（检测技术与自动化装置专业论文）基于usb总线的微型光谱检测系统研究.pdf

西北t业大学硕上学位论文 摘要 摘 要 光学、 光电子学方法用于非接触测量多组分复杂物质的含量具有快速、 无污 染的特点， 但传统的光学分析仪器不能完全适应自 动化以及在线工业检测等方面 的需要。 本 文 利用 光学 多 传感器阵 列 和u s b 总 线， 开发了 一 个 微型 光 谱检 测 系 统 ( 简 称 m s d s ) ，该系统克服了 传统光学分析仪器体积大、 功能单一、检测效率低、 成本较高的缺点。 论文详细论述了系统的设计方案， 具体包括软硬件设计两方面 的内容:软件设计由驱动程序设计、固件程序设计和应用程序设计三部分组成; 硬件设计由传感器外围电路和接口电路两部分组成。 传感器外围电路包括信号产 生电路、 信号调理电路、 信号放大电路和滤波电路: 接口电路包括带a / d 转换器 的a d u c 8 1 2 及其片外扩展的数据储存器、 锁存器、 u s b 器件p d i u s b d 1 2 和传输 数据的r s 2 3 2 串口、u s b口。传感器外围电路及接口电路采用p r o t e l 9 9 s e 绘制 原理图并制成p c b 板。 系统体积小、 重量轻、 功耗低、 成本低廉、 方便携带， 通 过u s b和串口 两种方式与p c机进行通讯，可直接从u s b口取电并采用了双电 源设计， 在便于携带的同时保证了系统的稳定性。 最后配置了样本溶液进行实验， 验证了系统的可行性。 关键词: 微型光谱检测系统多传感器阵列u s b总线 西北工业大学硕七学位论文abs trac t abs tract t h e o p t i c s a n d o p t o e l e c t r o n i c s m e t h o d u s e d f o r n o n - t o u c h e d m e a s u r e m e n t o f c o n t e n t f o r c o m p o s i t e m a t e r i a l h a s s e v e r a l m e r i t s , s u c h a s c e l e r i t y , fr e e f r o m p o l l u t io n e t c ，b u t t r a d it i o n a l o p t i c s a n a l y s i s i n s t r u m e n t c a n n o t c o m p l e t e l y m e e t t h e r e q u i re m e n t o f a u t o m a t i o n a n d i n - s i t u m e a s u r e m e n t . t h i s p a p e r h a s d e v e l o p e d a m i n i s p e c t r u m d e t e c t i o n s y s t e m ( ms d s ) u s i n g o p t i c a l m u l t i - s e n s o r a r r a y a n d u s b b u s , w h i c h o v e r c o m e s s o m e d i s a d v a n t a g e s o f t r a d it i o n a l o p t i c s a n a l y s i s i n s t r u m e n t i n b i g v o l u m e , h i g h c o s t , s i m p l e x f u n c t i o n a n d l o w e x a m i n a t i o n e f fi c i e n c y . t h e d e t a i l e d s y s t e m s c h e m e i s p r e s e n t e d , i n c l u d i n g t h e s o ft w a r e a n d h a r d w a r e d e s i g n . t h e s o f t w a re i n v o l v e s d r i v e n p r o g r a m d e s i g n , f i r m w a r e p r o g r a m d e s i g n a n d a p p l i a n c e p r o g r a m d e s ig n . t h e h a r d w a r e i s c o m p o s e d o f t h e s e n s o r c o n d i t i o n a l c i r c u i t a n d t h e i n t e r f a c e c i r c u i t . t h e s e n s o r c o n d i t i o n a l c i r c u i t a c h i e v e s s i g n a l g e n e r a t io n , s i g n a l a d j u s t m e n t a n d s i g n a l a m p l i f ic a t i o n a n d s i g n a l f i l t e r . t h e i n t e r f a c e c ir c u i t i n c l u d e s a d w c 8 1 2 a n d i t s e x p a n d i n g s t o r a g e c o m p o n e n t , l o c k s 另一个原因是，在诸如大工业生产流程中、现代化农业、 环境生态监测、生物医疗分析诊断、家庭个人安全保健分析以 及现代战争前后 方毒剂分析等应用领域，更需要结构简单、轻巧耐用、适应工作环境又准确可 靠、使用寿命长和价格适宜的新型仪器。因此，开发适用于某个具体检测目的 西北工业大学硕士学位论文 绪论 第一章 绪 论 1 . 1引言 在生命科学、医药、食品分析、 环境监测、航空动力学分析、航天、遥测 分析、工业生产过程和化学反应过程的自 动监测等众多领域，人们用多种方法 对液体样品进行分析、分离和检测， 如在生命科学领域对蛋白 质多肤的分离， 在 食品领域对饮料成分的分析， 在制药领域对药品成分的研究等等。 对液体成分进 行检测的方法很多， 除了传统的物理化学方法外， 分光光度计、液相色谱等方法 也被广泛应用。由 于传统的光学分析仪器体积大、价格昂贵，不能适应自 动化 以 及在线工业检测等方面的需要，生产线上对试样的抽样检测往往需要一种快 速、综合、简单和低成本的检测方法。近年来非接触式的光学测量方法在这一 领域得到了越来越多的重视，由于光学、光电子学方法本身快速、无污染的特 点，使其在这方面比其他方法更具有优势。如:单光束系统、双光束系统、光 纤传感器和檄光干涉系统等。飞速发展的光电 子技术与传统的化学分析技术相 结合， 研制开发各种基于固态光学技术的小体积、 低功耗、 在线、 原位、 实时、 成本低和方便携带的高性能仪器及检测系统成为目 前的热点研究领域。光学光 谱分析技术可以在线直接测定各组分或某特定组分的含量，显示了巨大的发展 潜力和美好的发展前景，引起了 众多学科研究人员的兴趣。 光谱分析法是利用被测物质的分子和离子对特征电磁辐射的吸收作用， 对 物质进行定性、定量分析及结构分析的一种光学分析方法。 它之所以在很多领 域得到了成功的应用，且越来越得到使用者和研究开发人员的青睐，主要是由 于它建立在光与物质相互作用的专一的物理化学原理基础之上，使得光学分析 系统以及光学传感器相对于其它用做物质分析的方法和材料如金属氧化物半导 体 一 m o s 等有更优良的选择性， 从而更适于用来做物质的定量分析， 而不是 仅局限于定性分析;另一个原因是，在诸如大工业生产流程中、现代化农业、 环境生态监测、生物医疗分析诊断、家庭个人安全保健分析以 及现代战争前后 方毒剂分析等应用领域，更需要结构简单、轻巧耐用、适应工作环境又准确可 靠、使用寿命长和价格适宜的新型仪器。因此，开发适用于某个具体检测目的 西北工业大学硕士学位论文 绪论 的多组分分析、专用型、 廉价及便携式的微型光谱检测系统( m s d s ) 应合了当前 的应用要求。 现代光学、化学、电子学和计算机技术、软件技术的长足进展，给现代光 谱分析仪器带来了前所未有的发展契机。1 9 6 0年7月， m a i m a n制成世界上 第一台 激光 器 1l ， 伴随 着激光 应用的 广 泛开 展， 相关的 光电 元器 件， 如半导 体 发光二极管、光接收器和光传感器等都迅速发展起来，光电 子学作为一个新的 学科出现并蓬勃成长。 1 9 7 0年， 美国康宁玻璃公司首先制成衰减为2 0 d b / k m 的 光纤 2 1 ， 到1 9 8 0年， 光纤 衰 减就 低 达 。 - 2 d b / k m 2 1 ， 这 样， 不 但使 得 进行 长 距 离的光纤通信成为可能， 也使得围绕光纤展开的光谱分析仪器适应遥测、强污 染和环境恶劣方面的研究活跃起来. 目 前已 有应用于矿区安全报警的甲 烷气体 检 测仪 3 1 、 海 水中 有 机 物监 测 仪 a l 、 血 液中 溶解 氧 浓 度的 检测 仪 5 1等。 随着半导体集成电路微细加工技术的飞跃发展，以及向各个领域的渗透， 促使了 各分支学科 ( 微电子学、微机械、 微光学等) 的综合应用， 导致了 微型 光电机集成系统的出现。 微电机、微流量系统、集成化的微型化学分析系统、 集成化颜色传感器的研制成功，为多组分光谱分析系统的集成化、微型化和智 能化提供了可实现的技术基础。 与此同时， 传感器阵列及阵列信号处理技术的发展， 给液体传感技术的研 究提供了一个新的思路。 根据不同组分或浓度的液体样本对不同 波长照射光具 有不同的吸收、反射、散射和折射等光学特性， 利用具有不同照射波长的发光 二极管l e d 和不同敏感波长的光敏二极管p d 组合， 组成光学传感器阵列， 通过检 测经液体样本调制后的光学阵列的特定信号，结合先进的模式识别和阵列信号 处理算法，就可以得到待分析的液体样本的定量信息。目 前利用新型光学传感 器组成检测系统的探索己经在许多领域展开并取得了积极的成果:如清华大学 电 机工程与应用电 子技术系采用波长分别为 6 6 0 n m 和9 0 0 n m 的发光二极管作为 光源，光接收器件采用高灵敏度的光电 二极管，将二者构成光学探针式智能传 感器，以此为基础研制出了生物组织含氧量的无损检测系统，可用于人体肌肉 组 织和脑组 织氧合 状态的 监护阎 。 如果该系 统进 一步与网 络传 感器结 合就可以 两北工业大学硕士学位论文 绪论 实现远程医疗服务。 也有人应用新型的凹型结构的光学传感器阵列， 组成一种基 于分光光度法的水硬度便携式测试仪器， 实现水硬度的现场测定， 达到了 较好的 效果 6 1 。 法国 专门 生 产辨 别气 味 仪 器的 图 卢 兹阿 尔 法 一 莫斯 公司 研制 成功了 一 种 能够准确辨别酸、甜、苦、辣、咸等各种味道，并能精确地测定其浓度的电子 舌头， 它可以分析出果汁原料的成分， 也可以分析污水成分以及工业废料排放是 否超标等等 7 1 ，这 种电 子舌的 技术关 键就是一 个灵 敏的电 子 化学液体传感器和 一 整 套数 据分 析系 统。 瑞士 也 有 类 似的电 子舌 8 1 。 法国 斯 伦贝 谢公 司 也推出了 一 种新型气体滞留 光学 传感器 g h o s t ( g a s h o l d u p o p t i c a l s e n s o r t o o l ) ， 能 在 大 流量 井内 实时区 分油、 水和 气 体 9 ) 。 瑞典 i v a r s s o n 等 采 用 金 属电 极 ( 铱、 铂、 锗、金) 研制的电子舌，通过检测测量电极与参考电极间的脉冲调制电 流，可 对九种茶样本精确区分。因此在急迫的需求和现代科技成果的支持下，利用廉 价、 稳定、 可靠的光电半导体传感器件， 结合不同的物理化学分析原理， 研制 新型的光电检测设备和化学分析仪表有着非常诱人的前景。美国、德国、瑞士 等科技发达国家的研究人员均对此表现出了极大的研究兴趣。德国工程师协会 ( v d i ) 和传感器协会每年就该 领域的 研究 和发展举办多 个专 题研讨会3 1 1 9 9 2 年荷兰d e l f 大学的t . a .k w a等首次提出了 集成光栅和探测列阵的思想 p a l ， 但实现工艺难度大， 至今尚未见进一步的 报道。重庆大学国家教委光电 技 术及系统开放实验室提出利用微机械技术和常规的集成电 路微细加工技术， 将 多道成像光谱分析系统的分光系统、成像系统和高灵敏探测器列阵以巧妙的组 合方式混合集成在一块三维硅基片上构成分辨率高、结构紧凑，体积很小、抗 振动、抗千扰能力强、性能稳定可靠、使用方便的微型多道成像光谱分析系统 fi ll ， 取得了 初步成效。目 前来说， 微型光谱分析系统的开发研究仍处于刚刚起 步阶段， 成功应用的系统报道尚 未发现， 各种各样探讨的方法和思路同时 存在。 但是这个趋势是不会改变的，这个领域的发展潜力也是显而易见的。 1 .2国内 外研究 现状 上述这些研究的共同点是，在实现计算机与外设的数据交换的手段上采取 并行方式: 即通过计算机的a t 槽或并行口 打印口)与外设交换数据。光学 两北工业大学硕士学位论文 绪论 实现远程医疗服务。 也有人应用新型的凹型结构的光学传感器阵列， 组成一种基 于分光光度法的水硬度便携式测试仪器， 实现水硬度的现场测定， 达到了 较好的 效果 6 1 。 法国 专门 生 产辨 别气 味 仪 器的 图 卢 兹阿 尔 法 一 莫斯 公司 研制 成功了 一 种 能够准确辨别酸、甜、苦、辣、咸等各种味道，并能精确地测定其浓度的电子 舌头， 它可以分析出果汁原料的成分， 也可以分析污水成分以及工业废料排放是 否超标等等 7 1 ，这 种电 子舌的 技术关 键就是一 个灵 敏的电 子 化学液体传感器和 一 整 套数 据分 析系 统。 瑞士 也 有 类 似的电 子舌 8 1 。 法国 斯 伦贝 谢公 司 也推出了 一 种新型气体滞留 光学 传感器 g h o s t ( g a s h o l d u p o p t i c a l s e n s o r t o o l ) ， 能 在 大 流量 井内 实时区 分油、 水和 气 体 9 ) 。 瑞典 i v a r s s o n 等 采 用 金 属电 极 ( 铱、 铂、 锗、金) 研制的电子舌，通过检测测量电极与参考电极间的脉冲调制电 流，可 对九种茶样本精确区分。因此在急迫的需求和现代科技成果的支持下，利用廉 价、 稳定、 可靠的光电半导体传感器件， 结合不同的物理化学分析原理， 研制 新型的光电检测设备和化学分析仪表有着非常诱人的前景。美国、德国、瑞士 等科技发达国家的研究人员均对此表现出了极大的研究兴趣。德国工程师协会 ( v d i ) 和传感器协会每年就该 领域的 研究 和发展举办多 个专 题研讨会3 1 1 9 9 2 年荷兰d e l f 大学的t . a .k w a等首次提出了 集成光栅和探测列阵的思想 p a l ， 但实现工艺难度大， 至今尚未见进一步的 报道。重庆大学国家教委光电 技 术及系统开放实验室提出利用微机械技术和常规的集成电 路微细加工技术， 将 多道成像光谱分析系统的分光系统、成像系统和高灵敏探测器列阵以巧妙的组 合方式混合集成在一块三维硅基片上构成分辨率高、结构紧凑，体积很小、抗 振动、抗千扰能力强、性能稳定可靠、使用方便的微型多道成像光谱分析系统 fi ll ， 取得了 初步成效。目 前来说， 微型光谱分析系统的开发研究仍处于刚刚起 步阶段， 成功应用的系统报道尚 未发现， 各种各样探讨的方法和思路同时 存在。 但是这个趋势是不会改变的，这个领域的发展潜力也是显而易见的。 1 .2国内 外研究 现状 上述这些研究的共同点是，在实现计算机与外设的数据交换的手段上采取 并行方式: 即通过计算机的a t 槽或并行口 打印口)与外设交换数据。光学 西北工业大学硕 匕 学位论文 绪论 传感器与u s b 总线 ( u n i v e r s a l s e r i a l b u s )结合应用于微型光谱检测系统尚未 见报道。u s b 总线是1 9 9 4 年提出的一种新型通用串行总线，是自1 9 8 0 年出现串 口 和并口技术以来，最重要的计算机外设互联标准之一，它是一种新的外围设 备连接技术，为个人电脑与其外围设备之间的连接提供了一种标准化、单一化 的接口。作为一种新型的接口。 u s b 以 其较快的传输速率和方便的连接等优势 受到用户的青睐， u s b 技术正取代目前广泛使用的r s - 2 3 2 串行接口和并行接口， 成为p c 的通用外设接口。 本文作为微型光谱分析系统的一个探索实例，从研究手段和方法上做了一 些新的尝试，采用新型的基于双光路凹型光祸合检测单元构成的光学传感器芯 片，依据选择性良 好的物质对光的吸收的物理化学原理，充分利用集成电路技 术，设计了一种建立在全新思想基础上的结构，利用u s b 总线和光学传感器组 成 一 种检测系 统来检测 物质的 浓度。 最后 通过 酷) l q q 溶液检验其 性能， 验 证了 研究方案的正确性，但同时也发现了许多有待改进的问题。本文仅是对微型光 谱分析系统的初步探索，还有许多问题有待进行深入仔细的研究。 1 .3本文的主要工作 本论文在充分领会光谱分析原理的基础上，参考分光光度计的结构及现有 文献资料，经历了方案论证、系统设计、性能测试和结果讨论几个阶段，实现 了预期目 的，验证了系统方法的可行性。本文的主要工作有: 1 . 深入研究光谱分析技术原理、 仪器结构及发展现状， 结合新型传感器结 构、 参数和性能， 确定大致方案:双光路凹型光祸合阵列式微型光谱检测系统 方框图如图1 - 1 所示。 2 . 在充分领会原理和新思想的基础上， 精心设计了l e d 自 动光强调节电路 及光电检测电路，完成硬件调试: 3 . 选择a d u c 8 1 2 芯片和p d l u s b d 1 2 芯片， 基于u s b 总线开发了以 查询方式 传送数据的采集系统; 4 .完成固件程序设计; 西北工业大学硕 匕 学位论文 绪论 传感器与u s b 总线 ( u n i v e r s a l s e r i a l b u s )结合应用于微型光谱检测系统尚未 见报道。u s b 总线是1 9 9 4 年提出的一种新型通用串行总线，是自1 9 8 0 年出现串 口 和并口技术以来，最重要的计算机外设互联标准之一，它是一种新的外围设 备连接技术，为个人电脑与其外围设备之间的连接提供了一种标准化、单一化 的接口。作为一种新型的接口。 u s b 以 其较快的传输速率和方便的连接等优势 受到用户的青睐， u s b 技术正取代目前广泛使用的r s - 2 3 2 串行接口和并行接口， 成为p c 的通用外设接口。 本文作为微型光谱分析系统的一个探索实例，从研究手段和方法上做了一 些新的尝试，采用新型的基于双光路凹型光祸合检测单元构成的光学传感器芯 片，依据选择性良 好的物质对光的吸收的物理化学原理，充分利用集成电路技 术，设计了一种建立在全新思想基础上的结构，利用u s b 总线和光学传感器组 成 一 种检测系 统来检测 物质的 浓度。 最后 通过 酷) l q q 溶液检验其 性能， 验 证了 研究方案的正确性，但同时也发现了许多有待改进的问题。本文仅是对微型光 谱分析系统的初步探索，还有许多问题有待进行深入仔细的研究。 1 .3本文的主要工作 本论文在充分领会光谱分析原理的基础上，参考分光光度计的结构及现有 文献资料，经历了方案论证、系统设计、性能测试和结果讨论几个阶段，实现 了预期目 的，验证了系统方法的可行性。本文的主要工作有: 1 . 深入研究光谱分析技术原理、 仪器结构及发展现状， 结合新型传感器结 构、 参数和性能， 确定大致方案:双光路凹型光祸合阵列式微型光谱检测系统 方框图如图1 - 1 所示。 2 . 在充分领会原理和新思想的基础上， 精心设计了l e d 自 动光强调节电路 及光电检测电路，完成硬件调试: 3 . 选择a d u c 8 1 2 芯片和p d l u s b d 1 2 芯片， 基于u s b 总线开发了以 查询方式 传送数据的采集系统; 4 .完成固件程序设计; 西北工 业大 学硕士学位论文绪论 个人 p c机 驱动信号 发生器 i cl 8 0 3 8 幅值编 置调节 tl 0 8 4 多路 开关 max3 5 5 光电锅 合传感 器 u s b总线 以太网 u s b器件 pdi us bdi 2 信号滤 波放大 ad6 2 0 有源高 通滤波 l m 3 2 4 混频器 ad6 3 3 单片机 ad u c8 1 2 图1 - 1 微型光谱检测系统方框图 5 . 编写底层设备驱动程序，完成数据采集程序调试; 6 .编写顶层操作界面 ( 即应用程序)，实现数据采集; 7酉 己 置酷儿q q 溶液测试系统的性能， 用查询方法采集数据， 并对所采集的 数据进行分析，找出存在的问题及其改进方法。 1 .4论文章节安排 第一章:绪论。 简述本论文研究工作的背景、 重要性与目的， 然后对本文 将要介绍的微型光谱分析系统的结构做一简单介绍.最后给出了论文的章节安 排。 第二章: 光谱分析基础理论与应用。 较详细的介绍本文所用到的光谱分 析的知识及传统分光光度计的典型结构与应用。 第三章:m s d s 光学传感器的结构与实现。 介绍了光学传感器的结构与实现 其功能的方法。 第四章:m s d s 系统硬件设计。 在二、 三章的基础之上， 利用光谱分析的基 础理论及新型传感器，设计了传感器外围电路、接口电路。 第五章:m s d s 系统软件设计。包括固件程序设计、驱动程序设计和应用程 序设计三个方面的内容。 西北工 业大 学硕士学位论文绪论 个人 p c机 驱动信号 发生器 i cl 8 0 3 8 幅值编 置调节 tl 0 8 4 多路 开关 max3 5 5 光电锅 合传感 器 u s b总线 以太网 u s b器件 pdi us bdi 2 信号滤 波放大 ad6 2 0 有源高 通滤波 l m 3 2 4 混频器 ad6 3 3 单片机 ad u c8 1 2 图1 - 1 微型光谱检测系统方框图 5 . 编写底层设备驱动程序，完成数据采集程序调试; 6 .编写顶层操作界面 ( 即应用程序)，实现数据采集; 7酉 己 置酷儿q q 溶液测试系统的性能， 用查询方法采集数据， 并对所采集的 数据进行分析，找出存在的问题及其改进方法。 1 .4论文章节安排 第一章:绪论。 简述本论文研究工作的背景、 重要性与目的， 然后对本文 将要介绍的微型光谱分析系统的结构做一简单介绍.最后给出了论文的章节安 排。 第二章: 光谱分析基础理论与应用。 较详细的介绍本文所用到的光谱分 析的知识及传统分光光度计的典型结构与应用。 第三章:m s d s 光学传感器的结构与实现。 介绍了光学传感器的结构与实现 其功能的方法。 第四章:m s d s 系统硬件设计。 在二、 三章的基础之上， 利用光谱分析的基 础理论及新型传感器，设计了传感器外围电路、接口电路。 第五章:m s d s 系统软件设计。包括固件程序设计、驱动程序设计和应用程 序设计三个方面的内容。 西北工业人学硕士学位论文绪论 第六章:实验及结果分析，介绍实验方案、实验环境、测试结果及讨论总 结。 西北t业大学硕 卜 学位论文 光l. 分析荃础理论与应用 第二章 光谱分析基础理论与应用 物质的光学分析法可分为非光谱分析法和光谱分析法两大类，非光谱分析 法利用辐射与物质作用时产生在方向 上和物理性质上的变化而进行分析，这类 变 化 有 反 射、 散 射、 折 射、 色 散 、 干 涉、 偏 振 和 衍 射 等， 与 其 相 关的 分 析 方 法 有比浊法、折光分析、圆二向 色性法以及 x射线衍射等;光谱分析法是研究 物质的光辐射，或辐射与物质的相互作用，并以此为基础而建立的分析方法的 一门学科，以测定物质发射或吸收辐射的波长及强度为目的。光谱分析按产生 光谱的基本微粒的不同可分为原子光谱和分子光谱;根据辐射传递的方向又可 分为发射光谱和吸收光谱两类。 本章从讲述光谱分析基本定理和术语出发， 然后对论文中用到的分子吸收 光谱做概括性介绍，进而引出分光光度计的结构和原理。 表 2 - 1光谱分析方法及应用范围 光谱区波长范围光谱分析法主要用途 真空紫外线 ( 1 0 20 0 ) n m 远紫外吸收光谱有机物定性定量 紫外可见光( 2 0 0 - 7 8 0 ) n m紫外光可见光吸收、 发射 和荧光光谱 有机物定性定量及 微量单元素分析 红外线(7 8 0 - 3 x 1 0 5 ) n m红外光吸收光谱和拉曼 散射光谱 结构分析及有 机物定性定量 2 . 1光谱分析法基本原理 光谱分析法基于六种现象， 即吸收、 荧光、 磷光、 散射、 发射和化学发光。 可按不同的电磁波谱区、产生光谱的基本粒子、辐射传递的情况进行分类，表 西北t业大学硕 卜 学位论文 光l. 分析荃础理论与应用 第二章 光谱分析基础理论与应用 物质的光学分析法可分为非光谱分析法和光谱分析法两大类，非光谱分析 法利用辐射与物质作用时产生在方向 上和物理性质上的变化而进行分析，这类 变 化 有 反 射、 散 射、 折 射、 色 散 、 干 涉、 偏 振 和 衍 射 等， 与 其 相 关的 分 析 方 法 有比浊法、折光分析、圆二向 色性法以及 x射线衍射等;光谱分析法是研究 物质的光辐射，或辐射与物质的相互作用，并以此为基础而建立的分析方法的 一门学科，以测定物质发射或吸收辐射的波长及强度为目的。光谱分析按产生 光谱的基本微粒的不同可分为原子光谱和分子光谱;根据辐射传递的方向又可 分为发射光谱和吸收光谱两类。 本章从讲述光谱分析基本定理和术语出发， 然后对论文中用到的分子吸收 光谱做概括性介绍，进而引出分光光度计的结构和原理。 表 2 - 1光谱分析方法及应用范围 光谱区波长范围光谱分析法主要用途 真空紫外线 ( 1 0 20 0 ) n m 远紫外吸收光谱有机物定性定量 紫外可见光( 2 0 0 - 7 8 0 ) n m紫外光可见光吸收、 发射 和荧光光谱 有机物定性定量及 微量单元素分析 红外线(7 8 0 - 3 x 1 0 5 ) n m红外光吸收光谱和拉曼 散射光谱 结构分析及有 机物定性定量 2 . 1光谱分析法基本原理 光谱分析法基于六种现象， 即吸收、 荧光、 磷光、 散射、 发射和化学发光。 可按不同的电磁波谱区、产生光谱的基本粒子、辐射传递的情况进行分类，表 西北工业大学硕士学位论文光谱分析基础理论与 应用 2 - 1列出了不同光谱区相应的光谱分析方法。 2 . 1 . 1光谱分析定律(1 3 1 ( 1 ) 郎 伯一 布格定律 ( l a m b e rt - b o u g u e r s l a w ) : 一束辐射 ( 光) 通量为小 。 的平行单色辐射，垂直入射，通过吸收介质， 若该吸收介质的表面互为平行 的平面， 且它内 部是各向同性的、 均匀的、 不发光不散射的， 则透射辐射 ( 光) 通量。 ， 随吸收介质的光路长度b的增加而按指数减少。并由下列方程表示: (d i， 一 4 ) * e - k b ( 2 - 1 ) 式中，小 ，为透射辐射 ( 光) 通量;小 。为入射辐射 光) 通量;b 为光路长 度;e 为自 然对数的底;k 为线性吸收系数; ( 2 )比尔定律 ( b e e r s l a w ): 一束平行单色辐射，垂直入射， 通过一定 光路长 度的吸收介质，它的 透射辐射 ( 光) 通量随介质中吸收物质浓度的增加 而按指数减少。并由下列方程表示: q) t r = (o * e - v ( 2 - 2 ) 或 (d t r = (d o * e - 0 ( 2 - 3 ) 式中， k m 和k 。 为质量线性吸收系数和摩尔线性吸收系数， 在给定实验条件下是 常数;p为 质量浓度; c 为物质的量浓度。 ( 3 )郎伯一 布格和比尔定律的加和性:一束平行单色辐射，垂直入射，通 过几种彼此不起反应的物质所组成的吸收介质时，若该吸收介质的入射、出射 面是互为平行的平面， 且它内 部是各向同 性的、均匀的、不发光不散射的， 则 该吸收介质总的吸光度等于几种特征吸光度的总和。 ( 4 ) 通用 吸收 定律( g e n e r a l a b s o r b a n c e la w ) : 将郎 伯 一 布 格和比 尔 合 并 为 通用吸收定律，以如下单一方程表示: (dt r = mo o * 1 0 - 0 i ( 2 - 4 ) 西北工业大学硕士学位论文光谱分析基础理论与 应用 2 - 1列出了不同光谱区相应的光谱分析方法。 2 . 1 . 1光谱分析定律(1 3 1 ( 1 ) 郎 伯一 布格定律 ( l a m b e rt - b o u g u e r s l a w ) : 一束辐射 ( 光) 通量为小 。 的平行单色辐射，垂直入射，通过吸收介质， 若该吸收介质的表面互为平行 的平面， 且它内 部是各向同性的、 均匀的、 不发光不散射的， 则透射辐射 ( 光) 通量。 ， 随吸收介质的光路长度b的增加而按指数减少。并由下列方程表示: (d i， 一 4 ) * e - k b ( 2 - 1 ) 式中，小 ，为透射辐射 ( 光) 通量;小 。为入射辐射 光) 通量;b 为光路长 度;e 为自 然对数的底;k 为线性吸收系数; ( 2 )比尔定律 ( b e e r s l a w ): 一束平行单色辐射，垂直入射， 通过一定 光路长 度的吸收介质，它的 透射辐射 ( 光) 通量随介质中吸收物质浓度的增加 而按指数减少。并由下列方程表示: q) t r = (o * e - v ( 2 - 2 ) 或 (d t r = (d o * e - 0 ( 2 - 3 ) 式中， k m 和k 。 为质量线性吸收系数和摩尔线性吸收系数， 在给定实验条件下是 常数;p为 质量浓度; c 为物质的量浓度。 ( 3 )郎伯一 布格和比尔定律的加和性:一束平行单色辐射，垂直入射，通 过几种彼此不起反应的物质所组成的吸收介质时，若该吸收介质的入射、出射 面是互为平行的平面， 且它内 部是各向同 性的、均匀的、不发光不散射的， 则 该吸收介质总的吸光度等于几种特征吸光度的总和。 ( 4 ) 通用 吸收 定律( g e n e r a l a b s o r b a n c e la w ) : 将郎 伯 一 布 格和比 尔 合 并 为 通用吸收定律，以如下单一方程表示: (dt r = mo o * 1 0 - 0 i ( 2 - 4 ) 西北工业大学硕上学位论文 光谱分析纂础理论与应用 或。 t r = (d . * 1 0 - h ( 2 - 5 ) 式中， a 为质量吸收系数， 为摩尔吸收系数， 在给定实验条件下均为常数。 2 . 1 .2光谱分析相关定义 上述吸收定律用到的部分定义如下: ( 1 ) 辐射 光) 通量小:以辐射 ( 光)的形式发射、传播和接收的功率，单 位为w ( 瓦特)。 ( 2 ) 光路长度b :光通过吸收池内物质的入射面和出射面之间的路程。 ( 3 ) 物质的量浓度c :溶质的物质的量和溶液体积之比，单位为m o l . l - , ( 4 )质 量 浓 度p : 溶 质的 质 量 和 溶 液 体 积 之比 ， 单 位为坛 .m “或 g l 一 o ( 5 ) 质量吸收系数a :厚度以厘米为单位表示、浓度以克j 升表示的吸收系数 即 a = a ca = - l .p ( 6 ) 摩尔吸收系数 : : 单 位是 l . c m . g 厚度以厘米为单位表示、 浓度以摩尔/ 升表示的吸收系 数 ， 即。 = a c l. c 单 位是 l . c m 一m o t 。 2 .2分光光度计仪器原理及结构 吸光光度法是通过量度介质对特定波长的单色光的吸收程度，来确定物质 成分及含量的一种分析方法。 分光光度计按光谱区不同分为紫外一 可见光分光光 度计和红外线分光光度计，又可分为单光束手动式分光光度计、 双光束自 动记 录式分光光度计、单波长分光光度计、双波长分光光度计和动力学分光光度计 多种类型，但大部分的基本元件十分相似，只存在一些结构上的微小区别，限 于篇幅的原因，这里仅以具有代表性的紫外一 可见双光束分光光度计为例介绍， 以期帮助理解光谱吸收定律的理论，同时对广泛运用的光谱仪有一个完整的认 识。 紫外一 可见光光度计的紫外吸收光谱是由 分子中价电子的跃迁产生的， 分子 中价电子的分布和结合情况决定了 这种吸收光谱，可用分子轨道理论来解释这 西北工业大学硕上学位论文 光谱分析纂础理论与应用 或。 t r = (d . * 1 0 - h ( 2 - 5 ) 式中， a 为质量吸收系数， 为摩尔吸收系数， 在给定实验条件下均为常数。 2 . 1 .2光谱分析相关定义 上述吸收定律用到的部分定义如下: ( 1 ) 辐射 光) 通量小:以辐射 ( 光)的形式发射、传播和接收的功率，单 位为w ( 瓦特)。 ( 2 ) 光路长度b :光通过吸收池内物质的入射面和出射面之间的路程。 ( 3 ) 物质的量浓度c :溶质的物质的量和溶液体积之比，单位为m o l . l - , ( 4 )质 量 浓 度p : 溶 质的 质 量 和 溶 液 体 积 之比 ， 单 位为坛 .m “或 g l 一 o ( 5 ) 质量吸收系数a :厚度以厘米为单位表示、浓度以克j 升表示的吸收系数 即 a = a ca = - l .p ( 6 ) 摩尔吸收系数 : : 单 位是 l . c m . g 厚度以厘米为单位表示、 浓度以摩尔/ 升表示的吸收系 数 ， 即。 = a c l. c 单 位是 l . c m 一m o t 。 2 .2分光光度计仪器原理及结构 吸光光度法是通过量度介质对特定波长的单色光的吸收程度，来确定物质 成分及含量的一种分析方法。 分光光度计按光谱区不同分为紫外一 可见光分光光 度计和红外线分光光度计，又可分为单光束手动式分光光度计、 双光束自 动记 录式分光光度计、单波长分光光度计、双波长分光光度计和动力学分光光度计 多种类型，但大部分的基本元件十分相似，只存在一些结构上的微小区别，限 于篇幅的原因，这里仅以具有代表性的紫外一 可见双光束分光光度计为例介绍， 以期帮助理解光谱吸收定律的理论，同时对广泛运用的光谱仪有一个完整的认 识。 紫外一 可见光光度计的紫外吸收光谱是由 分子中价电子的跃迁产生的， 分子 中价电子的分布和结合情况决定了 这种吸收光谱，可用分子轨道理论来解释这 西北工业大学硕上学位论文 光谱分析纂础理论与应用 或。 t r = (d . * 1 0 - h ( 2 - 5 ) 式中， a 为质量吸收系数， 为摩尔吸收系数， 在给定实验条件下均为常数。 2 . 1 .2光谱分析相关定义 上述吸收定律用到的部分定义如下: ( 1 ) 辐射 光) 通量小:以辐射 ( 光)的形式发射、传播和接收的功率，单 位为w ( 瓦特)。 ( 2 ) 光路长度b :光通过吸收池内物质的入射面和出射面之间的路程。 ( 3 ) 物质的量浓度c :溶质的物质的量和溶液体积之比，单位为m o l . l - , ( 4 )质 量 浓 度p : 溶 质的 质 量 和 溶 液 体 积 之比 ， 单 位为坛 .m “或 g l 一 o ( 5 ) 质量吸收系数a :厚度以厘米为单位表示、浓度以克j 升表示的吸收系数 即 a = a ca = - l .p ( 6 ) 摩尔吸收系数 : : 单 位是 l . c m . g 厚度以厘米为单位表示、 浓度以摩尔/ 升表示的吸收系 数 ， 即。 = a c l. c 单 位是 l . c m 一m o t 。 2 .2分光光度计仪器原理及结构 吸光光度法是通过量度介质对特定波长的单色光的吸收程度，来确定物质 成分及含量的一种分析方法。 分光光度计按光谱区不同分为紫外一 可见光分光光 度计和红外线分光光度计，又可分为单光束手动式分光光度计、 双光束自 动记 录式分光光度计、单波长分光光度计、双波长分光光度计和动力学分光光度计 多种类型，但大部分的基本元件十分相似，只存在一些结构上的微小区别，限 于篇幅的原因，这里仅以具有代表性的紫外一 可见双光束分光光度计为例介绍， 以期帮助理解光谱吸收定律的理论，同时对广泛运用的光谱仪有一个完整的认 识。 紫外一 可见光光度计的紫外吸收光谱是由 分子中价电子的跃迁产生的， 分子 中价电子的分布和结合情况决定了 这种吸收光谱，可用分子轨道理论来解释这 西北工业大学硕士学位论文光谱分析荃础理论与应用 一现象。 紫外与可见光分光光度法通常是指z o o - s o o n m光谱区内物质对光辐射吸 收的一种方法，物质对光的吸收是物质与辐射能相互作用的一种形式，只有 当入射光子的能量同吸收光体的基态和激发态能量差相等时才会被吸收。由 于吸光物质的分子 ( 离子)只有有限数量的量子化能级，所以对光的吸收是 有选择性的，分光光度计就是根据这一原理实现的。 2 .2 . 1 双光束分光光度计简介+ 4 i 双光束分光光度计是将单色器色散后的单色光分为两束， 一束通过参比池， 一束通过样品池，一次测量即可得到样品溶液的吸光度。双光束分光光度计的 特点是便于进行自 动记录，由于样品和参比 信号进行反复比较，消除了光源不 稳定、放大器增益变化以及光学和电子学元件对两条光路的影响。 双光束分光光度计按单色光分为两束的方法又有时间分隔和空间分隔两 种，时间分隔式双光束分光光度计结构见图2 - 1 = 图2 - 1时间分隔式双光束分光光度计 单色器和样品室之间装置一个切光器， 使单色器射出的单色光转变为交替 的两束光，分别通过参比池和样品池，然后将两透射光束聚焦到同一检测器， 它交替接收两条光路的信号，检测器输出 信号的大小决定于两光束强度差。 空间分隔式双光束分光光度计结构见图2 - 2 . 西北工业大学硕士学位论文光谱分析荃础理论与应用 一现象。 紫外与可见光分光光度法通常是指z o o - s o o n m光谱区内物质对光辐射吸 收的一种方法，物质对光的吸收是物质与辐射能相互作用的一种形式，只有 当入射光子的能量同吸收光体的基态和激发态能量差相等时才会被吸收。由 于吸光物质的分子 ( 离子)只有有限数量的量子化能级，所以对光的吸收是 有选择性的，分光光度计就是根据这一原理实现的。 2 .2 . 1 双光束分光光度计简介+ 4 i 双光束分光光度计是将单色器色散后的单色光分为两束， 一束通过参比池， 一束通过样品池，一次测量即可得到样品溶液的吸光度。双光束分光光度计的 特点是便于进行自 动记录，由于样品和参比 信号进行反复比较，消除了光源不 稳定、放大器增益变化以及光学和电子学元件对两条光路的影响。 双光束分光光度计按单色光分为两束的方法又有时间分隔和空间分隔两 种，时间分隔式双光束分光光度计结构见图2 - 1 = 图2 - 1时间分隔式双光束分光光度计 单色器和样品室之间装置一个切光器， 使单色器射出的单色光转变为交替 的两束光，分别通过参比池和样品池，然后将两透射光束聚焦到同一检测器， 它交替接收两条光路的信号，检测器输出 信号的大小决定于两光束强度差。 空间分隔式双光束分光光度计结构见图2 - 2 . 西北工业人学硕上学位论文 光谱分 析幕础理论与 应用 t x i 单 色 器 气 一 e h 图2 - 2空间分隔式双光束分光光度计 它是利用光束分裂器和反射镜来获得两个分离光束，然后分别进入参比池 和样品池，通常采用两个匹配很好的检测器测量两光束强度之比。 2 . 2 .2分光光度计组件介绍 (1 5 分光光度计通常由光源 、单色器、样品室、检测器、放大和控制系统、结 果显示系统六部分组成，其结构特征是六部分按直线方式排列。随着光学和电 子技术的发展，上述六个组件在不断的更新和发展， 仪器的测量精度、功能和 自 动化程度不断提高，但其结构排列方式仍基本没有发生变化，下面对仪器的 各个组件进行具体介绍。 光源 用作紫外一 可见分光光度计的光源应满足下列条件: 在仪器的工作 波段范围内可以发射连续光谱; 具有足够的强度， 其能量随波长变化小; 稳定性好: 使用寿命长。 表2 - 2列出了紫外一 可见分光光度计中部分最常用的 光源。 单色器 单色器是将光源发射的复合光分解为单色光并可从中分出任一波 长单色光的光学装置。它由入射狭缝、准直装置 ( 透镜或反射镜)、色散元件 ( 棱镜或光栅)、聚焦装置 ( 透镜或凹面反射镜)和出口 狭缝五部分组成。 吸收池 吸收池主要有石英池和玻璃池两种， 前者用于紫外区， 后者用于可 见和近红外区，用来盛放待测液体。 检测器 检测器由光电元件和放大器组成， 它的作用是对透过