒的位置。

需要说明的是，本实施例提供的样品颗粒可以是单个颗粒，单个颗粒的样品颗粒尺寸为几纳米~几微米，比如：50微米的样品颗粒。测试时，通过对整个样品电极320区域进行扫描，因为有颗粒和没颗粒的谱不一样，在移动组件220的带动下探针电极330慢慢逼近从而可以找到这个样品颗粒，找到待测样品颗粒之后，探针电极330对准样品颗粒，并与样品颗粒保持一定的间距（例如：小于50微米），测量原位反应中探针电极330和样品电极320之间的电压差。

可选地，本发明实施例还可以测量多个颗粒的群体效应，本实施例中具备直径从几十纳米到几毫米的多种不同粗细的探针电极330，不同粗细的探针电极330分别用于单颗粒、数十、数百、数千量级的样品颗粒的测量。

可选地，本发明实施例提供的还可以用于从几纳米到几毫米的不同尺寸的单个颗粒的测量，多个不同粗细的探针电极330可以通过探针电极夹具实现快速安装。

在初始状态下样品电极320与探针电极330之间并无外加电压，二者之间不存在电势差。当包含第一反应样品与第二反应样品的样品颗粒在光激励源的作用下发生原位反应之后，原位反应产生的电荷进行转移，并且聚集在布置反应样品颗粒的样品电极320上，从而改变了样品电极320与探针电极330之间的电势差。

此外，探针电极330与样品电极320在测试过程中保持一定的间距，相当于探针电极330与样品电极320之间形成电容模型（初始状态无电势差），便于通过数据处理装置400对电容模型中的电信号进行处理。其中，数据处理装置400分别与样品电极320和探针电极330电连接，数据处理装置400通过获取样品电极320与探针电极330的电信号，即可确定样品电极320与探针电极330之间的电势差值，进而根据该电势差值确定第一反应样品和第二反应样品发生原位反应的瞬态光电压。

可选地，数据处理装置400具体可以采用单片机，例如：51系列单片机或者AVR嵌入式单片机，通过相应的控制程序处理之后实现输出。当然，数据处理装置400也可以包括具有不同运算功能或者信号处理功能的电路元器件实现。

需要说明的是，由于原位反应所累积的电荷有限，导致样品电极320与探针电极330所获取的电信号很微弱，为了能够提高瞬态光电压的测量准确性，数据处理装置400可以根据需要对相应的电信号进行转换和处理。示例性的，数据处理装置400具体可以包括信号变换模块、信号放大模块和信号计算模块，信号变换模块用于进行信号的变换和噪音处理，信号放大模块用于信号的放大（可以采用信号放大器），计算模块用于对信号进行计算处理，以得到需要的输出结果。

本发明实施例提供的颗粒尺度样品原位反应中的瞬态光电压测量系统，通过电容模型累积样品颗粒在激励源的激励作用下转移的电荷，转移的电荷改变了样品电极组件300原先的电势平衡并形成电势差，不同的电势差可以得到单个样品颗粒或者多个样品颗粒发生原位反应的瞬态光电压，通过该瞬态光电压表征出单个样品颗粒或者多个样品颗粒发生原位反应的电荷传输动力学参数，从而为从颗粒尺度出发研究材料的真实性能提供依据。

进一步地，在实际的测量过程中本发明实施例可以借助于不同粗细的探针电极330，可以实现针对不同尺寸大小的单颗粒或者相同尺寸但聚合不同数量的颗粒的群体效应进行测量，从而实现了多空间尺度的测量，便于研究从一个颗粒到多个颗粒情况下的变化。

在一个可选的实施例中，结合图1和图2所示，为了方便样品电极320的放置，样品电极组件300还包括有样品电极支座310，样品电极支座310安装在底座210上。

具体地，样品电极支座310内部沿着垂直于底座210的方向设有供光激励源通过的第二开孔3121，样品电极支座310内的第二开孔3121与底座210上的第一开孔对位设置，保证第二开孔3121在底座210上的正投影与第一开孔至少部分重叠，这样光激励源就能够依次通过第一开孔、第二开孔3121射向样品电极320。

进一步地，样品电极320设置在样品电极支座310远离底座210的一端，光激励源用于通过第一开孔和第二开孔3121之后透过样品电极320，以激发样品颗粒发生原位反应。

需要说明的是，本发明实施例中的样品电极320采用透明或者近似透明的材料制备而成，便于光激励源穿透样品电极320，从而激励样品颗粒发生原位反应。

可选地，如图2至图4所示，为了进一步方便样品电极320，样品电极支座310包括依次连接的第一筒体311和第二筒体312，第一筒体311和第二筒体312的外径可以相同，也可以不同，二者均为中空的圆柱形结构。

具体地，第二筒体312远离第一筒体311的一端与第一开孔的周边区域连接，即第二筒体312相对与第一筒体311更靠近底座210。第二开孔3121具体设置在第二筒体312内，第一筒体311的内部设有第三开孔3111，第三开孔3111与第二开孔3121连通，且第三开孔3111的中心线与第二开孔3121的中心线重合。

进一步地，第三开孔3111的直径大于第二开孔3121的直径，使得样品夹具内部形成台阶孔结构，方便样品电极320的放置。在测试过程中，样品电极320容置在第三开孔3111内，且与第三开孔3111与第二开孔3121过渡位置的孔肩（孔尺寸变化的位置）接触，从而实现对样品电极320的支撑。

需要说明的是，为了方便数据处理装置400与样品电极320电连接，在第二筒体312的侧壁设置有电极连接线接口，样品电极320可以通过相应的连接器件与该电极连接线接口相连。

可选地，为了便于样品电极支座310的安装，在第二筒体312远离第一筒体311的一端还设置有法兰盘结构314，法兰盘结构314上可以根据情况设置相应的安装孔，便于通过连接件与底座210固定。

可选地，本实施例中的样品电极支座310的外侧壁为金属壳体结构，并且在金属壳体结构上涂覆有电磁屏蔽材料，从而起到电磁屏蔽的效果，避免电磁干扰对测量结果的影响。

如图3和图4所示，本实施例中为样品电极320提供一种可能的实现方式：样品电极320具体包括：样品盛放部件321和透明电极片322。其中，样品盛放部件321用于支撑透明电极片322，并且可为透明电极片322提供电连接的接触点位。

具体地，样品盛放部件321容置于第一筒体311的第三开孔3111内，并且样品盛放部件321与第三开孔3111和第二开孔3121的孔肩位置接触，由于第二开孔3121小于第三开孔3111，因而在孔径变化的位置（孔肩）处可以对样品盛放部件321进行支撑。

进一步地，样品盛放部件321为一透明的敞口器具，该透明的敞口器具可以采用玻璃、石英或者树脂材料制成。为了便于光激励源的投射，本实施例在样品盛放部件321的底部设有第四开孔（图中未示出），第四开孔与第二开孔3121重叠，保证从第二开孔3121射入的光激励源能够通过第四开孔射出。

为了方便透明电极片322与数据检测装置电连接，第二筒体312的内侧壁（第三开孔3111的孔壁）设有与数据处理装置400电连接的第一接插端口313，第一接插端口313延伸至第三开孔3111内，整体呈凸起结构。

样品盛放部件321的侧壁设有第二接插端口323，第二接插端口323由样品盛放部件321的侧壁沿着径向向内凹陷形成凹槽结构，第一接插端口313与第二接插端口323配合连接。第二接插端口323远离第一接插端口313的一端设置有凹槽，凹槽的开口内设有金属弹片触点，在测试时，透明电极片322放置于样品盛放部件321的底部且一侧卡设在该凹槽结构内，使得透明电极片322与凹槽内的金属弹片触点接触，从而实现透明电极片322与数据检测装置的电连接。

可选地，透明电极片322为ITO（氧化锡铟）电极片。

本实施例中的样品电极320具体包括样品盛放部件321和透明电极片322，通过在样品盛放部件321上设置第四开孔，有利于光激励源射向透明电极片322上的样品颗粒；同时在样品盛放部件321上设置相应的接插端口，实现透明电极片322与外部的数据检测装置快速电连接，提高了测试系统的安装效率。

在一个可选的实施例中，参阅图1，本实施例提供的移动组件220具体包括：支架、第一移动机构、第二移动机构和第三移动机构。

具体地，支架的下端通过螺栓等连接件与底座210连接，支架的上端与第一移动机构的固定部连接，第一移动机构的活动部与第二移动机构的固定部连接，第二移动机构的活动部与第三移动机构的固定部连接，第三移动机构的活动部与探针电极330连接。

其中，第一移动机构的固定部相对于活动部沿着第一方向移动，第二移动机构的固定部相对于活动部沿着第二方向移动，第三移动机构的固定部相对于活动部沿着第三方向移动。第一方向与第二方向相互垂直，且都与水平面平行，即第一移动机构和第二移动机构用于带动探针电极330在平行于水平面的平面内移动；第三方向垂直于水平面，即第三移动机构用于带动探针电极330沿着竖直方向移动。

可以理解的是，本实施例中通过三个运动方向相互垂直的移动机构，可以带动探针电极330实现在三维空间的移动，这三个移动机构可以分别采用驱动电极结合丝杆导轨的方式实现，类似于数控机床的X轴、Y轴和Z轴的运动机理。

可选地，本实施例中的驱动电极采用纳米级步进电机，进一步提升探针电极330移动的精度。

本实施例中提供的移动组件220可以实现三维空间的移动，从而带动探针电极330快速确定样品颗粒的位置，相应速度快，结构简单，易于实现。

在一个可选的实施例中，结合图1和图5所示，为了方便夹持探针电极330，本实施例中的移动组件220还包括：探针夹具221。

具体地，探针夹具221包括第一磁吸部件2211和第二磁吸部件（可参照图5），第一磁吸部件2211与第二磁吸部件的内侧均设有弧形凹槽2211a，弧形凹槽2211a的横截面近似于半圆形，弧形凹槽2211a的半径可以根据探针电极330的尺寸进行设置。

进一步地，第一磁吸部件2211与第三移动机构的活动部可拆卸连接，例如：在第三移动机构的活动部上安装相应的夹具，通过夹具将第一磁吸部件2211固定在第三移动机构的活动部上。在测量过程中，第二磁吸部件与第一磁吸部件2211相互吸引以将探针电极330夹持在弧形凹槽2211a内。探针电极330被夹持固定之后，通过探针夹具221间接实现探针电极330与数据处理装置400的电连接或者探针电极330直接采用信号线与数据处理装置400电连接。

可选地，探针电极330的外侧为玻璃保护层，玻璃保护层的直径与磁吸夹具内部的弧形凹槽2211a相适应，确保探针电极330能够密封在弧形凹槽2211a内而不会左右或上下移动，提升探针电极330的安装稳定性。

可选地，玻璃保护层上涂覆有电磁屏蔽材料，可以防止外部电磁干扰对测量结果的影响。

本实施例中的探针夹具221通过磁吸的方式将两个磁吸部件打开和闭合，易于操作；在磁吸部件的内侧具有弧形凹槽2211a，弧形凹槽2211a的空间能够容纳探针电极330，将探针电极330放置在弧形凹槽2211a中；移动组件220通过纳米级步进电机控制，在纳米级步进电机的带动下，移动组件220可以带动磁吸夹具内的探针电极330运动，快速且精准地探测到待测样品颗粒。

在一些实施例中，继续参阅图1，本实施例提供的颗粒尺度样品原位反应中的瞬态光电压测量系统除了前述实施例的各部件之外，还包括：屏蔽箱500，屏蔽箱500主要用于屏蔽电磁信号对与测量结果的干扰。

具体地，样品测试平台200和样品电极组件300都被屏蔽箱500包围，光源模块100和数据处理装置400置于屏蔽箱500的外部，数据处理装置400可以通过信号线穿过屏蔽箱500，从而与屏蔽箱500内的探针电极330和样品电极320相连。

为了使底座210下方的光源模块100发出的光激励源能够射入第一开孔，本实施例中的屏蔽箱500底部设置有第五开孔（图中未示出），第五开孔与第一开孔的位置相对应，即第一开孔在屏蔽箱500底部的正投影与第五开孔重叠。

可选地，屏蔽箱500为金属壳体结构，并且外壳的表面（内侧壁和/或外侧壁）涂覆有电磁屏蔽材料，屏蔽箱500的连接部位具有密封胶条和/或密封胶，能够对测试腔室起到密闭的作用，可以防止外界环境对测量结果的影响。

本实施例中，通过设置屏蔽箱500将样品测试平台200和样品电极组件300包围，防止外界环境对测量结果的干扰，有利于提升测量精度。

在一些实施例中，继续参阅图4，本实施例提供的颗粒尺度样品原位反应中的瞬态光电压测量系统除了前述实施例的各部件之外，还包括：屏蔽盖340，屏蔽盖340的至少一侧涂覆有电磁屏蔽材料。

具体地，屏蔽盖340布置在第一筒体311远离第二筒体312的一端，样品电极320置于第二筒体312内，屏蔽盖340覆盖在样品电极320的上方，即第二筒体312的敞口端通过该屏蔽盖340进行密封，可以进一步防止外界环境对测量结果的影响。

进一步地，屏蔽盖340上设有供探针电极330插入的第六开孔（图中未示出），第六开孔的尺寸小于外界电磁波波长的二十分之一，以提升屏蔽效果；同时，第六开孔的尺寸还需要大于探针电极330的最大直径，第六开孔能够容纳探针电极330的进入，便于对待测样品颗粒原位反应的瞬态光电压进行测量。

本实施例中，设置的屏蔽盖340与屏蔽箱500以及样品电极支座310相结合，可以实现多层屏蔽效果，进一步提升了屏蔽效果，有利于提升检测结果的准确性。

在一个可选的实施例中，本发明实施例还可以研究不同时间尺度下的界面电荷传输动力学。本发明实施例中的光源模块100包括两种不同波长的光源，其中一种光源是激光，比如：可以是波长为1微米激光；另一种光源根据测试的需要，可以是激光、可见光或者背景光等，例如：可以是300纳米的激光。

具体地，两种光源都可以打到样品电极320上的样品颗粒上，但是两种光源之间存在一定的预设时间间隔（相当于时间差），该时间差很短，在几皮秒~几纳秒（例如：5皮秒~5纳秒）。测量时通过第一种光源给样品颗粒以光激励，此时被激励后的样品颗粒中的电子跃迁到激发态，随激发态上的电子会不断的复合回基态。

为了研究样品颗粒在时间尺度上的界面电荷传输动力学，本实施例在第一种激光给样品以光激励后，在分别间隔几皮秒~几纳秒的时间差之后给予以第二种光源的光激励，从不同时间差后第二种光激励前后样品电极320与探针电极330之间光电压的变化，可以研究样品颗粒在在第一种光激励后不同时间之后的电子复合情况，从而研究时间尺度上的界面电荷传输动力学，这在实际应用中，比如对于研究颗粒的催化活性或者生物活性的变化有重要意义。

可选地，上述时间差可以通过设计两种光源的光程差的方式实现，也可以通过对两种光源进行调制的方式实现，这两种实现方式都可以通过相应的光源控制模块实现，光源控制模块与光源模块100电连接，通过光源控制模块控制光源模块100的输出模式即可。

可选地，对于两种具有时间差的光源，由于两种光源错开发射，因而可以采用完全相同的光路进行传输，例如：通过同一开孔（例如：第一开孔）射入样品电极支座310，这样屏蔽箱500和样品电极支座310等部件上均只需要开设一个完整的开孔即可，两种光源之间并不存在干涉，适当增加开孔的尺寸即可。

可选地，对于两种具有时间差的光源，可以分别设置相应的光路，只要最终都能照射到透明电极片322上的样品颗粒即可，例如：可以在底座210上设置第一子开孔和第二子开孔，对应的样品电极支座310的第二筒体312远离第一筒体311的一端设有第三子开孔和第四子开孔，第二筒体312内部仍然保持第二开孔3121，屏蔽箱500的底部对应设置有第五子开孔和第六子开孔，这样每个子开孔的孔径可以设置的相对较小。其中，第一子开孔、第三子开孔和第五子开孔属于同一个子光路，第二子开孔、第四子开孔和第六子开孔属于另一个子光路，这两个子光路最终都可射入第二筒体312的第二开孔3121内。

本实施例利用两束具有预设间隔时间的不同波长的光源激发样品颗粒，可以研究不同时间尺度下的原位反应中的瞬态光电压，进而研究不同时间下的电荷传输动力学，对于研究颗粒的催化活性或者生物活性的变化有重要意义。

基于同一发明构思，如图6所示，本发明实施例还提供了一种颗粒尺度样品原位反应中瞬态光电压测量方法，该测量方法基于前述实施例中的颗粒尺度样品原位反应中的瞬态光电压测量系统，包括以下步骤：

S100，在样品电极上布设预设尺寸的若干样品颗粒。

可选地，首先将样品A（例如某些催化剂）颗粒分散在溶液中，然后在样品电极上形成样品A的薄膜。可以通过控制溶液中样品浓度的方式决定样品A颗粒的分散度，从而确定样品A颗粒在样品电极上的预设尺寸。再将含有样品B(例如催化反应中的某些气体、液体等) 的不导电液体，以液膜或者液滴的方式施加到样品电极上样品A的薄膜上，从而完成样品颗粒的布置。

S200，针对不同预设尺寸的样品颗粒，更换适应直径的探针电极。

可选地，为了研究不同尺寸样品颗粒的原位反应，本发明实施例中的探针电极的直径具备从几十纳米到几毫米的多种不同粗细的探针电极，不同粗细的探针电极分别用于单颗粒、 数十、百、千量级样品颗粒的测量；也可以用于从几纳米 到几毫米的不同尺寸的单个颗粒的测量。多个不同粗细的探针电极可以通磁性吸合的两个磁吸部件的开合来实现快速替换。

S300，控制移动组件驱动探针电极至预设位置。

可选地，通过控制移动组件带动探针电极移动，从而找到样品颗粒的布设位置，并且控制探针电极与样品电极之间的间距，便于形成电容模型。

S400，控制光源模块对样品电极上的颗粒样品进行光激励以发生原位反应。

可选地，通过控制光模块发射光激励源（如：激光），光激励源通过相应的开孔之后照射到样品电极上的样品颗粒，从而激发样品颗粒发生原位反应。原位反应过程中，释放的电荷转移到样品电极上。

S500，获取原位反应过程中样品电极上累积的电荷，经处理后输出颗粒样品原位反应中的瞬态光电压。

具体地，数据处理装置根据获取的样品电极上的电荷量，通过样品电极与探针电极上的电荷量信号进行计算处理（例如：信号变换、信号放大或者噪音处理等），即可得到反应过程中的瞬态光电压。

S600，调整样品颗粒的预设尺寸，重复执行上述步骤S100~S500。

可选地，为了测量不同尺寸样品颗粒的原位反应瞬态光电压，通过控制溶液中样品浓度的方式决定样品A颗粒的分散度，从而调整样品A颗粒在样品电极上的预设尺寸。之后的步骤参照上述步骤S100~S500，此处不再重复赘述。

本发明借助于不同粗细的谈探针电极，可以实现真对不同尺寸大小的单颗粒，或者相同尺寸但聚合不同数量的颗粒的群体效应，从而实现了多空间尺度的测量，可以研究从一个颗粒到多个颗粒情况下的瞬态光电压变化过程。

下面基于本发明实施例提供的瞬态光电压测量系统的整体结构，对颗粒尺度样品原位反应的测量过程进行详细说明：

在测试之前，将多个微米级的待测样品颗粒分散生长在透明电极片322（本实施例中采用ITO电极板）表面，待测样品颗粒之间间隔一定的距离，保证在测试过程中不会相互干扰。光激励源为激光束，激光束在底座210下方射入到测试样品颗粒及周边区域，控制激光束的光斑大于样品颗粒的直径，两束激光束便于按照不同的时间尺度激励样品颗粒。

在测试过程中，首先将分散有待测颗粒的ITO电极板放置在样品盛放部件321中，ITO电极板的一侧与样品盛放部件321的凹槽结构相对应，将样品盛放部件321放置在样品电极支座310上的第三开孔3111中，并将第一筒体311内侧的第一接插端口313与样品盛放部件321的第二结构端口相对应并进行电连接；然后调整样品盛放部件321的位置，使下方的两个传导激光源的光纤能够对准待测样品颗粒的区域。

然后，将探针电极330固定在磁吸的探针夹具221中，关闭屏蔽箱500。通过相应的控制模块控制移动组件220的步进电机的上下左右移动，确保探针电极330能够与待测样品颗粒有一定间距，还可以通过额外的光电探测模块对待测样品颗粒和探针电极330的位置进行观察，防止探针电极330碰撞损伤。

接着，在光源控制模块中输入（或者预先设置）激光束的参数，控制光斑大小、波长以及两束激光束之间的时间差，使用两束具有一定时间差的不同光束激励待测样品；测试到的信号经过调制、放大、拟合之后，在数据处理装置400的显示单元进行显示。

本实施例的测量方式主要有两种，一种测量方式为：首先将样品A（例如某些催化剂）颗粒分散在溶液中，然后在ITO电极上形成样品A的薄膜。可以通过控制溶液中样品浓度的方式决定样品颗粒的分散度，比如可以使得样品颗粒的间距较大，防止不同颗粒的干扰，或者为了研究多个颗粒的群体效应，可以通过浓度控制有数十、百、千等量级的颗粒聚集，研究颗粒的群体效应。将含有样品B(例如催化反应中的某些气体、液体等) 的不导电的液体，以液膜或者液滴的方式施加到样品电极320的薄膜上，在光激励的情况下，样品A和样品B形成的样品颗粒在原位反应过程中电子会发生迁移和变化，探针电极330和样品电极320保持间隔，原位反应中产生的电荷在ITO电极累积，从而在探针电极330和样品电极320之间形成电势差，此时，ITO电极作为工作电极，探针电极330作为参比电极，通过测量原位反应中的瞬态光电压差的变化，可以研究颗粒尺度的原位反应。

另一种测量方式为：首先探针电极330粘有单颗粒或多颗粒的样品A，采用喷雾系统将含有样品B(例如催化反应中的某些气体、液体等)的不导电的液体喷雾形成在ITO电极上形成样品B的液膜，通过移动组件220将粘有单颗粒或多颗粒样品的探针电极330插入到样品B的液膜中，并与ITO电极保持间隔，探针电极330上的样品A与ITO电极上的样品B在光照下发生原位反应，原位反应中产生的电荷在探针电极330累积，此时，探针电极330用作工作电极，ITO电极作为参比电极，从而在探针电极330和ITO电极之间形成电容模型，可以测量出两者之间的瞬态光电压差。

本技术领域技术人员可以理解，本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本发明中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体状况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

应该理解的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，附图的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种颗粒尺度样品原位反应中的瞬态光电压测量系统，其特征在于，包括：

光源模块，所述光源模块用于产生光激励源；

样品测试平台，所述样品测试平台包括底座和与所述底座连接的移动组件，所述底座上设有供所述光激励源通过的第一开孔，所述光源模块位于所述第一开孔的下方；

样品电极组件，所述样品电极组件包括样品电极和探针电极，所述样品电极设置在所述底座背离所述光源模块的一侧，用于布置样品颗粒；所述光激励源用于通过所述第一开孔之后透过所述样品电极；所述探针电极安装在所述移动组件上，用于在所述移动组件的带动下探测所述样品颗粒、并与所述样品电极形成电容模型；

数据处理装置，分别与所述样品电极和所述探针电极电连接，用于根据所述样品电极与所述探针电极之间的电势差值，确定所述样品颗粒发生原位反应的瞬态光电压。

2.根据权利要求1所述的颗粒尺度样品原位反应中的瞬态光电压测量系统，其特征在于，所述样品电极组件还包括：样品电极支座；

所述样品电极支座置于所述底座上，所述样品电极支座内部设有第二开孔，所述第二开孔在所述底座上的正投影与所述第一开孔至少部分重叠；

所述样品电极设置在所述样品电极支座远离所述底座的一端，所述光激励源用于通过所述第一开孔和所述第二开孔之后透过所述样品电极，以激发所述样品颗粒发生原位反应。

3.根据权利要求2所述的颗粒尺度样品原位反应中的瞬态光电压测量系统，其特征在于，所述样品电极支座包括依次连接的第一筒体和第二筒体；

所述第二筒体远离所述第一筒体的一端与所述第一开孔的周边区域连接，所述第二开孔设置在所述第二筒体内，所述第一筒体的内侧设有与所述第二开孔连通的第三开孔，所述第三开孔的直径大于所述第二开孔的直径；

所述样品电极容置在所述第三开孔内，且与所述第三开孔与所述第二开孔的孔肩接触。

4.根据权利要求3所述的颗粒尺度样品原位反应中的瞬态光电压测量系统，其特征在于，所述样品电极包括：样品盛放部件和透明电极片；

所述样品盛放部件容置于所述第三开孔内，且与所述第三开孔和所述第二开孔的孔肩位置接触；所述样品盛放部件为一透明的敞口器具，所述样品盛放部件的底部设有第四开孔，所述第四开孔与所述第二开孔重叠；

所述第二筒体的内侧壁设有与所述数据处理装置电连接的第一接插端口，所述样品盛放部件的侧壁设有第二接插端口，所述第一接插端口与所述第二接插端口配合连接；

所述透明电极片放置于所述样品盛放部件的底部，且与所述第二接插端口远离所述第一接插端口的一端接触。

5.根据权利要求1所述的颗粒尺度样品原位反应中的瞬态光电压测量系统，其特征在于，所述移动组件包括：支架、第一移动机构、第二移动机构和第三移动机构；

所述支架的下端与所述底座连接，所述支架的上端与所述第一移动机构的固定部连接，所述第一移动机构的活动部与所述第二移动机构的固定部连接，所述第二移动机构的活动部与所述第三移动机构的固定部连接，所述第三移动机构的活动部与所述探针电极连接；其中，所述第一移动机构的活动部的运动方向与所述第二移动机构的活动部的运动方向都平行于水平面且相互垂直；所述第三移动机构的活动部的运动方向垂直于水平面；

颗粒尺度样品原位反应所述移动组件还包括：探针夹具；所述探针夹具包括第一磁吸部件和第二磁吸部件，所述第一磁吸部件与所述第二磁吸部件的内侧均设有弧形凹槽；所述第一磁吸部件与所述第三移动机构的活动部连接，所述第二磁吸部件与所述第一磁吸部件相互吸引以将所述探针电极夹持在所述弧形凹槽内。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的颗粒尺度样品原位反应中的瞬态光电压测量系统，其特征在于，还包括：屏蔽箱；所述屏蔽箱的内侧壁和/或外侧壁涂覆有电磁屏蔽材料；

所述样品测试平台和所述样品电极组件被所述屏蔽箱包围，所述光源模块和所述数据处理装置位于所述屏蔽箱的外部；

所述屏蔽箱的底部设有与所述第一开孔相对应的第五开孔。

7.根据权利要求3所述的颗粒尺度样品原位反应中的瞬态光电压测量系统，其特征在于，还包括：屏蔽盖，所述屏蔽盖的至少一侧涂覆有电磁屏蔽材料；

所述屏蔽盖布置在所述第一筒体远离所述第二筒体的一端，且覆盖在所述样品电极的上方；

所述屏蔽盖上设有供所述探针电极插入的第六开孔，所述第六开孔的尺寸小于外界电磁波波长的二十分之一，且大于所述探针电极的最大直径。

8.根据权利要求1所述的颗粒尺度样品原位反应中的瞬态光电压测量系统，其特征在于，还包括：光源控制模块；所述光源模块产生的所述光激励源包括两种不同波长的光源；

所述光源控制模块与所述光源模块电连接，用于控制所述两种不同波长的光源按照预设间隔时间激励待测的所述样品颗粒。

9.根据权利要求8所述的颗粒尺度样品原位反应中的瞬态光电压测量系统，其特征在于，所述预设间隔时间为5皮秒~5纳秒。

10.一种基于权利要求1至9中任一项所述的颗粒尺度样品原位反应中的瞬态光电压测量系统的测量方法，其特征在于，包括：

S100，在样品电极上布设预设尺寸的若干样品颗粒；

S200，针对不同预设尺寸的所述样品颗粒，更换适应直径的探针电极；

S300，控制移动组件驱动所述探针电极至预设位置；

S400，控制光源模块对所述样品电极上的颗粒样品进行光激励以发生原位反应；

S500，获取原位反应过程中所述样品电极上累积的电荷，经处理后得到所述颗粒样品原位反应中的瞬态光电压；

S600，调整所述样品颗粒的预设尺寸，重复执行上述步骤S100~S500。

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