（环境科学专业论文）便携式多功能光度计的研制及其在环境分析中的应用.pdf

用软件， 克服了 汇编语言在浮点数运算方面的不足， 实现了工作曲 线的自 动拟合。在测定系列标准溶液时输入对应的浓度， 便可直接得到工作曲线， 工作时被测溶液的吸光度自 动代入工作曲线求得浓度并在液晶屏上予以 显示， 整个分析测试过程无须人工介入计算， 大大提高了分析速度， 方便了 使用者。由于采用了大规模集成电 路， 取消了 机械传动部件， 使得整机的稳定性大大增强， 同时体积和功耗大为 减小， 整 机尺寸1 7 c m x 1 2 c m x 5 c m 整 机重 量4 8 鲍 ( 含4 节电 池 和一 个探头) ，工作电流低至2 5 n a ，使用4 节普通镍氢充电电 池可以连续工作2 0 小时。因此本仪器可用作环境事故现场的污染物监测，为野外的环境分析提供一种快速、 廉价的解决方案。 由于采用在线式探头， 并配备了 微控制器a t 8 9 s 5 2 和r s 2 3 2工业串行通讯接口，故本仪器还可用于工业过程的在线监测和控制。 本文使用自 行研制的便携式多功能光度计， 配备相应的在线式非光纤吸光度探头， 对环 境 水 样中 铬 和 锰 两个 指 标按 照国 家 标 准 进行了 侧 定， 并同 时 使 用7 2 2普通分光光度计做了 对比 实验， 结果表明两者的 测定结果没有明显的差异。 本文还使用自 行研制的便携式多功能光度计， 配备相应的在线式非光纤荧光探头绘制了叮陡橙的工作曲线，同时在天津港东wg y 1 0 型荧光光度计上做了对比实验，结果表明两者没有显著性差异。 便携式多功能光度计的成功研制为光学分析测量仪器增添了新的设计理念，为分子光谱实验技术的进步作出了一定的贡献。 关键词: 便携式多功能 光度计在线式非光纤吸光度探头在线式非光纤荧光探头研制应用环境分析在线分析t h e d e v e l o p m e n t o f p o r t a b l e mu l t i f u n c t i o n p h o t o m e t e r a n d t h e a p p l i c a t i o n t o t h e e n v i r o n m e n t a l a n a l y s i sm司 o r : e n v i r o n m e n t a l s c i e n c ep o s t g r a d u a t e : p a n j i a n - z h a n g t w t o r : l i s h u - w e i t h e p h o t o m e t e r ( i n c l u d i n g t h e s p e c t ro p h o t o m e t e r a n d t h e fl u o r e s c e n c e p h o t o m e t e r a n d s o o n )i s u s e d t h e m o s t w i d e l y i n t h e f i e l d o f i n s t r u m e n t a n a l y s i s . t h e t r a d i t i o n al p h o t o m e t e r i s b a s e d o nt h e t h o u g h t o f l a b o r a t o ry s u s a g e s o t h a t i t i s a l w a y s d e s igne d a s a g e n e r a l i n s t r u m e n t t h a t c a na d a p t t o a n y a n a l y t i c a l d e t e c t i n a g r e a t s c a l e . i t i s e v e n m a t c h e d o f a l o t o f a c c e s s o r i e s t o e x p e n di t s u s i n g s c o p e . g e n e r a l l y i t h a s a h u g e a n d c o m p l e t e d p h o t o e l e c t r i c a p a r t m e n t , n e e d s a g r e a t d e a lo f e l e c t r i c i t y , a n d i s d i f f i c u l t t o h a n d l e . i t c a n t w o r k u n d e r t h e c o m p l e t e d c o n d i t i o n s ( h i g ht e m p e r a t u r e , h i g h h u m i d i ty , d u s t y ) . w e s u c c e s s f u l l y d e s i gne d a n d p r o d u c e d a k i n d o f e a s y - t a k i n g m u l t i f u n c t i o n a l p h o t o m e t e r t h a ti s a p p l i e d i n t h e w i l d e n v i r o n m e n t a n d p ro d u c i n g l i n e . w e a p p l i e d i t t o m e a s u r e t h e a c t u a l s a m p l e sb y t h e s p e c t ro p h o t o m e t e r a n d fl u o ro m e tr y , a n d g o t t h e s a t i s f a c t o r y r e s u l t s . w e i n v i t e d t h e o n - l i n en o n - f ib e r a b s o r b p ro b e a n d t h e o n - l in e n o n - fi b e r fl u o r e s c e n c e p ro b e , a n d g e t t h e n a t io n a l p a te n t s .a n d t h i s p h o t o m e t e r h a s t h e f u n c t i o n t h a t s h o w s t h e l i g h t i n t e n s i t y , p e r m e a b i l i t y , a n d t h ec o n s is t e n c y d i r e c t ly . a n d it i s p o r ta b le , l o w - c o s t , a n d w id e a p p l ie d . t h i s p h o t o m e t e r i s b a s e d o n t h e t h o u g h t o f d i v i d i n g t h e l i g h t s y s t e m a n d t h e e l e c t r i c a l s y s t e m .w e c h o o s e t h e l e d a n d p h o t o e l e c t r i c c e l l a s t h e l ig h t s o u r c e a n d th e p h o to - tr a n s la t i n gc o m p o n e n t s , a n d i n s t a l l e d t w o c o m p o n e n t s i n o n e b l a c k p l a s t i c p i l e to f o r m a ll - i n - o n e p h o t o m e t e rp r o b e t o a c h i e v e t h e g o a l o f re d u c i n g v o l u m e . i t u s e s a k i n d o f p h o t o m e t e r p r o b e i n w h i c h t h el e d a n d th e p h o t o e l e c t r i c c e l l a r e i n s ta l le d in t h e d ire c t lo c a ti o n a s m e a s u r in g t h e a b s o r b e n c yo f t h e s o l u t i o n , a k i n d o f p h o to m e t e r p ro b e in w h ic h t h e l e d a n d t h e c e l l is in s t a ll e d in t h ev e rt i c a l l o c a t i o n a s m e a s u r i n g t h e fl u o r e s c e o r t h e d i s p e r s i o n , t h e i n s t r u m e n t a t i o n m a g n i f i e ra d 6 2 3 is u s e d t o a m p l if y t h e s i n g le , m c 1 4 4 3 3 a n d a t 8 9 s 5 2 a s d ig it a l to a n a l o g c o n v e r s i o n a n dd a t a p r o c e s s i n g s y s t e m , m a t r i x k e y b o a r d a n d f y d 1 2 8 6 4 - 0 4 0 2 b l c d m o d u l e a s i n p u t a n d o u t p u ts y s t e m . i t c a n s i m u l a t e t h e w o r k l i n e a u t o m a t i c a l l y , t h a t a s s o o n as w e i n p u t t h e o p p o s i t ec o n s i s t e n c y d u r i n g t h e m e a s u r i n g t h e s t a n d a r d s e r i e s s o l u t i o n s , i t c a n s h o w t h e w o r k l i n e ; d u r i n gm e a s u r i n g t h e a c t u a l s a m p l e s i t c a n s h o w t h e c o n s i s t e n c y w i t h c a l c u l a t i n g t h e p e r m e a b i l i t ya u t o m a t i c a l l y . a n d t h e w h o l e a n a l y t i c a l p ro c e s s i o n i s w i t h o u t t h e p e o p l e j o i n i n g . s o t h i s d e s i g na c c e l e r a t e s t h e a n a l y t i c a l s p e e d s . t h e s t a b i l i t y o f t h e w h o l e p h o t o m e t e r h as b e e n in c r e a s e d v e rym u c h . i n t h e m e a n t i m e t h e v o l u m e a n d t h e c o s t o f t h e e l e c t r ic i t y d e c r e a s e s m u c h , t h a t t h e w h o l ep h o t o m e t e r s v o l u m e i s 1 7 c m x 1 2 c m x 5 c m , t h e w e 吵 i s 4 8 0 8 , a n d t h e m a x i m u m w o r k c u r r e n t i s2 5 m a . u s i n g t h e n i - h b a t t e ry t h e p h o t o m e t e r c a n w o r k e d 2 0 h o u r s . t h i s p h o t o m e t e r c a n b ea p p l i e d t o i n s p e c t t h e s c e n e o f e n v i r o n m e n t a l a c c i d e n t . a t 8 9 s s 2 a n d r s 2 3 2 i n d u s t r i a l s t a n d a r di n t e r f a c e s , i t a l s o c o u l d a p p l y t o t h e o n - l i n e d e t e r m i n i n g t h e i n d u s t r i a l p ro c e s s i o n . i n t h e e n d w e u s e d t h e p o rt a b l e m u l t i f u n c t i o n p h o t o m e t e r t o m e a s u re t h e c h r o m i u m a n d t h em a n g a n e s e i n t h e e n v i r o n m e n t a l s a m p l e s w i t h t h e o p p o s i t e p r o b e , a n d m a d e t h e c o n t r a s te x p e r i m e n t o n t h e 7 2 2 - m o d e l s p e c t r o p h o t o m e t e r. t h e re s u l t s h o w e d t h a t t h e r e w e r e n o a p p a r e n td i ff e r e n c e s . w e a l s o s i m u l a t e d t h e w o r k l i n e o f t h e a c r i d i n e o r a n g e , m a d e t h e c o n t r a s t e x p e r i m e n to n t h e t i a n j i n g g a n g d o n g wg y 1 0 fl u o re s c e n c e s p e c t r o p h o t o m e t e r . a n d t h e r e s u l t s h o w s t h a tt h e r e a l s o w a s n o a p p a r e n t d i ff e r e n c e . k e y w o r d s : p o r t a b l e m u l t i f u n c t i o n p h o t o m e t e r , o n - l i n e n o n - f i b e r a b s o r b e n c y p r o b e , o n - l i n e n o n - f i b e r f l u o re s c e n c e p r o b e , d e v e l o p m e n t , a p p l i c a t i o n , e n v i r o n m e n t a n a l y s i s , o n - l i n e a n a l y s i s图一主机图四实钡u图二探头图三整机便携式多功能光度计的研制及其在环境分析中的 应用1前言 科学仪器在人类的整个科技发展过程中都起到极其重要的作用， 这在近代科技发展中反映尤为突出，然而科学仪器的作用并非总是得到足够的认识与承认，科学仪器常因为只被看作工具与手段而影响了其发展。 进入二十一世纪， 越来越多的有识之士己经把科学仪器当作现代科学发展的源头和基础而给予了更多的重视， 在世纪之交， 人类基因组计划的提前完成充分说明了先进的科学仪器， 尤其是分析仪器在现代高科技发展中的重要甚至关键作用。 纵观1 0 0 年来获诺贝尔奖的科学成就，约有5 0 多位获奖者的成就与创新测试技术和仪器有直接关系。 历史己 经证明， 创新测试技术与仪器的成就直接推动了整个科学技术和经济的发展。 由这些创新测试技术与仪器推动的高新技术无疑代表了一个国家的综合实力， 并保证了技术先进的国家在相关领域的知识与技术的战略储备和可持续创新能力。 有关统计数据表明， 近几年全球分析检测仪器的销售额迅猛发展t ， 由2 0 0 0年2 5 6 亿美元到2 0 0 1 年2 8 4 亿美元，再到2 0 0 2 年3 1 6 亿美元，每年平均增加3 0 亿美元， 然而即 便在我国 分析仪器大发展的2 0 0 2 年， 我国 所占的 份额也仅为0 .3 %.我国每年都要花费大量的外汇进口国外的分析检测仪器;2 0 0 2年进口仪器总额从2 0 0 1 年的9 亿美元猛增到2 0 0 3 年的1 6 . 1 3 亿美元， 而且有继续快速增加的趋势。由 此可见分析检测仪器的巨大市场和无限商机。 所以自 主开发设计分析检测仪器在科技和经济上都有着十分重要的意义。 环境分析是分析科学中一个重要的分支， 分析科学的发展为环境分析提供了方法和手段， 同时， 环境科学的发展也对分析科学提出了新的要求和挑战。 如今，日 益 恶 化 的 环 境 问 题， 频 繁出 现 的 环 境 事故 ， 尔 断 催 生 着 快 速 可 靠 ， 能 用于 现 场的环境检测仪器。为满足环境分析的需求，2 0 0 4年国家环保总局在 我国环境监测仪器的发展方向一文指出了我国环境监测工作中急需发展的仪器，其中，用于现场测定的便携式仪器就是一个重要的发展方向， 因此开发便携式多功能光度计在环境分析中具有非常重要的现实意义。 传统的光度计的设计均基于实验室应用的思想，其光学部分往往复杂而精密，且体积庞大，耗电量高，因此使用条件苛刻， 操作复杂，不能胜任野外条件下的分析工作。 近年来国内外己 经研制出了不少基于光纤技术的小型光度计， 但便携式多功能光度计的研制及其在环境分析中的应用这类产品却存在造价高， 易 损坏的 缺点， 大大限制了其推广。 为此， 本文研制了便携式多功能光度计， 本设计把光源和光电转换器从一体化的仪器中独立出来成为光学探头， 光学探头通过电 缆连接到电 路部分， 当 需要对不同体系进行测定时，只需要更换具有所需结构 ( 探头的结构随被测体系光学性质的差异而改变) 和所需波长的发光二极管的光学探头就可以完成测定， 这种光学探头的制作成本极其低廉。本设计用 c语言编写了吸光度计算、荧光测定、线性拟合等程序模块，使用本文研制的便携式多功能光度计完成各种测定只需在仪器上选择不同的数据处理模式， 因 此同一电路就可分别用于不同的测定体系， 达到节省成本的目 的，很好地克服了 通用光度计的昂贵、 娇嫩和专用光度计的功能单一的缺点， 大大提高了便携式多功能光度计的性价比。便携式多功能光度计的研制及其在环境分析中的应用2概述2 . 1国内外分析仪器研究概况 为满足日 益增长的实时、 快速、 在线的分析要求， 分析仪器正由实验室分析向环境现场检测与工业在线检测发展， 环境现场检测和工业实时监控，已经成为环境分析与工业生产系统的关键部分， 在环境保护和产品质量保证中发挥着十分重要的作用。 实时、 快速、 在线的分析测试的发展趋势促进了计算机及自 动控制等技术在分析仪器中广泛的应用， 分析仪器的自 动化、 智能化水平不断提高。 如今的光谱仪、 色谱仪等分析仪器，不仅具有自 动取样、自动控制测试、 数据处理功能， 还具有自 校正、自诊断功能。 这种建立在专家系统理论基础上的智能系统， 代表了新一代分析仪器的发展方向。一些高档产品还能进行复杂的数学变换( 如傅立叶变换、哈德曼变换) ，并配有专家分析系统、数据库以及三维图谱分析功能。一个复杂的样品在几分种或更短的时间内就可得出分析结果。 此类智能系统的仪器己广泛用于环境空气检测，如用于在线监测污染源烟尘、 工艺粉尘排放量( 浓度或总量) 的污染源烟尘 ( 粉尘) 在线监测仪， 可测量包括测量流量、 o z 、 含湿量、 温度等相关参数在内的多个环境参数， 是实现污染源排放总量监测的必备监测仪器; 用于在线监测污染源烟尘、 工艺粉尘排放量 ( 浓度或总量) 的 烟气s q 2 , n o x 在线监测仪; 用于空气质量周报、日 报监测的 环境空 气 地面自 动监测系统， 主要 监测项目 有: 5 仇、 n o x . c o , 伪、 p m 1 0 等; 用于自 动 采集降 水 样品， 以 便测 定降 水的p h 值的 酸雨自 动 采样 器: 用于 采集 环境空 气中 空气 动力学当 量 直径1 助m以 下的 颗粒物的p m 1 0 采样器; 用于 测定 机 动车 排 放 尾气中c h x . c o 等 含 量的 固 定 和 便携 式 机动 车 尾 气 监 测 仪。 微电子、 微型传感器、 新材料以及各种高新技术的应用， 使得分析仪器正在向小型化、 微型化和多参数化方向 发展。 如气相色谱、 液相色谱、 分光光度计( 包括紫外/ 可见分光光度计、 原子吸收分光光度计) 、 x射线荧光光谱仪、 热分析仪等，体积己大大缩小，有的仅是原来的 1 / 3或 1 / 4 ，而且造型美观，结构优化，式样新颖， 线条明快， 维修便利。 为适应环境检测和工农业产品品质的现场快速检测，目 前市场上己出现了多种便携式分析仪器: 便携式气相色谱仪、 近红外光谱仪、 x射线分析仪。 在我国 广泛投入应用的这类仪器主要有: 用于现场监测的便携式多功能光度计的研制及其在环境分析中的应用便携式分光光度计， 测试内容包括: 氰化物、 氨氮、酚类、 苯胺类、 砷、 汞及钡等毒性强的项目。 用于现场有毒有害气体监测的小型有毒有害气体监测仪， 主要监测项目 有: c o , c 1 2 , h z s , s o z 及可燃气等。 用于 现场快速定量或半定量检测水或空气中 有害成分的简易快速检测管，主要监测项目 有: c o , c 1 2 , h z s , s o z及可燃气、氨氮、酚、六价铬、氟、硫化物及c o d等。 为使光谱仪微型化3 ) ，国外各研究机构已 经开发出多种技术，使光谱仪的 光学部分体积大为减少，国际上最常用的主要有以下几种: 新型滤光技术，如声光可调滤光片 ( a o t f )技术，其原理是通过改变施加在某种晶体上的射频频率来改变通过滤光片的光波长， 省去传统仪器中庞大的分光系统，使体积大为减小，它的分辨率很高，目 前可以达到 0 .0 1 2 5 n m ， 没有可动 部件， 波长 调节速度快、 灵活性高。 美国b r i m r o s e 公司 和7 e t p r o p u l s i o n 实 验室联合设计了一种基于a o t f技术的微型电晶体 n i r光谱仪，它使用发光二极管阵列作为光源，光纤作为光传输介质，该光谱仪重量不到 2 5 0克，整机尺寸9 .2 x 5 . 4 x 3 .2 c m ， 扫描 速度达4 0 0 0 n m / s . 而美国h u g h e s s a n t a m a r a 研究中 心 研制的线性楔形光谱仪， 则是由一个微小模状滤光片和一个阵列检测器组成， 可以对多个光谱频带进行检测。 模形光谱仪内有一个模形的多层薄膜介电材料构成的干涉滤光片， 滤光片与两维检测器紧临 这样根据滤光片在不同位置的带通， 每一列检测器可以接收不同 光谱波段的能量， 所以 单独一个模形光谱仪可以 覆盖很宽的光谱范围。 光纤技术z ) ，利用光纤的可同时反映多元成分的多维信息的特点设计的微型分 析 仪 器。 如o c e a n o p t ic s 公 司 研 制的 紧 凑级 联 光纤d i p 探 针 微小 光谱 仪， 该 系统 使 用 单 股 光 纤 获 得 高 分 辨 率 光 谱 信 息 。 还 有 懊国s tw e n c h r is te s e n 等 人 研 制 的便携式光纤拉曼光谱仪， 它可以 对化学试剂鉴定盒进行非接触分析， 其设计包括二极管激光器、电荷祸合器件 ( c c d )检测器和一个带有滤光涂层的光纤探针，这种光谱仪被用来分析密封玻璃容器中的化学试剂和其它有毒化学物。 芯片技术， 利用高度的 集成芯片技术设计的 微型光谱仪器。 如 g a y i i n m .y e e等人利用微机械加工方法直接在c c d成像器件上制作衍射光栅构成集成式微型光谱仪，得到的光谱仪系统衍射效率可以达到 6 3 %;瑞士 i ms大学制作的一种基于光m e ms 技术的微型傅里叶变换光谱仪 ( f t s ) ，它用一种由静电驱动的电便携式多功能光度计的研制及其在环境分析中的应用梳执行器来完成微镜的扫掐运动。 测量得到执行器在3 8 .5 m m位移下的非线性为0 . 5 m m， 在消除非线性后得到校正光谱， 光谱重现率为2 5 n m。 相位校正后在6 3 3 n m波长下测量得到光谱仪的分辨率为6 n m e 由此可以看出， 智能化和微型化是分析仪器两个重要的发展方向。 这也是本设计因循的一个思路。2 .2分光光度法和荧光光度法简介2 . 2 . 1分光光度法 分光光度法是基于物质对光的选择性吸收而建立起来的一种分析方法， 是目前 最 广泛 采 用的 仪 器分 析方 法。 1 7 2 9 年， b o u g u e r 首 先 发 现溶 液对 光的 吸 收与 液层厚度之间的关系。 此后l a m b e rt 就此基本定律进行了 数学推导运算， 并于1 7 6 0年确定了相应的关系，这就是著名的朗伯定律。1 8 5 2年，比耳研究发现光的吸收与溶液浓度成正比， 这就是著名的比耳定律。 结合朗伯定律和比耳定律即得到朗伯一 比耳定律。它反映了光的吸收与溶液液层厚度及溶液浓度的定量关系，其数学表达式如式2 - 1 所示。 a= : b e ( 2 - 1 )其中，a为吸光度，。为摩尔吸光系数，b 为液层厚度，c 为溶液浓度。 我们现在广泛使用朗伯一 比耳定律作为分光光度法定量分析的依据。随着对光度分析方法的不断研究和深入， 人们对分析方法的灵敏度和选择性也提出了更高的要求。 在经典光度法的基础上， 又发展了双波长分光光度法、 动力学分光光度法、 分光光度滴定法和导数分光光度法， 使分光光度分析的内容和应用进一步 ，扩大。分光光度法具有以下一些特点: ( 1 )灵敏度高 其检测下限 一般为1 0 - s m o l / l ， 有些体系也可以 达到1 0 -6 m o l / l o ( 2 ) 精密度高 分光光度分析中， 一般分析的标准偏差在2 % -5 % 范围内， 由于近代分光光度仪器的改进， 其相对标准偏差可控制在n % o 甚至更小。 ( 3 )分析范围广 随着有机试剂的迅速发展， 多数元素的离子可通过适当显色剂显色而进行比便携式多功能光度计的研制及其在环境分析中的应用色测定。 除了 惰性气体元素外， 分光光度法光度法几乎可以测定周期表中所有的元素。同时，对许多有机化合物来说，分光光度法亦不失一个好的 测定方法。 ( 4 )分析速度快 分光光度法测定的主要过程为溶样、显色、测定。操作简单，一般分析中，干扰离子可以通过掩蔽和控制实验条件加以消除， 不必分离， 因而具有较快的分析速度。 紫外一 可见分光光度法诞生1 0 0 多年来，由于方法本身的不断发展， 大量新试剂的涌现及各种分光光度计的普及应用， 使得分光光度法在工农业生产各部门都得到了广泛的应用。 在化学样品成分的测定、 有机化合物结构测定以及化学反应机理的研究等各个领域都发挥了重要作用。2 .2 .2荧光光度法 当短波长光照射到某些物质的时候， 这些物质会发射出各种颜色和不同强度的较长波长的可见光， 而当短波长停止照射时， 这种光也随之很快地消失， 这种光称为荧光。第一次记录荧光现象的是 1 6世纪西班牙的内科医生和植物学家n .m o n a r d e s 1 5 7 5 年他它提到 在含有一种称为 “ l i g n u m n e p h r i t i c u m ” 的 木头 切片的 水 溶液中， 呈 现出 极可爱的 天蓝色。 1 8 6 7 年， g o p p e l s r o d e r 进 行了 历史上首次的荧光分析工作，应用铝一 桑色素配合物的荧光进行铝的测定。其定量分析的依据为， 在极稀溶液中， 荧光的物质荧光强度和它的浓度成正比。 1 8 8 0 年， l i e b e m a n提出了最早的关于荧光与化学结构关系的经验法则。 近二十多年来， 在其它学科迅速发展的影响下， 随 着激光、 微处理器和电子学的新成就等一些新的科学技术的 引 入， 大 大 推 动了 荧 光 分 析 法 在 理 论 方 面 的 魁 展， 促 进了 诸 如同 步 荧 光 测定 、导数荧光测定、 时间分辨荧光测定、 相分辨荧光测定、 荧光偏振测定、 荧光免疫测定、 低温荧光测定和荧光光纤化学传感器等荧光分析方面的某些新方法、 新技术的发展， 使荧光分析法不断朝着高效、痕量、 微观和自 动化的方向发展， 方法的灵敏度、 准确度和选择性日 益提高， 方法的应用范围 大大扩展。目 前荧光分析法已广泛应用于工业、 农业、医药卫生、 环境保护、 公安情报和科学研究等各个领域中，成为一种重要而且有效的光谱化学分析手段。便携式多功能光度计的研制及其在环境分析中的应用3便携式多功能光度计的光学部分的设计 本文研究的 便携式多功能光度计的设计主要包括了 光学部分、 电 路部分和控制程序部分，首先说明光学部分的设计方案。3 . 1传统光度计的光学部分简介 能从含有各种波长的混合光中将每一单色光分离出来并测量其强度的仪器称为分光光度计。 普通分光光度计因使用的波长范围不同而分为紫外光区、 可见光区、红外光区以及万用 ( 全波段)分光光度计等。 其光学部分结构基本相同，均由光源、分光系统、比色皿、光电传感器件构成，如图3 - 1 所示。而荧光分光光度计的光学部分则是在入射光的垂直方向上再加上一套单色光系统，如图3 - 2所示。因此无论哪种光度计其光学部分一般由 光源、 分光系统、比 色皿、 光电传感器件构成。言号输 出图3 - 1分光光度计光学部分号愉 出图3 - 2荧光光度计光学部分 对光源的要求是能发出所需波长范围内的连续光谱，有足够的光强度且稳定。对普通分光光度计而言，可见光区一般用钨灯， 碘钨灯 ( 3 2 0 2 5 0 0 n m ) ;便携式多功能光度计的研制及其在环境分析中的应用紫外区一般用氢灯， 氖灯 ( 1 8 0 -3 7 5 n m ) 。而对荧光光度计一般使用高压氮灯，以保证有足够的亮度和平滑的光谱特性。 单色光器是将光源发出的连续光谱分解为单色光的装置。 主要有三类; 滤光片、棱镜和光栅 ( 玻璃3 5 0. 3 2 0 0 n m，石英1 8 5 -4 0 0 0 n m ) 。光栅具有波长范围宽、 色散均匀、 分辨性能好、 使用方便等特点， 是现代光学仪器最广泛使用的单色光器。 滤光片一般只用于荧光光度计的激发光系统。 吸收池 ( 比色皿) 用于盛待测及参比溶液。 对分光光度计. 可见光测定需要用光学玻璃池， 紫外区测定需要石英池。 对荧光光度计则要使用石英四通比色皿。 光电传感器件一般选用光电池、 光电管、光电倍增管等。 光电倍增管因为其光电 转化效率 高 (c 1 个光电 子可产生1 护 -1 扩个电 子) 而得到 广泛应用， 但存在使用条件苛刻、电路结构复杂、 价格昂贵的缺点，3 .2便携式多功能光度计的光源选择 普通光度计的体积庞大， 很大程度上是由于使用了 氢灯， 氖灯， 高压氮灯等作为光源， 这些光源不但体积大， 而且它们对供电电路的要求也较高、 耗电量大，同时还产生了巨 大的发热量。 尤其是氨灯， 不但要求有非常稳定的供电电 压， 点灯时还需要提供高压，巨大的发热量使得必须使用风冷系统对光源部分进行降温。 本文研究的便携式多功能光度计的研究方向是小型化， 首先要求的就是体积小巧， 耗电 量小，以 便使用电 池供电。 鉴于这些考虑， 本设计选用发光二极管c4 ( l e d ) 作为光源， 选用l e d作为光源的另一个重要原因是:由l e d发射的光具 有 一 定 的 单 色 性 ， 能 满 足 一 般 单 色 性 的 要 求 丁 故 同 时 可 省 去 精 密 娇 嫩 的 分 光 系统，大大提高了光学部分的稳定性， 扩大了仪器的使用场合， 为野外、 高温、 大湿度等恶劣环境的使用提供了有力保证。 l e d的特性和优势:体积小巧、 重量轻;能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与 c m o s , ttl电 路兼容， 控制方便;单色性好， 亮度高:寿命长使用寿命在1 0 万小时以上，甚至可达1 0 0 万小时;结构牢固、可靠性高、 抗冲击性能好、 抗恶劣环境能力强; 功耗低、成本低、电 极损耗小、维护费 用低。 l e d的电 流电 压特性同 普通二极管相似. 对于正向 特性，电 压在开启点之便携式多功能光度计的研制及其在环境分析中的应用前几乎没有电流， 电压一超过开启点就显示出欧姆导通特性， 曲线如图3 - 3 所示。(i ,点)圈3 - 3 l e d的电流电压特性 发光二极管的出射光强度和电流密度近似成正比， 不易饱和。 发光二极管的光强度还强烈依赖于工作温度， 当环境温度较高或工作电 流过大时， 由于热损耗，出光强度不再继续随电流增大而成比例提高， 即出现热饱和现象。 发光二极管的亮度随着工作时间的 增加而衰减， 即老化。 老化的快慢与电 流密度和老化时间常数t 有关。发光二极管作为光度计的光源的一个很重要的指标是l e d的中心波长， 下图 是 我 们 对市 售部 分 发 光 二 极管 进 行的 的 发 光 光 谱测 试图( 图3 - 4 ) ， 图 中所有数据均为使用天津wg y 1 0 型荧光光度计( 关闭氨灯光源) 测定的发射光谱，由图谱可知目 前市售的发光二极管基本能俊盖整个可见光波段， 所以几乎所有有色体系均能选用对应的发光二极管来进行测定. 目 前国内 的 南昌 大学己 经 成功 制得国内 第 厂个 紫 外 发 光 二 极 管， 国 外 不少 公司己 经开发 成功 紫外 波长的 发光二 极管，并 且己 经上市， 如 o p t o s o u r c e公司的2 6 0 0 1 8 系列发光二极管的中心波长就达到3 7 0 n m， 半峰宽不超过1 2 n m。由此可见， 以 发光二 极管为 光源的 便携式多功能光度计也可 用于吸 收 波长在紫外波段的体系，从而大大扩展了其应用领域。 发光二极管的半峰宽是一个直接影响线性的重要指标， 从图3 - 4 可知， 各二极管的半峰宽从1 2 -3 0 m n 不等， 故能满足一般单色性的要求， 其对测定的具体影响在3 . 4 . 2 . 1 中予以详细讨论。便携式多功能光度计的研制及其在环境分析中的应用钊酬图3 - 4部分市公二极管的光谱特性3 .3便携式多功能光度计光电转换器件选择 光电转换器件是一种对光线变化敏感的电子器件， 是光度计中一个十分重要的部件， 当光线照射在光电转换器件上， 光电转换器件会产生与光线亮度成正比的电信号。 这些电信号经过电子转换电 路， 变成适当的信号， 就可用来指示入射光的强弱。目 前使用的光电转换器件一般有光电管、 光敏电阻、 光电 倍增管、 光电二极管 ( 包括光电池) 等。 硒光电管是最简单的光电转换器件。 当光线照射在硒光电管时， 它能产生一定的电流， 而且产生的电 流比较大。 硒光电管的缺点是体积较大和对低亮度的物体 不 敏感， 同 时 硒 光电 管 在 长 期 受到 光 照 射后 ra s 容易 老 化， 致 使读 数不 准。 硫化锅光敏电阻 ( c d s ) 是一种比硒光电管要好的光电转换器件。在光线照射下， 硫化锡并不产生电流， 而是改变电阻值， 电阻值的变化与光照强度成比例，即光照越强，电阻越小。 电子线路可将其变化的电阻 值测量出来， 并转换成相应的电流或电压信号， 所以一定要有外部电池才能正常地工作。 硫化锡的体积比硒光电管要小。 其缺点是对弱光反应不够灵敏， 对光谱中的红色部分反应迟钝， 而且还有强光记忆效应，即对一个强光体测光后， 立即转过来测毋弱光体， 就会出现测光不准的现象.便携式多功能光度计的研制及其在环境分析中的应用 光电倍增管是一种广泛使用于微弱光测定的光电转换器， 一般由阴极、 打拿极和阳极构成。 工作时阴极和打拿极加上合适的负高压， 入射光电子被阴极吸收时，阴极发射电子，并被打拿极吸引，电子轰击打拿极， 产生新的更多数量的电子，新的电子又轰击下一级打拿极，又产生更多的电子， 如此以来， 就可以在阳极上得到1 0 “ 倍于最初光电 流的电 流。 因此， 光电 倍增管不但是一种光电 转换器件，而且是一种信号放大器件，在光度计中有着非常广泛的应用。 硅光电二极管 ( s p d或s p c ， 硅光电池) 在光线照射下， 它们也同硒光电 管一样产生电流， 其电流与光照强度成正比， 但数量级是很小的， 需要通过高性能运算放大器放大后才能为其他电路所使用。其特点是感光性能稳定、反应迅速、对强光无记忆效应、对弱光也很灵敏，是较为理想的光电转换器。由于s p d对红色特别敏感， 所以 要加蓝色滤色镜片进行校正， 故也称“ 蓝硅光电池” 。 市场上很多硅光电池在内部就设计了蓝色滤色镜片，所以使用相当方便。 在通用型光度计上， 为提高灵敏度， 大多采用光电 倍增管。 但是， 光电 倍增管的使用需要稳定的负高压， 并且体积较大， 价格昂贵 ( 从几百元到几千元人民币) ，而硅光电池的使用不需要外加电压、体积小巧、灵敏度较高，并且价格低廉 ( 从几元到几十元人民币) 。鉴于体积、灵敏度、价格等因素，本设计最终选用硅光电 池5 -8 1 作为光电 转换器件。 本设计选 用德国o p t o s e m i c o n d u c t 公司的s f h - 2 0 6 k 硅 光电 池作为光电 转换器件。它具有体积小巧 ( 5 x 4 x 4 m m ) 、灵敏度高的特点，主要性能参数如表3 - 1所示，具体特性如图3 - 5 . 3 - 6 . 3 - 7 . 3 - 8 所示。表3 - 1 s f h - 2 0 6 k 硅光电池主要特性nmnmnunzna琳mv光谱灵敏度最高灵敏度处波长响应光谱范围受光面积暗电流 ( v r 二短路电 流 ( e v开路电 压 e vl o v)1 0 0 0 l x )1 0 0 0 l x )i s cvo8 0( -5 0 ) 8 5 0 4 0 0 - 1 1 0 0 7 . 0 0 2 ( 3 1 0 )n a/ lx便携式多功能光度计的研制及其在环境分析中的应用吃几三甲.甘仰通.1厂两巴日口日冈 因口/ i口 日口囚巨口叮曰曰田下仄田巨口防日匹匡巨口口口%的 叫氢!超口 恐 6 c 口 祀0 印0 9 0 j图3 - 5相对光谱灵敏度曲 线图3 一 6光电 流随光强变化曲 线 开路电压随光强变化曲线1; 07r, na口翻二了leses口口口门口l压厂口尹霆日厂口日冈l仁巨厂日，z国 国 幽 国 国匡匡匡匡i 2 0 4 0田朋 1 u g 一r ,阳胭阳盯c旧f图3 - 7温度随暗电 流变化曲 线( v r = 1 0 v ) 圈3 - 8电 容随 反向电 压变化曲 线( f - 1 m h z )从相对光谱灵敏度曲线我们可以看出，s f h - 2 0 6 k硅光电池完全能满足在可见波段 ( 4 0 0 m n - 7 5 0 n m)的光强度测定。便携式多功能光度计的研制及其在环境分析中的 应用3 .4在线式非光纤吸光度探头的设计3 . 4 . 1在线式非光纤吸光度探头的结构及原理 在传统光度计的光学部分中，光源和分光系统是直接影响体积的两个部件，并且这种设计无法应用于要求原位、 在线的场所。 为解决这一问题， 通常使用光纤探头，但光纤探头制作工艺复杂、成本高。 本设计采用的方案是用具有分立波长的发光二极管 ( l e d ) 作光源， 省去复杂娇贵的分光系统，选用硅光电池作为光电转换器件，替代昂贵的光电倍增管，最终达到减小体积、降低能耗和削减成本的目 的。 具体结构如图3 - 9 所示。光源 电源信 号线发光二极管排气 门吸光1黑卿料外壳进液 日3 t 光电池图3 - 9在线式非光纤吸光度探头结构 将l e d和硅光电池安装在黑塑料管道内， 做成一个可进入被测溶液的探头。探 头留 有 进 液口 和 排 气口 ， 中 间 形 成 吸 光 腔 当 探头 进 入 被 测 溶 液时 ， 被 测 溶 液从进液口 进入吸光腔，由l e d发出的 单色光经吸光 腔中的 被测溶液吸收后， 透过光到达硅光电 池，硅光电 池将光信号转换为电信号输出。 由于使用在线式设计， 测定时只需将探头浸入被测溶液， 不需要使用比色皿，且光程较长，灵敏度较高，操作简单，还可满足原位、在线分析要求。3 . 4 .2在线式非光纤吸光度探头误差分析及减小措施 由于使用l e d代替光源及分光系统，而l e d发射的光并非真正的单色光，且为非平行光 ( 一般l e d的出 射角为1 5 度左右) ，以及从进液口 和排气口 进入便携式多功能光度计的研制及其在环境分析中的应用探头的环境杂散光均会对测定造成误差。3 .4 . 2 . 1复合光对比 耳定律的偏离 推导比耳定律的重要假设条件之一是入射光为单色光， 但是， 即使是现代高精度分光光度计，也难于