本文描述了一种简单的液氮杜瓦瓶/低温恒温器装置，该装置由一个小的熔融石英光学杜瓦瓶、一个热电偶和一个电荷耦合器件（CCD）光谱仪组成。该杜瓦瓶/低温恒温器所设计用于的实验要求快速的样品装载、冷冻和对准，精确且稳定的样品温度，以及小巧便携的尺寸。
本文内容
摘要
摘要
本文描述了一种基于小型熔融石英光学杜瓦瓶、热电偶组件和CCD光谱仪的简易液氮杜瓦瓶/低温恒温器装置的设计与操作。该杜瓦瓶/低温恒温器所针对的实验要求快速装样、快速冷冻样品、快速对准样品、精确且稳定的样品温度，以及杜瓦瓶/低温恒温单元的小型化和便携性。当与CCD光谱仪的快速数据采集速率相结合时，该杜瓦瓶/低温恒温器能够在77–300 K温度范围内，在一系列已知且稳定的温度下，支持对发光样品进行低温发光光谱测量。本文以一个铑(III)过渡金属配合物中发光的氧猝灭现象的温度依赖性研究为例，展示了利用该杜瓦瓶/低温恒温器可开展的典型研究。在此装置背景下，低温光谱学中的“稳定温度”是指发光样品在液氮或气态氮环境中达到热平衡，且在CCD进行光谱测量的短时间内（约1–10秒）温度保持恒定（ΔT < 0.1 K）。该杜瓦瓶/低温恒温器的工作原理是利用液氮液面上方形成的正向温度梯度 dT/dh，其中 h 表示样品距液氮液面的高度。液氮缓慢蒸发导致数小时内 h 缓慢增加，从而引起样品温度 T 在此期间逐渐升高。通过快速采集的发光光谱，可有效捕捉到样品处于恒定且热平衡状态下的瞬时温度。
引言
在低温条件下，对发光分子的电子发光光谱及其发光寿命进行温度依赖性研究，可提供大量有关这些分子激发态电子结构以及源于这些激发态的光化学和光物理现象的信息。Crosby 及其同事对1,10-邻菲咯啉、2,2'-联吡啶及其他配体的钌(II)、铑(I)和铑(III)配合物所开展的开创性温度依赖性光物理研究，充分展示了温度依赖性光谱学在阐明多种发光激发态的结构、对称性、能量关系及化学行为方面的强大能力。1-6
然而，要很好地进行温度依赖性低温光谱学研究并非易事。在光谱检测过程中，样品极易未能达到热平衡状态，从而在温度梯度下表现出广泛的温度分布。所测得的光谱实质上是不同温度下发射信号的叠加。此外，即使是在该温度范围内的平均温度，也可能与温度探针的读数存在显著差异。例如，将热电偶或电阻温度计置于样品上或附近。因此，要正确开展温度依赖性低温光谱实验，必须建立实验条件，确保样品温度已知、稳定、均匀，并且在需要时可调节。这些条件可通过极为简单的装置实现，该装置包括CCD光谱仪、激发光源、光学杜瓦瓶和热电偶，在简单直接的实验规程下运行（参见 图1).
图1. 低温光谱学用发光光谱仪装置。 如此俯视图所示，该系统包括：(a.) CCD探测器，(b.) 光谱仪，(c.) 入射狭缝和滤光片，(d.) 发光收集光学元件，(e.) 激光器或弧光灯激发光源，(f.) 激发光束，(g.) 安装在xyz平移台上的熔融石英光学杜瓦瓶，(h.) 样品热电偶结点，(i.) 样品，(j.) 热电偶参考结点：0 °C = 273.15 K 冰/水浴，(k.) 数字电压表。 请点击此处查看此图的放大版本。
如果样品的一侧与低温“冷指”表面直接接触，而另一侧处于真空环境中，则几乎必然会在样品中产生不良的热梯度，并导致样品平均温度测量错误。确保整个样品处于均匀且可测量温度的最实用方法 T 是 完全浸没 样品和温度探针置于特定温度的低温液体中 T (例如，液氮或液氦）或在低温蒸气中，于特定温度下 T (例如， 冷氮气或冷氦气蒸气）。变温恒温器通过调节低温气体流量与电阻加热之间的平衡，以实现所需的低温样品温度，从而提供恒定的样品环境温度。7-9 可采用传热气体以确保样品温度均匀。其原理是使样品与传热气体达到热平衡，而传热气体又与恒温器处于热平衡状态。目前已开发出多种恒温器设计，仅通过调节样品高度即可实现样品在不同温度下的热平衡。 h 在储存杜瓦瓶中液态冷冻剂液面以上的位置。10 样品通过光纤或透镜系统进行激发并检测发光信号。在特定的样品/探针高度下 h，冷冻剂蒸气温度为 T(h) 且该温度随着 h 增加（即，杜瓦瓶提供平缓的温度梯度 dT/dh > 0（在蒸气中）. 液面上方的冷冻气体实际上起到了交换气体的作用。将小样品和温度探头置于 h 确保样品达到热平衡 T(h). 为提高样品温度， h 升高。为降低样品温度， h 降低。此类恒温器的低温极限是液态低温流体在 h = 0。通过降低压力，可进一步降低该低温极限。在大型储存杜瓦瓶中（例如，100 升液氦杜瓦瓶或 10 升液氮杜瓦瓶）中，制冷剂在一系列光谱测量的时间范围内挥发速率可忽略不计，因此可调节样品高度 h 高于液态冷冻剂的位置，以对样品温度进行已知的调节。
本实验室对氧气诱导的过渡金属配合物发光淬灭现象的温度依赖性进行了光谱学研究，由此改进了一种小型熔融石英光学杜瓦瓶，用于在77–300 K温度范围内以液氮进行变温光谱学实验（见图2）。
图 2. 用于变温（77–300 K）低温发光光谱的熔融石英光学杜瓦装置。 该光学杜瓦示意图展示了完整的变温系统。（a.）液氮，（b.）杜瓦瓶透明（4.0 cm）无镀银光学通路区域，（c.）铜制样品环，（d.）热电偶接点，（e.）杜瓦瓶镀银区域，（f.）鳄鱼夹，（g.）木棒，（h.）液氮液面与样品之间的距离，（i.）杜瓦瓶内壁与外壁之间的真空区域，（j.）软木塞，（k.）氮气排气孔，（l.）热电偶导线，（m.）用聚四氟乙烯胶带固定在木棒上的分开并固定的热电偶导线。请点击此处查看该图的放大版本。
熔融石英无自发辐射，且在近紫外至可见光再到近红外波段（约200-2000 nm）具有高光学透过率。此前所述大型储存杜瓦系统10中起作用的基本原理——即样品位于液态低温液体上方的高度决定其温度——已成功在小规模上应用于该小型光学杜瓦系统。然而，与通过机械调节样品相对于固定液态低温液体液面的高度 h 来控制样品温度 T 不同，本系统中样品相对于杜瓦容器本身的位置是固定的（图2）。在数小时的时间内，光学杜瓦中液氮缓慢沸腾蒸发，导致液氮液面逐渐下降，从而使样品位于液氮液面上方的距离 h 逐渐增大（图3）。
图3. 光学杜瓦瓶样品区域的局部放大图。温度条件：样品浸入液氮至液面高度h0，对应温度T0 = 77 K；样品处于液氮面上方不同高度的低温氮气氛围中，液面高度依次为h1 < h2 < h3，对应样品温度分别为T1 < T2 < T3。请点击此处查看该图的高清版本。
这使得样品温度能够随时间缓慢且受控地升高（长达数小时），同时保持样品和温度探针（铜-康铜热电偶结点）与低温氮气蒸气处于热平衡状态。使用配备CCD的发光光谱仪，每光谱仅需几毫秒（或每秒数百个光谱）即可采集覆盖可见光和近红外区域的发光光谱，在每个光谱数据集采集期间样品温度几乎保持恒定（ΔT < 0.1 K）。在温度相差约5 K的光谱之间，典型的等待时间为5–15分钟。此外，由于激发光仅在每光谱采集时照射样品数秒，因此激发光引起的样品加热或光化学降解效应被最小化。为了简化装置、提高便携性并加快样品装载速度，未使用光纤电缆。样品直接由汞弧灯的365 nm谱带或二极管激光器的405 nm谱线激发。从杜瓦瓶中的发光样品直接收集发射光，经收集透镜和聚焦透镜后导入光谱仪的入射狭缝。所研究的钌和铑配合物样品制备为薄层膜形式，溶质浓度约为10-3–10-4 M，并溶解于氧气饱和的溶液中。溶液依靠表面张力固定在细铜丝环内（铜丝直径为0.0150英寸，环直径约3 mm）。调节热电偶结点的高度，使其与样品高度相等（hthermocouple = hsample），并紧邻样品环，如图2和图3所示。通过高阻抗数字电压表测量热电偶样品结点与0 °C水/冰参考结点之间的电压差，并对照T型铜/康铜热电偶的温度-电压对照表确定温度。用金属丝环固定的薄膜样品溶液在光学杜瓦瓶中通过快速浸入液氮实现骤冷冻结。随后，让冻结的样品随时间极其缓慢地升温，同时保持冻结状态，并在不同温度下测量其发光光谱。发光强度随温度变化的数据按以下模型进行分析。
样品在温度 T 下的总发光强度由氧合与未氧合配合物所产生的发光强度之和给出：
. (1)
假设不含氧气的配合物的发光强度与温度无关。然而，由于氧气猝灭效应，含氧配合物的发光强度将随温度升高呈指数下降。该过程可用如下形式的阿伦尼乌斯方程描述
. (2)
在公式（2）中， Ea 是猝灭活化能，以及 k 是玻尔兹曼常数。在低温区域将观察到最大的发光强度（见 图5），其中热能不足以克服淬灭活化能垒（即， 能量从复合物向氧气转移）。将方程（2）代入方程（1），可得表达式
(3)
得到。在公式（3）中，
是低温区域中含氧配合物产生的强度。对公式（3）进行移项整理可得
. (4)
对公式（4）的两边取自然对数，可得表达式
![阿伦尼乌斯图方程，ln[I_expt(T)-I_sample,no O2]=ln[I_sample+O2(T_ex)]+(Ea/k)(1/T)，用于分析动力学。](/files/ftp_upload/54267/54267eq8.jpg "figure-introduction-9")
. (5)
由公式（5）可知，作图 ![光谱分析中使用的自然对数方程，ln[I_total(T) - I_sample, no O2]。](/files/ftp_upload/54267/54267eq9.jpg "figure-introduction-10")
与 
将得到一条直线 
，由此获得发光猝灭的活化能
. (6)
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
方案
1. 冷冻光谱学的样品制备与加载
- 在合适的溶剂中配制约 3 ml 浓度为 ~10-3-10-4 M 的发光生色团溶液。
注意：尽管可使用多种溶剂，水和各种醇类溶剂（例如，乙醇、乙醇/甲醇混合物、乙二醇和甘油）在低温实验中表现出优异的溶解性和表面张力特性。 - 通过将一段直径约为 0.4 mm 的裸铜丝缠绕在钉子或螺钉上，制备样品环，形成一个直径约 3 mm 的单环，后接一段长约 30 mm 的编织铜丝。
- 用 95% 乙醇冲洗样品环，以去除手指油脂及其他污染物，并使其自然干燥。为确保样品环的洁净，依次用硝酸、蒸馏水和乙醇各冲洗一次。
- 将样品环浸入样品溶液（步骤 1.1）中，使溶液的表面张力在环内形成一层薄膜，从而完成样品溶液的加载。
- 立即将载有样品的样品环浸入液氮中，以冻结并稳定环内的薄膜样品溶液；操作时务必佩戴护目镜和手套，做好眼部和手部防护。
2. 热电偶的制备、校准与设置
- 通过制备两个铜-康铜（T型）热电偶结——样品结和标准参考结（0 °C 冰/水混合物）——来制作一个铜-康铜（T型）热电偶，所需材料为两段直径为0.4 mm的裸铜线和一段直径为0.4 mm的裸康铜（铜镍合金）线。
注意：虽然可以使用银焊将结点焊接在一起，但将铜线和康铜线扭绞在一起形成结点也完全可行。- 使用尖嘴钳将铜线和康铜线以约90°角夹紧。在牢固拉紧两根导线的同时，将其紧密地相互缠绕五到六圈。
- 布置所有热电偶导线，确保它们除两个结点外在任何位置均不接触。如果热电偶导线表面覆盖有薄层绝缘涂层，则允许在非结点位置接触。
- 使用带绝缘层的热电偶导线时，需刮除导线末端的绝缘层，以便在形成结点以及与电压表端子进行电接触的位置裸露出金属。务必仔细检查导线上的绝缘材料是否会产生发光现象。可通过将一小段带绝缘层的导线放入样品环中，用选定波长的光激发样品，并在无样品时观察是否存在发射信号，以此测试热电偶导线绝缘层是否可能成为虚假发光的来源。
- 将来自样品结和参考结的两根铜热电偶导线连接至高阻抗5½位数字电压表的输入端子。
- 将样品结和参考结同时置于0 °C的冰水浴中，并对电压表调零。
- 将装载好的样品环和热电偶的样品结对准充满液氮的光学杜瓦瓶中的激发光束，使其高度和方向匹配。保持热电偶结与样品环尽可能靠近，并在杜瓦瓶内处于完全相同的高度。
3. 光学杜瓦瓶中样品环和热电偶结的一般机械支撑与对准
- 为了在光学杜瓦瓶中将样品环调整并固定在所需高度，可通过将一个小的电学鳄鱼夹固定在直径 5 mm、长度 30 mm 的木棒上来制备一个可调高度的固定夹。
- 在适合紧密插入光学杜瓦瓶顶部的软木塞上钻一个直径略小于 5 mm 的孔。将样品环的编织导线部分夹在鳄鱼夹中，然后将木棒在软木塞中上下滑动，以调节样品在杜瓦瓶中的理想高度。
- 为了在光学杜瓦瓶中将热电偶结点固定在所需高度，使用另一根直径为 5 mm 的木棒。调整热电偶结点，使其从木棒底部向下伸出 10–20 mm。将铜线和康铜线分别置于木棒的两侧，并用宽度为 12.5 mm 的聚四氟乙烯（PTFE）生料带紧密缠绕，以牢固固定这些导线。
- 在杜瓦瓶顶部的软木塞上再钻一个直径略小于 5 mm 的孔，用于插入第二根木棒，以便在样品环附近调节热电偶结点的垂直高度。
- 在杜瓦瓶顶部的软木塞上钻第三个较小的孔，作为氮气挥发排气孔。
4. 光学杜瓦瓶中的温度依赖性低温光谱学
- 至少提前1小时开启CCD光谱仪的所有电子设备，以使电子元件充分预热，并让帕尔帖冷却的CCD相机达到稳定的运行温度。
- 预热期结束后，使用一系列已知波长的原子发射谱线或谱带来对CCD光谱仪进行波长校准。测量低压原子发射灯发出的已知波长谱带的光谱，并将CCD像素编号与这些谱带对应的已知波长进行关联。
注意：在大多数现代CCD光谱仪中，包括本研究使用的Andor CCD光谱仪，波长校准过程均由软件自动完成。- 通过将工作温度为3,200 K的石英-卤素灯的实测光谱与其已知的光谱分布（该分布与3,200 K黑体辐射谱高度近似）进行比较，对光谱仪进行强度校准。
- 预先调整激发和发射光学系统，确保激发光照射到循环中的样品上，且样品发出的光被有效收集并投射到CCD光谱仪的入射狭缝上。
注意：这是一个两步机械过程。第一步是光学元件的初步粗略校准，目的是将发射光引导至光谱仪的入射狭缝，使CCD能够检测到发光信号。第二步是通过系统调节激发光束、杜瓦瓶、样品在探针环中的位置以及发光收集光学元件的位置，仔细优化样品的发光信号强度。 - 在按照4.3节所述完成光学系统的对准与优化后，测量样品在77 K液氮条件下的参考发光光谱。在采集该光谱时，应确保铜丝环中的冷冻薄膜样品、紧邻铜丝环的热电偶、杜瓦瓶、激发光束以及发射光收集光学系统均处于最终优化位置，并且样品已完全被液氮覆盖。
- 将热电偶的参考结固定在木棒上，其导线同样用聚四氟乙烯胶带包裹，方式与样品结相同。这样可保护参考结，并防止导线发生不期望的接触。
- 验证0 °C参考热电偶结是否浸入水-冰混合物中。频繁检查参考结中的冰位。将参考结置于小型广口实验室杜瓦瓶中，以减缓冰的融化速度。
- 在77 K下，将测得的热电偶电压与文献中列出的T型铜-康铜热电偶在77 K时的电压进行比对。两个电压值应高度一致。根据需要对压力进行校正（例如，使用克劳修斯-克拉珀龙方程）当大气压低于1 atm时。
- 让液氮缓慢挥发。
注意：随着距离的增加，样品的温度上升缓慢（需数小时）。 h 由于液氮挥发，样品与液氮液面之间的距离逐渐增大。数字电压表对这一温度上升作出响应，由于样品热电偶结点完全浸没在冷氮蒸气中，因而能够提供准确的温度测量。 - 短暂开启或解除激发光源的遮挡，按照制造商的操作规程，使用CCD光谱仪采集发光光谱。光谱数据的采集过程应优化至仅需数秒即可完成。
- 数据采集过程一结束，立即关闭或重新阻断激发光，以尽量减少由非期望的激发光诱导的样品光化学反应和/或激发光诱导的样品加热所引起的误差。
- 记录光谱数据采集区间开始和结束时的热电偶电压。热电偶电压不应发生明显变化（即，相关的温度变化 ΔT 在给定温度下采集光谱数据的极短时间内（约1–10秒），温度波动需控制在0.0–0.1 K范围内。通过查阅T型铜-康铜温度-电压对照表，将电压读数转换为温度值。
- 让液氮继续挥发，当样品温度升高约5 K时，再测量另一组光谱。在整个温度依赖性光谱测量过程中，不得对光学系统、电子设备或激发光强度进行任何调整。
注意：根据光学杜瓦瓶的质量不同，每升高约5 K，此升温过程需要5到15分钟。 - 通过减去暗帧强度来对CCD光谱数据集进行强度校正（即，即在入口狭缝被遮挡时CCD记录的光谱强度），并校正波长依赖性的光谱响应。从每个样品光谱中减去基线暗计数强度值。
- 通过测量已知强度的标准光源（如3200 K钨卤素标准灯）的强度，利用其已知强度与实测强度的比值，对样品在各波长下的实测强度进行校正，以补偿波长依赖性的光谱响应。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
结果
在上述装置中对发光化合物进行77–200 K温度区间的温度依赖性发光猝灭研究所得的代表性结果 Tris(4,7-二甲基-1,10-菲咯啉)铑(III)，[Rh(4,7-Me2-1,10-phen3]3+，溶于氧气饱和的甘油中的物质列于 表1 并绘制在 图4、图5， 和 7.
| 温度 (K) | 倒数温度 (1/K) |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
讨论
该低温发光光谱装置的开发源于实际需求。实验的关键在于，必须能够将含有目标发色团且同时过饱和溶解氧气的溶液在瞬间完成装载、冷冻并定位至光谱测量位置，且整个过程需在样品温度定义明确、稳定并可缓慢调节的杜瓦/低温恒温器设计中实现。市面上几乎所有的商用低温恒温器在样品装载所需时间上均远超本实验所允许的时限。此外，设计一种小巧便携的杜瓦/低温恒温器也至关重要，以便于在楼上化学实验室快速完成样品的装载与冷冻后，可便捷地转移至楼下的光谱实验室。该技术可广泛应用于任何需要进行变温低温发光测量的体系。尽管本文所述方法主要针对室温下为液体的样品溶液，但亦可拓展至室温下为固体的样品。固体样品可通过胶粘或机械方式固定于样品环上。
通过让杜瓦/低温恒温器中液氮自然挥发从而缓慢改变样品温度，可获得三个优势：（a）在整个感兴趣的温度范围内，样品始终维持热平衡状态；（b）对于仅需数秒即可完成的光谱数据采集过程，样品温度实际上保持恒定；（c）极短的发光数据采集时间（从而也极短的样品激发时间）可最大程度降低因激发光引发样品光化学反应和/或样品加热的风险。
在加载...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
感谢康考迪亚大学文理学院院长办公室和教务长办公室对本研究的支持。作者谨此感谢 G. A. Crosby 为本项研究作出的诸多贡献。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 405 nm 二极管激光器 | 通用 | 用于激发发光的通用笔式激光指示器：405 nm 波长，输出功率 5 mW | |
| 石英光学杜瓦瓶 | 定制加工 | 内径 3.5 cm，长度 25.0 cm，带有 4.5 cm 未镀银区域以提供光学通路 | |
| 可编程 5½ 位数字万用表 | Keithley | 型号 192 | 高阻抗数字万用表，用于读取热电偶电压 |
| 铜热电偶丝 | Omega Engineering | SPCP-010 | 直径 0.010 英寸的裸铜热电偶丝 |
| 康铜热电偶丝 | Omega Engineering | SPCC-010 | 直径 0.010 英寸的裸康铜（铜/镍合金）热电偶丝 |
| 多色仪/光谱仪 | Jarrell-Ash | 82-415 | 0.25 m Ebert 单色仪，移除背狭缝组件后可作为多色仪使用 |
| CCD 相机 | Andor | DV-401-UV | 热电制冷（-35 °C）CCD 相机，用于检测发射光 |
| 样品环用铜线 | 通用 | 直径 0.0150 英寸的裸铜线，用于制作样品环 |
参考文献
- Baker, D. C., Crosby, G. A. Spectroscopic and magnetic evidence for multiple-state emission from tris(2,2'-bipyridine)ruthenium(II) sulfate. Chem. Phys. 4 (3), 428-433 (1974).
- Crosby, G. A. Spectroscopic investigations of excited states of transition metal complexes. Acc. Chem. Res. 8 (7), 231-238 (1975).
- Hager, G. D., Watts, R. J., Crosby, G. A. Charge transfer excited states of ruthenium(II) complexes II. Relationships of level parameters to molecular structure. J. Am. Chem. Soc. 97 (24), 7037-7042 (1975).
- Elfring, W. H., Crosby, G. A. Excited states of mixed-ligand chelates of ruthenium(II) and rhodium(III). J. Phys. Chem. 80 (20), 2206-2211 (1976).
- Elfring, W. H., Crosby, G. A. Excited states of mixed-ligand chelates of ruthenium(II). Quantum yield and decay time measurements. J. Am. Chem. Soc. 103 (10), 2683-2687 (1976).
- Fordyce, W. A., Rau, H., Stone, M. L., Crosby, G. A. Multiple state emission from rhodium(I) and iridium(I) complexes. Chem. Phys. Lett. 77 (2), 405-408 (1981).
- Pankuch, B., Crosby, G. A. Spectroscopic measurements of solutions and rigid glasses. Chem. Instrum. 2 (3), 329-335 (1970).
- Landee, C. P., Greeney, R. E., Lamas, A. C. Improved helium cryostat for a vibrating sample magnetometer. Rev. Sci. Instrum. 58 (10), 1957-1958 (1987).
- Fairman, R. A., Spence, K. V. N., Kahwa, I. A. A simple liquid nitrogen gas-flow cryostat for variable temperature laser luminescence. Rev. Sci. Instrum. 65 (2), 503-504 (1994).
- Meyer, G. D., Ortiz, T. P., Costello, A. L., Kenney, J. W., Brozik, J. A. A simple fiber-optic coupled luminescence cryostat. Rev. Sci. Instrum. 73 (12), 4369-4374 (2002).
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
重印与许可
申请许可以重复使用本 JoVE 文章的文本或图表
申请许可