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，样品极易出现热不平衡，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，要正确进行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).
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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....
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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-邻菲啰啉3]3+，溶于氧气饱和的甘油中，列于 表1 并绘制在 图4、图5， 和 7.
.......| 温度 (K) | 倒数温度 (1/K) |  |
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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。
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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。
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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....
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