顯微圓偏振熒光光譜儀

在材料科學(xué)（手性微納結(jié)構(gòu)發(fā)光性能調(diào)控）、化學(xué)（微區(qū)聚集態(tài)手性傳遞）、生物醫(yī)藥（單細(xì)胞內(nèi)手性探針成像）及光電子器件（微納尺度 CP-OLED 陣列開(kāi)發(fā)）等領(lǐng)域，手性發(fā)光樣品（如手性鈣鈦礦納米晶陣列、單細(xì)胞內(nèi)靶向 CPL 探針、有機(jī)小分子微納聚集體、微型 CP-OLED 發(fā)光單元）常呈現(xiàn)顯著的空間異質(zhì)性與動(dòng)態(tài)聚集態(tài)演化，其核心性能不僅依賴(lài)分子構(gòu)型，更與微納尺度的聚集方式、界面作用緊密綁定。傳統(tǒng)的圓偏振熒光或者圓二色性表征技術(shù)僅能從宏觀或單維度獲取信息，難以解析微區(qū)層面的手性發(fā)光規(guī)律與作用機(jī)制。（參考文獻(xiàn)：Yeom  et al., Advanced materials,2020,32(1):e1903878）

圖1. 手性超微粒的形成與表征

任何缺乏空間分辨能力的手性表征技術(shù)，都存在微區(qū)信息丟失的局限，僅能反映樣品的平均屬性，無(wú)法捕捉關(guān)鍵的微納尺度手性特征。例如，普通熒光光譜可測(cè)微區(qū)總發(fā)光強(qiáng)度，卻無(wú)法區(qū)分左 / 右圓偏振光差異，無(wú)法獲取微區(qū) glum 值，難以判斷單個(gè)納米晶的手性純度；宏觀圓偏振熒光光譜雖能測(cè)整體 glum 值，卻無(wú)法定位手性發(fā)光 “熱點(diǎn)”（如鈣鈦礦陣列中某一微區(qū)的高 glum 區(qū)域），無(wú)法解釋微區(qū)異質(zhì)性對(duì)整體性能的影響；ECD 光譜可表征分子基態(tài)手性，卻無(wú)法關(guān)聯(lián)微區(qū)激發(fā)態(tài)手性變化（如細(xì)胞內(nèi)探針與細(xì)胞器結(jié)合后的激發(fā)態(tài)構(gòu)象弛豫），而微區(qū)激發(fā)態(tài)手性恰是微型 CPL 器件、生物靶向成像的核心；瞬態(tài)熒光光譜能測(cè)激發(fā)態(tài)壽命，卻不能定位壽命與偏振態(tài)的空間耦合關(guān)系，無(wú)法揭示微區(qū)手性發(fā)光的動(dòng)力學(xué)機(jī)制 —— 這就需要借助顯微圓偏振熒光光譜儀，通過(guò)其微米 / 亞微米級(jí)空間分辨率，精準(zhǔn)鎖定微區(qū)手性信號(hào)，填補(bǔ)微納尺度手性發(fā)光表征的空白，Z大化與其他技術(shù)的互補(bǔ)性。

在顯微圓偏振熒光檢測(cè)領(lǐng)域，現(xiàn)代系統(tǒng)常集成共聚焦光路 + 原位調(diào)控模塊 + 多模態(tài)同步采集（同步獲取微區(qū) CPL、總熒光、明場(chǎng)成像數(shù)據(jù)），通過(guò)高精度光電調(diào)制器（PEM）分離微區(qū)的 L-CPL/R-CPL 信號(hào)，結(jié)合高數(shù)值孔徑物鏡聚焦于特定微區(qū)（如單個(gè)手性納米晶、細(xì)胞內(nèi)溶酶體），確保在統(tǒng)一空間坐標(biāo)系下采集該微區(qū)的手性發(fā)光數(shù)據(jù)，規(guī)避傳統(tǒng)宏觀檢測(cè)中 “平均化” 導(dǎo)致的微區(qū)信息丟失，以及分步檢測(cè)中樣品微區(qū)位移引發(fā)的信號(hào)偏差。這種集成化設(shè)計(jì)不僅能抑制微區(qū)線性雙折射、局部熒光各向異性等偽影（如手性薄膜邊緣微區(qū)的不均勻偏振干擾），還可通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)（如溫度誘導(dǎo)微區(qū)聚集過(guò)程中的 CPL 變化）解析微區(qū)手性與聚集態(tài)、界面作用的耦合機(jī)制，為手性微納材料的精準(zhǔn)制備（如調(diào)控納米晶尺寸均勻性）、微型 CPL 器件的微區(qū)性能優(yōu)化（如發(fā)光單元界面修飾）提供直接依據(jù)，同時(shí)為揭示細(xì)胞內(nèi)手性探針的動(dòng)態(tài)分布規(guī)律、微區(qū)異質(zhì)性對(duì)器件性能的影響奠定方法學(xué)基礎(chǔ)。

顯微圓偏振熒光光譜儀的核心價(jià)值，不僅在于 “顯微分辨 + 圓偏振探測(cè)” 的協(xié)同，更在于微區(qū)空間信息與手性發(fā)光數(shù)據(jù)的深度耦合及智能解析。這種融合突破了傳統(tǒng)手性表征中 “宏觀平均”“數(shù)據(jù)孤島” 的局限，通過(guò)建立 “分子構(gòu)型 - 微區(qū)聚集態(tài) - 局部 CPL 性能” 的跨尺度關(guān)聯(lián)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)手性發(fā)光體系的 “空間定位 + 性能量化” 雙重解析。尤其在人工智能與深度學(xué)習(xí)快速發(fā)展的背景下，該系統(tǒng)產(chǎn)生的大通量微區(qū) CPL 數(shù)據(jù)（如不同微區(qū)的 glum 分布圖、動(dòng)態(tài)演化曲線）與深度學(xué)習(xí)算法結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)手性微納材料的高通量篩選（快速識(shí)別高 glum 微區(qū)）、細(xì)胞內(nèi)手性探針的智能定位，突破現(xiàn)有 “宏觀試錯(cuò)” 研發(fā)范式，推動(dòng)手性科學(xué)研究邁入 “空間分辨 + 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)” 的全新階段。

應(yīng)用案例：

1.原位熒光+圓偏振+角分辨+空間傳導(dǎo)關(guān)聯(lián)表征GaSe薄膜邊緣發(fā)光特性

將圓偏振發(fā)光（CPL）技術(shù)與空間mapping相結(jié)合，能夠深入揭示材料體系中g因子在不同空間位置上的分布特征與變化規(guī)律。這種測(cè)量方式，通常被稱(chēng)為CPL mapping 或 g-factor mapping，是當(dāng)前手性光學(xué)與空間分辨成像技術(shù)交叉的重要發(fā)展方向。通過(guò)顯微成像手段結(jié)合圓偏振探測(cè)模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微米甚至納米尺度樣品表面上 g 因子大小的空間分布成像，從而建立“g(x, y)”二維圖譜。這種圖譜揭示了材料中由于結(jié)晶取向、分子堆積、手性畸變、缺陷誘導(dǎo)或自組裝過(guò)程造成的局部手性不均勻性，并反映出體系中結(jié)構(gòu)–手性發(fā)光響應(yīng)的空間耦合關(guān)系。例如，在手性有機(jī)晶體、液晶膜或超分子纖維中，不同區(qū)域的 g 值可能由于微觀排列差異而顯著變化，形成手性結(jié)構(gòu)域；而在外場(chǎng)作用（如剪切、電場(chǎng)、光場(chǎng)）下，這種空間分布還能被進(jìn)一步調(diào)控或重構(gòu)。CPL mapping 不僅在基礎(chǔ)研究中用于理解手性材料的構(gòu)效關(guān)系，還在光學(xué)加密、偏振顯示、防偽標(biāo)簽等應(yīng)用中具有重要的空間信息承載與解碼潛力，是手性光功能材料空間調(diào)控研究的重要技術(shù)支撐。（參考文獻(xiàn)：Hsu et al., Physical Review B, 2015, 91(19):195312.）

圖2. 二維GaSe薄膜的 CPL mapping結(jié)果。（a）為偏振測(cè)試示意圖。（b）為其中一個(gè)ROI中GaSe薄膜的 CPL 成像，圖中中心光斑為激發(fā)光斑，產(chǎn)生的熒光沿平面?zhèn)鲗?dǎo)至邊緣處被收集。（c）從（b）中得到的 CPL 強(qiáng)度在樣品面內(nèi)的空間分布。(d)樣品表面每一個(gè)發(fā)光位置處的偏振方向，以及系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算得到線偏振度

2. 原位熒光+圓偏振+角分辨關(guān)聯(lián)測(cè)量指導(dǎo)VCSEL研發(fā)

將圓偏振發(fā)光（CPL）與角分辨光譜技術(shù)相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)發(fā)光手性特性在不同發(fā)射角、不同光子動(dòng)量方向上的系統(tǒng)性分析，從而深入揭示g因子隨發(fā)光取向的依賴(lài)關(guān)系。該方法通常被稱(chēng)為角分辨CPL測(cè)量（Angle-Resolved CPL, AR-CPL），其核心思想是將發(fā)射角度作為變量，通過(guò)精確測(cè)量不同出射方向上的左旋與右旋發(fā)光強(qiáng)度，構(gòu)建g值在角度空間（即光子動(dòng)量空間）中的分布圖譜。相比傳統(tǒng)點(diǎn)測(cè)CPL技術(shù)，AR-CPL不僅能提供發(fā)射手性信息，還能反映材料內(nèi)部激發(fā)態(tài)在空間上的對(duì)稱(chēng)性破缺、發(fā)射偶極矩方向性，以及手性發(fā)光與結(jié)構(gòu)各向異性之間的關(guān)系。

圖2. InGaAs近紅外VCSEL激光的激射特性[3]

更進(jìn)一步，若在角分辨的基礎(chǔ)上引入能量軸（波長(zhǎng)或頻率），則可以在由光子動(dòng)量（k）與光子能量（E）組成的二維空間（k–E相空間）中繪制g因子的分布圖，即g(k, E) 圖譜。這類(lèi)圖譜允許研究人員同時(shí)追蹤發(fā)光的方向性、色散行為與手性強(qiáng)度的耦合特征，揭示不同能態(tài)下手性選擇性的起源。例如，在光子晶體、金屬–有機(jī)框架（MOFs）、手性微腔、激子–極化子體系等結(jié)構(gòu)中，不同角度和能量下的發(fā)光模式可能具有不同的偏振特性，AR-CPL 可用于判定哪些激發(fā)態(tài)具有強(qiáng)烈的手性發(fā)射能力，哪些模式存在手性翻轉(zhuǎn)或共振增強(qiáng)行為。

此外，該方法還能用于驗(yàn)證理論計(jì)算中預(yù)測(cè)的手性發(fā)射態(tài)布里淵區(qū)分布，評(píng)估發(fā)射偶極矩在實(shí)空間和動(dòng)量空間中的協(xié)同作用，以及觀察自旋–軌道耦合、手性激子行為等前沿現(xiàn)象。角分辨CPL研究不僅為材料發(fā)光機(jī)制提供了空間–能量–手性多維度表征手段，也為設(shè)計(jì)具有方向選擇性、動(dòng)量空間調(diào)控能力和高g因子輸出的手性發(fā)光器件奠定了理論與技術(shù)基礎(chǔ)，尤其在圓偏振激光、手性光通信和量子信息編碼等領(lǐng)域具有重要發(fā)展?jié)摿Α?/span>（參考文獻(xiàn)：Hsu et al., Phys. Rev. B, 91, 195312 (2015)）

3.圓偏振熒光+時(shí)間分辨分析全斯托克斯參量和g因子隨激發(fā)態(tài)演化的動(dòng)態(tài)依賴(lài)關(guān)系

將圓偏振發(fā)光（CPL）表征與寬帶瞬態(tài)時(shí)間分辨及全斯托克斯偏振分析相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)手性發(fā)光材料在不同時(shí)間尺度、不同能量（波長(zhǎng)）下的手性特性與偏振組分的系統(tǒng)性解析，從而深入揭示發(fā)光不對(duì)稱(chēng)因子（glum）隨激發(fā)態(tài)演化的動(dòng)態(tài)依賴(lài)關(guān)系。該方法被稱(chēng)為時(shí)間分辨全斯托克斯 CPL 測(cè)量（Time-Resolved Full-Stokes CPL, TR-FS-CPL），其核心思想是以 “時(shí)間延遲” 為關(guān)鍵變量，通過(guò)電子門(mén)控增強(qiáng)型 CCD（ICCD）精確控制檢測(cè)時(shí)間窗口（2 ns 最小門(mén)寬至 2 ms 最大范圍），同步采集不同時(shí)間延遲下左旋圓偏振光（LCP）與右旋圓偏振光（RCP）的強(qiáng)度差異，同時(shí)分離線偏振組分（S?：0°/90° 線偏振，S?：+45°/-45° 線偏振），最終構(gòu)建 glum 在時(shí)間 - 能量二維空間（t-E 空間）中的動(dòng)態(tài)分布圖譜（glum (t,E)）。相比傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài) CPL 技術(shù)僅能獲取靜態(tài) glum 值、傳統(tǒng)時(shí)間分辨 CPL（TRCPL）需權(quán)衡靈敏度與帶寬的局限，TR-FS-CPL 不僅能提供手性發(fā)光的強(qiáng)度與偏振純度信息，還能反映材料內(nèi)部激發(fā)態(tài)弛豫的時(shí)間動(dòng)力學(xué)、不同能態(tài)（如配體中心態(tài)、金屬離子高激發(fā)態(tài)）的手性傳遞效率，以及線偏振誘導(dǎo)的 CPL 偽影與真實(shí)手性信號(hào)的區(qū)分邊界。

圖3. 標(biāo)準(zhǔn)非手性染料在低黏度與高黏度水溶液中的寬帶穩(wěn)態(tài)及時(shí)間分辨全斯托克斯向量光譜

更進(jìn)一步，若在時(shí)間分辨與全斯托克斯偏振的基礎(chǔ)上保留寬帶光譜覆蓋（400-900 nm），則可在由 “時(shí)間延遲（t）- 光子能量（E）- 偏振態(tài)（S?/S?/S?）” 組成的三維空間中繪制 glum 的全息化分布圖，即 glum (t,E,S?) 圖譜（n=1,2,3）。這類(lèi)圖譜允許研究人員同時(shí)追蹤發(fā)光的時(shí)間演化、能量色散行為與偏振態(tài)（含手性）的耦合特征，揭示不同激發(fā)態(tài)下手性活性的起源與動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。例如，在手性鑭系配合物 Eu [(+)-facam]? 中，TR-FS-CPL 可分辨納秒級(jí)配體中心（LC）態(tài)（13 ns 壽命，無(wú) CPL 活性）與?D?→?F?高激發(fā)態(tài)（130 ns 壽命，|glum|≈0.2）的手性差異，明確配體至金屬的手性傳遞需經(jīng)激發(fā)態(tài)能量轉(zhuǎn)移完成；在手性熱激活延遲熒光（TADF）染料（R/S-BPC） 中，可同步量化瞬態(tài)發(fā)光（23 ns，glum≈±1.8×10?³）與延遲發(fā)光（18 μs，glum 穩(wěn)定性一致）的手性動(dòng)態(tài)，證明延遲熒光過(guò)程不破壞分子手性；在非手性染料羅丹明 B 中，還能通過(guò) S?/S?線偏振組分的時(shí)間演化，追溯線偏振誘導(dǎo)的 CPL 偽影（S?）及其與分子旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)的關(guān)聯(lián)（10 ns 內(nèi) depolarize）。

此外，該方法還能用于驗(yàn)證理論計(jì)算中預(yù)測(cè)的激發(fā)態(tài)手性弛豫路徑，評(píng)估手性信號(hào)在 “配體 - 金屬”“瞬態(tài) - 延遲” 等不同能量通道與時(shí)間尺度下的傳遞效率，以及觀察短壽命激發(fā)態(tài)手性守恒、線偏振偽影動(dòng)態(tài)衰減等前沿現(xiàn)象。時(shí)間分辨全斯托克斯 CPL 研究不僅為手性發(fā)光材料的激發(fā)態(tài)機(jī)制提供了 “時(shí)間 - 能量 - 偏振 - 手性” 多維度表征手段，也為設(shè)計(jì)具有時(shí)間窗口選擇性、能量通道調(diào)控能力和低偽影高 glum 輸出的手性發(fā)光器件奠定了理論與技術(shù)基礎(chǔ)，尤其在圓偏振有機(jī)發(fā)光二極管（CP-OLED）、手性生物成像探針、量子信息領(lǐng)域的手性光子源等領(lǐng)域具有重要發(fā)展?jié)摿ΑＭㄟ^(guò)該技術(shù)，研究人員可精準(zhǔn)篩選高穩(wěn)定性手性發(fā)光材料（如 TADF 染料的 glum 時(shí)間穩(wěn)定性）、優(yōu)化激發(fā)態(tài)能量轉(zhuǎn)移路徑（如 Eu³+ 配合物的配體敏化效率），并為解決傳統(tǒng) CPL 測(cè)量中的偽影干擾問(wèn)題提供標(biāo)準(zhǔn)化表征方案，推動(dòng)手性光電子材料從基礎(chǔ)研究向?qū)嶋H應(yīng)用轉(zhuǎn)化。

（參考文獻(xiàn)：Reponen et al., Nature. 2025 Jul;643(8072):675-682.）