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基于后分光测量技术的分光光度计设计探讨
更新时间:2018-11-23 点击次数:2619

本文主要介绍了分光光度测量中的两种不同的分光技术的原理、构造及应用,分析了后分光相对前分光的比较优势,对后分光测量技术应用于普 通分光光度计上的改进设计进行了讨论。

 引言 分光光度计目前在检验检测领域广泛应用,用于对 物质进行定性分析、定量分析,以及结构分析或测定某些 化合物的理化参数。 基于光吸收的基本定律即 Lambert—Beer 定律做为 分光光度分析的依据和基础,其数学表达式为: A = —lgT = klc。 式中: A—物质的吸光度; T—物质的透射比; k—物 质的吸光系数; l—光程 c—物质的深度。 分光光度测量仪器一般由光源系统、分光系统、样品 系统、检测系统、处理存储系统五大系统构成。根据分光 系统相对样品检测位置的不同分光光度测量仪器分为前 分光式和后分光式。若光在经过样品检测位置前已经被 分光系统分离为单色光的,一般称为前分光。若光先经 过样品检测位置后再经过分光系统进行分光成单色光 的,称之为后分光。 2 目前分光光度计普遍采用前分光 分光光度计做为实验室的常规实验仪器,用于物质 成分的光度分析、定量分析,已在各行各业得到大量使 用。广泛应用于食品药品、机械制造、生物研究、教学科 研、化学化工、质量检验和水质环保等各大领域。 分光光度计的光源发出连续光谱,经过分光器产生 单色光。分光器在分光光度计中一般使用干涉滤光片、 棱镜或光栅进行分光。干涉滤光片有插入式和转盘式两 种。插入式就是将需用的滤光片插入滤光片卡槽中,转 盘式是将仪器配备的滤光片都固定安装在圆盘中,使用 时旋转至所需波长的滤光片处即可。干涉滤光片虽然价 格便宜,但易受潮霉变影响检测结果的准确性。棱镜分 光是利用光的折射作用产生连续光谱,因其光谱不如光 栅光谱精细,分辨率低,而逐渐被光栅所替代。光栅有全 息反射光栅和蚀刻凹面光栅两种。全息反射光栅在玻璃 上覆盖一层金属膜制成,杂散光小,波长范围大、光谱范 围宽,对光能量的利用率高。蚀刻凹面光栅将所选波长 固定地刻制在凹面玻璃上,耐磨损、抗腐蚀、无相差。分 光光度计利用准直镜将发散光变为平行光束,并把来自 分光器的光聚焦于狭缝前。通过转动分光器的波长盘, 带动分光器机械转动,可以改变单色光出射光束的波长。 通过调节狭缝的宽度,可以改变出射光束的带宽和单色 光的纯度。经选择后的特定波长的单色光穿过狭缝后进 入样品,经样品物质的光吸收,进入检测器。可见分光光 度计的检测器就是一种光电转换设备,它把光经样品物 质吸收后强弱的变化转化为电信号的变化。可见分光光 度计的检测器一般使用用光电池、光电管或光电倍增管。

3 后分光在生化分析仪上广泛应用 分光光度测量技术也是生化分析的常用技术手段,经历多年的技术发展,生化分析仪器由原来的半自动生 化分析发展为全自动生化分析。全自动生化分析因其测 量速度快、准确性高、消耗试剂量小,现已在各级医疗机 构得到广泛使用,极大的提高了常规生化检验的效率。 半自动分析仪器也采用过前分光测量技术,而现在的全 自动生化分析仪器已广泛应用了后分光测量技术。 后分光测量系统中,光源发射的点光束先照射到样 品所在的反应比色杯,点光束通过样品比色杯后,再经过 一组广差纠正系统的还原透镜,将点光束还原成原始光 束,然后到达分光器。分光器一般采用采用凹面全息光 栅,它不仅可以分光得到分辨力高、光谱范围宽、杂散光 少的单色光,同时还可以起到准直和聚焦作用。光束被 分光器分光成单色光后照射到检测器。后分光测量的检 测器现在一般采用光电二极管阵列。光电二极管在受到 光照射后,其导电性增强的大小与光强成正比关系,检测 器正是利用了它的这个特性进行光电转换及测量。常见 的检测器对应 340nm ~ 800nm 中的 10 ~ 12 个固定波长, 也有的检测器可进行全波段波长检测。虽然较早的光电 二极管在紫外光区灵敏度不高,赶不上光电倍增管,但目 前的硅光电二极管的检测灵敏度有了较大提高,检测范 围已可以达到 170nm ~ 1100nm,履盖紫外、可见、近红外 广谱光区,而且其稳定性更好,使用寿命更长,价格便宜, 所以在后分光测量系统的检测器中得到广泛的采用。

4 后分光相对前分光的比较优势 前分光测量系统中为了改变所需的波长,需要转动 波长调节机构,通过进行机械运动使波长发生变化。波 长切换的速度较慢从而影响测量的速度。前分光测量系 统中频繁的进行调节、转动,会使机械结构出现波长偏 差。波长的示值误差一般都要求小于几个 nm,波长误差 的出现会导致测量结果出现偏差。相对于前分光,后分 光在使用阵列型检测元件时不需要进行机械运动,光经 过光栅分成固定的 10 ~ 12 种波长或者全波段波长,波长 的切换直接由操作程序控制完成,所以后分光测量的优 点就是不需移动仪器比色系统中的任何部件,仍可同时 选用双波长或多波长进行测定,这样就降低了比色的影 响因素,提高了分析的度,减少了故障率,对分析的 准确度有非常大的帮助。 前分光测量系统光路的光束由于狭缝的作用,显现 为条形光束。后分光测量系统光路使用点光束的较多, 与前分光系统的光源相比可以提率。点光束的使用 使样品比色杯不再受大小限制,即使再小的比色杯点光 束也可以通过,这样就使得检测样品的量变小,节约了试 剂消耗量。有统计显示后分光系统中由于较多的使用了 微量检测样品池使得试剂消耗减少 40% ~ 60% ,节约了 成本,经济性更好。 后分光测量系统的光电转换,现在多采用光电二极 管阵列。由于技术的发展,所使用光电二极管阵列密度 大大提高,阵列内光电二极管的数目已达到 1000 多个, 使得检测分辨率、灵敏度增强。多波长直排式光电二极 管阵列,可以对每一项光化学反应同时作多波长分析。 光电二极管检测的动态范围宽、响应速度快,产生的信号 易于检测和放大,噪声较低,它作为固体元件比以往的光 电倍增管更加耐用,使用寿命较长。在采用了光—数码 信号直接转换技术后,也可以将光路中的光信号直接变 成数码信号,使得电磁波对信号的干扰及信号传递过程 中的衰减*消除,提高了灵敏度。 后分光测量系统在信号传输过程中也有的采用光导 纤维,可使信号达到无衰减,测试精度提高近 100 倍。光 路系统数码处理技术与数字光纤传输检测信号联用,可 以减少各种干扰,提高检测精度和速度,对实现超微量检 测非常有利。检测处理系统完成对信号的计算机辅助存 储、处理,系统对数据的处理速度很快,特别是在进行全 波段扫描时速度较快,在 10ms 内即可完成扫描并绘制 出波长、吸光度相对时间的 3D 立体光谱图,还可以方便 快捷的得到不同波长对应的吸光度数据,这种应用特别 是对连续监测的检测时优点突出,是理想的检测途径。 5 后分光在分光光度计上的应用 目前在用的分光光度计使用后分光测量技术的还不 多,但是后分光测量技术已在诸如全自动生化分析仪上 得到了广泛应用,后分光测量技术也*可以应用于分 光光度计之上。 后分光分光光度计在硬件上的设计,主要体现在系 统上的后分光测量技术设计。样品检测位置设计在分光 系统之前,光源发射的光束直接照射在样品,光束经过样 品其特定波长被吸收后进入分光器。分光器可以采用凹 面全息光栅,可有助简化分光结构。检测器可采用光电 二极管阵列,提高测量速度,也可累积测量吸光度,提高 动态测量范围。光路系统采用封闭组合,因其没有需要 活动的部件,可使光路无需任何保养,且分光,使用寿命长。基于后分光的分光光度计设计可以提高分光光 度计的性能技术指标,波长准确性、重复性高,故障率低, 有效保证分析测试数据的准确可靠。 后分光测量技术在自动生化分析仪上的广泛应用还 得益于其程序控制系统的设计应用。后分光测量技术若 应用于分光光度计,必少不了对操作程序控制系统的开 发。分析数据的处理、数据的存储等都可通过程序自动 完成。现代测量仪器从使用角度来考量,仪器操作是否 简单、人机界面是否友好、是否人性化,对操作者的影响 较大,所以测量仪器的设计一定要有更合理的设计工艺。 6 结语 基于 Lambert - Beer 定律的分光光度测量是分析测 试的常用方法。前分光测量技术在分光光度计中被普遍 采用。后分光测量技术在自动生化分析中已得到长足发 展并得到充分应用。后分光相对前分光在测量准确度、 数据处理快捷性、应用广泛性等方面具有比较优势,也完 全可以应用于普通分光光度计之上。虽然目前这种结合 还不多,较少有后分光测量技术应用其中,但随着技术应 用的不断探索,这种结合也必将得到更广泛的应用。

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