显微荧光光谱仪-技术百科-销往杭州/上海/广州等地

　　显微圆偏振荧光光谱仪
 

　　在材料科学(手性微纳结构发光性能调控)、化学(微区聚集态手性传递)、生物医药(单细胞内手性探针成像)及光电子器件(微纳尺度 CP-OLED 阵列开发)等领域，手性发光样品(如手性钙钛矿纳米晶阵列、单细胞内靶向 CPL 探针、有机小分子微纳聚集体、微型 CP-OLED 发光单元)常呈现显著的空间异质性与动态聚集态演化，其核心性能不仅依赖分子构型，更与微纳尺度的聚集方式、界面作用紧密绑定。传统的圆偏振荧光或者圆二色性表征技术仅能从宏观或单维度获取信息，难以解析微区层面的手性发光规律与作用机制。(参考文献：Yeom  et al., Advanced materials,2020,32(1):e1903878)
 

图1. 手性超微粒的形成与表征
 

　　任何缺乏空间分辨能力的手性表征技术，都存在微区信息丢失的局限，仅能反映样品的平均属性，无法捕捉关键的微纳尺度手性特征。例如，普通荧光光谱可测微区总发光强度，却无法区分左 / 右圆偏振光差异，无法获取微区 glum 值，难以判断单个纳米晶的手性纯度；宏观圆偏振荧光光谱虽能测整体 glum 值，却无法定位手性发光 “热点”(如钙钛矿阵列中某一微区的高 glum 区域)，无法解释微区异质性对整体性能的影响；ECD 光谱可表征分子基态手性，却无法关联微区激发态手性变化(如细胞内探针与细胞器结合后的激发态构象弛豫)，而微区激发态手性恰是微型 CPL 器件、生物靶向成像的核心；瞬态荧光光谱能测激发态寿命，却不能定位寿命与偏振态的空间耦合关系，无法揭示微区手性发光的动力学机制 —— 这就需要借助显微圆偏振荧光光谱仪，通过其微米 / 亚微米级空间分辨率，精准锁定微区手性信号，填补微纳尺度手性发光表征的空白，Z大化与其他技术的互补性。
 

　　在显微圆偏振荧光检测领域，现代系统常集成共聚焦光路 + 原位调控模块 + 多模态同步采集(同步获取微区 CPL、总荧光、明场成像数据)，通过高精度光电调制器(PEM)分离微区的 L-CPL/R-CPL 信号，结合高数值孔径物镜聚焦于特定微区(如单个手性纳米晶、细胞内溶酶体)，确保在统一空间坐标系下采集该微区的手性发光数据，规避传统宏观检测中 “平均化” 导致的微区信息丢失，以及分步检测中样品微区位移引发的信号偏差。这种集成化设计不仅能抑制微区线性双折射、局部荧光各向异性等伪影(如手性薄膜边缘微区的不均匀偏振干扰)，还可通过动态监测(如温度诱导微区聚集过程中的 CPL 变化)解析微区手性与聚集态、界面作用的耦合机制，为手性微纳材料的精准制备(如调控纳米晶尺寸均匀性)、微型 CPL 器件的微区性能优化(如发光单元界面修饰)提供直接依据，同时为揭示细胞内手性探针的动态分布规律、微区异质性对器件性能的影响奠定方法学基础。
 

　　显微圆偏振荧光光谱仪的核心价值，不仅在于 “显微分辨 + 圆偏振探测” 的协同，更在于微区空间信息与手性发光数据的深度耦合及智能解析。这种融合突破了传统手性表征中 “宏观平均”“数据孤岛” 的局限，通过建立 “分子构型 - 微区聚集态 - 局部 CPL 性能” 的跨尺度关联模型，实现了对手性发光体系的 “空间定位 + 性能量化” 双重解析。尤其在人工智能与深度学习快速发展的背景下，该系统产生的大通量微区 CPL 数据(如不同微区的 glum 分布图、动态演化曲线)与深度学习算法结合，可实现手性微纳材料的高通量筛选(快速识别高 glum 微区)、细胞内手性探针的智能定位，突破现有 “宏观试错” 研发范式，推动手性科学研究迈入 “空间分辨 + 数据驱动” 的全新阶段。
 

　　应用案例：
 

　　1.原位荧光+圆偏振+角分辨+空间传导关联表征GaSe薄膜边缘发光特性
 

　　将圆偏振发光(CPL)技术与空间mapping相结合，能够深入揭示材料体系中g因子在不同空间位置上的分布特征与变化规律。这种测量方式，通常被称为CPL mapping 或 g-factor mapping，是当前手性光学与空间分辨成像技术交叉的重要发展方向。通过显微成像手段结合圆偏振探测模块可以实现对微米甚至纳米尺度样品表面上 g 因子大小的空间分布成像，从而建立“g(x, y)”二维图谱。这种图谱揭示了材料中由于结晶取向、分子堆积、手性畸变、缺陷诱导或自组装过程造成的局部手性不均匀性，并反映出体系中结构–手性发光响应的空间耦合关系。例如，在手性有机晶体、液晶膜或超分子纤维中，不同区域的 g 值可能由于微观排列差异而显著变化，形成手性结构域；而在外场作用(如剪切、电场、光场)下，这种空间分布还能被进一步调控或重构。CPL mapping 不仅在基础研究中用于理解手性材料的构效关系，还在光学加密、偏振显示、防伪标签等应用中具有重要的空间信息承载与解码潜力，是手性光功能材料空间调控研究的重要技术支撑。(参考文献：Hsu et al., Physical Review B, 2015, 91(19):195312.)
 

　　图2. 二维GaSe薄膜的 CPL mapping结果。(a)为偏振测试示意图。(b)为其中一个ROI中GaSe薄膜的 CPL 成像，图中中心光斑为激发光斑，产生的荧光沿平面传导至边缘处被收集。(c)从(b)中得到的 CPL 强度在样品面内的空间分布。(d)样品表面每一个发光位置处的偏振方向，以及系统自动计算得到线偏振度
 

　　2. 原位荧光+圆偏振+角分辨关联测量指导VCSEL研发
 

　　将圆偏振发光(CPL)与角分辨光谱技术相结合，能够实现对发光手性特性在不同发射角、不同光子动量方向上的系统性分析，从而深入揭示g因子随发光取向的依赖关系。该方法通常被称为角分辨CPL测量(Angle-Resolved CPL, AR-CPL)，其核心思想是将发射角度作为变量，通过精确测量不同出射方向上的左旋与右旋发光强度，构建g值在角度空间(即光子动量空间)中的分布图谱。相比传统点测CPL技术，AR-CPL不仅能提供发射手性信息，还能反映材料内部激发态在空间上的对称性破缺、发射偶极矩方向性，以及手性发光与结构各向异性之间的关系。
 

图2. InGaAs近红外VCSEL激光的激射特性[3]
 

　　更进一步，若在角分辨的基础上引入能量轴(波长或频率)，则可以在由光子动量(k)与光子能量(E)组成的二维空间(k–E相空间)中绘制g因子的分布图，即g(k, E) 图谱。这类图谱允许研究人员同时追踪发光的方向性、色散行为与手性强度的耦合特征，揭示不同能态下手性选择性的起源。例如，在光子晶体、金属–有机框架(MOFs)、手性微腔、激子–极化子体系等结构中，不同角度和能量下的发光模式可能具有不同的偏振特性，AR-CPL 可用于判定哪些激发态具有强烈的手性发射能力，哪些模式存在手性翻转或共振增强行为。
 

　　此外，该方法还能用于验证理论计算中预测的手性发射态布里渊区分布，评估发射偶极矩在实空间和动量空间中的协同作用，以及观察自旋–轨道耦合、手性激子行为等前沿现象。角分辨CPL研究不仅为材料发光机制提供了空间–能量–手性多维度表征手段，也为设计具有方向选择性、动量空间调控能力和高g因子输出的手性发光器件奠定了理论与技术基础，尤其在圆偏振激光、手性光通信和量子信息编码等领域具有重要发展潜力。(参考文献：Hsu et al., Phys. Rev. B, 91, 195312 (2015))
 

　　3.圆偏振荧光+时间分辨分析全斯托克斯参量和g因子随激发态演化的动态依赖关系
 

　　将圆偏振发光(CPL)表征与宽带瞬态时间分辨及全斯托克斯偏振分析相结合，能够实现对手性发光材料在不同时间尺度、不同能量(波长)下的手性特性与偏振组分的系统性解析，从而深入揭示发光不对称因子(glum)随激发态演化的动态依赖关系。该方法被称为时间分辨全斯托克斯 CPL 测量(Time-Resolved Full-Stokes CPL, TR-FS-CPL)，其核心思想是以 “时间延迟” 为关键变量，通过电子门控增强型 CCD(ICCD)精确控制检测时间窗口(2 ns 最小门宽至 2 ms 最大范围)，同步采集不同时间延迟下左旋圆偏振光(LCP)与右旋圆偏振光(RCP)的强度差异，同时分离线偏振组分(S₁：0°/90° 线偏振，S₂：+45°/-45° 线偏振)，最终构建 glum 在时间 - 能量二维空间(t-E 空间)中的动态分布图谱(glum (t,E))。相比传统稳态 CPL 技术仅能获取静态 glum 值、传统时间分辨 CPL(TRCPL)需权衡灵敏度与带宽的局限，TR-FS-CPL 不仅能提供手性发光的强度与偏振纯度信息，还能反映材料内部激发态弛豫的时间动力学、不同能态(如配体中心态、金属离子高激发态)的手性传递效率，以及线偏振诱导的 CPL 伪影与真实手性信号的区分边界。
 

　　图3. 标准非手性染料在低黏度与高黏度水溶液中的宽带稳态及时间分辨全斯托克斯向量光谱
 

　　更进一步，若在时间分辨与全斯托克斯偏振的基础上保留宽带光谱覆盖(400-900 nm)，则可在由 “时间延迟(t)- 光子能量(E)- 偏振态(S₁/S₂/S₃)” 组成的三维空间中绘制 glum 的全息化分布图，即 glum (t,E,Sₙ) 图谱(n=1,2,3)。这类图谱允许研究人员同时追踪发光的时间演化、能量色散行为与偏振态(含手性)的耦合特征，揭示不同激发态下手性活性的起源与动态变化规律。例如，在手性镧系配合物 Eu [(+)-facam]₃ 中，TR-FS-CPL 可分辨纳秒级配体中心(LC)态(13 ns 寿命，无 CPL 活性)与⁵D₁→⁷F₂高激发态(130 ns 寿命，|glum|≈0.2)的手性差异，明确配体至金属的手性传递需经激发态能量转移完成；在手性热激活延迟荧光(TADF)染料(R/S-BPC) 中，可同步量化瞬态发光(23 ns，glum≈±1.8×10⁻³)与延迟发光(18 μs，glum 稳定性一致)的手性动态，证明延迟荧光过程不破坏分子手性；在非手性染料罗丹明 B 中，还能通过 S₁/S₂线偏振组分的时间演化，追溯线偏振诱导的 CPL 伪影(S₃)及其与分子旋转动力学的关联(10 ns 内 depolarize)。
 

　　此外，该方法还能用于验证理论计算中预测的激发态手性弛豫路径，评估手性信号在 “配体 - 金属”“瞬态 - 延迟” 等不同能量通道与时间尺度下的传递效率，以及观察短寿命激发态手性守恒、线偏振伪影动态衰减等前沿现象。时间分辨全斯托克斯 CPL 研究不仅为手性发光材料的激发态机制提供了 “时间 - 能量 - 偏振 - 手性” 多维度表征手段，也为设计具有时间窗口选择性、能量通道调控能力和低伪影高 glum 输出的手性发光器件奠定了理论与技术基础，尤其在圆偏振有机发光二极管(CP-OLED)、手性生物成像探针、量子信息领域的手性光子源等领域具有重要发展潜力。通过该技术，研究人员可精准筛选高稳定性手性发光材料(如 TADF 染料的 glum 时间稳定性)、优化激发态能量转移路径(如 Eu³+ 配合物的配体敏化效率)，并为解决传统 CPL 测量中的伪影干扰问题提供标准化表征方案，推动手性光电子材料从基础研究向实际应用转化。
 

　　(参考文献：Reponen et al., Nature. 2025 Jul;643(8072):675-682.)