（机械电子工程专业论文）分光光度计分析仪器设计.pdf

摘要 摘要 随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统技术广泛应用于工业控制、 信息家电、交通管理、农业、商业、服务业等各行业，己成为现代电子产品设计的 一大领域和方向同时在计算机领域里面，微型化和专业化成为了发展的新趋势， 同样也需要嵌入式系统的支持。因此，研究嵌入式系统有着相当重要的理论和实际 意义。 课题采用光机电一体化技术、嵌入式技术及人工智能技术，设计了嵌入式双光 束智能分光光度计系统，该系统具有功能丰富、人机交互界面友好、操作方便、稳定 性好等优点。 论文介绍了双光束分光光度计的工作原理及结构组成。重点研究了单片机 c 8 0 5 1 f 0 2 0 内部硬件结构，并设计出下位机硬件及软件，具体包括r s 2 3 2 通信模块、 步进电机驱动控制模块、信号采集模块。软件采用模块化设计，结构层次分明，便 于修改和扩展。上位机和下位机8 0 5 l f 0 2 0 作为硬件控制核心，采用了主从分布式数 据采集控制系统，实现了两者之间的串行通信、测量过程的自动控制及测量过程中 光电信号的采集与处理。 上位机操作系统采用w i n d o w sc e ，它具有可裁减、高效的多任务调度等优点， 以e m b e d d e dv i s u a lc + + 为开发平台，采用面向对象的模块化设计方法开发了上位 机软件，该软件具有强大的数据分析处理功能，较高的实时性和一定的智能性，明 显提高了传统仪器的数字化、智能化、集成化、自动化和网络化水平，为研制光机电 一体化测试分析仪器提供了相关共性关键技术。 关键词：分光光度计；嵌入式系统；c 8 0 5 l f 0 2 0 单片机；串行通信 a b s t “i d a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o 衄a t i o n ，i n t e l l 噜e n c ca n dn 咖o r l 【，e m b e d d e ds y s t c m t c c l l i l o l o g yi sw i d e l y 璐e di na l lk i i l d so fi i l d l i s t r y ，f o re x 砌p l c ，i n d u s t i yc o n t r o l ，t m f i c m 柚a g c ，a 鲥c i l l t u r c ，c 0 姗e r c c ，锄dh 猫b e e nab i gf i c l d 柚dd i 陀c t i o no fd e s i 印i n m o d e me l e c t r o n i cp r o d u c t s a tt h es 锄et i m e ，鹤m i n i a t u r i z a t i 卸ds p c c i a l i z a t i o nh 硒 b c m en e wt f e n di i lc o m p u t c rf i e i d t h es u p p o no fe m b c d d c d 慨i l i l o l o g yi sa l n e e d e d i nt h i sf i e l d s os t u d y i n ge m b c d d c ds y s t c mt e c h n o l o g yh 勰i l i l p o ns e n s eo ft h c o r y d p m c t i c c an e w 锄b e d d e dd o u b l eb 锄缸e l l i g c n ts p c d m p h 咖c t 盱f 咐a 他s y s t c mi s d e s i g n c d tw 油o p t o - m e c h a t 删璐，锄b c d d e dt 。d l i i i q u e 柚da n i 右d a li n t e l l i g c n t t c c h n i q u e t h es y s t e mh 鹞a d v a n t a g e so fp l e n t yo ff i l n c t i o i l s 衔e n d l ym 锄一m a c h i n e i i i t e 渤c e ，e 觞yu s e ，p e r f b 彻卸c cs t a b i l i z a t i 伽，e t c 一 1 1 l i s p a p c r i n t r o d u c e st h c p r i n c i p l e 柚d c o m p o n e n t o f d o u b l eb c 锄 s p e c t r o p h o t o m e t c r e s p e c i a l l ys t l i d i e st h ei n t c m a lh a r d w a r c 髓m c t l l f c0 fs i n 百ec h i p m i c y o c 0c 8 0 5 l f 0 2 0 ，柚dd e s i g n st h eh a r d w a r c 姐ds o f t 、mo f l o w e r m p u t e f ， i n c l u d i n gt h er s 2 3 2c o m m u n i c a t i m o d u i e ，t h ed r i v cm o d u l c0 fs t c pm o t o f 彻dt h e m o d u l co fd a t aa c q u i s i t i 彻t h e f 啊盯ea d o p t sm o d u l cd 鼯i g n ，w h i c hi sd e 盯咖 s t f u d u r ca m n g e m e n ta n de 鹤yt ob cm o d i f i e d 柚de x t d e d n e8 0 5 l c f 0 2 0 柚d s u p e i s o r yc o m p u t e r a 佗 h a r d w a ”o o n t r o lc e n t e f w l l i c h a d o p t柚 m e t h o do f m a s t e r - s l a v ed a t aa c q u i s i t i o n t 1 l e 辩r i a ic o m m u n i c a t i o nh 鹤b 嘲r c a i i z e db e t w c c nt l l e s u p e r v i r yc o m p u t c r 柚dt h e8 0 5 1 c f 0 2 0 n ea u t o m a t i c n t m l 卸dt h ea c q u i s i t i 彻 p r o o e 鹞i n go fp h o t os i g n a li nt h ec o u r s eo fm e 硒u r e m e n th a v eb e 蚰c o m p l e t e d t h eo p e f a t i s y s t e mo ft l i e s u p e r v i r yc o m p u t c ra d o p bw i n d o w sc ew h i c h p o s s e s s e sa d v a n t a g eo fr e d u c t i o na n de f f i c i e n tt a s kd i s p a t c h ，e t c a n o b j e c t 捌e mm o d u l a rs o f t w a r cs y s t e mi sd e v e l o p c du n d e re m b e d d e d s u a lc + + e n v i m n m e n t t h es y s t e mh 勰s t m n gd a 协a n a l y z i n g 锄dp r o c e s s j n g f l l n c t i o i l s ，h i g h f c a l t i m ep e r f b 册a i l c ea i l dc e n a i l ll e v e lo fi n t e l l i g e n c c no b v i o u s l yi m p r o v e st h el c v e lo f d i 西t i z a t i o n ，i n t e l l i g e n c e ，i n t e g 翰t i 蛐，绷t o m a t i o n 柚dn e 柳o r kt h 卸仃a d i t i o n a li n s t m m e m a n di tc a np m v i d er e l a t i v ec 伽m m 彻k e yt e c h n i q u ef 叫t h cd c v c l o p m e n to fe m b e d d c d o p t o m e c h a t m n i c st e s ta n d 卸a l ”i ci n s t m m e n ts y s t e m k e yw o r d s ：s p c c t r 叩h o t o m e t e r e l l l b e d d e ds y s t c m ，s i n 酉ec h i pm i c y o c oc 8 0 5 1 f 0 2 0 ， s e r i a l ( = 0 蛐u n i c a t i o n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，同 意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保 存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保 存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务； 学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不 以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：彭j 影k 一捌兰三! 塑曼 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：彰j 愀 加7 年多月扣日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 我国分析仪器发展现状 分析仪器在工农业生产、科学研究、国家安全、人民生活等领域中起着重要作 用，它的产值在工业总产值中所占的比重虽然很小，但其发展对国民经济的影响却 很大，因此各个国家对分析仪器的发展也给予了充分重视。 我国在新中国成立初期，对分析仪器的发展也给予了充分的重视1 1 j ，在第一个 五年计划启动的1 5 6 项重大建设项目中即列入了分析仪器厂的建设。改革开放后， 由于市场经济的冲击( 主要是国外仪器的涌入) 和国家经济体制的束缚，我国科学 仪器的发展经历了一个低潮期，许多大型分析仪器厂入不敷出、难以为继，分析仪 器产业曾经一度明显萎缩。在2 0 世纪9 0 年代初期，包括分析仪器在内的科学仪器， 国产化率只有1 3 。但是，随着国有经济体制改革的深入和人们对于发展科学仪器 重要性认识的提高及民营企业的崛起，加上整个经济发展加速所起的带动作用和国 家从“九五“开始把”科学仪器的研制和开发“列入了国家重大科技攻关项目，并 逐级增加投入；国家自然科学基金委员会也设立了科学仪器专项，情况终于有了好 转。一些濒l 临破产的国有分析仪器厂，通过改组、改制，走出了低谷。随着改革开 放崛起的民营分析仪器企业显示很大的活力，其产品都己得到国内用户的认可，并 有部分产品进入国际市场，他们中有部分企业直接参与了国家“九五”和”十五“科 学仪器攻关项目，为提高我国分析仪器水平做出了贡献。通过我国分析仪器企业和 分析仪器科研工作者的共同努力，“九五”结束时，以分析仪器为核心的科学仪器的 国产化率达到了3 0 ，分析仪器的研究开发和产业的发展才逐渐走出了低谷，进入 快速发展阶段。在很短时问内，部分量大面广的分析仪器性能指标己基本达到国外 同类产品水平，部分分析仪器( 如紫外可见分光光度计，气相色谱仪) 开始跨出 国门，参与国际市场竞争。 1 2 分析仪器未来发展趋势 汪尔康院士在展望2 l 世纪分析化学时指出，分析仪器的发展历史与分析化学的发展 紧密相关，可概括为2 0 世纪5 0 年代仪器化，6 0 年代电子化，7 0 年代计算机化，8 0 年代智能化，9 0 年代信息化，而2 1 世纪必将是仿生化和进一步信息智能化，2 1 世 纪分析化学的发展方向是高灵敏度( 达原子级、分子级级水平) 、高选择性、快速、 自动、简便、经济。对分析仪器而言，与此发展方向相应的一方面是要降低分析仪 器的信噪比，这也就是要提高分析仪器的灵敏度、降低其最低检出限：另一方面是各 类分析仪器的联用，特别是分离仪器和检测仪器的联用，如色谱仪器( 气相色谱仪、 第一章绪论 液相色谱仪等) 和各种分析仪器( 质谱、核磁共振波谱等) 的联用，使前者的分离 功能与后者的识别功能很好地结合起来，实现快速、自动、简便、经济地对复杂体 系进行分析。 当前的分析仪器多数是离线分析，所得结果多数是静态的，非直接现场的数据， 不能直接、及时、准确地反映生产过程和生命及其环境中的动态变化。为了能在现 场及时给出被分析物在动态变化过程中每一瞬间的组成和结构，就要在现场有分析 仪器的基础上研制开发出有效而实用、实时和高灵敏度、高选择性的新型现场、在 线分析和无损检测仪器，这是分析仪器2 l 世纪发展的主流。1 总之，分析仪器发展的一个趋势是提高分析仪器原灵敏度和选择性，使分析仪 器向微型化、智能化、网络化、专用化方向发展，另一个趋势是研制开发现场的、 实时在线的分析仪器o ，。 1 3 紫外可见分光光度计现状与发展 美国b e a c k 帆n 公司于1 9 4 5 年推出世界上第一台成熟的紫外可见分光光度计商 品仪器。从此，紫外可见分光光度计仪器和应用开始得到飞速发展。 早期的紫外可见分光光度计是单光束仪器，都只有一条光路( 一束光) 、一个比 色皿、一个光检测器，如图1 1 所示。 比色皿 光电管( 或光电池) 放大器 y 却一 一陟旬 图1 1 单光束紫外可见分光光度计 单光束紫外可见分光光度计操作比较麻烦，光源波动、杂散光都不能抵消，因此， 测量误差较大。但其最大的优点是成本低。随着科学技术的发展，紫外可见分光光 度计由单光束向准双光束发展，出现了两束光、个比色皿、两个光检测器的准双 光束紫外可见分光光度计，如图1 - 2 所示。 比色皿 光电管三蝥电池放大器 一o 一卜 2 第一章绪论 图1 2 两束单色光的准双光束紫外可见分光光度计 准双光束仪器的参比光束除起参比作用外，还可以起抵消光源波动影响的作用，它 比单光束仪器在分析误差上要小一些。但其成本稍贵。再往后，出现了双光束紫外 可见分光光度计，双光束紫外可见分光光度计就是有两束单色光的紫外可见分光光 度计。它有两种类型：一种是两束单色光，两只比色皿，两只光电转换器，如图1 3 所示。 比色皿 光电管( 或光电池) 放大器 f 一 卜 图1 3 两束单色光，两只比色皿，两只光电转换器的双光束紫外可见分光光度计 使用两只光电转换器的双光束紫外可见分光光度计，光源波动、杂散光、电噪声的 影响都能抵消，所以定点测量时，光度准确度好，但结构较复杂、价格较贵。同时， 因光电转换器的光谱响应特性不可能完全配对，所以，光谱扫描时测量误差很大。 另一种是两束单色光，两只比色皿，一只光电转换器。如图1 4 所示。 比色皿 。一 光电管( 或光电池) 放大器 图1 4 两束单色光，两只比色皿，一只光电转换器的双光束紫外可见分光光度计 由于这种分光光度计杂散光、光度噪声都很小，所以获得了广泛的应用。 从仪器使用的元器件来讲，早期的紫外可见分光光度计大多采用棱镜分光。2 0 世纪5 0 年代开始，随着分光元件光栅的发展，再加上它的价格相对便宜，所以国外 有人用光栅分光，出现了光栅型的紫外可见分光光度计。目前，国内外一般的紫外 可见分光光度计都用光栅分光，只有极少数紫外可见分光光度计才专用棱镜分光。 但是，目前，国际上有很多高档的紫外可见分光光度计使用棱镜加光栅分光。一般 是利用石英棱镜在紫外区的大线色散特性，将石英棱镜单色器作为前置分光部件， 这样可大大提高紫外可见分光光度计仪器的质量“】。 目前，紫外可见分光光度计正在向高速、微量、小型和低杂散光、低噪声的方 向发展，操作起来也越来越方便，应用领域也在不断扩大，广泛应用于环境保护、 临床、医药卫生、纺织、石油化工、食品等行业和教学科研部门，是理化实验室常 3 第一章绪论 用的分析仪器之一 4 第二章紫外一可见分光光度计理论基础及组成 第二章紫外一可见分光光度计理论基础及组成 2 1 理论基础 一切物质会呈现特征的颜色，这是由于它们对可见光中某些特定波长的光线选 择吸收的缘故。实际上，一切物质都会对可见光和不可见光中的某些波长的光线进 行吸收。但是，一切光线并不都是以相同的程度被物质吸收的。物质对不同波长的 光线表现不同的吸收能力，叫做选择性吸收。物质只能有选择地吸收那些能量相当 于该分子振动能变化、转动能变化以及电子能量变化总和的辐射。各物质分子的能 级是千差万别的，因此，它们内部各种能级之间的间隔也是不同的。所以，各种物 质对于光线的选择吸收这一性质，反映了它们分子内部结构差异，即各种物质的内 部结构决定了它们对不同光线的选择吸收。因此，研究各种物质的吸收光谱，可以 为研究它们的内部结构提供了重要的信息。 1 8 世纪初期，朗伯在前人的基础上，进一步研究了物质对光的吸收与物质厚 度的关系，并指出：如果溶液的浓度一定，则光对物质的吸收程度与它通过的溶液 厚度成正比，这就是朗伯定律。1 9 世纪中期，比耳研究了各种无机盐的水溶液对红 光的吸收后指出：光的吸收和光所遇到的吸光物质的数量有关；如果吸光物质溶于 不吸光的溶剂中，则吸光度和吸光物质的浓度成正比。即当单色光通过液层厚度一 定的有色溶液时，溶液的吸光度与溶液的浓度成正比，这就是比耳定律，将朗伯定 律和比耳定律合半，则为朗伯一比耳定律( 【丑m b e n b e r r ) 。紫外一可见分光光度计 就是根据朗伯一比耳定律，利用物质对光的选择性吸收现象测量被测物质在特定波 长处的吸光度，再根据吸光度计算被测组分的含量或根据峰谷值进行定性分析。 2 1 1 紫外可见吸收光谱的形成 原子或分子中的电子，总是处在某一种运动状态之中。每一种状态都具有一定的 能量，属于一定的能级。这些电子由于各种原因，如光、热、电等的激发，放出光 或放出热，而从一个能级转移到另一个能级，称之为跃迁。当这些电子吸收了外来 辐射的能量后，就会从能量较低的能级迁到另一个能量较高的能级。因此，每一跃 迁都对应着吸收一定的能量( 一定波长) 的辐射。谱线的频率( v ) 或波长( 入) 与跃 迁前后两个能量差e = e 2 一e 之间的关系服从普朗克条件，即 a e 。e ：一e 。 v 。尝! ( 2 一1 ) 式中e 一辐射的光子能量，j 5 5 第二章紫外一可见分光光度计理论基础及组成 h 一普朗克常数，6 6 3 1 0 “j s ； v 一辐射的频率，h z ； c 一光速，3 1o b m s ： 一波长，m ； 物质的分子吸收光谱形成的机理，就是由于能级之自j 的跃迁所引起的。因为分子 内部运动所涉及到的能级变化比较复杂，所以，分子的吸收光谱也比较复杂。一个 分子的总能量e 可以认为是内在能量e o 、平动能e + 、振动能e * 、转动能e # 以及电 子运动能量e m ，的总和，即 e = e o + e 平+ e 鼻+ e 转+ e 。b 子 ( 2 2 ) 其中，e o 是固有的内能，不随运动而改变；e + 是连续变化的，不会量子化。因 此，它们的改变，不会产生光谱。所以，一个分子吸收外来辐射之后，它的能量变 化ae 为其振动能变化e - 、转动能变化e 转以及电子运动能量变化et t 的总和，即 e = e 童+ e 转+ e 电子 在式( 2 3 ) 的右边三项中，e 自f 最大， 则据式( 2 一1 ) 可得到相应波长 ( 2 3 ) 一般在l 1 0 e v 之间。现设em f 为5 e v ， a 。上堡业生生粤型业| 2 4 9 1 0 。册。2 4 咖 一j 小 e 碧子5 x 1 6 1 0 e ，g 由此可知，由于分子内部电子能级的变化而产生的光谱在紫外区或可见区内。分 子的振动能级间隔e # 大约比em f 小十倍，一般在o 0 5 i o e v 之间。设e 转为 o 1 e v ，则为5 e v 的电子能级间隔的2 。当发生电子能级之间的跃迁时，不可避免 的要发生振动之间的跃迁，困此，得到的不只是一条波长为2 4 9 姗的谱线，而是一 系列谱线，其波长间隔为2 4 9 姗2 = 4 9 8 n l l i 。 分子的转动能级间隔e 特大约比e # 小十倍或百倍，一般小于0 0 5 e v ，也可以 小到1 0 e v 以下设e # 为o 1 e v ，则为5 e v 的电子能级白j 隔o 1 。当发生电子能级 之间的跃迁和振动能级之间的跃迁时，也不可避免的要发生转动能级之间的跃迁。 因此，得到的谱线彼此间的波长问隔只有2 4 9 n l i l o 1 = o 2 4 9 舢由于彼此间的波长 间隔太小，因此它们就连在一起，呈现带状，称为带状光谱。 原子、分子或离子具有不连续的、数目有限的量子化能级，只能吸收与两个能 级之差相同或为其整数倍的能量旧，正如式( 2 1 ) 所描述的。 2 1 2 光的吸收定律 光的吸收定律即朗伯一比耳定律，它是应用吸收光谱进行物质的定量分析的理 6 第二章紫外一可见分光光度计理论基础及组成 论依据。当一束平行的单色光垂直照射到一定浓度的均匀透明溶液时如图2 1 所示。 图2 1 单色光透过盛有溶液的吸收池 入射光被溶液吸收的程度与溶液厚度的关系为： l g 竺。砌 。五 ( 2 4 ) 式中，o 为入射光强度； 为通过溶液后的透射光强度；七为比例常数，它与 入射光波长及物质吸收性质有关；c 为均匀物质的浓度；，为光程长度。这就是朗 伯一比耳定律，它表明了物质对光的吸收程度与光程长度和浓度之间的数量关系。 在实用中，朗伯一比耳定律常写成 一。t ( 1 f 。l ! 口r ( 2 5 ) 式中4 噘光度； r 透射比或透射率； 七吸收系数。 吸收定律中吸收系数七表征物质在单位浓度和单位光程长度时的吸光度，即表 征该物质吸光能力的大小。浓度不同时，吸收峰的波长位置、各吸收峰的相对高度 比例关系都不会变化，只是吸收峰的绝对高度随浓度而改变。因此，同种物质的吸 收光谱曲线形状是相同的。 由式( 2 _ 5 ) 可见，吸光度4 与浓度c 成正比关系。吸光度4 具有相加性，即在 含有两种或多种吸收物质的混合物中，在某一波长处的总吸光度，等于其中各组分 各自在该波长处吸光度的算术和，如式( 2 6 ) 所示。吸光度具有加和性是对多元混 合物进行分光光度定量分析的基础“。 彳；x 觑甜 钉 ( 2 6 ) 透射比与浓度不是线性关系。但在说明物质的透明状况时，透射比t 则是更为 直观的数据，因此在实际工作中经常用到它。 从理论上讲，吸光度与溶液浓度成线性关系，截距为零，斜率为k l 的一条通过 7 第二章紫外一可见分光光度计理论基础及组成 原点的直线，然而实际上吸光度与浓度之间并非保持良好线性关系，也就产生了对 i 贩收定律的偏离。 引起偏离吸收定律的原因主要有下面几方面： ( 一) 非单色光 朗伯一比耳定律只适用于单色光，但在实际工作中并非如此，绝对不可能从光 学分析仪器上得到真正的单色光，只能是得到波长范围很窄的光谱带。因此，进入 被测试样的光仍为在一定波段内的复合光。由于物质对不同波长的光具有不同的吸 光度，故在实际工作中即使使用很高级的分光光度计、采用很窄的光谱带宽，即用 波段很窄的复合光照射样品，仍然会产生朗伯一比耳定律偏离。 假设入射光的光谱带宽 的波长范围为九。 ：，b 为光程。 对 ，设其吸光度为a l ， ， 则4 一i g 堕- 1 6 c ，推出，l 一，0 1 1 0 棚； j 1 对 ：，设其吸光度为a 2 ， ， 则4 一l g 二笋一2 6 c ，推出，2 一，d 2 1 0 一。” 2 但实际测定时，入射光强度为i 。+ i 。，透射光强度为i 。+ i 。，因此，吸光度值 为a = l g ( ( i 。+ i 。) ( i + i ：) ) ，若设 毛薯s 2 埔f 贝一一d ，c( 2 7 ) 此时，a 与c 成线性关系。但实际上，f 是有有色物质与波长有关的特征常数， 对同一有色物质而言，在其它条件一定时，不同波长有不同的e 值，故 不可能完 全与“相等。因此，对非单一波长的入射光，a 与c 不可能真正成线性关系，因而 产生了朗伯一比耳定律偏离“1 ( 二) 杂散光 杂散光是紫外可见分光光度计的主要分析误差来源。杂散光产生的原因很多， 最主要的是光栅、外光路和单色器内壁散射等原因产生杂散光。仪器的杂散光8 0 9 6 来自光栅，它使分析测试的吸光度变小，特别在高浓度时，杂散光的影响会更加严 重，以引起吸光度定律的偏离。同时，由于物质在某些介质中分散为许多微小的粒 子，这些粒子会对入射光产生散射。并且，随着粒子浓度的增大，这些散射光的强 度会增强，会降低透射光强度，使被测试样的吸光度增大，从而引起定律的偏离。 ( 三) 噪声 噪声会直接影响紫外可见分光光度计的信噪比，降低仪器的灵敏度，噪声限制 8 第二章紫外一可见分光光度计理论堆础及组成 紫外可见分光光度计仪器对样品分析浓度的下限。噪声主要来自仪器的电子学系统， ! ( f | 果仪器的正噪声大，会使测定低浓度样品的吸光度增大，如果仪器的负噪声大， 就会使测定低浓度样品的吸光度值减小，从而使测定值偏离朗伯一比耳定律。 ( 四) 化学因素 化学分析中绝大多数是基于被测定成分与试剂之间的反应，从而得到一定的反 应产物。这个产物不一定很稳定，有时还会继续产生化学反应、溶剂效应，有时试 剂中还有杂质等的干扰，这些都会引起朗伯一比耳定律偏离。 ( 五) 其它因素 除上述困素外，分析测试时的温度也可引起定律的偏离，比如压力、光学传感 器的非线等，了可引起朗伯一比耳定律偏离。 因此在进行精确分光光度定量测试中，必须注意正确配置试样、选择适当的分析方法及测 量仪器，才能保证朗伯比耳定律的准确性。 2 2 紫外一可见分光光度计结构组成 紫外一可见分光光度计的光学系统主要包括光源、单色器、样品池、探测器、 放大线路及结果显示等六大部件，其结构原理框图如图2 2 所示鲫： 卧固一匾运卜匾亟卜匝塑习一臣至至固 藜燃僦光撩列燧簇漱 图2 2 紫外一可见分光光度计结构框图 由光源发出的光，经单色器获得一定波长的单色光照射到样品溶液，被吸收后， 经检测器将光强度变化转变为电信号变化，并经信号处理系统调制放大后，计算出 吸光度a ( 或透射比t ) ，并进行各种计算分析，显示、打印出结果，完成测定。仪 器各组成部分的作用与要求如下： 1 光源的作用是供给符合要求的入射光。分光光度计对光源的要求是：在使 用波长范围内提供连续的光谱，光强足够大，有良好的稳定性，使用寿命长。目前 使用的光源主要有氢灯、汞灯、氘灯及钨灯。 2 单色器的作用是把光源发出的连续光谱分解成单色光，并能准确方便地“取 出”所需要的某一波长的光，它是分光光度计的心脏部分。单色器主要由狭缝、色 散元件和透镜系统组成。其中色散元件是关键部件，通常采用的是棱镜、平面光栅、 凹面光栅、全息光栅等与滤色片组合，它们能将连续光谱色散成单色光。狭缝和透 镜系统主要是用来控制光的方向，调节光的强度和“取出”所需要的单色光；狭缝 对单色器的分辨率起重要作用，它对单色光的纯度在一定范围内起着调节作用。为 q 第二章紫外一可见分光光度计理论基础及组成 了实现单色光的连续可调，一般采用步进电机带动丝杆，或采用高倍细分的电机直 绥驱动单色器，如正弦机构、余弦机构等。图2 3 所示为一正弦机构”1 。 。 t 一二一一。 t f。 。? ， “ l f # ，雌；l ? 圆 圈2 - 3 正弦枧构图 3 样品吸收池又叫比色皿，是用于盛放待测液和决定透光液层厚度( 光程长 度) 的器件。样品池一般为长方形，其底及一对侧面为毛玻璃，另一对侧面为光学 透光面。根据朗伯一比耳定率，一般测量都采用对比测量方法，因此吸收池有参考 样品池和待测样品池。为了实现大量样品测量，可以使用多样品池架，通过步进电 机驱动实现自动切换。 4 探测器又称接收器，其作用是对透过吸收池的光作出响应，并把它转变成 电信号输出，其输出大小与透过光的强度成正比。常用的探测器有光电池、光电管 及光电倍增管及光电二极管阵列等，它们都是基于光电效应原理制成的。作为探测 器，对光电转换器的要求是：光电转换有恒定的函数关系，响应灵敏度高、速度快， 噪音低、稳定性高，产生的电信号易于检测放大等。 5 信号处理系统，用于对检测器产生的电信号进行放大处理后，再进行数据 转换、以一定的方式提供给用户，如给出透射比值或吸光度值等。 6 结果输出，以前的仪器大部分使用电流表、记录笔及数码管等显示记录结 果，随着微电子与计算机技术的发展，目i j f 仪器大部分使用显示器显示并可连接打 印机打印出 1 0 第三章紫外可见分光光度计整体设计 第三章紫外可见分光光度计整体设计 系统采用模块化设计，配合单片机、实现整机的微小化，具有高性能、高可靠、 高稳定等优点，便于改进提高和仪器的升级换代，有利于产品的产业化的发展，并 为通用光谱仪仪器的研制打下基础。 系统设计的目标是，基于i t 技术的光机电一体化科学仪器系统的数字化智能化 仪器技术、测控技术、嵌入式系统技术及数字信号处理技术，开发出双光束、采用电 位平衡法具有高精度、高稳定性、高可靠性并具有强大的软件功能的光栅分光光度 计系统，并开发新型样机。 纵观当前科研领域及新兴产业对仪器均提出了更高的要求，如：更高的精确度、 更高的稳定性、更高的可靠性、更低的杂散光、更低的噪声、更低的漂移，主要性 能均需提高；为适应大分析量要求，控制应具有很高程度的自动化；仪器应举有强 大的分析处理功能，如图谱处理以及多组分和定量分析等；为适应管理、数据交换、 数据更高级处理、保存报告、联网等要求，仪器必须具备良好的通讯功能和外部可控 功能；仪器应具有较高的智能化，如故障自诊断，自校准，自校正以及专家分析系 统。 3 1 仪器达到的技术指标 紫外可见分光光度计技术指标有很多，大多数集中在光学部分，光学部分是最 难设计但同是也是最重要的，涉及到机械传动机构。光学部分技术指标的优劣关系 整机的好坏，光学技术指标有： ( 1 ) 波长范围：2 0 0 9 0 0 n m 。 紫外可见分光光度计一般用氘灯和钨灯作为光源，通过电机来切换这两种光源。 氘灯提供紫外波段的光源，它发出的光的波长范围一般为1 9 0 4 0 0 硼，为连续光谱： 钨灯提供可见区使用的光源，其发出光的波长的范围为3 3 0 到近红外，它也为连续 光谱。通过交替使用氘灯与钨灯就能保证光源发的光波长范围在2 0 0 9 0 0 啪之间。 ( 2 ) 波长准确度： o 1 n m 。 是指波长的实际测定值与理想值的差。 ( 3 ) 波长重复性：o 2 n m 。 ( 4 ) 杂散光： 0 3 ( t ) ( n a l2 2 0 n m ) 。 ( 5 ) 光度准确度：吸光度在0 5 l a 时，光度准确度为0 0 0 8 a ， 国际上对紫外可见分光光度计光度准确度的表示方法方要有两种：一种是吸光 度准确度( a b s o r b a n c e a c c u r a c y ) 或吸光度误差( a b s o r b a n c ee r r o r ) ，用a ( 或 1 1 第三章紫外可见分光光度计整体设计 a ) 表示；另一种是透射比准确度( t r a n s m i t t a n c ea c c u r a c y ) 或透射比误差，用 t ( 或a t ) 表示，透射比准确度与光度准确度是两个概念，表达的是同一种意思， 朗伯一比耳定律：a - 一l g t ( a 为吸光度，t 为透射比) 指出二者之间的换算关系。 光度准确度与光谱带宽、光度重复性、波长准确度有密切的关系。1 。 a o w e n 在1 9 8 8 年指出：吸光度测量的准确度，很大取决于仪器的光谱带宽与试样的自然带 宽的比率( 自然带宽定义为最大吸收值的l 2 处的吸收谱带宽度) ，在同一条件下， 光谱带宽小，则光度准确度高；波长重复好、波长准确度高，则光度准确度也高。 ( 6 ) 光度噪声：o 0 0 5 a ； ( 7 ) 基线平直度：o 0 0 4 a 。 ( 8 ) 扫描速率：1 0 0 2 0 0 0 n m m i n ； ( 9 ) 分辩率：o 1 n m ； 3 2 应用软件功能 ( 1 ) 仪器开机自检、故障自诊断、光源自动切换、滤光片自动切换、样品池自动 控制、自动调零、自动调1 0 0 等功能； ( 2 ) 光度测量：测量l 1 0 个波长处的吸光度或透射率，并可按设定的公式进行 数学运算。 ( 3 ) 光谱扫描：按设定的波长范围进行吸光度或透射率的光谱扫描，并可进行各 种数据处理，如峰值检出，导数光谱，谱图运算等。 ( 4 ) 定量测定：单波长、双波长、三波长及微分定量，多达2 0 点1 4 次工作曲 线回归。 ( 5 ) 时间扫描：在设定的l 1 0 个波长处进行吸光度或透射率的时间扫描，并可 进行各种数据处理，如峰值检出等。 ( 6 ) 数据存储、管理与输出：数据文件和参数文件可存取、检索，测量结果可输 出至其他文档编辑器或电子表格，用以生成测量报告，并可打印输出。 3 3 整机组件 紫外可见分光光度计是一台精密仪器，其构成复杂，概括起来可分为三部分： 光路、上位机硬件及软件、下位机硬件及软件。二者通过r s 2 3 2 总线进行通讯联系， 整机框图如3 一l 所示。 1 2 第三章紫外可见分光光度计整体设计 光路系统 图3 一1 分光光度计整机系统框图 步进电机在c 8 0 5 l f 0 2 0 的控制下带动机械负载来精确定位，调理电路把光电倍增管出 来的信号进行适当变换，进而送给单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0 及上位机s b c 8 4 5 0 0 进行数据处 理，处理结果可以曲线和数据文件保存，方便打印或平滑处理。 3 3 1 光路 紫外一可见分光光度计是一种光学仪器，其工作特性主要取决于光路系统设计 及各部件的选用，需使光路尽量对称，单色器系统的单色性好，色散小，接收系统 的灵敏度高、线性好等。 滤色片组和光栅机构是仪器的核心部分，它们承担着将连续光谱分成特定波长 的单色光的任务。系统中，出、入射狭缝的位置是固定的；而光栅机构由步进电机 驱动，使光栅转动，从而改变入射角和衍射角。滤色片组由紫、青、金、橙以及透 射通孔构成，它们分列在一个圆盘上，其具体位置由步进电机控制。滤色片的主要 用途是阻挡可见光范围光栅衍射的二级光谱。 根据光栅衍射理论，出现干涉极大值时应有方程胁a d ( s i n 口+ s i n 卢) ，这就是 衍射光栅方程，其中m 为光栅光谱的级次数，d 为光栅常数，a 为光束的入射角， b 为衍射角l ”。在光学系统的设计中，使入射角与衍射角几乎相等，并取+ 1 级光 为单色光，即m = l ，所以光栅方程历a d ( s i n a + s i n 卢) 可化为a 一豺s i n 卢，其光栅 常数为d = 1 1 2 0 0 | i n m 。这样，每一个波长 对应于一个衍射角6 ，例如当衍射角为 且= 1 1 0 6 9 8 。时， = 3 2 0 岫。 狭缝档位( 0 5 姗，1 0 i l m ，2 o m ，5 o i i m ) 、滤色片、样品池的定位则通过相应的 遮光片与光电耦合器电路确定驱动电机的零位置，从而电机转动相应的步数就对应 于其不同位置。 在接收方面，经过反复比较二极管阵列方案，虽有很大潜力，终因成本略高， 第三章紫外可见分光光度计整体设计 并且虽有高速测量及数据处理方面优势，但针对传统分析用市场用武之地有限，而 采用高精度的进口光电倍增管。 为实现双光束测量，需要同步采集试样信号与参考信号，由于双单色器成本较 高，整机结构较复杂，因此，采用一个斩波器将光电倍增管采集的试样信号与参考 信号分开，然后进行相应处理。 新型仪器的光路系统由光源( 包括钨灯和氘灯、光源反光镜) ，单色器( 包括自 动光门，入射狭缝、滤色片组、全息光栅和出射狭缝) ，斩波器( 将入射光线分为两 束) 、样品池、接收器( 光电倍增管) 等组成“。具体光路如图3 2 所示。 屉口一一1l ，研、 粼b ：銎b 蜘拦泰黼 二面! 竺多 3 3 2 上位机硬、软件 光源反光镜 s b c 8 4 5 0 0 单板机功能强大，类似于一台p c 机，很强的外设扩展能力；操作系 统为w i n d o w sc e n e t ，支持多种处理器，界面风格与基于p c 机的w i n d o w s 操作系 统有很多相似之处；编程语言e v c ； 3 3 2 1 上位机硬件 s b c 8 4 5 0 0 单板机支持多种外设，其c p u 为国家半导体g e o d eg x l 型，频率最高 可达3 0 0 m h z ；可以接鼠标，键盘；6 4 k 彩色c r t 或t f t 显示器，最大分辩率为 1 0 2 4 x 7 6 8 ；内存最大可扩展到1 2 8 m ；还可以连接e t n e r n e t ；支持打印机等。系统 选用显示屏选用夏普1 0 4 英寸的t f t 型液晶屏，分辨率为6 4 0 4 8 0 。 1 4 第三章紫外可见分光光度计整体设计 3 3 2 2 上位机软件 上位机软件包括嵌入式操作系统w i n d o w sc e n e t 与应用软件两部分。 ( 1 ) 嵌入式操作系统w i n d o w sc e n e t 在众多的嵌入式操作系统中，比较成熟的有p s o s 和v x w d r k s ，主要用来开发 路由器、交换机、大型电讯设备、卫星通讯设备和军事控制设备，这些设备对稳定 性、实时性的要求最高。q n x 是一个分布式可扩展规模的实时操作系统，比较注重 g u i 图形方面。而正在兴起的l lc l j n u x 主要面向n m m u ( 不带存储管理单元) 处理器的嵌入式操作系统。它同l j n u x 系统的a p i 保持一致，继承了u n u x 成熟的 网络协议，它的开放性足够引人注意，在开发中可以得到更多的支持“邮2 “”“1 。 w i n d o w sc e ( 以下简称c e ) 是微软于1 9 9 6 年开始推出的面向手持设备及嵌入式 系统的3 2 位操作系统平台。它具有一个简洁、高效的完全抢占式多任务操作核心， 支持强大的通信和图形显示功能，能适应广泛的系统需求。c e 操作系统的主要特 点包括1 ”“： 1 采用模块化结构，配置灵活，运行时仅需很少的存储器资源( 系统基本内核 可以精简到2 0 0 k b ) ，并且是目前唯一的可以从r o m ( 只读存储器) 中直接启动的 3 2 位操作系统，能够满足具有严格硬件资源限制的系统要求。 2 支持与w i n d o w s9 8 、w i n d o w sn t 等桌面w i n d o w s 系统相兼容的1 0 0 0 多个 常用的视窗应用程序接口函数( w i l l 3 2 a p l ) ，支持高分辨率真彩色显示，为应用软 件的开发和运行提供了强大支持。 3 支持多种处理器，包括i i i t e l 和a m d 公司的x 8 6 系列、摩托罗拉公司的 p a w e r p c 、日立公司的s h x 系列、东芝公司的m l p s 系列以及a r m 系列。 在c e 的最新版本w i n d o w sc e n e t 中，具备对嵌入式中断的支持、更好的线程 响应和更多的优先级别，使得应用系统更具实时性，而且也使开发人员在控制嵌入 式系统的调度时更加灵活。w i n d o w sc e n e t 能够支持a c t i v e x ，j a v a 以及m f c a t l 等很多通用开发技术，提供对i n t e r n e t 的开发支持( 如f t p 、h t t p 客户端支持等) ， 使开发人员可以利用原有的编程技术经验，方便地开发基于w i n d o w sc e n e t 的应用 程序“”。 w i n d o w sc e n e t 提供的设备控制包括：l c d l e d v g a s v g a 显示设备，鼠标、 键盘和触摸板，语音处理设备，串口和基于串口的打印机，p c 卡接口和a t a 磁盘驱 动器或其它存储卡，m o d e m 卡等，为开发人员提供了极大的方便“。 考虑到w i n d o w sc e n e t 的模块化，实时性以及开发上的特点，采用基于w i n d o w s c e n e t 的嵌入式系统平台，其结构框图如图3 6 所示“”。 第三章紫外可见分光光度计整体设计 图3 3 基于w i n d o w sc e n e t 的嵌入式系统结构