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荧光光谱仪

高性能荧光寿命和稳态光谱仪

FluoTime 300

FluoTime 300“ EasyTau”是一款用于稳态,寿命和磷光测量的全自动的高性能荧光光谱仪。FluoTime 300包含测量稳态光谱和荧光衰减曲线所需的完整光学和电子元件,凭借时间相关单光子计数(TCSPC)或者多通道测量(MCS)技术,有效记录稳态光谱以及几皮秒到几秒的荧光衰减。该系统光源采用皮秒脉冲二极管激光器,LED或氙灯(连续和脉冲)。多种单光子探测器选项可实现从UV到IR范围的各种系统配置。该系统极限灵敏度水拉曼信噪比为29000:1。FluoTime 300可用于研究从几皮秒到几秒的荧光和磷光衰减过程,并且拥有丰富的升级附件可选,是大多研究和分析不可或缺的标准系统。

样品放置单元种类繁多


现在,我们为FluoTime 300 提供了一系列全新设计的样品放置单元。

每个样品放置单元均围绕模块化样品架(标准型:比色皿,可选型:(正面薄膜)固体样品架)进行设计,可根据配置快速便捷地更换不同样品架(例如液体,粉末或薄膜)。通过安装外部恒温控制器(预先安装用于循环液体的管道)或可选帕耳帖冷却型的比色皿样品架(可选单个或多个比色皿仓型)可以控制比色皿架的温度,还可以集成低温恒温器进行低温状态下样品测量。可用的样品架范围还包括用于放置不超过2英寸尺寸样品的固体薄膜样品架,该样品架可以改变置于激发和检测方向中固体薄膜样品的位置以及角度,该功能对于在线调节激光打到待测样品的位置非常重要。

灵活的激发光源


FluoTime 300采用皮秒脉冲激光器,LED和氙灯作为激发光源。脉冲激光器和LED的波长范围非常广,可以覆盖从255 nm到1550 nm可选。它们的输出功率可以调节,脉冲频率从单脉冲到80 MHz(波长相关)内任意设置(驱动器相关),特有的burst工作模式,可以在低重复频率情况下将多个脉冲“伪装”为单脉冲运行,使具有较长寿命的样品测量变得简单而高效,这些特性使系统很好的满足从短寿命的荧光到弱磷光的时间测量。采用PDL系列专用的全自动激光器控制器PDL 820来控制单个激发光源(皮秒脉冲激光器或LED激发源)的发光和调节。FluoTime 300还可以配备连续或闪光氙灯,从而可以提供200 nm-900 nm范围内的任何激发波长,借助专用的高分辨率单色仪,稳态激发光谱测量变得轻而易举。

基于TCSPC和MCS的数据采集单元


我们可以提供多款性能出色、用于时间分辨以及稳态荧光测量的数据采集模块。其中TimeHarp 260 Pico由于可以提供25 ps~5.2ms的可调时间分辨率,结合其固有的高达32768个的时间单元,使其成为测量稳态以及几百皮秒至毫秒级荧光寿命测量的最佳选择。TimeHarp 260 NANO是专用的MCS模块,具有最小250ps的时间分辨率并且时间通道之间无死时间。因此TimeHarp 260 NANO非常适合于稳态测量或以及高达秒级的荧光寿命测量。这些数据采集设备都非常适合配备PMA系列或PMA Hybrid系列探测器。

对于超快动态的测量,由于PicoHarp 300具有更高的时间分辨率(4 ps),因此在配备了快速PMA Hybrid PMT(-06或-07)或MCP-PMT检测器的FluoTime 300系统上推荐使用PicoHarp 300模块。在这种配置下,甚至可以解决快至几十皮秒的动态过程。

多种探测器类型可选


FluoTime 300可以使用多种类型的单光子计数探测器作为检测器,将一个或两个单光子探测器连接到发射单色仪的狭缝出口。这些可用的单光子探测器有光电倍增管(PMA系列或NIR-PMT),混合PMT模块(PMA Hybrid系列)或微通道板光电倍增管(MCP-PMT)。他们均具有皮秒级别的时间分辨率,并覆盖180 nm-1700 nm之间不同的光谱范围。每个检测器都包括一个电控机械快门,制冷模块可选和过载保护装置,通过系统软件对其进行操作。

新品: -07和-42型混合PMT模块(PMA Hybrid系列),可探测光谱范围涵盖220nm~870 nm,探测效率高达25%。

系统软件“ EasyTau 2”


FluoTime 300具有直观且易于使用的系统软件EasyTau2。所有的测量数据文件和相关的分析结果都存储在一个结构清晰的工作区文件夹中,该工作区类似于硬盘目录中熟悉的树形结构,数据依存关系一目了然。稳态和时间分辨测量可在同一软件界面上交替操作。该软件具有三种数据采集功能:稳态(Steady State)、时间分辨单光子计数(TCSPC)以及多通道测量(MCS)。EasyTau2具有专门设计的应用向导程序,可以指导用户完成必要的优化步骤以执行典型的测量任务,例如荧光寿命测量、各向异性测量、发射光谱测量或时间分辨发射光谱(TRES)测量,即使初始者也能通过该功能快速轻松完成测量工作。而对于那些熟练该系统的人员,EasyTau2还提供了可对仪器进行全面控制的定制测量模式,该模式下允许用户设置系统的各个组件参数,即使对于复杂样品也能得到最佳测量结果。 EasyTau 2软件集成脚本语言数据采集功能,通过执行脚本文件可以轻松地执行更复杂的应用任务,例如,夜间整晚进行的不同温度下的稳态光谱和时间分辨衰减测量。

稳态和时间分辨的数据可以通过相同的软件界面进行分析。EasyTau 2提供基本的数据运算(例如算术,求导,积分或平滑)和拟合功能。该软件具有人性化的全局荧光衰减数据分析操作界面,分析结果简单直观。衰减拟合模型支持具有非线性误差最小化的尾部和迭代重新卷积拟合模,可以将各种指数衰减模型(最高五阶)或速率常数分布模型拟合到所测的衰减曲线,以确定荧光寿命或研究荧光各向异性。bootstrap 方法为拟合结果提供强有力的误差分析能力。

时间分辨荧光课程


PicoQuant每年举办一次“时间分辨荧光光谱原理和应用”欧洲短期课程。本课程面向希望深入了解荧光光谱原理及其在生命科学应用的个人。该课程联合巴尔的摩荧光光谱中心(CFS)的JR Lakowicz教授合作举办,包括讲座、仪器设备和软件动手培训。相关详细信息,请参见课程网站。

光学结构

L

工作模式

稳态、TCSPCMCS

灵敏度

典型信噪比优于29000:1 (PMA 175探测器),激发和发射光路中使用双单色仪,基于水拉曼光谱,激发波长350nm,光谱带宽5nm,积分时间1s

荧光寿命范围

40ps10μs,采用PMT探测器和TCSPC模式的计数模块;
< 10 ps
10 µs,采用Hybrid系列探测器、TCSPC模式的计数模块和合适的激光器;
大于几百ms,采用任何探测器和MCS模式的计数模块。

激发光源

皮秒脉冲半导体激光器或者LED系列,重复频率高达80MHz,普通激光器驱动单元;
亚微秒氙灯;
300W CW
同轴氙灯;
外接激光器,如钛宝石激光器或脉冲DPSS激光器;
Solea
超连续谱白光激光器。

单色仪

l Czerny-Turner结构

l 聚焦长度:单单色仪聚焦长度为150或者300mm,单出口或者双出口;双单色仪焦距长度为2 x 300 mm,单出口或双出口(发射端的+-模式切换);

l 1200g/mm光栅,闪耀波长为500nm600g/mm光栅,闪耀波长为1250nm

l 狭缝宽度在0mm10mm之间可调(连续可调,完全电动),色散2.7 nm / mm(单单色仪,聚焦长度300mm

l 杂散光抑制比典型值1:10-5(单单色仪),1:10-8(双单色仪)。

探测器

制冷或非制冷探测器;
光电倍增管PMT系列,185~920nm可选;
微通道光电倍增管MCP-PMT系列,185~910nm可选;
近红外光电倍增管NIR-PMT系列,950~1700nm可选;
混合式光电倍增管Hybrid-PMT系列,300~900nm可选。

软件

操作简单,功能全面,基于Windows系统的分析软件;
在工作区数据归档,数据导出功能和数据运算;
几种典型测量方案的程序向导功能;
全设备的数据采集和测量序列的脚本语言;
荧光寿命光谱分析基于数卷积处理,高至四阶指数的衰减函数,含杂散光校正,寿命分布曲线,各向异性测试,全局分析,严密错误分析等功能。

FluoTime 300是一款高性能荧光寿命光谱仪,并具有稳态发射测量的附加功能。它可用于研究各种样品并完成多种应用,包括:

  • 时间分辨荧光测量
  • 单线态氧研究
  • 时间分辨光致发光
  • 荧光上转换
  • 荧光各向异性研究
  • 稳态荧光光谱测量
  • 量子产率测量
  • 光化学研究
  • LEDsOLED,量子点检测

可选配置

新品 FluoMic为FluoTime 300带来强大且多样化的“远程”测样功能


FluoMic插件提供了一种快速,简便,可靠的方法对“远程”样品的荧光寿命光谱进行测量。FluoMic 组件的预对准光纤将FluoTime 300  全自动荧光寿命光谱仪的皮秒脉冲光源或稳态光源引入显微镜(如,带有特殊耦合器的Olympus BX43显微镜),并照射于待测样品上,样品(空间分辨率低于2 μm)发射光信号通过光纤收集并传导到 FluoTime 300  全自动荧光寿命光谱仪的检测端。从而实现样品位于FluoTime 300  全自动荧光寿命光谱仪样品仓外部光谱和荧光寿命的微区测量。因此,FluoMic 组件可以通过EasyTau 2的向导测量模式、稳态和时间分辨的测量功能实现  FluoTime 300  全自动荧光寿命光谱仪对样品仓外部样品的测量。

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先进的时间分辨光谱自动化测量



得益于新近实现的远程脚本执行功能,FluoTime 300可以与第三方配件(如Beckman-Coulter的全自动液体处理工作站Biomek NXP)结合工作。这种组合可以将FluoTime300系统自动化功能扩展到从光谱仪中装载和取出样品,并在确定的时间点获得光谱快照,简化高强度测量任务的工作流程,通过减少光谱采集的工作量,您可以更加专注于最有趣的任务:分析和解释结果。

观看演示视频。

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多样的专业样品架

带有光纤耦合器的样品架


本装置具有一个光纤耦合器,可将光学显微镜与FluoTime 300连接。通过这种方式,光谱仪可用于测量固定在显微镜下样品的稳态光谱或时间分辨荧光光谱。

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可调节前型前表面测量样品架


样品安装单元配有一个前表面样品支架,专为不超过两英寸的样品而设计。样品架可通过外部转盘调整,用以准确更改样品激发位置和样品与激发-检测方向有关的角度。放置样品的夹具采用可插入式的斜面样品座(如图所示)。

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帕尔贴冷却型四位置比色皿样品架


该样品架单元配有帕尔贴冷却型比色皿支架,可同时放置4个 1x1 cm尺寸 比色皿样品。通过FluoTime 300 “EasyTau2”软件可控制样品架的温度。温度范围为 -15°C ~110°C,选配该样品架可进行不同温度下样品测量。

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温度稳定型单比色皿样品架


用于放置1x1cm单比色皿的温度稳定型样品支架,通过引入外部水浴设备循环水的水管与样品架连通,从而稳定样品温度。

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珀尔帖冷却型单比色皿样品架


用于放置一个配有珀尔帖控温的1x1 cm的比色皿,温度控制范围为-15°C至110°C,可通过FluoTime 300“ Easy Tau2”软件控制并进行温度相关谱测量。

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WaferCheck样品架


此样品架专为研究最大直径为2英寸的晶片或扁平样品所设计。样品水平放置在支架上,通过外部带有刻度盘的调节旋钮可以调节样品的水平和旋转,从而选取不同的测量位置。

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多样化的探测器

UV / VIS-NIR-PMT探测器


这些PMT检测器可用于单光子计数探测,敏感波长范围从UV涵盖至NIR。R2658P具有InGaAs半导体光电阴极,波长检测范围从200 nm覆盖到1010 nm。该PMT检测器已经包含了其必要的选件(帕尔帖冷却外壳,电源,前置放大器和高压电源)。

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NIR-PMT探测器


该类特殊的光电倍增管适用于NIR波段的单光子信号探测。H10330-45 采用 InGaAsP 光阴极,波长范围涵盖从 950 nm 到 1400 nm。H10330-75 型具有 InGaAs 光阴极,其波长探测范围可延伸至 1700 nm。该模块具有抽成高真空状态的热绝缘密封外壳,无需液氮、真空泵或水进行冷却。

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MCP-PMT 探测器


该类型探测器是现如今速度最快的光子计数探测器。根据各种光阴极材料不同其可探测波长范围从 160 nm 至 910 nm可选。使用此探测器并配合钛蓝宝石激光作为激发源,在 FluoTime 200系统上 实现了 32 ps 的仪器响应函数(IRF)。该模块具有专用的高压电源,并可安装于带热电冷却的外壳中,此时,水冷也是必要的。

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积分球

对于所有散射样品的绝对光致发光量子效率的测量,必须借助积分球组件。FluoTime 300 具有针对液体和固体样品进行量子效率测量的积分球。它能够重现文献数据中选定的标准量子产率值,如Rhodamin 6G, Coumarin 153, and Ru(bpy)3的量子产率。

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用于低温下测量的样品架

液氮冷却低温恒温器


FT300仓室足够容纳牛津仪器 OptistatDN 系列低温恒温器。此组件可以进行样品在低温环境下的光致发光测量,通过选择不同型号的低温恒温器,可以在温度范围从2.3 K 到 500 K范围内对样品的温度进行精确的控制,该类恒温器包括一个单独的数字温度控制器。

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闭环氦低温恒温器


闭环氦低温恒温器CS-204是一款紧凑、轴向对称的闭环低温冷却器。该冷却器是诸如样品冷却应用等小热量负荷的理想选择,可获得从4K到500K范围的低温光致发光测量。

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用于77 K 温度下测量的杜瓦瓶


配有石英 杜瓦瓶的样品安装架,其特殊设计使样品从四面方向都清晰可见。这是一种廉价的低温测量装置,样品放置于浸入液氮的石英样品棒中进行测量,从而可以替代77 K温度下进行样品测量的低温恒温器。

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应用案例

确定钙钛矿太阳能电池中的电子-空穴扩散长度


材料中光激发电子-空穴的扩散长度是理解半导体太阳能电池的光物理特性的一个关键参数。时间分辨的光致发光猝灭实验是确定扩散长度的有效方法,该图显示了从具有电子(蓝色)或空穴(红色)淬火层或PMMA涂层(黑色)存在的混合的卤化物和三碘化物有机金属钙钛矿层获得的衰减曲线数据,分别在两种材料的对应发射峰值780nm测得。将测得的衰减动态拟合到扩散模型,从而得出扩散长度。在此得到的混合卤化物钙钛矿中电子和空穴的扩散长度为1μm,而三碘化物材料的长度短得多,为100 nm,与他们作为太阳能电池材料的性能相符。
测量装置:FluoTime 300

参考文献:SD Stranks et al.,Science,342(2013),p.341

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H2TTP产生单线态氧

左图显示了H 2 TTPS在丙酮中甚至水中产生的单线态氧的稳态发射光谱,因为水和单线态氧发射的光谱重叠,使该测量非常具有挑战性。右图还显示了使用FluoTime 300的burst模式功能进行的时间分辨单线态氧的测量(先使用多个激光脉冲将能量打到样品中,然后停止足够长时间的激发,以获得相对较慢的样本衰减动态过程)。通过尾部拟合得到的寿命为3.4±0.3 µs,与已发表的文献资料非常吻合。

测量装置:FluoTime 300

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GaAsP量子阱系统的TRPL

用595 nm激发并用荧光寿命光谱仪测量量子阱的瞬态TRPL光谱如图所示,(a)显示量子阱的层结构,(b)显示晶片的时间分辨发射光谱(TRES),其中650 nm处的峰来自Al0.4Ga0.6As势垒, 735 nm附近的峰来自GaAsP量子阱,860 nm附近的峰来自n-GaAs层和GaAs衬底处。这单个光谱波段都可以用三分量指数模型来描述,拟合的平均寿命和最长分量如图所示。该测量结果验证了多组分系统中材料特定光谱通道和特征电荷载流子动力学的相关性。
测量装置:FluoTime 300

上图三条曲线分别显示Al0.4Ga0.6As势垒(蓝色)650 nm峰的激发光谱,量子阱层(浅绿色)735nm峰的激发光谱,以及n-GaAs层和GaAs衬底(深绿色)860nm峰的激发光谱。量子阱层的激发谱在650 nm附近显示出明显的强度下降,揭示其与势垒层的相互作用。另一方面,n-GaAs层和GaAs衬底激发谱在650 nm附近显示出强度增加,对应于势垒带隙吸收边缘波长。矩形图示了相应层的带隙。
测量装置:FluoTime 300
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NaYF4:Yb / Er的荧光上转换

左图显示了溶解于环己烷中的NaYF 4:Yb / Er 的稳态上转换光谱,右图则是其时间分辨测量数据。样品使用burst模式进行激发,即先使用多个激光脉冲将能量照射到样品中,然后停止激发等待足够长的时间以获得相对缓慢的样品衰减数据。经过数据拟合,单指数荧光寿命为113 µs。

该图为溶解于环己烯中的Er / Yb纳米颗粒的上转换发光谱。采用PicoQuant的LDH-D-C-980激光在980nm处进行激发,积分时间为2秒/点。在该系统的配置情况下,也可以进行样品量子产率的测量。
测量装置:
•    FluoTime 300
•    使用以CW模式操作的LDH-D-C-980和使用PDL 828的脉冲爆发模式在980 nm处激发
•    分析软件:FluoFit

样品由南非罗得斯大学T. Nyokong提供,样品由BAM U. Resch-Genger博士提供

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Coumarin6的动态各向异性

使用FluoTime 300研究了Coumarin6的动态各向异性。该系统自动设置样品温度,并在每个温度步长自动进行四个测量:IRF和VV(平行)、VH(垂直)以及VM(魔法角) )偏振衰减测量。对VV和VH衰减的快速分析清晰的表明了发射各向异性的温度相关性。通过对数据进行全局重卷积得到了其各向异性详细的定量结果。具有单个指数荧光寿命的单个球形旋转颗粒模型被证明可以很好地描述该系统,正好符合在极性溶剂中对小的、高度极性颗粒的结果预期。结果揭示了Coumarin6具有随温度变化而变化的单指数荧光寿命。其温度特性可以通过实验获得的旋转相关时间的变化来拟合。甚至可能精确计算稳态各向异性值,发现该值与Perrin方程估算的各向异性值完美吻合。
测量装置:
•    FluoTime 300
•    激发:440 nm
•    在510 nm(3 nm带通)探测
•    分析软件:FluoFit