CN111323380B - 分光光度计检测系统及其检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分光光度计检测系统及其检测方法。检测系统包括：光源装置，用于提供入射光束；样品容纳装置，包括多个用于容纳待测样品的容置腔；光束扫描装置，用于将入射光束反射穿过所述容置腔；光谱探测装置，用于接收穿过所述容置腔的光束，并获取穿过所述容置腔的光束的光谱。本发明公开的分光光度计检测系统在单个光源单个光谱模块的条件下实现多个样品的快速分光光度测量，消除光源强度和输出光谱波动对分光光度计的影响，提高系统探测精度，另外可以使结构更加紧凑便于集成，同时降低了成本。

Description

分光光度计检测系统及其检测方法
技术领域
本发明属于光学测量技术领域，特别涉及一种分光光度计检测系统及其检测方法。
背景技术
分光光度计利用物质的吸收光谱来推断物质成分的种类和含量。分光光度法的基本定律是朗伯-比尔定律(Lambert-Beer law)，它是描述物质对某一波长光吸收的强弱与吸光物质的浓度及其液层厚度间的关系。具体公式为：A＝LgI/I0)＝A×b×c，其中A为吸光度，I为透过光强度，I0为入射光强度，b为吸收路径的长度，c为吸光物质的浓度。
分光光度计常常采用氙灯、氘灯、卤钨灯等作为光源，这些光源都有着相对较宽的光谱可以覆盖到多个波段。这类非相干光源在工作时具有一定的强度波动，它影响了传统结构的吸收光谱仪的稳定性。再则，这些光源的光谱输出特性不够稳定，即在不同波长的输出会出现比例差异。这种光源能量输出以及光谱输出的不稳定性会给分时测量的光谱引入误差。科学仪器检测中常用加入参比光路的方法来消除光源能量输出以及光谱输出的不稳定性给测量结果带来的影响。参比光路与包含样品的检测光路相比，一般是不含任何溶质成分的溶剂。先测量包含样品的测试光路然后移动样品池测量参比光路。将朗伯-比尔定律应用在有参比的光谱测量中，表达式为：
Figure BDA0001908438700000011
Absλ表示在波长为λ位置的吸光度，I0λ表示参比光路采集的光谱；Iλ为信号光路采集的光谱。通过这种光谱相减的方式消除光源不稳定对实验结果的影响。
常见的参比光路的实现方式有两种，第一是依靠样品池的位置切换来实现参比光路与样品光路的切换。这种方式由于机械的移动精度造成复位的时候存在位置偏差，降低了系统的测量精度；第二是依靠多个光源或者光谱检测模块来实现参比光路与样品光路的同时采集。这种方式会带入新的误差，降低测量精度，如不同光源的特性差异、不同光谱检测模块的光谱响应差异。另外，双光源或双光谱检测模块也大大提高了分光光度计检测系统的成本。
测量时间对于分光光度计是一个重要的参数，首先单次测量时间决定了分光光度计是否可以应用于原位测量，比如水质参数(化学需氧量、总有机碳等)原位测量中，如果可以满足测量时间在毫秒量级完成，就几乎可以忽略由于水流带来的水体成分变化。再则，在有参比光路的分光光度计中，测量时间还决定了参比光路和样品光路在先后测量中，光源的不稳定性对两次测量结果的影响，最终影响探测精度。综上，测量快速是分光光度计的核心特性之一。
现有技术中，专利申请公开号为CN107941717A，发明名称为一种静态多样品池分光光度计的中国专利中，其采用一字排开的线性结构，然后依靠步进电机把多个样品池移动到光路位置上进行测量。整个过程样品通道越多耗时越长，“5连池”结构的一次测量要在分钟量级，并且占用了大量的空间，使系统很难小型化。
发明内容
(一)本发明所要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何在单个光源单个光谱检测模块上实现多个待测样品的快速分光光度测量。
(二)本发明所采用的技术方案
为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种分光光度计检测系统，包括：
光源装置，用于提供入射光束；
样品容纳装置，包括多个用于容纳待测样品的容置腔；
光束扫描装置，用于将入射光束反射穿过所述容置腔；
光谱探测装置，用于接收穿过所述容置腔的光束，并获取穿过所述容置腔的光束的光谱。
优选地，所述分光光度计检测系统还包括：驱动装置，用于驱动所述光束扫描装置进行分时地空间扫描，以分时、分空间地将入射光束反射穿过各个容置腔。
优选地，分光光度计检测系统还包括：多个反射镜，所述反射镜与所述容置腔一一对应，所述反射镜用于将所述光束扫描装置反射入射光束至其上的光束反射穿过对应的所述容置腔。
优选地，所述光源装置包括：
发光元件，用于发射入射光束；
光束整形器，用于将所述发光元件发射的入射光束进行准平行整形。
优选地，分光光度计检测系统还包括：具有正屈光力的第一透镜，所述第一透镜的焦点与所述光束扫描装置的中心重合，所述第一透镜用于将所述光束扫描装置分时地反射入射光束至其上的光束反射穿过各个容置腔。
优选地，所述光源装置包括：
发光元件，用于发射入射光束；
具有正屈光力的光学元件组，用于将所述发光元件发射的入射光束聚焦到所述光束扫描装置的中心上。
优选地，所述样品容纳装置包括容纳盘、第一窗盖和第二窗盖，所述容纳盘中设置有多个贯穿所述容纳盘的相对的第一表面和第二表面的通孔，所述第一窗盖设置于所述第一表面上，所述第二窗盖设置于所述第二表面上，从而形成多个所述容置腔。
优选地，所述光谱探测装置包括：
多条多模光纤，每条多模光纤包括相对的第一端面和第二端面，所述多条多模光纤的第二端面呈线性排列，所述第一端面和所述容置腔一一对应，所述第一端面用于接收穿过对应的所述容置腔的光束；
光纤光谱仪，其入射狭缝与线性排列的多个第二端面对合，所述光纤光谱仪用于接收所述第二端面出射的光束。
本发明还公开了一种液体原位分光光度计检测系统，包括外壳和上述的分光光度计检测系统，所述分光光度计检测系统设置于外壳内，所述外壳部分凹陷形成液体原位测量窗口，所述液体原位测量窗口的相对两侧分别设置有第一透光部和第二透光部，所述光束扫描装置还用于将入射光束反射依次穿过所述第一透光部和所述第二透光部，所述光谱探测装置还用于接收穿过所述第二透光部的光束，并获取所述第二透光部的光束的光谱。
本发明还公开了一种分光光度计检测系统的检测方法，所述检测方法包括：
光源装置提供入射光束；
光束扫描装置将入射光束反射穿过样品容纳装置的容置腔，所述样品容纳装置的容置腔中包含待测样品以及参比样品；
光谱探测装置接收穿过所述容置腔的光束，并获取穿过所述容置腔的光束的光谱，其中，所述光谱包括待测样品的光谱以及所述参比样品的光谱；
根据待测样品的光谱以及所述参比样品的光谱得到待测样品的吸收光谱。
(三)有益效果
本发明公开的分光光度计检测系统在单个光源单个光谱模块的条件下实现多个样品的快速分光光度测量，消除光源强度和输出光谱波动对分光光度计的影响，提高系统探测精度，另外可以使结构更加紧凑便于集成，同时降低了成本。
附图说明
图1是本发明的实施例的分光光度计检测系统的检测方法的流程图；
图2是本发明的实施例一的分光光度计检测系统的示意图；
图3是本发明的实施例一的样品容纳装置结构分解图；
图4是本发明的实施例一的多条多模光纤的第一端面排列示意图；
图5是本发明的实施例一的多条多模光纤的第二端面排列示意图；
图6是本发明的实施例二的分光光度计检测系统的示意图；
图7是本发明的实施例三的液体原位分光光度计检测系统的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，根据本发明的实施例的分光光度计检测系统的检测方法包括如下步骤S10至步骤S30：
步骤S10：光源装置10提供入射光束；
步骤S20：光束扫描装置30将入射光束反射穿过样品容纳装置20的容置腔，其中，所述样品容纳装置(20)的容置腔中包含待测样品以及参比样品；
步骤S30：光谱探测装置40接收穿过容置腔的光束，并获取穿过所述容置腔的光束的光谱，其中，所述光谱包括待测样品的光谱以及所述参比样品的光谱。
步骤S40：根据待测样品的光谱以及所述参比样品的光谱得到待测样品的吸收光谱。
进一步地，下面通过两个不同的实施例来说明如何利用分光光度计检测系统进行测量。
实施例一
如图2所示，根据本发明的实施例一的分光光度计检测系统包括光源装置10、样品容纳装置20、光束扫描装置30和光谱探测装置40。其中，光源装置10用于提供探测所需的入射光束，样品容纳装置20包括多个用于容纳待测样品的容置腔，光束扫描装置30用于将入射光束反射以穿过容置腔，光谱探测装置40用于接收穿过容置腔的光束，并获取穿过容置腔的光束的光谱。
具体地，光束扫描装置30进一步用于分时地将入射光束反射穿过各个容置腔，以实现各个待测样品的测量。作为优选实施例，分光光度计检测系统还包括驱动装置50，驱动装置50用于分时地驱动光束扫描装置30进行转动，以使光束扫描装置30分时地反射入射光束。
进一步地，作为优选实施例，如图3所示，样品容纳装置20包括容纳盘21、第一窗盖22和第二窗盖23，容纳盘21中设置有多个贯穿容纳盘21的相对的第一表面和第二表面的通孔21a，第一窗盖22设置于第一表面上，第二窗盖22设置于第二表面上，从而形成多个容置腔。进一步地，多个通孔21a呈阵列排布，形成蜂窝状结构。通孔21a的横截面形状为正六边形，容纳盘21的形状为圆柱体形。容纳盘21的厚度优选为10mm，通孔21a的外接圆直径为5mm，容纳盘21的材料采用普通玻璃材料，第一窗盖22和第二窗盖23的材料优选为紫外熔融石英材料制成。进一步地，第一窗盖22和第二窗盖23均采用可拆卸设计，装样的时候将第一窗盖22打开，将不同的液体样品注满各个通孔21a中，然后将第一窗盖22盖好，最后将样品容纳装置20放回系统中进行测量，清洗的时候同时将第一窗盖22和第二窗盖23取下清洗。
进一步地，光源装置10包括发光元件11和光束整形器12，发光元件11用于发射入射光束，光束整形器12用于将发光元件11发射的入射光束进行准平行整形。其中发光元件11优先采用闪烁氙灯。进一步地，分光光度计检测系统还包括多个反射镜60，反射镜60与容置腔一一对应，反射镜60用于将光束扫描装置30反射入射光束至其上的光束反射穿过对应的容置腔。其中，反射镜60表面和光束扫描装置30的反射表面均镀有紫外增强反射膜。经过上述反射镜60和光束扫描装置30的作用，这样可使得入射光束准平行地穿过容置腔。
作为优选实施例，光谱探测装置40包括多条多模光纤41和光纤光谱仪42，如图4和图5所示，每条多模光纤41包括相对的第一端面41a和第二端面41b，多条多模光纤41的第二端面41b呈线性排列，第一端面41a和容置腔一一对应，第一端面41a用于接收穿过对应的容置腔的光束。光纤光谱仪42的入射狭缝与线性排列的多个第二端面41b对合，光纤光谱仪42用于接收第二端面41b出射的光束。
进一步地，分光光度计检测系统还包括第二透镜80，第二透镜80用于将穿过对应的容置腔的光束聚焦至第一端面41a上，且第一端面41a位于第二透镜80的焦点处，第一端面41a与穿过对应的容置腔的光束的光轴垂直。其中，第二透镜80的直径大于容纳盘21的外直径。
进一步地，本发明的分光光度计检测系统通过时序控制器来控制发光元件11、光纤光谱仪42和光学扫描装置20的时序，以实现分时测量。下面描述分光光度计检测系统的检测过程。
第一次测量：光纤光谱仪42发出第一触发信号，首先触发光学扫描装置20到达第一预设角度。接着触发发光元件11产生脉冲光，发光元件11发出的光束经过光束整形器12后变成准平行光。准平行光束经过光学扫描装置20后被反射到反射镜60。反射镜60将光束中至容置腔，光束穿过容置腔中的第一待测样品。光束穿过第一待测样品后到第二透镜80，第二透镜80用于将穿过对应的容置腔的光束聚焦至第一端面41a上。光束在多模光纤41中穿过，从第二端面41b出射。光纤光谱仪42的入射狭缝与第二端面41b的重合，并且狭缝方向与多个第二端面41b线性排列的方向相同。最后经过数据分析获得测量结果，得到第一光谱。第二测量时，光纤光谱仪42发出第二触发信号，首先触发光学扫描装置20到达第二预设角度，后续步骤跟第一次测量时相同，最终得到第二光谱。依次类推，经过多次测量后可完成多个待测样品的测试，其中多个待测样品的其中一个样品为参比样品。
实施例二
当然在其他实施方式中，如图6所示，光源装置10包括发光元件11和具有正屈光力的光学元件组13，光学元件组13可以为透镜组或凹面反射镜组，发光元件11用于发射入射光束，光学元件组13用于将发光元件11发射的入射光束聚焦到光束扫描装置30的中心上。进一步地，分光光度计检测系统还包括具有正屈光力的第一透镜70，第一透镜70的焦点与光束扫描装置30的中心重合，第一透镜70用于将光束扫描装置30分时地反射入射光束至其上的光束反射穿过各个容置腔。这样可使得入射光束准平行地穿过容置腔。本实施例二的其他部分与实施例一的内容相同，在此不进行赘述。
在本实施例二中，分光光度计检测系统的检测过程还可以是：
第一次测量：光纤光谱仪42发出第一触发信号，首先触发光学扫描装置20到达第一预设角度。接着触发发光元件11产生脉冲光，发光元件11发出的光束经过光学元件组13后被聚焦到光束扫描装置30的中心上。光束扫描装置30将光束反射至第一透镜70，光束经过第一透镜70变成准平行光束，光束穿过容置腔中的第一待测样品。光束穿过第一待测样品后到第二透镜80，第二透镜80用于将穿过对应的容置腔的光束聚焦至第一端面41a上。光束在多模光纤41中穿过，从第二端面41b出射。光纤光谱仪42的入射狭缝与第二端面41b的重合，并且狭缝方向与多个第二端面41b线性排列的方向相同。最后经过数据分析获得测量结果，得到第一光谱。第二测量时，光纤光谱仪42发出第二触发信号，首先触发光学扫描装置20到达第二预设角度，后续步骤跟第一次测量时相同，最终得到第二光谱。依次类推，经过多次测量后可完成多个待测样品的测试，其中多个待测样品的其中一个样品为参比样品。
本发明的实施例公开的分光光度计检测系统在单个光源单个光谱模块的条件下实现多个样品的快速分光光度测量，消除光源强度和输出光谱波动对分光光度计的影响，提高系统探测精度，另外可以使结构更加紧凑便于集成，同时降低了成本。
实施例三
如图7所示，根据本发明的实施例三的液体原位分光光度计检测系统包括外壳90和实施例一或实施例二中的分光光度计检测系统，所述分光光度计检测系统设置于外壳90内，所述外壳90部分凹陷形成液体原位测量窗口91，所述液体原位测量窗口91的相对两侧分别设置有第一透光部92)和第二透光部93，所述光束扫描装置30还用于将入射光束反射依次穿过所述第一透光部92和所述第二透光部93，所述光谱探测装置40还用于接收穿过所述第二透光部93的光束，并获取所述第二透光部93的光束的光谱。
整个液体原位分光光度计检测系统浸没在待测液体之中进行测量。其中，光源装置10用于提供探测所需的入射光束，样品容纳装置20为与待测液体对应的纯溶剂容置腔，其长度与液体原位测量窗口91相同。光束扫描装置30用于将入射光束反射以穿过样品容纳装置20或者液体原位测量窗口91，光谱探测装置40用于接收穿过容置腔的光束，并获取穿过容置腔的光束的光谱。
具体地，光束扫描装置30进一步用于分时地将入射光束反射穿过样品容纳装置20或者液体原位测量窗口91，以实现待测液体的原位参比测量。
作为优选实施例，分光光度计检测系统还包括驱动装置50，驱动装置50用于分时地驱动光束扫描装置30进行空间扫描，以使光束扫描装置30分时地反射入射光束。
进一步地，光源装置10包括发光元件11和光束整形器12，发光元件11用于发射入射光束，光束整形器12用于将发光元件11发射的入射光束进行准平行整形。其中发光元件11优先采用闪烁氙灯。
进一步地，分光光度计检测系统还包括两个反射镜60，用于将光束扫描装置30反射入射光束至其上的光束反射穿过对应的样品容纳装置20或者液体原位测量窗口90。其中，反射镜60表面和光束扫描装置30的反射表面均镀有紫外增强反射膜。经过上述反射镜60和光束扫描装置30的作用，这样可使得入射光束准平行地穿过样品容纳装置20或者液体原位测量窗口90。
作为优选实施例，光谱探测装置40包括Y型多模光纤41和光纤光谱仪42。
进一步地，分光光度计检测系统还包括两个第二凸透镜80，用于将穿过对应的容置腔的光束聚焦至Y型光纤41端面上。
进一步地，本发明的分光光度计检测系统通过时序控制器来控制发光元件11、光纤光谱仪42和光学扫描装置30的时序，以实现分时测量。下面描述分光光度计检测系统的检测过程。
参比测量：光纤光谱仪42发出第一触发信号，首先触发光学扫描装置30到达第一预设角度。接着触发发光元件11产生脉冲光，发光元件11发出的光束经过光束整形器12后变成准平行光。准平行光束经过光学扫描装置30后被反射到反射镜60。反射镜60将光束中至样品容纳装置20，光束穿过容置腔中的待测液体的纯溶剂。光束穿过样品容纳装置20后到第二凸透镜80，用于将穿过对应的容置腔的光束聚焦至Y型光纤的第一端面上。光束在多模光纤41中穿过，从第二端面出射。光纤光谱仪42的入射狭缝与Y型光纤41的第二端面重合。最后经过数据分析获得测量结果，得到第一光谱。待测液体原位测量时，光纤光谱仪42发出第二触发信号，首先触发光学扫描装置30到达第二预设角度，后续步骤跟第一次测量时相同，最终得到第二光谱。将第二光谱与第一光谱相减得到待测液体的原位吸收光谱。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (8)

1.一种分光光度计检测系统，其特征在于，包括：
光源装置(10)，用于提供入射光束；
样品容纳装置(20)，包括多个用于容纳待测样品的容置腔；
光束扫描装置(30)，用于将入射光束反射穿过所述容置腔；
光谱探测装置(40)，用于接收穿过所述容置腔的光束，并获取穿过所述容置腔的光束的光谱；
驱动装置(50)，用于驱动所述光束扫描装置(30)转动，进行分时地空间扫描，以分时、分空间地将入射光束反射穿过各个容置腔；
所述光谱探测装置(40)包括：
多条多模光纤(41)，每条多模光纤(41)包括相对的第一端面(41a)和第二端面(41b)，所述多条多模光纤(41)的第二端面(41b)呈线性排列，所述第一端面(41a)和所述容置腔一一对应，所述第一端面(41a)用于接收穿过对应的所述容置腔的光束；
光纤光谱仪(42)，其入射狭缝与线性排列的多个第二端面(41b)对合，所述光纤光谱仪(42)用于接收所述第二端面(41b)出射的光束；
所述分光光度计检测系统还包括第二透镜(80)，所述第二透镜(80)用于将穿过对应的所述容置腔的光束聚焦至所述第一端面(41a)上，且所述第一端面(41a)位于所述第二透镜(80)的焦点处，所述第一端面(41a)与穿过对应的所述容置腔的光束的光轴垂直。
2.根据权利要求1所述的分光光度计检测系统，其特征在于，分光光度计检测系统还包括：多个反射镜(60)，所述反射镜(60)与所述容置腔一一对应，所述反射镜(60)用于将所述光束扫描装置(30)反射入射光束至其上的光束反射穿过对应的所述容置腔。
3.根据权利要求2所述的分光光度计检测系统，其特征在于，所述光源装置(10)包括：
发光元件(11)，用于发射入射光束；
光束整形器(12)，用于将所述发光元件(11)发射的入射光束进行准平行整形。
4.根据权利要求1所述的分光光度计检测系统，其特征在于，分光光度计检测系统还包括：具有正屈光力的第一透镜(70)，所述第一透镜(70)的焦点与所述光束扫描装置(30)的中心重合，所述第一透镜(70)用于将所述光束扫描装置(30)分时地反射入射光束至其上的光束反射穿过各个容置腔。
5.根据权利要求4所述的分光光度计检测系统，其特征在于，所述光源装置(10)包括：
发光元件(11)，用于发射入射光束；
具有正屈光力的光学元件组(13)，用于将所述发光元件(11)发射的入射光束聚焦到所述光束扫描装置(30)的中心上。
6.根据权利要求1所述的分光光度计检测系统，其特征在于，所述样品容纳装置(20)包括容纳盘(21)、第一窗盖(22)和第二窗盖(23)，所述容纳盘(21)中设置有多个贯穿所述容纳盘(21)的相对的第一表面和第二表面的通孔(21a)，所述第一窗盖(22)设置于所述第一表面上，所述第二窗盖(23)设置于所述第二表面上，从而形成多个所述容置腔。
7.一种液体原位分光光度计检测系统，其特征在于，包括外壳(90)和权利要求1至6任一项所述的分光光度计检测系统，所述分光光度计检测系统设置于外壳(90)内，所述外壳(90)部分凹陷形成液体原位测量窗口(91)，所述液体原位测量窗口(91)的相对两侧分别设置有第一透光部(92)和第二透光部(93)，所述光束扫描装置(30)还用于将入射光束反射依次穿过所述第一透光部(92)和所述第二透光部(93)，所述光谱探测装置(40)还用于接收穿过所述第二透光部(93)的光束，并获取所述第二透光部(93)的光束的光谱。
8.一种如权利要求1至6任一项所述的分光光度计检测系统的检测方法，其特征在于，所述检测方法包括：
光源装置(10)提供入射光束；
光束扫描装置(30)将入射光束反射穿过样品容纳装置(20)的容置腔，其中，所述样品容纳装置(20)的容置腔中包含待测样品以及参比样品；
光谱探测装置(40)接收穿过所述容置腔的光束，并获取穿过所述容置腔的光束的光谱，其中，所述光谱包括待测样品的光谱以及所述参比样品的光谱；
根据待测样品的光谱以及所述参比样品的光谱得到待测样品的吸收光谱。
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