CN2408445Y - 超薄池高灵敏光度检测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属光度分析技术领域,是一种高灵敏度光度检测装置,由分光光度装置、电子测量装置和信号处理装置经线路连接构成。其中,样品测量池采用超薄吸收池结构,出射光狭缝调节光谱带通可在1mm—100mm之间选择,电子测量装置中采用精密差分放大器。本装置由于结构的改进,测量原理发生了变化,使仪器性能大为改善,其灵敏度比现存仪器增加10倍以上,信噪比改善不小于5倍,特别是对低吸收值的测量可以得到满意的结果。

Description

超薄池高灵敏光度检测器

本实用新型属光度分析技术领域，是一种高灵敏光度检测装置。

毛细管电泳仪已在生物、环境、医学、化学中被广泛应用，但由于其光度检测器灵敏度很差，限制了它的纵深发展。作为分离和分析的前沿技术，高效毛细管电泳(HPCE)以及最近发展起来的毛细管电色谱已受到日益剧增的关注(Monnig C.A.，KennedyR.T.，Anal.Chem.，66(12)，280R，1994.)。

目前HPCE(包括毛细管电色谱)中通用的检测器是光度检测器(UV-Vis)。这种检测器因其简单、可靠、操作简便，与HPCE的分离系统互不影响等优点被广泛采用。但是，由于毛细管的内径很细，光度检测器的最大问题之一是灵敏度低。毛细管内径一般在25μm-75μm，仅是高效液相色谱柱测量光程(1cm)的1/200(周同惠，林炳承，刘国诠主编；毛细管电泳进展(第二卷)，华南理工大学出版社，广州，1995.)。

 根据分光光度法的朗伯—比耳定律 $(A=\mathrm{Log}\frac{I_0}{I}=2.303\mathrm{\ϵ}1c)$ 式中A为吸光度，I₀为入射单色光强，I为透射光强，ε是摩尔吸光系数，l为吸收池长度，c为样品溶液浓度)，可知，该定律的主要局限性在于入射光的光强与吸光度A无关，即入射光强与吸收灵敏度无关；改善灵敏度的有效方法只有增加光程1，这是因为吸光度A与吸收池长度l成正比。在毛细管上增加光程是十分困难的，这不仅是因为光的聚焦(≤50μm聚焦斑点)十分困难，而且毛细管电泳带很窄，不适合流入太宽的光池。目前，研究增加光池宽度的方法主要有两种(Heiger.D.N.；″High performance Capillary Electrophoresis-Anintroduction.″2nd Edewlett-packard Comp.，France，1993.)，一种办法是用局部扩大内径的毛细管吸收池，故其光程被扩大。另一种办法是用光的多次反射来增加光程。但是由于原理上的限制和技术上的困难，两种方法扩展的光程是极其有限的，所以光度检测器灵敏度低的问题实质上并没有解决。

本实用新型的目的在于设计一种高灵敏度的光度检测器。

本实用新型提出的光度检测器由分光光度装置、电子测量装置和信号处理装置经线路连接组成，其分光光度装置中参比光路和样品光路光电池(或光电管)产生的电信号分别由相应的引出线引出，与电子测量装置连接，电子测量装置有分析信号引出线与信号处理装置连接。其结构如图1所示，其中，分光光度装置是对现有的分光光度仪光学系统的改进，即样品测量池采用超薄吸收池(简称超薄池)的结构形式。超薄池的厚度(即池的吸收光程)一般为5纳米～50微米之间，容纳的样品溶液在5纳升至50微升之间。

本实用新型中，超薄池可以采用方形结构，如图2所示；也可以采用毛细管形式，如图3所示。其中Δl在图2中表示方形超薄池的厚度，在图3中为毛细管内径。超薄池还可采用其它的形式，如扁泡型等。

本实用新型的分光光度装置中设有出射光狭缝调节装置，其调节的出射光谱的通带可在1纳米至100纳米之间选择。大的通带有利于提高测定的灵敏度和信噪比。

本实用新型的电子测量装置中采用差分放大器，以代替现有装置的对数放大器，即采用差分的方法测定超薄池的参比光电信号与样品光电信号的差值，并以此作为分析信号定性与定量的基础。该差分放大器要求有高共模抑制比(CMMR)，即要求静态CMMR＞10⁶。

使用超薄池的光度检测器的光路系统如图4所示。光源经过准直镜、分光仪，经过半透半反镜，透射的一路为样品光束，照射样品测量池，经聚焦镜至样品光电检测器。反射的一路光经过另一反射镜为参比光束，照射参比池，再经聚焦镜，至参比光电检测器。光电信号然后进入测量分析系统。

本实用新型首次提出样品测量池采用超薄吸收池的结构形式，与现有仪器相比，使光度测量原理发生了变化，即采用了新的光度测量原理。申请人首次提出了一种超薄吸收池的概念(见图1)，池的有效吸收光程仅为dl，以至微分吸收关系成立。

dI＝I₀εcdl    (dI＝I₀-I)    (1)

其中I₀为入射单色光强，I为透射光强，dI是吸收光强，ε是摩尔吸光系数，c是吸光物质的浓度。

我们假定当有效光程是足够短，为Δl，则下式近似成立：

-ΔI＝I_a＝I₀εcΔl    (2)式中I_a为吸收(单色)光的光强。超薄吸收池中的吸收光强I_a不仅与入射光强I₀成正比，而且也与被测物质的浓度c成正比，因此可大大提高仪器测量灵敏度。

当超薄池是图3中的毛细管池时，可被认为是截面为园型的吸收池，此时吸收可以被看作为多光束吸收(Pengyuan Yang，″Themultiple-beam atomic absorption spectrometry in ICPcell″，Indiana state university-Purdu university JointSymposium on Analytical Chemistry，Indiana Nov，1988.)。对任何一束入射光，考虑到 $I_0=\mathrm{\Σ}{I}_{0_i},I_{\mathrm{\α}}=\mathrm{\Σ}{I}_{{\mathrm{\α}}_i}$ ，可以得到以下吸收光强关系式： $I_a=\frac{\mathrm{\π}}{4}{I}_0\mathrm{\ϵc\Δl}---\left(3\right)$

显然，方形超薄池的关于吸收光强的结论对毛细管池仍然适用。

另外，本实用新型使用超薄吸收池的光度测量技术，从光源来的具有大光谱通带的样品和参比光束分别通过超薄吸收池和参比吸收池(可以不用)，由双通道光电池(或光电管)接收后送至差分放大器系统检测。

本装置由于采用了一系列改进技术，使测量原理发生了变化，使仪器的性能大为改善，其灵敏度比现有测量仪器增加不少于10倍，信噪比的改善不少于5倍。通常，在传统的吸光度的测量仪器中因为采用对数运算放大器.由于制作上的原因，对数放大器的精度一般在0.1％，因此小于吸光度0.001(假定对数放大器峰值在A＝1.0)的吸收测量变得极其不灵敏.本装置不需要对数放大器，在测量原理具有很高的灵敏度，故在测量技术上产生很多优点。特别是对低吸收值的测量可以得到满意的结果，使动态范围向低端大大延伸，线性范围变宽，低浓度测量准确性提高。另外，当光源足够强时，本装置信噪比有数量级的改善。采用大狭缝的光谱通带或不分光，此时，吸收光强满足线性叠加。 $I_a=\left(\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{I}_{0,i}\right)-\left(\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{I}_i\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(I_{0,i}-I_i)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{I}_{a,i}---\left(4\right)$

式中i表示波长序数。则信噪比增强为： $f=\frac{{\mathrm{nI}}_0}{\sqrt{n}\mathrm{\δ}}=\sqrt{n}\left(\frac{S}{N}\right)---\left(5\right)$

上式中n是光源强度增加倍数。S是测量信号强度，N是噪音强度。

应当指出的是，依据吸光度测量原理的现有测量装置不可能使用这种测术，也达不到本实用新型的技术性能。

图1为本装置的结构框图。

图2为方形超薄吸收池。

图3为毛细管吸收池。

图4为本装置光路示意图。

图5为本装置的操作面板结构示意图。

图6为本装置的背面板结构示意图。

图中标号：1为分光光度仪光学系统，2为参比光束，3为样品光束，4为样品腔，5为超薄池，6为参比光束探测光电池(或光电倍增管)，7为样品光束探测光电池(或光电倍增管)，8为参比光电信号引出线(含信号I₀)，9为样品光电信号引出线(含信号I)，10为电子测量装置，11为精密差分放大器，12为分析信号引出线含信号I_α，13为信号处理系统，可以包括量程扩展，计算机系统等，14为出射光狭缝调节器。

实施例，如附图所示，对现有吸光度测量装置加以改进，其中，样品测量池采用超薄方形池或毛细管吸收池。池的厚度Δl(即池的有效光程)在5nm-50μm范围选择，其容量在5nl-50μl之间。出射光狭缝调节机构可使出射光的通带在1-100nm之间任意选择。电子测量系统中采用精密差分放大器，其静态共模抑制比大于10⁶。光路系统按图4所示设计。仪器的控制面板和后面板如图5和图6所示设计。其中平衡粗调旋钮和平衡细调旋钮：用于调节仪器的吸收零点，使空白溶液流过超薄池时吸收光强Iα为零；波长选择旋钮：用于选择测定的最佳波长；缝宽调节旋钮：用于调节出射光狭缝宽度，即可在1-100nm范围内调节超薄池入射光线的带宽；增益：测量信号的电学放大；输出衰减：调节输出的信号大小；进样标志：给记录仪提供一个进样信号；数码显示：可显示吸收Iα，参比光能量，样品光能量。显示精度为

位；参比光能量按键，样品光能量按键：监视参比光路，样品光路是否正常工作。吸收Iα按键：显示吸收的测定值。开关：控制仪器的启停。电源接口：接220V的市电。记录仪接口，积分仪接口，微机接口：将测量数据分别送入记录仪，积分仪，微机进行处理。

本仪器的操作步骤如下：在测量池中固定好超薄池；开启仪器，进行预热；观察能量指示是否正常；待仪器稳定后，根据分析要求选择分析波长和波长带宽；在参比池和样品池中注入空白溶液，调节平衡旋钮使吸收Iα为零；在样品池中注入待测溶液，得到样品的吸收信号Iα。

Claims (5)

1.超薄池高灵敏度光度检测器，由分光光度装置、电子测量装置和信号处理装置构成，其中，分光光度装置有参比光电信号引出线、样品光电信号引出线与电子测量装置连接，电子测量装置有分析信号引出线与信号处理系统相连接，其特征在于分光光度装置中的样品测量池采用超薄吸收池结构，其厚度为5nm-50μm，容量在5nl-50μl之间。

2.根据权利要求1所述的高灵敏度光度检测器，其特征在于超薄吸收池采用方形池结构形式。

3.根据权利要求1所述的高灵敏度光度检测器，其特征在于超薄吸收池采用毛细管池结构形式。

4.根据权利要求1所述的高灵敏度光度检测器，其特征在于分光光度装置中的出射光狭缝调节装置，调节的出射光的通带在1nm-100nm之间选择。

5.根据权利要求4所述的高灵敏度光度检测器，其特征在于电子测量装置中采用差分放大器，其静态共模抑制比大于10⁶。

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