紫外可見雙路分光光度計系統(tǒng)研究

引言

紫外可見光譜區(qū)通常指190~780 nm的波長范圍,因為溶液中待測物分子中的價電子能夠選擇性地吸收紫外或可見光從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)形成紫外可見吸收光譜,從光源輻射出的光經(jīng)過波長選擇器成為單色光通過待測溶液時被具有一定特征吸收的化合物吸收,吸收大小與溶液中待測物濃度的關(guān)系符合朗伯-比爾定律;以溶液本身作參比用兩束不同波長的兩束單色光λ1、λ2(Δλ=1~2 nm)雙波長掃描快速交替通過檢測器后產(chǎn)生交流信號,計測軟件自動求得吸光度差值ΔA其與溶液濃度成正比而產(chǎn)生的定量光信號經(jīng)過光電探測器后轉(zhuǎn)化為較弱電信號經(jīng)過放大、A/D轉(zhuǎn)換直接輸出到PC上通過計測軟件對結(jié)果顯示與打印;本文采用一束光通過半反透鏡對雙路光電探測器輸出的數(shù)據(jù)信號同步采樣處理較好地抑制了溫漂和器件特性分布誤差,進而降低了系統(tǒng)噪聲;而直接片內(nèi)電流積分、電荷采樣有效地避免了各級放大電路的累計轉(zhuǎn)換誤差減少了模擬器件的數(shù)量充分發(fā)揮了現(xiàn)有數(shù)字集成電路和數(shù)字信號處理系統(tǒng)的優(yōu)勢,從而有效地提高了光度計系統(tǒng)的綜合性能指標。

1雙路結(jié)構(gòu)的光電檢測系統(tǒng)研究

當單色光通過待測溶液時,被溶液中具有一定特征吸收的化合物吸收,吸收大小與溶液中待測物濃度的關(guān)系符合朗伯-比爾定律:式中:A為吸光度;φ0為入射光通量;φtr為透射光通量;T為投射比,K為吸收系數(shù);b為光路長度;c為溶液中待測物濃度。當光路長度b與吸收系數(shù)K一定時,吸光度A與溶液中待測物濃度c成正比利用此定律可進行定量分析;分光光度計的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

分光光度計主要由光源、樣本區(qū)、單色器(色散)、信號光電探測器、信號處理、LED顯示、計測軟件等部分構(gòu)成[1 ];而本文的雙光路結(jié)構(gòu)的光電檢測系統(tǒng)如圖2所示。

如圖2所示的單色光經(jīng)過半反透鏡1分光,透射光為信號光通過樣品池2后由信號光電探測器3接收,反射光直接由參考光電探測器4接收;雙通道電荷采樣器5的兩個信號輸入通道分別接信號光電探測器3和參考光電探測器4的電流信號輸出端,直接采集光電探測器3、4的輸出光電流,積分轉(zhuǎn)換為電荷信號進行A/D采樣;信號光電探測器3和雙通道電荷采樣器5的安裝在同一塊采樣電路主板,兩者距離應(yīng)盡量小可減少電荷傳輸過程中的電磁干擾。由于結(jié)構(gòu)原因參考光電探測器4的輸出管腳無法直接接入雙通道電荷采樣器5所在的電路主板,采用低漏電同軸電纜8連接。同步信號發(fā)生器6提供雙通道電荷采樣器5運行所需的不同時序[2 ];控制器7提供雙通道電荷采樣器5和同步信號發(fā)生器6運行所需信號控制整個系統(tǒng)運行,電路主板通過電纜與控制器相連,調(diào)零、對數(shù)轉(zhuǎn)換等功能均在控制器內(nèi)完成。

2雙路分光光度計電路系統(tǒng)的實現(xiàn)

光信號經(jīng)過光電探測器后轉(zhuǎn)化為電信號,此時的電信號較弱[3 ]經(jīng)過放大、A/D轉(zhuǎn)換、信號處理并通過接口部分直接輸出到PC,對結(jié)果顯示以及打印全部通過相關(guān)計測軟件完成;而本文雙光路分光光度計信號處理硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

由于從光電探測器輸出的電流信號很弱為nA數(shù)量級,內(nèi)部積分電路使得該信號放大到與A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程相對應(yīng)的量級,這里為提高測量精度而選擇20位高精度的A/D轉(zhuǎn)換器[4];由光電探測器產(chǎn)生的電信號經(jīng)過積分和A/D轉(zhuǎn)換后進入到MCU, MCU選擇對數(shù)據(jù)進行處理后將信號傳給PC由運行的計測軟件對所得信號進行處理;PC與單片機之間在傳輸速率要求不高的情況下通過配置的RS232標準串行接口相連接來實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)與PC之間的數(shù)據(jù)交換;鑒于單片機的輸入、輸出電平為TTL電平與PC RS232標準串行接口的電氣規(guī)范不一致[5],要實現(xiàn)單片機與PC之間的數(shù)據(jù)通讀必須進行電平轉(zhuǎn)換;由于雙路RS232收發(fā)器MAX232只需要±5 V電源因此這里選擇MAX232作為電平轉(zhuǎn)換器件如圖4所示。

軟件處理部分包括系統(tǒng)的初始化及自診斷、電機驅(qū)動、數(shù)據(jù)采集、液晶顯示與打印輸出部分如圖5所示[6]。

在開機上電后系統(tǒng)本身要將系統(tǒng)中所有的命令以及有關(guān)的存儲單元設(shè)置為初始狀態(tài)并完成系統(tǒng)的自診斷,當有故障發(fā)生時給出報警并在PC上給出錯誤信息;步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的執(zhí)行元件,其特征是輸入一電脈沖就轉(zhuǎn)動一步,轉(zhuǎn)子的角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及其頻率成正比且在時間上與輸入脈沖同步,計測軟件根據(jù)用戶要求及位置信號通過驅(qū)動程序?qū)Σ竭M電機發(fā)出控制指令,輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電機繞組通電相序并通過RS232傳輸給下位單片機即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向并驅(qū)動電動機實現(xiàn)對光學或機械部件到達位置的自動控制;而數(shù)據(jù)采集包括A/D驅(qū)動、通信及其存儲部分,在完成數(shù)據(jù)處理后用戶將通過系統(tǒng)接口與打印機連接輸出測量的結(jié)果。

3系統(tǒng)的相關(guān)性能指標比較

表1所示為雙路同步采樣紫外分光光度計與常見雙波長掃描紫外分光光度計的相關(guān)性能指標對比,從表1可以得出本系統(tǒng)主要性能指標明顯優(yōu)于常見雙波長掃描紫外分光光度計指標;這里雜光度是指在紫外區(qū)測定220 nm(NaI)或340 nm(NaNO3)處的透過率%T、在可見光區(qū)用384 mg/L的KMnO4測定525 nm處的透過率%T[7];光度準確度采用重鉻酸鉀的0.005 mol/L H2SO4溶液進行檢查;系統(tǒng)的穩(wěn)定性采用在時間掃描方式下光度計預熱2 h、在500 nm波長處連續(xù)測量1 h由所記錄的吸光度-時間光譜圖曲線的峰-峰值測定;光度噪聲采用時間掃描方式下在500 nm波長處連續(xù)測量120 s,由所記錄的吸光度-時間光譜圖量出峰-峰值測定即為噪聲,改變響應(yīng)時間可改善信噪比;鑒于采用對雙路光電探測器輸出的數(shù)據(jù)信號同時采集的處理結(jié)構(gòu)較好地抑制了溫漂和器件特性分布誤差進而降低了系統(tǒng)噪聲,而直接片內(nèi)電流積分、電荷采樣有效地避免了各級放大電路的累計轉(zhuǎn)換誤差,充分發(fā)揮了數(shù)字控制優(yōu)勢從而有效地提高了光度計系統(tǒng)的綜合性能指標。

4結(jié)論

盡管紫外可見分光光度計理論框架已建立,但是目前大部分分光系統(tǒng)基本上都采用兩束單色光λ1、λ2(Δλ=1~2 nm)雙波長掃描形式分為獨立的光電探測器和放大電路[8]從而對放大電路的增益、噪聲、溫漂、輸入輸出阻抗都有嚴格的要求,由于元件本身的離散性多級轉(zhuǎn)換會造成較大的誤差從而導致電路的設(shè)計和調(diào)試較為復雜;本文采用對光電探測器輸出信號同步采集的雙路分光結(jié)構(gòu)較好地抑制了溫漂和器件特性分布誤差進而降低了系統(tǒng)噪聲而直接片內(nèi)電流積分、電荷采樣有效地避免了各級放大電路的累計轉(zhuǎn)換誤差同時去掉中間放大環(huán)節(jié)減少干擾;調(diào)零、減法運算、對數(shù)轉(zhuǎn)換等功能均在數(shù)字信號處理控制器內(nèi)完成;隨著分光技術(shù)、檢測技術(shù)、微處理器DSP技術(shù)的廣泛應(yīng)用,在追求準確、快速、可靠的基礎(chǔ)上分光光度計的性能指標向智能化、在線化、高速化和小型化方向上不斷發(fā)展提高。

摘自：中國計量測控網(wǎng)