CN103221793A - 具有可调节的光路程长度的多程池的光学吸收光谱 - Google Patents

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Abstract

一种光学吸收光谱装置包括一个光源，一个用于检测从光源射出并通过样本的传输光的光学吸收光谱的探测器，一个或多个用于将传输光反射使其多出通过样品的反射镜，一个用于调节至少一个光学器件的调节器，以便通过控制光反射通过样本的次数来改变光路程长度，驱动仪器用于驱动调节器，以使探测器在不同的光路程范围下检测传输光。

Description

具有可调节的光路程长度的多程池的光学吸收光谱
技术领域
本发明涉及一种光学吸收光谱装置和一种光学吸收光谱方法。特别地，但不完全地，本发明涉及的装置和方法是使用紫外光、可见光或红外光应用微分或常规的光学吸收光谱方法来检测一种或多种物质的存在和/或浓度。被检测物质可以是流体（气体或液体），例如污染物或有毒物质。
背景技术
包含一种或多种流体物质（比如气体或液体）的样本的浓度，能通过让光通过样本并检测这些物质的光谱吸收特性，通过光学吸收光谱分析检测出来。
物质吸收光的量和本方法的灵敏度取决于物质的浓度和光通过物质的光路程长度。气体的浓度，即每单位体积内的摩尔数一般低于液体或固体，因而光通过气体样本的光路程长度相应地会更长。例如，检测由低浓度的目标气体，如污染气体组成的混合气体所需的光路程长度通常是2米到10米，如此大的光路程长度可以通过以下方式实现：把光源和探测器远距离分开放置，或让光来回反射并通过在测量池内的样本以使其达到探测器前多次通过样本。
利用光多次通过测量池能在一个紧凑的装置内实现有效的路程长度，一个光多次通过的测量池的实例是怀特池。基本的怀特池是一个多次反射系统，该系统由J.U.怀特构想并在1942年5月的《美国光学》杂志上发表题为“Long Optical Paths of Large Aperture”的论文。
怀特池由三个曲率半径相同的球面反射镜组成，其基本的构造如图1所示。前反射镜（场镜）与两个并排的后反射镜（目镜）相对放置，两组反射镜之间的距离为它们焦距的2倍。光从邻近前反射镜的F0点上的光源射出，被第一后反射镜聚焦于前反射镜表面上F1点上，前反射镜再把光反射到第二后反射镜上，通过第二后反射镜把光再次聚焦于前反射镜上F2点上，该光线被第一后反射镜再次聚焦于F3点上，如此反复，在前反射镜的表面上形成两组焦点F1、F3、F5……和F2、F4、F6……。最终，在n次反射后，被第二后反射镜反射的光偏出前反射镜的一侧，并聚焦于点Fn上，同时被探测器收集到，通过对光进行光谱分析，检测出该光线通过该物质后的光学吸收光谱。
由上述描述显而易见，从光源射出的光被重复聚焦，目的是使长距离传输后发散效应最小化，发散效应在非点状光源和非理想准直系统中较为常见，这使得怀特池对弧光灯非常有效。怀特池是一个优良的多次通过的光池，即使实际应用中会有一些改变，如结合赫里奥特单元、衰减谐振器、积分球面等等的应用。
典型的怀特池具有一个大的场镜和与其有些距离的两个小的可调目镜，这些反射镜在光学上具有可调的偏离和倾斜，偏离和倾斜用于确保光从光源射出后在怀特池中进行准直并能够到达探测器，偏离调节控制的是在光路平面的方向上进行，倾斜调节控制的是在垂直于光路平面的方向（这里同样被称为垂直纸面方向）上进行。
怀特池需要考虑的一个重要因素是机械紧凑性，由于怀特池光学布局，使器件平行于池的垂直平面会使池更加耐用，这是因为任何光路径的偏离会得到场镜上奇数次反射的补偿。在水平方向上，器件的弯曲将给光准直带来更为严重的影响。
第一后反射镜（光线首先到达的后反射镜）有一个偏离角度的调节以使入射光到达前反射镜形成一个聚焦点，通常需要调整好两个后反射镜的倾斜度以便于入射到怀特池的光线和从怀特池射出的光线能在同一平面上，一旦怀特池被设置好，只有第二反射镜的偏离角度（这里定义为                                                
Figure 506783DEST_PATH_IMAGE001
）是可调的，用来改变光通过池的次数，通过次数可用
Figure 235705DEST_PATH_IMAGE002
描述，这里n为光入射到前反射镜的次数。
通常，怀特池第二后反射镜角度调节是在检测前进行的，通过设置光通过的次数可用来优化或改变仪器的灵敏度。
给定样本的浓度能通过物质对光的吸收率计算得出，根据朗伯-比尔定律，吸收率与物质的浓度、光通过的路径长度成比例，它们之间的关系如下式：
Figure 314519DEST_PATH_IMAGE003
其中A为吸收率，I0为给定波长的入射光的光强，I为传输光的光强，ε为常量（消光系数），c为物质的浓度，L为光路程长度。因此，对于固定传输路径，传输光的光强与浓度成比例，浓度可以通过测量I 和 I 0 .计算得出。
入射光强I 0 可通过往测量池中充入非吸收流体介质如氮气测量得出，这就意味着，必须提供合适的流体介质才能获得零点读数，这将带来难题，特别是测量系统已经被安装好后。如果找不到非吸收介质或缺少零点读数，会导致零点错误产生。
另一个潜在的问题是，当介质浓度非常高时，吸收率达到100%，朗伯-比尔定律将失效，导致非准确的（低）浓度读数。
当CCD (电耦合器)传感器被用于探测传输光时，探测器像素的改变将导致更严重的读数失真。
发明内容
本发明的目的是提供一个用于光学吸收光谱的装置和一个光学吸收光谱的方法以减少上述的缺陷。
美国专利US 4,291,988揭示了一个自动路程变化系统，在该系统中，大气含量的测定可以通过多程池在长短路程的变化获得。
美国专利US 7,288,770揭示了一个便携式的大气监视系统，用UV光谱在一个开放的大气中或在一个怀特池的样本腔内探测物质的化学成分。通过收集全光谱数据点和用多个反射镜形成一个长的光束路程，系统的灵敏度和准确性性被极大提升。
美国专利US 5,838,008揭示了利用怀特池通过FTIR（红外傅里叶变换）光谱来确定气体浓度。
美国专利US 6,748,334揭示了一个基于怀特池的气体分析系统。
本发明的一方面是提供一个光学吸收光谱装置，包括一个光源，一个用于检测通过样本的传输光的光学吸收光谱的探测器，一个或多个使传输光反射并多次通过样本的反射镜，一个可驱动的调节器，用于调节至少一个可调的光学器件，以控制传输光通过样本的反射次数从而改变传输光的光路程长度，可驱动的调节器用于驱动可调的光学器件，使其在对应于不同的光路程长度的一定范围内连续或准连续地变化，探测器用于在可调的光学器件被调节的时候连续地或准连续地检测传输光，以确保探测器在可调的范围内检测到传输光的变化。
通过探测传输光在不同光路程范围的变化就能人为地获得零点而不需要往样本腔体内充入非吸收介质，从而自动校准本装置。长短路程长度之间的快速变化也能实现微分路程长度分析。依据样本中目标流体的浓度，本装置的灵敏度可以动态设定，这样，就给同时分析包含高低不同浓度的目标流体的混合气体带来便利。
通过连续地或准连续地驱动可调的光学器件在一个可调范围内调整，这样就能得到不同的光路程长度，当可调的光学器件被调节时，探测器连续地或准连续地对传输光进行检测，当传输光的最大强通过探测器时，便能探测到其最大值，这样，既提高了装置的精确度同时减少了非准直带来的误差。
这里所说的“连续或准连续”包括以下形式：可调的器件被连续性调节（即平滑的移动，如匀速地）或准连续性调节（即其移动相当于连续的移动），准连续移动可通过以下方式实现：例如，调整过程为一系列小的步骤，这种小步骤可通过步进电机、轮轴或伺服电机（不论其连续性旋转或采用分立位置）的驱动来实现。然而，在准连续调节的情况下，这些步骤性的调节必须在足够频率下进行，以使其调节效果与连续性调节效果一样。光谱仪对光强的反馈可确定其位置（也就是说辨别出光的射出位置或通过次数），优选地，在一个完整的系统中实现。调节的精度必须足够高以实现上述目的，光通过的调整在本质上可以是连续的或者是不连续的。
什么是“足够快的频率”取决于系统运转的环境，足够快的频率包括但不限于以下情况：
1. 当本方法被用于校准漂移（提供零点），调节必须以足够快的频率进行以减少漂移同时保持高的精度。
2. 当本方法被用于探测气体浓度，气体浓度不发生变化或线性改变或以一特定方式改变时，调节频率必须足够快。
3.当本方法用于不同浓度范围（在ppb到ppm之间）的测量，此时，气体浓度测定需要在变化的光路程长度上进行，调节必须以足够快的频率进行以使系统在线性范围内响应。
4. 当本方法用于保持光线的准直性，调节必须以足够快的频率进行以识别光强迅速下降的位置和非准直情况的发生。
5. 当吸收光的气体只含一种宽光谱吸收特性，调节必须以足够快的频率进行以满足光谱的分析方法的要求。
可调的光学器件可以是一个反射镜或其他光学器件（例如折射器件）只要其能够改变光路路程和光线反射经过样本腔的次数即可。
可驱动的调节器可由分离的驱动仪器或调节仪器组成，例如，由一个驱动马达和一个调节旋钮组成，可选地，可驱动的调节器可由一个独立的变频器构成。
优选地，本装置包括一个怀特池，其包括一个前反射镜和第一及第二后反射镜，调节器用于调节至少一个反射镜的角度位置。优选地，调节器用于调节第二后反射镜的偏离角度。
调节反射镜的角度可以改善探测器接收的光的量，同样也能实现把光从探测器上移开而不需要关闭光源，这样，使暗场和散射效应被估算出来。
可驱动的调节器用于连续或准连续地驱动可调的光学器件，例如，驱动方式可以是通过一个马达匀速地驱动调节器，或者，一个步进电机驱动调节器并使光学器件在一系列分离的小步骤中被调节。
本装置可包含一个测量池以容纳样本流体，优选地，包括将流体引入和排出测量池的传输仪器，可选地，在一些环境下使用开放式的设备来监控周边的流体。
本装置优选地包括一个分析仪器来分析样本腔内样本的光吸收特性，这是通过记录和分析在光路程改变时被探测光的变化实现的。
优选地，分析仪器用于分析样本流体的吸收特性和传输光的光路程长度之间的关系，分析仪器优选地通过已经测量的吸收值来推算零吸收值。分析仪器用于通过微分的分析方式来分析样本流体的光学吸收特性。
本装置可以包含一个控制器，用于控制所述可驱动的调整器，控制器可以控制其他影响本装置运行的因素，例如，样本流体进入样本腔的流动过程，又如气温、压力和湿度等环境因素。
优选地，本装置用于分析气体的光吸收特性，当然，也可以用来分析液体。
优选地，本装置用于分析样本流体的紫外光或紫外-可见光的光学吸收特性，可选地，也可以用于分析可见光或红外光谱范围内的光学吸收光谱。
优选地，可驱动的调节器用于驱动可调的光学器件在一个对应于3个或以上不同的光路程长度的设定的可调范围内变化，取得3个或以上不同的光路程长度对应的读数，有利于分析仪器确定光路程长度与光强之间是否存在非线性效应，这样可以避免因朗伯比尔定律的非线性效应带来不准确性。
本发明的一个优选的实施例是提供这样一个系统，这个系统通过让光通过流体物质并与其发生物理相互作用进而测量流体中一种或多种成分，这里，传输光通过流体的光路程长度可动态地改变。
优选地，流体装载在多程（multi-pass）测量池内，优选地，多程测量池为怀特池，池内的一个或多个反射镜可动态地调节以使光路程长度发生改变。
通过微分分析多次通过池的光线的动态吸收特性可用于确定零点读数。
多个光路程长度、与光路程长度有关的零点和吸收特性可用于确定待测混合物的浓度和本装置的其它系统参数。
优选地，经过流体的传输光在紫外光或紫外-可见光的光谱范围内。
优选地，该系统纠正诸如温度、流量、压力和湿度的内环境因素，这些因素在池内被同步测量。在校准和操作过程中，气体的流量被能随意地控制。
优选地，该系统纠正如反射率和散射的系统影响因素，也可结合微分分光测量和非微分分光测量以改善测量。
优选地，系统动态地选择光路程长度以调节基于一种或多种被测物质浓度时的灵敏度。
根据本发明的另一个方面，本发明提供这样一个方法，该方法通过光学吸收光谱测量流体中的一种或多种成分，方法包括：反射光多次通过样本腔内的流体；在一个设定调节范围内连续或准连续地驱动可调的光学器件以改变光的反射次数和光通过流体的光路程长度；当可调的光学器件在一个设定范围内被驱动时，连续或准连续地检测传输光；当可调节的器件发生改变时，检测传输光的改变并分析传输光在不同光路程长度时的吸收特性；通过对不同光路程长度下光学吸收特性的改变以确定流体中一种或多种成分的浓度。
本方法优选地包括用一个或多个反射镜以反射传输光并通过调节一个以上反射镜以改变光路程长度。
本方法优选地包括使传输光通过用怀特池装载的流体。
本方法优选地包括把流体装载在一个测量池内。
本方法优选地包括随着调节装置改变而检测传输光的变化情况，并分析在三个或三个以上不同光路程长度时光学吸收光谱的情况。
在一个优选的实施例中，本发明涉及一组可实现的方法，即当测量池的自动机械调节第二后反射镜的偏离角后，一系列关于气体/液体的精确分析程序能被动态地完成。在一个优选的实施例中，本发明同时涉及运用这一组方法的多程测量池。
附图说明
本发明的一个实施例将结合以下附图进行说明：
图1是一个标准怀特池的光学构造平面图。
图2是一个依据本发明实施例的光学吸收光谱装置的示意图。
图3是描述到达探测器的光强和图2中所示的装置中第二目镜偏离角之间关系的曲线图。
图4是描述图2所示装置中光通过的次数或路程长度与计算得出的吸收率特性之间关系的曲线图。
具体实施方式
图1示出了标准怀特池2的光学构造，怀特池由三个曲率半径相同的球面反射镜组成：前反射镜（场镜）4与两个并排设置的后反射镜（目镜）6、8，前反射镜与两个后反射镜相对设置。通常，这几个反射镜被放置于一个测量腔内（未画出），测量腔具有进口及出口，可使样本流体（气体或液体）进入或排出。在一个分析气体样本的装置中，前反射镜4与后反射镜6、8之间的距离通常为大约80cm（虽然更大的或更小的器件都可以采用）。
光源10，以氙气弧光灯为例，有一组光源透镜组12放置在前反射镜4的边缘。优选地，光源10具有宽的光谱，能提供紫外光（UV）或紫外-可见光（UV-V）的光谱范围，当然，也可选地使用红外光（IR）光源。
探测器14和一个关联的探测透镜组16位于前反射镜4另一侧的边缘，探测器14可以是带有衍射光栅（未画出）的CCD探测器，光栅用于选择探测器所检测的光的波长。探测器14可被放置于很接近前反射镜4的地方或远离前反射镜以通过光传输器件（未画出）来接收光，光传输器件可以是光纤。光被接收后用于被光谱仪进行分析以确定光通过的物质的吸收光谱。
前反射镜4和后反射镜6、8之间的距离为它们焦距的2倍，因而使从光源10射出的光被重复聚焦于前反射镜表面上。本实施例中，从光源10射出的光被第一后反射镜6聚焦在前反射镜的表面上的F1点上。前反射镜4被设置成使光反射到第二后反射镜8上，后反射镜8把光再次聚焦于前反射镜上中心点F2上，该光线被第一后反射镜6再次聚焦于F3点上，最终，光被第二后反射镜8反射到探测器14上。因此，在本实施例中，光八次通过腔体，形成了八倍于前后反射镜之间距离路程长度。
怀特池通常具有一个调节机构，如旋钮，用来手动地调节第二后反射镜8的偏离角φ，使反射镜围绕垂直于装置平面（光源10和探测器14轴线所在的平面）的轴线转动。在图1中，偏离角调节方向如箭头18所示。通过调节偏离角，光的反射的次数（进而影响光路程长度）发生改变，这样，使得装置的灵敏度得到控制：对于一个低浓度的目标物质而言，可以调节偏离角以获得多次的反射和较长的光路程长度，从而获得高的灵敏度。对于高浓度的目标物质而言，要获得低的灵敏度，调节偏离角以获得较少的反射次数和较短的光路程长度。基于目标物质的浓度范围，合适的光路程长度应事先确定好。
偏离角也能被细微地调节以使传输光精准地通过探测器14的中心线，进而得到最大的灵敏度。遗憾的是，因为多次内反射和长距离的光路程，装置对于准直误差高度敏感，这将显著影响装置的精度和灵敏度。在使用过程中装置机械应力也会导致准直误差的产生。在传统的操作过程中，反射镜的偏离角通常在测量前或不同测量之间就被调节好：单次的测量过程中不予调节。
本发明的一个实施例的光学吸收光谱装置如图2所示。在本实施例中，装置用于分析气体样本，该装置包括一个放置于怀特池2内的腔体20；两个风扇22，用于通过进出口（未画出）引入和排出气体样本。风扇22连接到中央处理器（CPU）24上；中央处理器24用于自动控制装置的运转或用于响应操作员的控制指令。
光谱装置包括一个机械执行机构26，执行机构26与第二后反射镜8相连以调节反射镜的偏离角，执行机构26可以是一个带关联控制器的伺服马达或是步进电机或其它能使反射镜在一个偏离角内连续或准连续转动的执行机构。执行机构26与CPU 24相连，CPU 24用于自动控制装置的运转或用于响应操作员的控制指令。
探测器14（光谱仪）也与CPU 24 相连，探测器14发送给CPU一个表示探测光的光强的信号，当然，光源10也可以与CPU 24连接以便受CPU的控制。
工作时，样本被 引入测量腔20，光源10和探测器14启动，传输光的光强读数被连续或准连续地从探测器14发送给CPU 24，读数被记录并用于分析，执行机构26调节第二后反射镜8的偏离角。随着偏离角的角度改变，光在偏离出前反射镜之前，其在前后反射镜之间来回的反射次数也随之变化，光路程长度因而逐步地增加或减少，每一步相当于前反射镜4和后反射镜6、8之间单程距离的四倍。装置于是快速能测得一系列在不同光路程长度时的光强测量值。
调节后反射镜8偏离角的另一个作用是，当反射镜转动时，传输光偏离出前反射镜4的角度也发生改变。传输光将扫描通过探测器14的孔径，因此，传输光到达探测器14的光强随着偏离角φ的变化而得到一系列峰值，如图3所示。随着偏离角和路程长度增加，因为光的吸收量的增加，这些峰值会的幅度降低。在峰值之间，有一些传输光并未入射到探测器的点，从而没有检测值。然而，正因为传输光是扫描通过探测器，每个峰值都是最大的光强，光被探测器很好的准直，这样，可避免由外来因素引起的非准直带来的问题。
此外，通过检测光强的变化和其与偏离角度有相反的关联性，能够找到最适合反射镜位置，这将随后被用于设置反射镜的位置。
另外，当调节反射镜使光在探测器外而不被检测到，可以获得暗场和其它散射效应的测量，而不需要关闭光源灯。
得到一系列在不同光路程长度时传输光的光强值读数，能绘制出样本吸收特性与光路程长度之间曲线，如图4所示。这样便可以推算出在光路程长度为零时的吸收特性，而不需进行一次零光路程长度的测量，如在腔体中充入非吸收流体。
零光路程长度时吸收值应该是零，因在零光路程长度时应该没有吸收。然而，在实际情况中，如前面所提到的，零点误差错误可能出现。本方法能为零点误差提供补偿。
此外，代表吸收率特性和光路程长度的直线斜率可以通过对比不同的光路程长度计算确定，斜率的任何显著变化如图4中A所示，其表示为在该范围内的数值不遵从朗伯比例定律的线性关系。这可能发生在被测流体为高浓度时，吸收达到100%。如过进行了三次或三次以上的测量，非线性的范围可以被找到。通过去除这些非线性范围区域，仅使用线性范围的区域计算浓度值，可获得关于浓度的精确测量。
通过本方法获得大量的读数同样可以提升浓度的计算精度。在这里，可以进行重复测量，例如，来回地在一定范围内通过不同的光路程长度进行扫描，这通常是在足够快的频率下进行，此时，光调节器件的改变快于池内有效气体浓度的改变，同时快于其它系统上的改变，这样，这里所揭示的光谱分析方法能被用于获得更多气体含量的信息。
此外，通过比较在短光路程长度和长光路程长度的吸收光谱，可实现对样本的微分光路程长度分析。
以下说明计算目标样本物质浓度的方法。
本申请采用紫外（UV）光的光谱可分析宽带光通过池内流体的吸收光谱特性。在近似计算情况下，根据朗伯比尔定律，光吸收率如下：
其中，T（λ）是波长为λ的光的透射率，I（λ）为光通过流体后的光强，I 0 （λ）为入射到流体的光强，L为光路程长度，c是吸光流体的浓度（如分子的摩尔密度），σ（λ）是通过流体截面固有的吸收率。同样的
Figure 646460DEST_PATH_IMAGE005
用吸光率D来表示，可以得到：
Figure 597099DEST_PATH_IMAGE006
其中微分吸收光谱（其特点是只随着波长而快速发生变化）是多（K）个种类时，I0′（λ）是在不存在微分光谱时的吸收光强，能在数学上近似表示。
本发明的一个方面是提供一种方法，包括在多程测量池中自动机械地改变光路程长度以实现动态的精确分析。为达到这样的目的，可通过调节怀特池的第二后反射镜的偏离角。机械调节包括位置调节或连续运动的伺服马达调节，虽然其它形式的马达（比如步进电机）也同样适合。
本发明的另一方面涉及一个用本方法设置的多程测量池（例如怀特池）。
伺服电机被安装在怀特池的后部，位于流体腔外，并与第二目镜联动，通过一个细牙螺纹或差动旋钮进行细微调节。这样的调节能够快速地增加或减少光路程长度，从而改变怀特池中流体与UV光接触量。
这样的设计用于：
1. 调节侧平面上光路程长度以获取光学上最佳的输出光，这样是利用了光谱仪同步地测量任何被调节的光强，因而提供了最佳的反射镜位置的信息反馈。图3显示了光强的峰值如何随着偏离角的变化而变化。
2.  把光从路径上移开而不需要关闭光源以获得所称的暗场和/或散射效应，其结果是不需要关闭光源灯。
3. 通过对多程光路程长度相互关系的计算获得一个人工计算的零点而不需要往腔体内充入非吸收物质（如在气体分析时的氮气）。这种自动修正极大地改善了该领域内单元的耐用性。这些连续的点（根据推断）可用于推断零光路程长度的吸收率，即背景吸收率。背景吸收率的获得能极大帮助改善低探测时的限制。另外，通过多程光路程长度相互作用可计算并去除非对数线性效应。图4示出了上述构思。
4.  少的通过次数和多的通过次数（例如，短的光路程长度与长的光路程长度）之间的稳定关系，使得微分路程长度分析得以进行。为确保在分析过程中池内存在的气体/液体浓度不发生变化，任何泵或者风扇在这期间均需保持不动。相比于伺服电机的响应时间（和取样周期）或分析过程，池内气体/液体的浓度的变化需要更为缓慢，这种类型的校准能在池内存在气体/液体的情况下快速地进行。其他因素，如基于温度的背景校准变化（如像素灵敏度，UV光源灯特性），相对于分析过程的变化也是应该更加缓慢的。由于不需要进行零点校准或量程校准，这是一个非常有用的技术。总的来说，这些方法进一步基于诸如DOAS（差分光学吸收光谱）这样的技术，而DOAS技术是目前需要校准最少的绝对的测量浓度的方法。
这可以通过以下两种方式实现：
a．光通过次数分别为m次和n次、光路程长度差为ΔL，在窄带情况下只考虑光通过增加的光路程长度时气体/液体产生额外的吸收
Figure 43386DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 395870DEST_PATH_IMAGE008
，两个微分光谱的比值是
Figure 338418DEST_PATH_IMAGE009
在只有一个吸收源的情况下，或
Figure 776353DEST_PATH_IMAGE010
在具有K个吸收源的情况下。
b. 相比于传统的UV光谱，完全吸收光谱（即包含宽带和窄带特性）能够适用于宽带吸收体。在传统的分析中，窄带背景如像素灵敏度能通过使用低通滤波器或通过使用中等密度的滤波器从反射镜的宽带校准中分离出来。这个技术在超宽光谱气体/液体吸收（比如大气层中的臭氧）中尤为有用。此外，对某种既有窄带特性又有宽带特性的物质最为适用，这时
Figure 259287DEST_PATH_IMAGE011
对应于两个不同光路程长度时的不同光强。这里，我们假定任何瑞利和米氏散射效应都可忽略的或能用数字表征。而且，一系列宽的截距吸收线能表示为：
Figure 731856DEST_PATH_IMAGE012
其中，f用于表示相关的光在总的光路程长度内经过的次数，因此
考虑到反射率曲线
Figure 770536DEST_PATH_IMAGE014
取决于一系列变化的光路程长度吸收光谱（或事先已测好）的截距，这一曲线也能用于纠正宽带吸收光谱
Figure 57161DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 118658DEST_PATH_IMAGE015
可用于确定浓度。
5.  结合4a和4b，当混合物包含几种同时具有窄带和/或宽带特性的流体时，波长范围和基于物质种类的物质浓度的推算可以通过统计拟合得出，比如偏最小二乘回归分析，基于局部波长范围和多个窄带特性的特点，在测量前可以先确定权重。
6. 依据测量得到的浓度，本装置的灵敏度可以动态地调节，这可以避免进入朗伯比尔定律的非线性范围-如在被测浓度是百万份之一（ppm）或十亿份之一（ppb）时，在混合物包含有高浓度物质和低浓度物质时，这个技术同样非常有效。
总体来说，本发明的优选实例是提供一些装置和一套系统方法，优选地使用UV光谱，动态地或连续地探测以及确定一些化学物质的量，特别是环境中的污染物。本发明提供了怀特池自动机械调整器件和伴随的分析方法，用于改进测量分析腔体内一种或多种流体的浓度，优选的方法包括零点测量并扩展到传统的及微分光学吸收光谱分析法。
本发明的实例提供一些装置和一套系统方法，优选地使用UV光谱，动态地或连续地探测以及确定一些化学物质的量，特别是环境中的污染物。发明的实例以怀特池的自动机械调整器件和伴随的分析方法为特征，用于改进测量分析腔体内一种或多种流体的浓度。优选的方法包括零点测量并扩展到传统的及微分光学吸收光谱分析法。

Claims (18)

1.光学吸收光谱装置，包括
光源；
探测器，用于检测从所述光源射出的传输光通过样本后的光学吸收光谱；
一个或多个反射镜，用于将所述传输光多次反射经过所述样本；
可驱动的调节器，用于调节至少一个可调节的光学器件，以便通过控制所述光反射通过所述样本的次数来改变所述传输光的光路程长度，所述可驱动的调节器用于在对应于不同的光路程长度的可调节的范围内连续地或准连续地驱动所述可调节的光学器件；
所述探测器用于在所述可调节的光学器件被调节时连续地或准连续地检测所述传输光，使所述探测器检测所述传输光在所述可调节的范围内的变化。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述装置具有一怀特池，所述怀特池包括一前反射镜以及第一与第二后反射镜。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：
所述调节器用于调节至少一个所述反射镜的角度。
4.根据上述任一项权利要求所述的装置，其特征在于：
包括一装载样本的测量池。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：
包括一用于将样本引入或排出所述测量池的流体传输部件。
6.根据上述任一项权利要求所述的装置，其特征在于：
包括一用于通过分析不同光路程长度的被检测的光的变化来分析所述样本中样本流体的光学吸收特性的分析仪器。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：
所述分析仪器用于分析样本流体的吸收特性与所述传输光的光路程长度之间的关系。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：
所述分析仪器用于通过对已经测量出的吸收值的推算来确定零吸收值。
9.根据权利要求6至8任一项所述的装置，其特征在于：
所述分析仪器用于通过微分分析方法对样本流体的光学吸收特性进行分析。
10.根据上述任一项权利要求所述的装置，其特征在于：
包括一用于控制所述可驱动的调节器的控制器。
11.根据上述任一项权利要求所述的装置，其特征在于：
所述装置用于分析气体的光学吸收特性。
12.根据上述任一项权利要求所述的装置，其特征在于：
所述装置用于分析样本流体的紫外光或紫外-可见光的光学吸收特性。
13.根据上述任一项权利要求所述的装置，其特征在于：
所述可驱动的调节器用于在对应于三个或以上的不同光路程长度的可调节范围内连续地或准连续地驱动所述可调节的光学器件。
14.通过光学吸收光谱测量流体中一种或多种成分的方法，包括
a. 将光多次反射通过样本中的流体；
b. 在可调节的范围内连续地或准连续地驱动一可调节的光学器件，以改变所述光被反射的次数和所述光传输通过所述流体的光路程长度；
c. 在所述可调节的光学器件在所述可调节的范围内被驱动时，连续地或准连续地检测所述传输光；
d. 检测所述传输光随所述可调节的范围改变而变化的情况，并分析所述传输光在复数个不同的光路程长度下的光学吸收光谱；以及
e. 从变化的光路程长度的光学吸收光谱中确定所述流体中一种或多种成分的浓度。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：
包括通过一个或多个反射镜反射所述传输光，并通过对至少一个所述反射镜的调节来改变所述光路程长度。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于：
包括使用怀特池让光穿过所述流体。
17.根据权利要求14至16任一项所述的方法，其特征在于：
包括将所述流体装载在一个测量池内。
18.根据权利要求14至17任一项所述的方法，其特征在于：
包括检测所述传输光随所述可调的范围的改变而变化的情况，并分析所述传输光在三个或多个不同的光路程长度下的光学吸收光谱。
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