CN109374545A - 一种教学用小型化智能分光光度计系统及光谱分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种教学用小型化智能分光光度计系统及光谱分析方法。本发明采用第一智能手机，集成了宽谱光源和单色器两个部件的功能，极大简化了光路，降低成本；采用第二智能手机采集二维图像，并且在吸收光谱分析部分，将采集图像亮度平均值作为计算光强，减小实验误差，降低对暗室环境和光源的要求；自主研发的集成化软件，一键式完成数据的采集、上传及分析的过程；本发明取材源于生活，在自主研发的分析方法配合下，实现了低成本、定量化的采集，并具备高度的自动化和智能化，对教学实验具有非常重要的价值；本设备体积小、质量轻，便于教学。
Description
技术领域
本发明涉及教学器材领域，具体涉及一种教学用小型化智能分光光度计系统及光谱分析方法。
背景技术
分光光度计，又称光谱仪，是利用分光光度法定量测定被测物质在一定波长范围内光的吸收度的科学仪器，由光源、单色器、样品池、检测器及信号分析设备等五部分组成。具体实现过程是采用一个宽光谱连续波长的光源，通过系列分光装置，从而产生特定波长的光源，光线透过测试的样品后，部分光线被吸收，通过测量出射光的强度，来计算样品的吸光值。
分光光度计在生物教学中的多个重要实验课程和教学内容中均有应用，例如在人教版高中生物必修一《分子与细胞》第5章第4节“能量之源——光与光合作用”。实验“绿叶中色素的提取和分离”是高中生物的重要实验课程，但在内容编排上，教材在实验后直接给出分光光度计检测光合色素吸光率图像，缺少学生自主探究的过程。
目前市场上均为传统型分光光度计，包括以722型为代表的手动式分光光度计和以TP720型为代表的自动式分光光度计，每次在使用前需要预热和标定，同时存在价格高、体积大、不便移动、操作复杂等问题，不适合在教学中的推广。另一方面，分光光度计的理论框架和制作技术相对成熟，在追求小型、准确、快速、可靠的同时,智能化成为了分光光度计新的增长点。现在虽然有出现一些简易小型分光光度计的设计思路，但部分仍局限在传统分光光度计的设计理念下，缺乏智能化方面的创新。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种教学用小型化智能分光光度计系统及光谱分析方法；利用生活中已普及的智能手机，承担分光光度计的光源/单色器和检测器两部分功能，在自主研发的分析方法配合下，实现了低成本、定量化的采集，并具备高度的自动化和智能化，对教学实验具有非常重要的价值。
本发明的一个目的在于提出一种教学用小型化智能分光光度计系统。
本发明的教学用小型化智能分光光度计系统包括：光路固定腔、第一智能手机、比色皿、第二智能手机和计算机；其中，光路固定腔包括壳体、隔板、屏幕通光窗口和摄像头拍照窗口，在壳体的内部设置隔板，将壳体内部分成两个独立的光源腔室和样品腔室，在隔板上设置有屏幕通光窗口，在与隔板相对的样品腔室的侧壁上设置有摄像头拍照窗口，第一智能手机安置在光源腔室内，第一智能手机的手机屏幕平行正对着屏幕通光窗口，待测样品放置在比色皿内，比色皿安装在样品腔室内，并且比色皿紧贴摄像头拍照窗口；第二智能手机紧贴在光路固定腔的样品腔室外，第二智能手机的摄像头平行正对着摄像头拍照窗口；第一智能手机的手机屏幕、屏幕通光窗口、比色皿、摄像头拍照窗口和第二智能手机的摄像头共轴；第一智能手机和第二智能手机通过网络连接至计算机；计算机控制第一和第二智能手机同步，第一智能手机作为单色光源依次显示纯色图片，输出单色光，计算机控制显示的纯色图片的单色光的波长依次增加；单色光照射在比色皿内的待测样品上；经过待测样品的透射光由第二智能手机的摄像头接收，采集二维图像并传输至计算机；计算机控制第一和第二智能手机的时序，接收二维图像，进行吸收光谱分析并显示。
第一和第二智能手机采用具有图像显示和拍照功能的手机，安装有安卓(Android)操作系统或者苹果公司的移动操作系统(IOS)。第一和第二智能手机与计算机的网络连接采用有线连接或无线连接。本发明采用第一智能手机，集成了宽谱光源和单色器两个部件的功能，极大简化了光路，降低成本。传统分光光度计是线光源照射在待测样品上，对光照强度、背景噪声的要求高，本发明采用第二智能手机采集二维图像，并且在数据分析部分，将采集的二维图像亮度平均值作为计算光强，减小实验误差，降低对暗室环境和光源的要求。
智能手机具备了先进的屏幕显示技术，能够发出均匀的广色域光源，因此能够作为具备单色显示功能的光源；另一方面智能手机也具备了高灵敏度的光电传感器相机，能够捕捉敏感的光线变化。
比色皿通过底座安装固定在光路固定腔的样品腔室内。
第二智能手机通过固定装置固定紧贴在光路固定腔的样品腔室外，从而第二智能手机的摄像头贴合比色皿。
光路固定腔采用不透光的材质，如硬纸板或塑料。
计算机控制第一智能手机显示的纯色图片的单色光为可见光。
本发明的另一个目的在于提供一种教学用小型化智能分光光度计系统的光谱分析方法。
本发明的教学用小型化智能分光光度计系统的光谱分析方法，包括以下步骤：
1)将第一智能手机安置在光源腔室内，第一智能手机的手机屏幕平行正对着屏幕通光窗口；比色皿内空置或者盛放溶剂，安装在样品腔室内；将第二智能手机紧贴在光路固定腔的样品腔室外，第二智能手机的摄像头平行正对着摄像头拍照窗口；第一智能手机的手机屏幕、屏幕通光窗口、比色皿、摄像头拍照窗口和第二智能手机的摄像头共轴；第一智能手机和第二智能手机通过网络连接至计算机；
2)计算机控制第一和第二智能手机同步；
3)计算机控制第一智能手机作为单色光源显示纯色图片，输出单色光；
4)单色光照射在比色皿内；
5)经过比色皿的透射光由第二智能手机的摄像头接收，采集二维图像，并传输至计算机；
6)计算机控制显示的纯色图片的单色光的波长增加，重复步骤3)～5)，直至完成设定波段；
7)计算机得到第二智能手机采集对照组的二维图像；
8)将待测样品直接放置在比色皿内，或者将待测样品溶于溶剂放置在比色皿内，然后将比色皿安装在样品腔室内，重复步骤2)～6)，计算机得到实验组的二维图像；
9)计算机进行吸收光谱分析并显示。
其中，在步骤9)中，计算进行吸收光谱分析并显示，包括以下步骤：
a)计算机将对照组的二维图像和实验组的二维图像分别转换为亮度模式，并提取亮度平均值，分别得到对照组接收光强和实验组接收光强；
b)根据收率计算公式，计算不同波长下的吸光率a：
其中，I0是入射光强，即对照组接收光强；I是出射光强，即实验组接收光强；
c)把波长设为x轴，并把吸光率a设为y轴，显示光合色素的吸收光谱。
对于需要溶于溶剂中的待测样品，在对照组中，比色皿内为溶剂；对于不需要溶于溶剂中的待测样品，在对照组中，比色皿内空置。
本发明的优点：
本发明采用第一智能手机，集成了宽谱光源和单色器两个部件的功能，极大简化了光路，降低成本；采用第二智能手机采集二维图像，并且在吸收光谱分析部分，将采集图像亮度平均值作为计算光强，减小实验误差，降低对暗室环境和光源的要求；自主研发的集成化软件，一键式完成数据的采集、上传及分析的过程；本发明取材源于生活，在自主研发的分析方法配合下，实现了低成本、定量化的采集，并具备高度的自动化和智能化，对教学实验具有非常重要的价值；本设备体积小、质量轻，便于教学。
附图说明
图1为本发明的教学用小型化智能分光光度计系统的一个实施例的示意图；
图2为本发明的教学用小型化智能分光光度计系统的光谱分析方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的教学用小型化智能分光光度计系统包括：光路固定腔、第一智能手机4、比色皿2、第二智能手机5和计算机6；其中，光路固定腔包括壳体、隔板、底座、屏幕通光窗口13和摄像头拍照窗口14，在壳体的内部设置隔板，将壳体内部分成两个独立的光源腔室11和样品腔室12，在光源腔室11和样品腔室12上覆盖有遮光盖15，在隔板上设置有屏幕通光窗口13，在与隔板相对的样品腔室的侧壁上设置有摄像头拍照窗口14，光源腔室的宽度稍大于第一智能手机的厚度，第一智能手机4卡在光源腔室11内，第一智能手机的手机屏幕平行正对着屏幕通光窗口13，待测样品放置在比色皿内，比色皿2通过底座3安装在样品腔室12内，并且比色皿紧贴摄像头拍照窗口；第二智能手机5紧贴在光路固定腔的样品腔室外，第二智能手机的摄像头平行正对着摄像头拍照窗口14并贴着比色皿2；第一智能手机的手机屏幕、屏幕通光窗口、比色皿、摄像头拍照窗口和第二智能手机的摄像头共轴；第一智能手机4通过无线网络连接计算机6，第二智能手机5通过有线网络连接至计算机。
本实施例的教学用小型化智能分光光度计系统的光谱分析方法，包括以下步骤：
1)将第一智能手机安置在光源腔室内，第一智能手机的手机屏幕平行正对着屏幕通光窗口；在比色皿中盛放无水乙醇，将比色皿安装在样品腔室内；将第二智能手机紧贴在光路固定腔的样品腔室外，第二智能手机的摄像头平行正对着摄像头拍照窗口；第一智能手机的手机屏幕、屏幕通光窗口、比色皿、摄像头拍照窗口和第二智能手机的摄像头共轴；第一智能手机和第二智能手机通过网络连接至计算机；
2)计算机控制第一和第二智能手机同步；
3)计算机控制第一智能手机作为单色光源显示纯色图片，输出单色光；
4)单色光照射在比色皿内；
5)经过比色皿的透射光由第二智能手机的摄像头接收，采集二维图像，并传输至计算机；
6)计算机控制显示的纯色图片的单色光的波长间隔5nm增加，重复步骤3)～5)，直至完成400～670nm波段；
7)计算机接收第二智能手机采集对照组的二维图像；
8)将光合色素作为待测样品溶于溶剂放置在比色皿内，然后将比色皿安装在样品腔室内，重复步骤2)～6)，计算机接收得到实验组的二维图像；
9)计算机进行吸收光谱分析并显示：
a)计算机将对照组的二维图像和实验组的二维图像分别转换为亮度模式，并提取亮度平均值，分别得到对照组接收光强和实验组接收光强；
b)根据收率计算公式，计算不同波长下的吸光率a：
其中，I0是入射光强，即对照组接收光强；I是出射光强，即实验组接收光强；
c)把波长设为x轴，并把吸光率设为y轴，显示光合色素的吸收光谱。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (9)
1.一种教学用小型化智能分光光度计系统，其特征在于，所述智能分光光度计系统包括：光路固定腔、第一智能手机、比色皿、第二智能手机和计算机；其中，所述光路固定腔包括壳体、隔板、屏幕通光窗口和摄像头拍照窗口，在壳体的内部设置隔板，将壳体内部分成两个独立的光源腔室和样品腔室，在隔板上设置有屏幕通光窗口，在与隔板相对的样品腔室的侧壁上设置有摄像头拍照窗口，所述第一智能手机安置在光源腔室内，第一智能手机的手机屏幕平行正对着屏幕通光窗口，待测样品放置在比色皿内，比色皿安装在样品腔室内，并且比色皿紧贴摄像头拍照窗口；所述第二智能手机紧贴在光路固定腔的样品腔室外，第二智能手机的摄像头平行正对着摄像头拍照窗口；所述第一智能手机的手机屏幕、屏幕通光窗口、比色皿、摄像头拍照窗口和第二智能手机的摄像头共轴；所述第一智能手机和第二智能手机通过网络连接至计算机；计算机控制第一和第二智能手机同步，第一智能手机作为单色光源依次显示纯色图片，输出单色光，计算机控制显示的纯色图片的单色光的波长依次增加；单色光照射在比色皿内的待测样品上；经过待测样品的透射光由第二智能手机的摄像头接收，采集二维图像并传输至计算机；计算机控制第一和第二智能手机的时序，接收二维图像，进行吸收光谱分析并显示。
2.如权利要求1所述的智能分光光度计系统，其特征在于，所述第一和第二智能手机与计算机的网络连接采用有线连接或无线连接。
3.如权利要求1所述的智能分光光度计系统，其特征在于，所述比色皿通过底座安装固定在光路固定腔的样品腔室内。
4.如权利要求1所述的智能分光光度计系统，其特征在于，所述第二智能手机通过固定装置固定紧贴在光路固定腔的样品腔室外，从而第二智能手机的摄像头贴合比色皿。
5.如权利要求1所述的智能分光光度计系统，其特征在于，所述光路固定腔采用不透光的材质。
6.如权利要求5所述的智能分光光度计系统，其特征在于，所述光路固定腔采用硬纸板或塑料。
7.如权利要求1所述的智能分光光度计系统，其特征在于，所述计算机控制第一智能手机显示的纯色图片的单色光为可见光。
8.一种如权利要求1所述的教学用小型化智能分光光度计系统的光谱分析方法，其特征在于，所述光谱分析方法包括以下步骤：
1)将第一智能手机安置在光源腔室内，第一智能手机的手机屏幕平行正对着屏幕通光窗口；比色皿内空置或者盛放溶剂，安装在样品腔室内；将第二智能手机紧贴在光路固定腔的样品腔室外，第二智能手机的摄像头平行正对着摄像头拍照窗口；第一智能手机的手机屏幕、屏幕通光窗口、比色皿、摄像头拍照窗口和第二智能手机的摄像头共轴；第一智能手机和第二智能手机通过网络连接至计算机；
2)计算机控制第一和第二智能手机同步；
3)计算机控制第一智能手机作为单色光源显示纯色图片，输出单色光；
4)单色光照射在比色皿内；
5)经过比色皿的透射光由第二智能手机的摄像头接收，采集二维图像，并传输至计算机；
6)计算机控制显示的纯色图片的单色光的波长增加，重复步骤3)～5)，直至完成设定波段；
7)计算机得到第二智能手机采集对照组的二维图像；
8)将待测样品直接放置在比色皿内，或者将待测样品溶于溶剂放置在比色皿内，然后将比色皿安装在样品腔室内，重复步骤2)～6)，计算机得到实验组的二维图像；
9)计算机进行吸收光谱分析并显示。
9.如权利要求8所述的光谱分析方法，其特征在于，在步骤9)中，计算进行吸收光谱分析并显示，包括以下步骤：
a)计算机将对照组的二维图像和实验组的二维图像分别转换为亮度模式，并提取亮度平均值，分别得到对照组接收光强和实验组接收光强；
b)根据收率计算公式，计算不同波长下的吸光率a：
其中，I0是入射光强，即对照组接收光强；I是出射光强，即实验组接收光强；
c)把波长设为x轴，并把吸光率a设为y轴，显示光合色素的吸收光谱。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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