CN2849713Y - 一种新型光学多通道分析仪器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光学分析测量仪器领域，提供了一种多通道光学分析设备，包括光谱测量仪和计算分析仪，光谱测量仪包括光源、待测样品座、光栅和多通道光学探测器，光谱测量仪通过多通道光学探测器与计算分析仪连接；所述光源、待测样品座和光栅依次放置于同一直线上，光线由光源经待测样品座后在光栅上衍射至多通道光学探测器形成光路，衍射后的光线由多通道光学探测器接收并转换成数字信号传送到计算分析仪。其目的是克服现有技术中不足的多通道光学分析设备，本实用新型采用不同于现有技术的光路设计，可以完全避免步进电机的回程误差。

Description

一种新型光学多通道分析仪器

技术领域

本发明涉及光学分析测量仪器领域，特别是一种用于多通道测量的光学分析设备。

技术背景

现有光学分析测量仪器的光路系统的设计比较传统，为了拍摄参考光和样品光的对比，基本都是用双光路结构。这种结构是采用精密的步进电机来转动透射孔和反射镜，以达到分别测量参考光和样品光光强的目的。但是由于步进电机自身存在的回程误差，所以无法将透射孔和反射镜转动到与光线相应的位置。为此很多厂家都不惜成本的提高步进马达的精度，减少回程差，这不仅大大的增加了仪器的制造成本，而且还无法完全克服这种误差的存在。

目前所有的光学分析测量仪器，包括最先进得测量仪器，都只是单次测量，如日本岛津高精度分光光度计和美国EG&GPARC公司的OMA等设备。不能自动多次测量，更不能进行相应的误差分析，而对于科学试验或监测来说，多次测量是不可缺少的环节。由于试验或监测的环境条件不能够绝对的理想化，如电压绝对稳定、无干扰等等，所以测量的结果必然与真实值有一定的误差，甚至出现偏差很大的结果，所以为了减少误差，现有的很多先进设备对机器的制造和使用的要求非常高，导致了成本的提高。现有的光学分析测量仪器还存在一个缺点就是功能单一，只能完成测量和收集数据等简单的工作，无法对收集的数据做进一步的分析，科研人员只能在测量的结果上再做进一步的分析计算，才能得出最终的目标数据。

发明内容

本发明的目的是提供一种克服现有技术中不足的多通道光学分析设备，本发明采用不同于现有技术的光路设计，可以完全避免步进电机的回程误差。

本发明的进一步目的是提供一种可以进行多次测量和误差计算的多通道光学分析设备。

本发明还有一个目的是提供一种可以测量绝对吸光系数的多通道光学分析设备。

本发明提供了一种多通道光学分析设备，包括光谱测量仪和计算分析仪，光谱测量仪包括光源、待测样品座、光栅和多通道光学探测器，光谱测量仪通过多通道光学探测器与计算分析仪连接；所述光源、待测样品座和光栅依次放置于同一直线上，光线由光源经待测样品座后在光栅上衍射至多通道光学探测器形成光路，衍射后的光线由多通道光学探测器接收并转换成数字信号传送到计算分析仪。本发明采用上述的全新的光路设计，只要各个构件的选用和位置确定，那么光线通过的距离和光强就是一个绝对确定的数值，使得机械运动的误差不会对测量的结果产生影响，或者是产生误测的结果。本发明采用的光源是白色光源，多通道光学探测器的探测头是可以感应多通道光强的CCD传感器，计算分析仪可以是一部计算机或是专门制作的具有中心数据处理功能的计算分析设备，如单片机等。

本发明的待测样品座可以通过多种方式来驱动，如机械驱动或电磁驱动等。采用机械驱动方式时，所述的待测样品座包括动力传动设备和若干样品池，动力传动设备用于驱动样品池交替位于光路上。样品池可以采用高精密度的石英皿或其他容器，用于盛装待测样品和参考样品的溶液，也可以是高精度的固定机构，用于固定固体的待测样品。

为了简化本发明的结构，本发明在待测样品座上一般只设有两个样品池。一个用于盛装或固定待测样品，一个用于盛装或固定参考样品，由此待测样品和参考样品便可以在动力传动设备的驱动下交替位于光路上。动力传动设备的运作完全可以由电脑或其他控制仪器控制，无需人工干预，所以使得本发明更具有可操控性。

本发明是针对白色光的多通道光学分析设备，由于白色光的方向性较差，所以为了使白色光具有一定的方向性，便于测量，本发明在光源与待测样品座之间、待测样品座与光栅之间或光栅与多通道光学探测器之间中的一个或多个位置设置有用于调整光线入射角度的透镜，一般采用凸透镜。比如在光源与待测样品座之间设有两个透镜，均为凸透镜。调节透镜的适当位置，可以使光线的在通过第一个透镜后形成平行光，在通过第二个透镜后聚焦在样品池的运动路线的轴线上。再如为了使衍射后的光线能够较为集中的透射在多通道光学探测器上，可以在光栅与多通道光学探测器之间设一个透镜。

所述计算分析仪主要包括：用于数据计算和处理的中心处理器和用于显示和输出结果的显示设备。多通道光学探测器可以将其探测头感应到的光强转化为数字信号，然后传送到计算分析仪进行数据计算，中心处理器对接受的数字信号进行计算处理，并将最终的结果通过显示设备显示出来。

由于本发明光路的特点，避免了测量过程中电机的回程误差对测量结果精度影响，提高了多次测量的可靠性，使得采用均值误差计算来降低测量误差成为可能。所以本发明可以设有用于控制测量次数和驱动动力传动设备运作的测量控制器，测量控制器的控制端与动力传动设备联接。测量控制器可以用于控制动力传动设备的运行，从而实现对样品池运动的控制，可以人为的控制多个样品池在垂直于光路的方向上交替和多次的测量，或控制某个特定的样品池进行多次测量。多通道光学探测器可以将多次测量的结果传送到计算分析仪并由中心处理器进行误差计算，从而提高了测量的精度。

由于样品池测量的可控制性，所以本发明还可以在计算分析仪上设有绝对吸光系数计算器。绝对吸光系数计算器可以通过对同一种物质的不同浓度溶液的测量，通过以下原理计算出此物质的绝对吸光系数：

朗伯一比尔定律是光吸收的基本定律，此定律揭示了：当一束光穿过透明介质时，光强度的降低，同入射光的强度、吸收介质的厚度、光路中吸光微粒的数目成正比。

用数学表达式表示为： $\frac{I}{I_0}=e^{-\mathrm{abc}}$ 或者 $\ln \frac{I}{I_0}=\mathrm{abc}.$

这里的I0是指入射光的强度；I是透射光的强度；a是吸光吸数；b是光通过透明介质的距离；c是指被测物质的浓度。

由此可见绝对吸光系数： $a=\frac{\ln \frac{I}{I_0}}{\mathrm{bc}}.$

由于I0、b、c是已知系数，因此只要测得透射光的强度I便可以计算出a。

本发明所述的计算分析仪也可以为通用的计算机，测量控制器和绝对吸光系数计算器为计算机中的计算模块，也可以是专门制作的控制装置，如各种单片机等。

本发明相对于现有技术具有以下突出的实质性特点和显著的进步：

1.采用全新的光路设计，使得机械运动的误差不会对测量的结果产生影响，或者是产生误测的结果；

2.设有用于提高测量准确性和稳定性的测量控制器，方便了测量的人工控制，减少了测量的误差，符合新一代科学测量仪器的标准；

3.设有绝对吸光系数计算器，进一步提高测量仪器的应用能力，能够直接给出所测量物质的绝对吸光系数，简化了科学测量的过程，提高了产品的易用性；

4.结构简单，且在同等测量精度的条件下对设备加工制造工艺要求较现有通用仪器低，所以克服了现有商用仪器价格昂贵的特点，降低了生产制造成本，提高了市场竞争力。

说明书附图

图1为现有技术中测量设备采用的光路结构图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明的工作流程图；

图4为实施例中测量透过率的相对误差分布图；

图5A为本发明进行定标时拍摄的参考样品光谱图像；

图5B为本发明进行定标时拍摄的待测样品光谱图像；

图6为图5的标准分立光谱图像的强度-位置关系图；

图7显示的是图6拟合后的波长-位置的关系；

图8显示的是图6拟合后的波长-强度的关系；

图9为本发明实施例1进行测量发射谱时拍摄的光谱图像；

图10为图9的波长-强度的关系；

图11为本发明实施例2进行测量吸收谱时不同浓度液体透过率的分布；

图12是图11对应的吸光度的分布图；

图13是本发明测量结果与现有高精度测量仪器的结果比较图；

图14是本发明测量绝对吸光系数的结果图；

图15为图14的平均值与现有高精度测量仪器的计算结果比较图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的说明。

现有光学分析测量仪器的光路系统的设计比较偏传统，为了拍摄参考光和样品光的对比，基本都是用双光路结构，如图1现有技术光路图所示，这样对设备的加工和制造工艺的要求相对更高了。而且大多数仪器，特别是分光光度计一类产品，要不是转动反射镜A1和光栅A2，就是转动探测头来实现对光谱的扫描，这样很难完全避免步进马达的回程差，从而影响了反射镜A1或光栅A2的反射或透射的光强，由此造成的误差在很大程度上影响了结果，为此很多厂家都不惜成本的提高步进马达的精度，减少回程差。

本发明的目的在于提供一种可以避免电机的回程误差对测量结果产生影响的多通道光学分析设备，且同时具备均值误差计算和绝对吸光系数计算的功能。本发明的结构如图2所示，包括光谱测量仪1和计算分析仪2，其特征是光谱测量仪1包括光源11、待测样品座12、光栅13和多通道光学探测器14，光谱测量仪1通过多通道光学探测器14与计算分析仪2连接；所述光源11、待测样品座12和光栅13依次放置于同一直线上，光线由光源11经待测样品座12后在光栅13上衍射至多通道光学探测器14形成光路，衍射后的光线由多通道光学探测器14接收并转换成数字信号传送到计算分析仪2。待测样品座12包括动力传动设备121和两个样品池122，动力传动设备121用于驱动样品池122交替位于光路上。光源11与待测样品座12之间设有两个透镜15，光栅13与多通道光学探测器14之间设有一个透镜15。计算分析仪2包括：用于数据计算和处理的中心处理器21和用于显示和输出结果的显示设备22。还包括用于控制测量次数和驱动动力传动设备121运作的测量控制器23和绝对吸光系数计算器24，测量控制器23的控制端与动力传动设备121联接。本设备的各项参数为：CCD探测器15的感光窗口大小为1/3’，感应分辨率为510*492像素；光栅14的参数：刻痕密度600线/毫米，曲率半径1200mm；光谱测量范围：380nm～670nm；分辨率为汞谱线576nm和578nm清晰可辨；最小可分辨的波长间隔为0.67nm；测量误差：强度相对误差＜0.02％，透过率、吸收率相对误差＜0.04％，吸光度相对误差＜4％。

由于本发明在测量过程中动力传动设备121的回程误差会对测量的结果构成影响，可以保证在同一运行环境中进行重复的多次测量，所以本设备最大的优点是克服了现有的商用光谱仪起都不具有多次测量求平均和误差分析的不足。图4是我们的误差分析模块的界面图。从上可以看到，测量中，对每个图像拍摄了五次，求出的强度的最大相对误差为0.01％，透过率和吸收率的最大相对误差为0.02％，而显示的曲线是选取的透过率的相对误差分布情况。

本发明的工作流程如图3所示，首先进行设备的初始化，如动力传动设备121的复位，样品池122的定位，计数器的清零等等。然后选择采用人工的单步测量或者是采用多次误差测量，如果是采用多次误差测量则设定测量的次数，在此测量采样数设定为5次。进一步判断是否进行定标，无需定标的直接接入测量程序。选择进行定标则拍摄标准分立光谱图像，如图5A和图5B所示，并显示出强度分布，如图6所示，但此时我们得到的只是强度关于空间的分布，我们要得到强度关于波长的分布，才可以继续更精确的测量。进一步进行定标和拟合，图7显示的是拟合后的波长-位置关系，并且显示拟合误差大小，比如这里的是最大误差为0.21nm，而方差和约为0.1088nm²，图8显示的是波长-强度的关系，有了图8便可以进一步的拍摄其他图像并进行分析了。分别调用测量参考物图像模块和测量待测物图像模块对盛装待测样品和参考样品的样品池122进行5次测量，待测样品和参考样品在动力传动设备121的带动下垂直于光路做往复运动进行测量，并进行误差运算，最后绘出所测图像波长-强度关系图。

以下分别以本设备拍摄发射谱和吸收谱的例子进行说明。

实施例1

拍摄发射谱所采用的光源为蓝光LED，如图9所示，可以得出光源是以468.4nm为中心的一个范围内的光谱，它的半高宽为59.4nm。

实施例2

拍摄吸收谱中采用几种不同浓度的高锰酸钾溶液作为介质，浓度分别为6.33×10^-4mol/L、5.38×10^-4mol/L、4.75×10^-4mol/L、4.43×10^-4mol/L、3.80×10^-4mol/L和3.16×10^-4mol/L。图11是他们的透过率的比较，图12是对应的吸光度的比较，从上可以看出它们是符合比尔定律的。图13是选择其中4.43×10^-4mol/L的溶液，本发明测量的结果和用日本岛津UV-3101PC高精度分光光度计的测量结果的比较，从上可以看到，本设备准确性是相当好的。这几个图表都是5次测量后进行误差计算的结果，这也是现有技术的测量设备不具有的功能。而图14反映的是另一个本系统所特有的功能：能直接测量物质的绝对吸光吸数，从图上可以看出，除了其中的一条曲线在峰值处有点偏差外，其它的都是非常地一致的。而15图是图14平均值曲线与岛津分光光度计的结果，岛津分光光度计不能测量绝对吸光吸数，这里是处理后的结果的比较。

Claims (9)

1.一种多通道光学分析设备，包括光谱测量仪(1)和计算分析仪(2)，其特征是光谱测量仪(1)包括光源(11)、待测样品座(12)、光栅(13)和多通道光学探测器(14)，光谱测量仪(1)通过多通道光学探测器(14)与计算分析仪(2)连接；所述光源(11)、待测样品座(12)和光栅(13)依次放置于同一直线上，光线由光源(11)经待测样品座(12)后在光栅(13)上衍射至多通道光学探测器(14)形成光路，衍射后的光线由多通道光学探测器(14)接收并转换成数字信号传送到计算分析仪(2)。

2.根据权利要求1所述的多通道光学分析设备，其特征是待测样品座(12)包括动力传动设备(121)和若干样品池(122)，动力传动设备(121)用于驱动样品池(122)交替位于光路上。

3.根据权利要求2所述的多通道光学分析设备，其特征是待测样品座(12)上设有两个样品池(122)。

4.根据权利要求1所述的多通道光学分析设备，其特征是在光源(11)与待测样品座(12)之间、待测样品座(12)与光栅(13)之间或光栅(13)与多通道光学探测器(14)之间中的一个或多个位置设置有用于调整光线入射角度的透镜(15)。

5.根据权利要求4所述的多通道光学分析设备，其特征是光源(11)与待测样品座(12)之间设有两个透镜(15)。

6.根据权利要求5所述的多通道光学分析设备，其特征是光栅(13)与多通道光学探测器(14)之间设有一个透镜(15)。

7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的多通道光学分析设备，其特征是所述计算分析仪(2)包括：

用于数据计算和处理的中心处理器(21)；

和用于显示和输出结果的显示设备(22)。

8.根据权利要求7所述的多通道光学分析设备，其特征是所述计算分析仪(2)还包括用于控制测量次数和驱动动力传动设备(121)运作的测量控制器(23)，测量控制器(23)的控制端与动力传动设备(121)联接。

9.根据权利要求8所述的多通道光学分析设备，其特征是所述计算分析仪(2)还设有绝对吸光系数计算器(24)。

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