CSTM-材料樣品庫(kù)高通量熒光光譜測(cè)試儀編制說(shuō)明

材料樣品庫(kù)高通量熒光光譜測(cè)試儀團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)編制說(shuō)明（征求意見(jiàn)稿）編制單位：中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所編制日期：2022年1月1、目的意義快速實(shí)驗(yàn)方法是材料基因工程的三大核心之一，而材料樣品庫(kù)（Materiallibrary）制備與表征技術(shù)是快速實(shí)驗(yàn)方法的關(guān)鍵，可快速獲取樣品成分篩選和性能優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，達(dá)到研發(fā)時(shí)間減半和成本減半的目標(biāo)，并為材料信息學(xué)及人工智能挖掘新材料提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在材料樣品庫(kù)制備技術(shù)中，多通道并行合成的陣列樣品庫(kù)是一個(gè)重要分支，可以實(shí)現(xiàn)多樣品的快速制備，且樣品陣列中每一個(gè)獨(dú)立樣品的空間尺度及體量足以滿足現(xiàn)有結(jié)構(gòu)表征和性能測(cè)試技術(shù)對(duì)樣品的要求，由此快速建立材料成分-工藝-結(jié)構(gòu)-性能之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律。光譜測(cè)試是光學(xué)材料表征及篩選的必備環(huán)節(jié)，發(fā)光材料的發(fā)射光譜和激發(fā)光譜對(duì)材料的性能篩選具有極其重要的意義。然而，針對(duì)材料基因工程所需的、適合陣列樣品庫(kù)的多通道快速寬帶光譜測(cè)試技術(shù)仍是空白。光纖光譜儀是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型光譜檢測(cè)技術(shù)，其利用光柵使光譜信號(hào)產(chǎn)生色散，再投射到具有大量探測(cè)器的CCD陣列上，不同探測(cè)器接收到不同波段的光譜信號(hào)并同時(shí)進(jìn)行積分運(yùn)算，因此具有極快的響應(yīng)速度，每幅光譜圖像的測(cè)試時(shí)間可達(dá)毫秒級(jí)，非常適合對(duì)樣品的快速光譜測(cè)試。但是，目前并沒(méi)有一種使用光纖光譜儀構(gòu)造的多通道快速測(cè)試陣列樣品的光譜系統(tǒng)。此外，高通量表征作為材料研發(fā)中評(píng)價(jià)和篩選材料性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，一方面需要變革傳統(tǒng)的“一次測(cè)試一個(gè)樣品”的低效模式，通過(guò)多通道并行、快速測(cè)試、在線數(shù)據(jù)處理等相融合的手段，提高測(cè)試效率；另一方面也需要軟件處理數(shù)據(jù)，可以輸出規(guī)范格式的測(cè)試數(shù)據(jù)，供后端分析和云端共享數(shù)據(jù)使用。綜上所述，面對(duì)材料基因工程技術(shù)日益發(fā)展的態(tài)勢(shì)，必須發(fā)展針對(duì)陣列樣品的并行快速光譜測(cè)試技術(shù)及裝備，并針對(duì)創(chuàng)新研發(fā)的高通量?jī)x器和裝備建立相應(yīng)的高通量測(cè)試儀器標(biāo)準(zhǔn)，以滿足材料基因工程對(duì)快速實(shí)驗(yàn)技術(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)化的迫切需求。2、預(yù)期的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益本標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)以陣列形式排布的發(fā)光材料樣品庫(kù)的三通道及以上的高通量光譜測(cè)試儀，除測(cè)試儀結(jié)構(gòu)等涉及科學(xué)儀器本身的基本標(biāo)準(zhǔn)條款外，更聚焦材料基因工程理念，重點(diǎn)定義了材料樣品庫(kù)和高通量測(cè)試名詞；同時(shí)，根據(jù)已經(jīng)發(fā)布的中國(guó)材料與試驗(yàn)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)材料基因工程領(lǐng)域委員會(huì)（CSTM/FC97）提出的T/CSTM00120-2019數(shù)據(jù)通則，明確了高通量光譜測(cè)試輸出的原始數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的樣品和測(cè)試條件元數(shù)據(jù)格式。本標(biāo)準(zhǔn)的制定與實(shí)施，對(duì)高通量光譜測(cè)試儀新興行業(yè)的發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義，有利于材料基因工程創(chuàng)新技術(shù)的推廣，不斷突破傳統(tǒng)的“一次測(cè)試一個(gè)樣品”的材料表征模式，加速材料性能篩選及優(yōu)化，為新材料及相關(guān)新表征裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展及提升研發(fā)能效奠定技術(shù)基礎(chǔ)。3、工作簡(jiǎn)況3.1任務(wù)來(lái)源根據(jù)中國(guó)材料與試驗(yàn)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱：CSTM標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)）關(guān)于CSTM標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)材試標(biāo)字[2021]299號(hào)公告要求，由中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所作為標(biāo)準(zhǔn)牽頭單位，承擔(dān)《材料樣品庫(kù)高通量熒光光譜測(cè)試儀》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的制定任務(wù)，參與單位包括：上海聞奕光電技術(shù)有限公司、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、上海大學(xué)、上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)、安徽大學(xué)。3.2主要工作過(guò)程3.2.1立項(xiàng)階段2021年5月CSTM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)通過(guò)對(duì)項(xiàng)目?jī)?nèi)容和專業(yè)范圍的篩選，最終確定由中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所牽頭負(fù)責(zé)《材料樣品庫(kù)高通量熒光光譜測(cè)試儀》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)起草工作。2021年10月由CSTM技術(shù)委員主持召開(kāi)了立項(xiàng)審查會(huì)，參會(huì)專家對(duì)標(biāo)準(zhǔn)起草單位提供的項(xiàng)目建議書(shū)、標(biāo)準(zhǔn)草案、擬定工作組成員進(jìn)行認(rèn)真細(xì)致的審查，一致同意立項(xiàng)。3.2.2工作會(huì)階段2021年12月由CSTM技術(shù)委員主持召開(kāi)了《材料樣品庫(kù)高通量熒光光譜測(cè)試儀》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)制定工作會(huì)議，全體代表對(duì)秘書(shū)處、項(xiàng)目負(fù)責(zé)人和標(biāo)準(zhǔn)主要起草單位共同擬定的工作方案和試驗(yàn)方案進(jìn)行了充分地討論和認(rèn)真地研究，就標(biāo)準(zhǔn)中的主要技術(shù)內(nèi)容達(dá)成共識(shí)，由中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所牽頭，參與單位包括：上海聞奕光電技術(shù)有限公司、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、上海大學(xué)、上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)、安徽大學(xué)。3.2.3標(biāo)準(zhǔn)征求意見(jiàn)稿、編制說(shuō)明編寫(xiě)、征求意見(jiàn)階段和提出送審稿階段2022年1月14日，標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)責(zé)起草單位編寫(xiě)標(biāo)準(zhǔn)征求意見(jiàn)稿和編制說(shuō)明，發(fā)送到40位CSTM技術(shù)委員會(huì)委員及參加起草人征求意見(jiàn)。收到征求意見(jiàn)回復(fù)40個(gè)、有意見(jiàn)或建議的CSTM技術(shù)委員會(huì)委員7位，提出12項(xiàng)意見(jiàn)和建議。對(duì)征求意見(jiàn)稿的意見(jiàn)進(jìn)行匯總處理，對(duì)征求意見(jiàn)稿及標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)明進(jìn)行了修改，提出了審查的標(biāo)準(zhǔn)送審稿。3.2.4標(biāo)準(zhǔn)送審稿函審階段、函審意見(jiàn)處理及提出報(bào)批稿階段及委員表決階段2022年6月20日～7月5日CSTM技術(shù)委員會(huì)邀請(qǐng)本委員會(huì)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化專家、研發(fā)技術(shù)專家8～10位，對(duì)本標(biāo)準(zhǔn)的送審稿及相關(guān)材料進(jìn)行函審。2022年9月CSTM技術(shù)委員會(huì)對(duì)送審稿的函審意見(jiàn)進(jìn)行匯總和處理，并由主任委員簽字確認(rèn)，最后形成本標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)批稿及相關(guān)材料。2022年10月報(bào)批稿及相關(guān)材料提交技術(shù)委員會(huì)全體委員表決。4、標(biāo)準(zhǔn)編制的原則標(biāo)準(zhǔn)編制遵循“統(tǒng)一性、協(xié)調(diào)性、適用性、一致性、規(guī)范性”的原則，盡可能與國(guó)外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)接軌，注重標(biāo)準(zhǔn)的可操作性，本標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格按照GB/T1.1-2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定進(jìn)行編寫(xiě)和表述。5、確定標(biāo)準(zhǔn)主要技術(shù)內(nèi)容的依據(jù)5.1結(jié)構(gòu)和參數(shù)材料樣品庫(kù)高通量熒光光譜測(cè)試儀樣機(jī)已研制成功，如圖1所示。該樣機(jī)的主要結(jié)構(gòu)單元如下：（1）樣品臺(tái)移動(dòng)單元，在其上放置陣列樣品，目前陣列樣品庫(kù)尺寸設(shè)計(jì)與配套的微納粉體并行合成儀對(duì)應(yīng)的{9x6}陣列微反應(yīng)器尺寸一致；陣列樣品與光譜測(cè)試點(diǎn)位置匹配運(yùn)動(dòng)的樣品臺(tái)移動(dòng)單元與計(jì)算機(jī)主控單元相連，當(dāng)一個(gè)或一組樣品測(cè)試完成后，樣品臺(tái)移動(dòng)單元可將樣品臺(tái)移動(dòng)到新的位置，可對(duì)下一個(gè)或一組樣品進(jìn)行測(cè)試，從而實(shí)現(xiàn)在程序控制下對(duì)樣品臺(tái)上的每個(gè)樣品進(jìn)行自動(dòng)遍歷光譜測(cè)試；（2）激發(fā)光源單元，具備并列或陣列排布的多個(gè)激光光源或LED光源，目前配置有波長(zhǎng)為254nm和370nm的LED光源及波長(zhǎng)為405nm、450nm、515nm、655nm、808nm、980nm和1060nm的激光器LD光源，還可以根據(jù)需要增配其它類型的光源；光源組或光源陣列為模塊化設(shè)計(jì)，具備統(tǒng)一的插拔式電源，整體尺寸與插槽相吻合；（3）接收光譜信號(hào)并進(jìn)行處理的探測(cè)器單元，具備與光源單元相對(duì)應(yīng)的并列或陣列排布的多個(gè)光纖光譜儀，監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)范圍為300-1000nm，通過(guò)耦合鏡頭和光纖接收光學(xué)信號(hào)并傳輸至光纖光譜儀；濾光片設(shè)置于樣品臺(tái)與耦合鏡頭之間，用于除去干擾信號(hào)，提高光譜儀的信噪比，并可以根據(jù)需求選擇長(zhǎng)波通或短波通濾光片；（4）主控單元，其與探測(cè)器單元相連并用于記錄及顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，目前采用Coral軟件同時(shí)控制三臺(tái)光譜儀，同時(shí)對(duì)三個(gè)樣品進(jìn)行檢測(cè)，讀出對(duì)應(yīng)的光譜特征，實(shí)現(xiàn)了多通道并行光譜測(cè)試。圖1材料樣品庫(kù)高通量熒光光譜測(cè)試儀樣機(jī)實(shí)物圖（a）；激發(fā)光源組（b）；濾光片組（c）和陣列樣品（d）5.2功能特征研制的材料樣品庫(kù)高通量熒光光譜測(cè)試儀樣機(jī)可根據(jù)需要對(duì)幾個(gè)樣品同時(shí)進(jìn)行光譜測(cè)試，并實(shí)現(xiàn)激發(fā)波長(zhǎng)、測(cè)量范圍、樣品位置等參數(shù)的可控調(diào)節(jié)，達(dá)到測(cè)試參數(shù)高效篩選及優(yōu)化的技術(shù)要求。在實(shí)時(shí)測(cè)試時(shí)，將所需測(cè)試的陣列樣品裝入移動(dòng)樣品臺(tái)，選擇需要的激發(fā)光源單元及濾光片，在程序主控電腦中設(shè)置對(duì)應(yīng)位置的樣品測(cè)試參數(shù)（光譜范圍、激發(fā)光光照時(shí)間等），開(kāi)始測(cè)試后，光源單元發(fā)出激發(fā)光照射到被測(cè)樣品上，樣品受激后發(fā)出光譜信號(hào)，光譜信號(hào)經(jīng)濾光片過(guò)濾后，由耦合鏡頭接收，然后經(jīng)光纖傳入光纖光譜儀，光譜信號(hào)經(jīng)光纖光譜儀準(zhǔn)直、色散、聚焦、光電轉(zhuǎn)換等處理后，處理好的光譜信息傳輸至程序主控電腦并轉(zhuǎn)換為圖像顯示出來(lái)；當(dāng)一個(gè)或一組樣品加熱完成后，程序主控電腦發(fā)送新的待測(cè)試位置到移動(dòng)臺(tái)控制器，移動(dòng)臺(tái)控制器控制樣品臺(tái)移動(dòng)單元移動(dòng)到指定位置，開(kāi)始新的測(cè)試。目前研制的三通道材料樣品庫(kù)高通量熒光光譜測(cè)試儀樣機(jī)通過(guò)實(shí)時(shí)移動(dòng)樣品臺(tái)的位置可同時(shí)測(cè)量三個(gè)樣品，當(dāng)三個(gè)一組的樣品測(cè)試完成后，樣品臺(tái)移動(dòng)單元自動(dòng)將樣品臺(tái)移動(dòng)到新的測(cè)試位置，以此類推，在程序控制下對(duì)樣品庫(kù)中的每個(gè)樣品進(jìn)行自動(dòng)遍歷光譜測(cè)試。在標(biāo)準(zhǔn)文件的編制中，根據(jù)樣機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸和功能，適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行技術(shù)要素的限制，是具備實(shí)踐依據(jù)的。6、主要試驗(yàn)或驗(yàn)證結(jié)果分析6.1熒光光譜測(cè)試結(jié)果的一致性選擇三個(gè)相同的黃光熒光粉樣品：(Y,Gd)3Al5O12:Ce，分別放置在陣列樣品庫(kù)中三個(gè)等距離相隔的位置，間隔距離與光源間的距離相同，樣品標(biāo)記為1、2、3，采用三個(gè)波長(zhǎng)為450nm的藍(lán)光激光器作為激發(fā)光源，同時(shí)放置480nm的長(zhǎng)波通濾光片。光譜測(cè)試和色坐標(biāo)計(jì)算結(jié)果如圖2所示，可以同時(shí)觀察到三個(gè)主峰位于585nm附近的黃光發(fā)射帶，顯示三價(jià)稀土發(fā)光離子Ce的典型光發(fā)射特性，而且放置在陣列樣品庫(kù)中三個(gè)不同位置的黃光熒光粉樣品的發(fā)射光譜是一致的，色坐標(biāo)也基本重合，均位于黃光區(qū)域，表明該儀器所測(cè)試的多個(gè)相同樣品的熒光光譜結(jié)果具有一致性，可根據(jù)光譜測(cè)試結(jié)果來(lái)判定樣品。圖2樣品庫(kù)中三個(gè)相同(Y,Gd)3Al5O12:Ce黃光熒光粉樣品的（a）發(fā)射光譜；（b）CIE色度圖，采用藍(lán)光激光器（ex=450nm）和480nm長(zhǎng)波通濾光片6.2熒光光譜測(cè)試結(jié)果的差異性選擇三個(gè)不同的熒光粉樣品：紅光熒光粉樣品(Ca,Sr)AlSiN3:Eu；黃光熒光粉樣品(Y,Gd)3Al5O12:Ce；綠光熒光粉樣品(Ba,Sr)2SiO4:Eu，將其分別放置在陣列樣品庫(kù)中三個(gè)等距離相隔的位置，間隔距離與光源間的距離相同，樣品標(biāo)記為4、5、6，采用波長(zhǎng)為450nm的藍(lán)光激光器作為激發(fā)光源，同時(shí)放置480nm的長(zhǎng)波通濾光片。光譜測(cè)試及色坐標(biāo)計(jì)算結(jié)果如圖3所示，紅、黃、綠光熒光粉分別發(fā)射主峰位于640nm、585nm、525nm附近的寬譜帶紅、黃、綠光，其色坐標(biāo)也分別位于紅、黃、綠光色調(diào)區(qū)域，表明該儀器所測(cè)試的多個(gè)不同樣品的熒光光譜結(jié)果具有明顯的差異性，可通過(guò)光譜測(cè)試結(jié)果分辨不同樣品，并進(jìn)行篩選。圖3樣品庫(kù)中紅、黃、綠光三個(gè)熒光粉樣品的（a）發(fā)射光譜；（b）CIE色度圖；采用藍(lán)光激光器（λex=450nm）和480nm長(zhǎng)波通濾光片7、與國(guó)內(nèi)外同類標(biāo)準(zhǔn)水平對(duì)比情況目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)材料樣品庫(kù)高通量熒光光譜測(cè)試儀的標(biāo)準(zhǔn)。已發(fā)布的光譜儀標(biāo)準(zhǔn)與本標(biāo)準(zhǔn)基本無(wú)關(guān)聯(lián)，例如，國(guó)標(biāo)GB/T21191-2007“原子熒光光譜儀”適用于測(cè)量可形成氫化物的系列元素砷、銻、鉍、硒、碲、鉛、硒、鍺，原子蒸氣態(tài)汞，以及揮發(fā)性化合物鋅、鎘等元素的非色散型蒸氣，對(duì)儀器的工作條件、基線穩(wěn)定性、檢出限、重復(fù)性、校準(zhǔn)曲線的線性、道間干擾等作出了要求。行標(biāo)JB/T11145-2011“X射線熒光光譜儀”適用于包括順序式和多通道同時(shí)式的波長(zhǎng)色散X射線熒光光譜儀，對(duì)儀器的環(huán)境條件、使