分析化学中的分光光度法的研究

'沈阳工业大学硕士学位论文摘要分析化学是研究和进行物质化学成分鉴定、组分含量测定的有关原理及技术的科学。分光光度法是分析化学中一种有效手段，在冶金、地质、生物、医学、制药、农业等部门得到极其广泛的应用。分光光度测量系统是分析溶液中某种物质的浓度和物质结构的有效手段。本文研究了由计算机控制的紫外一可见分光光度测量系统的设计和测量过程的控制问题，对测量结果进行了处理和分析。首先，简要叙述了分光光度法的用途和意义，研究了分光光度法的现状及发展趋势，提出了课题的任务和目标。然后，在论文的第二部分研究了分光光度测量的相关理论。文章在第三～第五部分详细论述了紫外一可见分光光度测量系统的殴计过程。对几种方案的功能和成本进行对比分析后决定采用微机和机外测量卡的方法设计电路。对课题中遇到的关键问题进行了研究并找出解决的方法。设计了测量系统数据和控制信号采集的硬件电路，整个系统数据处理和过程控制的软件编程并对测量过程进行设计。阐述了数掘处理的方法并对实验结果进行分析。提出一种用于紫外／可见分光光度测量中对扫描光谱进行处理并自动寻找到峰值和谷值的有效算法。可以解决样品溶液多个吸收峰值、谷值的查询问题。有效克服了大部分干扰而且在一定程度上避免了峰值过多而带来的算法失控和内存溢出。应用一元线性回归方法求得特定溶液标准工作曲线，计算曲线的相关系数判断标准工作曲线的相关性。最后一部分给出课题的结论，提出后续的研究工作的方向。本课题是真实的协作项171，紫外一可见分光光度测量系统的各部分设计均以做出实物，并且用样机进行了大量实验，文中给出相应的实验结果、测量曲线。关键词：紫外～可见分光光度计，吸收峰，扫描光谱 鲨!!!j些奎：!婴主4兰堡堡塞InvestigationofSpectrophotometryinAnalyticalChemistryAbstractAnalyticalChemistryisasciencethatinvestigatestheprinciplesandtechnologiesrelmingtocomponent’Sidentifyingandcontentdetermining．Spectrophotometryisaavailablemeansofanalyticalchemistryusingofmetallurgy，terra,biology，medicine，pharmacyandagricultureelc．Spectrophotometrymeasuringsystemisawaythatanalysesconsistencyandstructureofsomesubstanceinliquor．Thedesignandmeasuringcourse’Scontrolinthemeasuringsystemofultraviolet--visiblespectrophotometrycontrolledbycomputerWasinvestigatedinthepaper．Firstly，itnarratedthepurposeandsignificance，investigatedactualityanddevelopment’5trendofspectrophotometryandputforwardthetaskandaim．Secondly,thesecondpartofthepaperinvestigatedcorrelativetheoryofspectrophotometrymeasuring．FromthethirdparttOthefifthpartofthepaper,designprocessofultraviolet--visiblespectrophotometersystemWasdiscusseddetailedly．Afterthefunctionandcostofseveralschemeswerecontrasted,thedesignschemeusedbYcomputerandmeasndngblockoutsidecomputerWaSconfimled．Thepivotalproblemsoftaskwerediscussedandsolutionswerefound．Thehardwarecimmtofdataandcontrolsignalscollectioninmeasuringsystemwasdesigned．Thesoftwareofdata’SprocessingandmeasuringcontrolWasprogrammeandthemeasuringprocessWaSdesign．Themeansofdataprocessingwasexpatiatedandexperimentationresul虹wereanalysed．Avallablearithmeticofautomaticsearchingabsorbencypeakandvalebymeasuringscanspectrumusedofultraviolet--visiblespectrophotometerwasgiven，Searchingmeansofmulti-peakandmulti．valeinsampleliquidWassolved．Thismeanscanovercomeeffectivelyalmostpartsofdisturbandavoidlimitedlyarithmeticandmemorybeyondrange．ThearithmeticofoneunittinearityreturncanobtainstandardworkingCHIVeofsampleliqmdandpertinencycoefficientwascalculatedtoestimatestandardworkingcl／rve’spertinency．Finally,theconclusionWasgivenandtheinvestigafion"sdirectionwaspointed． 婆壁坚些叁堂堡!：望堡堡茎Thetaskwasaactualcollaborationitem．Everypartdesignofultraviolet--visiblespectrophotometrymeasuringsystemWSScompletedandalotofexperimentationsweredonebyit．Theexperimentation’Sresultsandmeasuringcurvesweregiven．KeyWords：Ultravioletvisiblespectrophotometer，Absorbancepeak，Scanningspectrum～3 独创性说明本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究二[作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。签名：趟日期：竺竺!：鲨关于论文使用授权的说明本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。签名：美盘导师签名：五盏牢日期：碱．五．瑙 1绪论沈刚I：业大学硕士学位论文分析化学是研究和进行物质化学成分鉴定、组分含量测定的有关原理及技术的科学，是化学领域中+个重要的分支。分光光度法是分析化学中一种有效手段，这类方法是根据物质对特定波长的辐射能的吸收u~3J，来进行分了：结构的确定、晶体结构的分析及物质含量的测定【4’5】。1．1分光光度法的用途及意义分光光度法是获得物质光吸收特性及定性、定量信息的重要手段，分光光度法在冶金、地质、生物、医学、制药、农业、半导体生产、环境监测、食品卫生等部门得到极其广泛的应用[6--10】。分光光度测量是分析溶液中某种物质的浓度和物质结构的有效手段，分光光度仪是很多科研院所、大中专学校进行科研教学活动时必不可少的实验室仪器。在工厂和实验室中经常需要分析产品中某种成分的含量，作为产品检验的标准。农产品中的农药残存量一直是人们非常关注的一项指标，可以通过分光光度测量获得准确的检验结果。运动员服用兴奋剂的问题在体育界愈来愈引人注目，我们也可通过分光光度法进行尿样分析，判断该人是否服用兴奋剂。近年来，随着电子学、激光和微型计算机技术的发展和应用‘“叫5l，新的高灵敏、超高灵敏有机试剂的合成、多元配合物显色体系的不断进展，分光光度分析法得到蓬勃的发展，在基础理论、仪器装置、测量方法和应用等方面都有长足的进步。1．2国内外研究的现有水平及发展趋势分光光度测定的方法很多，并且随着科学技术日新月异的发展，还会出现更多更新的方法，从不同的角度提高分光光度测定的灵敏度、选择性、精密度和准确度，并且更加简化测定操作，提高分析效率，以适应各个领域对分光光度分析的要求。分光光度测量仪器通常称为分光光度计。根据工作波段的不同，分光光度计可分为真空紫外分光光度计、紫外—可见分光光度计和紫外～可见一近红外分光光度计『4、5、16、171，其工作波段分别为O．1～200nm，185～900nm，185～2000nm，真空紫外分光光度计在仪器制造上还有一些问题，目前还没有成熟的商品仪器，因此，真空紫外分光光度计还没有成为分析化学的重要工具。 沈目t]2业大学硕L-学位论文紫外一可见分光光度计产品随着科技的进步快速地发展起来。近几年，随着计算机技术的迅速发展，微机的价格不断卜^降，使得分光光度计与计算机的结合成为可能⋯、插q51，～些公司开始研制并生产由微型电子计算机控制的双波长／双光束自动记录紫外——可见分光光度计，如岛津公司，菲利浦派伊一尤尼肯(PyeUnicam)公司等。采用微机控制的分光光度计，简化了操作，更具有数据处理功能，仪器的性能指标也有很大改善，更便于进行自动记录，町在较短的时间内(O．5——2r血)获得全波段扫描吸收光谱。大多数高精度双光束分光光度计采用双单色器设计，这种装置能有效地提高分辨率并降低杂散光。例如：菲利浦派伊一尤尼肯(PyeUnicam)公司的SP8型双光束紫外～可见分光光度计，岛津UV一365型双光束紫；"1"---可见—近红外分光光度计，在200nrn处，杂散光<0．0005％T，在340nm处<0．00020／o"I"，波长精度为±0．2nm。它特别适合于结构分析，其缺点是由于仪器的光路设计要求严格，价格较高。近年出现的三波长法能更有效地消除散射干扰物的影响，因而更适合于浑浊样品分析[4他、19】；此外，对吸收干扰物，如果在它的吸收光谱上找不到合适的等吸光度点，用一般分光光度计就难于进行双波长测定，而用三波长法就可顺利完成测定。因此，三波长法微机分光光度计成为目前的发展趋势。1．3课题的研究背景2003年6月，沈阳市铁西区高新技术开发会议上，此项目作为高新技术难题招标项目定为由沈阻工业大学和沈阳仪通分析仪器有限公司联合研制。1．4本课题的主要工作内容及目标研制微机控制紫外一可见分光光度测量系统。主要包括：1．测量原理的研究分析2．测量系统硬件电路的设计：(1)紫外分光光度测量系统数据采集部分电路的设计(2)检测器(光电倍增管)高压发生器控制电路的设计(3)样品池及单色仪控制电路设计3．紫外分光光度系统测量过程的设计～2一 沈R¨业人学硕士学位论文4．数据处理方法的研究主要包括对测量数据的处理方法，峰值、谷值的搜寻和标定方法，标准工作曲线的建立方法等。5．程序的编制完成系统各项测量功能：定波长测量、基线扫描、全波长扫描、寻峰(单峰和多峰)及标准工作曲线的建立等。6．硬件、软件联调7．进行实验，获取测量数据8．对实验结果进行分析等9．查找存在的问题，提出改进意见主要研究目标：完成紫外一可见分光光度测量系统工作过程的各个实验，实现以下功能：(1)能自动零点修正(2)能自动定位(3)能在190nrn～900nm波长范围内完成全波段基线扫描和自动扫描(4)能完成自动寻峰(单峰、多峰)(5)扫描速度三挡可调(6)用户可进行参数设爱：输入扫描范围、输入定点波长、坐标选择及高压设置(7)自动进行数据处理(8)能绘制吸光度—波长、透射比一波长吸收谱线及显示峰值、谷值(9)根据标准试样值，完成标准工作曲线的拟合及绘图3 沈阳L．业人学硕士学位论文2分光光度法光谱分析的基本原理2．1紫外与可见光吸收光谱的形成原子光谱是不连续的线状光谱。这是由于谱线的频率(v)或波长(^)与跃迁前后两个能缴的能量差(△E)之州的关系服从普朗克(Planck)川条件，即AE=E2一E1=hv=^三^(2．1)两个能级之问的能量差一般为l一10电子伏，冈此各条谱线的频率或波长差别较大，呈线形分开。分子吸收光谱形成的机理与原予光谱形成的机理是相似的，也是由于能级之间的跃迁所引起的。但是由于分子内部运动所牵涉到的能级变化比较复杂，分子吸收光谱也就比较复杂。～个分子的总能量E可以写成内在能量R、平动能En振动能E振、转动能E。以及电子运动能量Em}之总和，即E=Eo+E平+E《+E#+E电r(2．2)一个分子吸收了外来辐射之后，它的能量变化△E为其振动能变化△E氧、转动能变化△E。以及电子运动能量变化△E电于之总和，即AE=AE捱十AE转+AE电千(2．3)在式(2．3)右边的三项中，△E。了最大，一般在l一10电子伏之间。分子的振动能级问隔△E。大约比△E电子小十倍，一般在0．05一l电子伏之间。分子的转动能级间隔△E。大约比△E；小十倍或百倍，一般小于O．05电子伏。一切物质都会对不同波长的光线表现出不同的吸收能力，这一性质称为选择吸收【2101强241。物质只能选择性地吸收那些能量相当于该分子振动能量变化△E"转动能变化△E#以及电子运动能量变化△Etf之总和的辐射。各种物质对光线的选择吸收性质，4 沈阳L业人学硕十学位论文反映了它们分子内部结构的差异。即各种物质的内部结构决定了它们对不同光线的选择吸收。我们可以缓慢地改变通过某一吸收物质的入射光的波长，记录该物质在每一波长处的吸光度(A)，以波长为横坐标，以吸光度为纵坐标作图，这样得到的谱图称为该物质的吸收光谱。从某物质的吸收光谱可以看出它在不n≈的光谱区域内吸收能力的分布情况。物质吸收光谱的形状与它的内部结构紧密相关，研究各种物质的吸收光谱，可以为研究它们的内部结构提供重要的信息。2．2有机化合物分子中的几种电子及其可能的跃迁形式有机化合物的紫外与可见光吸收光谱与它们的电子跃迁有关，即决定于分子的结构。一般来说，某有机化合物分子中含有某种基团，在它的吸收光谱中就会呈现某种标志性的特征吸收带。一个有机化合物分子对紫外光或可见光的特征吸收，可以用吸收峰的波长来表示，记为x《。。凡Ⅲ。决定于分子的激发态于基态之间的能量差。从化学键的性质来看，与吸收光谱有关的电子主要有三种：(1)形成单键的。电子：(2)形成复键的n电子；(3)未共享的电子，或称非键rl电子。根据分子轨道理论，分子中这三种电子的能级高低次序是：(o)<(n)<(n)<(Ⅱ’)<(o+)o、。I表示成键分子轨道：n表示非键分子轨道；彳、Ⅱ’表示反键分子轨道。o一．rI’跃迁、yl—o‘跃迁以及。一o’跃迁引起的吸收光谱都发生在小于200rim远紫外区，较常见的_『I一_『I‘跃迁、n一Ⅱ+跃迁、n一一跃迁引起的三种吸收光谱在紫外和可见光区。紫外光区的波长为10～380rml，受实验条件限制，通常使用200～380nm的近紫外区域进行紫外光谱分析。可见光区的波长为380nm～750nm。2．3溶剂效应对．rl—Jl+跃迁和n一Ⅱ‘跃迁吸收谱带的影响化合物的紫外光谱受溶剂效应伫1的影响。有机化合物的紫外光谱一般是在溶剂中测定。同一种化合物在极性不同的溶液中，紫外光谱就不同，主要表现在吸收峰产生位移、形状改变，有时还会影响吸收强度。5一 沈阳J．业大学硕士学位论丈某一物质吸收光谱的特性，与所采用的溶剂有关。溶剂的极性不同，会使这两种吸收光睹的位置向不同方向移动。改用扳性较大的溶剂，会使n—n‘跃迁谱带移向长波长方向，叩发生红移：而使n一月4跃迁谱带移向短波长方向，即发生蓝移。因而要将～种未知物质的吸收光谱与己知物质的吸收光谱进行比较时，必须采用相同的溶剂。在绘制吸收光谱时应使用非极性溶剂。2．4光吸收的基本定律2．4．1朗伯一比耳定律一种物质的溶液对光的吸收程度，取决于在光通过路程中，能吸收光子的物质微粒数目和光程的长短。一束具有某种波长的平行光通过一种物质溶液，见图2．I。10表示每秒入射到浓度为c的溶液上的光子数，即入射光强度；I为透射光强度，即每秒从溶液中透过并被检测器接收到的光子数；光程用b表示。入射光强度10与透射光强度I比值的对数定义为吸光度，用A表示：A=lgIo／I各有关物理量删的关系可定量地表达如下lgIo／I=A=abc(2．4)(2．5)式(2．5)为朗伯一比耳定律“q一～⋯，简称比耳定律。式中：卜光程，单位为cm：o—溶液中吸光物质的浓度，单位为g／L；a—吸光系数，单位为L·菩1·cirl"‘。a是一定量某种物质在一定波长下对光吸收的特征常数。它随波长变化而变化。当浓度c取不同单位时，吸光系数值也不同。当c以mol／L为单位，此时的吸光系数称为摩尔吸光系数，以符号e表示，单位为L·tool。1·till～。式(2．5)可改写为：一6一 沈刚I．业人学硕士学位论文A=ebc一般物质的￡在102～105L·mol～·cm一1范围内。平行光柬铫吸收池图2．1样品溶液吸收光示意图(2．6)在实际测量吸光度A时，通常在仪器上测出的是比值I／Io，定义为透光度或百分透光度，以符号T表示：T=I／Io在分光光度计上同时标有A和T，它们之间的关系为A=一lgI／Io=一lgT(2．7)(2．8)2．42吸收定律基本性质的限制虽然式(2．5)或(2．6)表示吸光度和浓度之间呈线性关系，但只有在稀溶液时才能成立。在此种意义上说，吸收定律是一个有限的定律。由于在高浓度(通常>0．1M)时吸收成分之间的平均距离缩小到一定程度，邻近质点彼此的电荷分布都会相互受到影响，这种影响能改变它们对特定辐射的吸收能力。相互影响的程度取决于浓度，这个现象的存在致使吸光度与浓度之间的线性关系发生偏差。比耳定律适用于均匀、单一、无散射光的物质溶液，也适用于其他均匀非散射的物质，如气体或固体。因此，比耳定律是各类吸光物质光度法测定的定量依据。7一 沈刚I一业大学硕士学位论文3紫外一可见光分光光度测量系统的设计与研究紫外一可见分光光度测量系统由五部分组成：(1)光源(包括稳压电路)<2)单色器：产生单色平行光的光学系统(3)样品吸收池(4)数据采集及系统控制：包括样品池控制信号的采集、数据采集控制、玎编程高压发生控制电路和单色仪波长控制电路(5)微机系统(控制软件和数据处理，显示及打印等)。系统组成方框图如图3．1。计算机构成整个测量系统控制核心，控制测量数据的采样、模拟，数字转换、荸色器波长削隔及光电倍增管的高压设置，完成对测量数据的数字化滤波、对透射比和吸光度的计算等。I光源}_叫单色仪r叫样品溉H堂壁煎换r—叫数据采集r—叫觳机占。+——广J‘剑1lIl压发生嚣ffI墨矗lIL～圈3．1系统组成方框图3．1光源理想的光源应能提供连续辐射，即它的光谱应包括所用的光谱区内所有的波长光，光的强度必须足够大，并且在整个光谱区内其强度不应随波长的改变有明显变化。实际上这种理想的光源并不存在，所有光源的光强都随波长的改变而变化。8一 沈队【：业大学硕。{一学位论文本文的紫外分光光度测量系统采用氘灯和钨灯作为光源。氘灯充有氢的同位素氘，它足紫外光区常用的一种光源【56]，它相应的波长分稍于165nm_400nm之间。氘灯可用的上限波长为375nm，大于此波长时氘灯能量太小，一般改用钨灯。钨灯是可见光区和红外光区最常见的热辐射光源，它适用的波长范围为320---2500nm。钨灯所发射的光是连续光潜，它的能量分布与钨灯的：[作温度有关，见图3．2，钨灯的工作温度与电源电压有密切关系，己知可见光区钨灯的能量输出的波动约为电源电压波动的四次方倍。因此，要使钨灯光源稳定，必须对钨灯电源电压严加控制，采用稳压电源为钨灯和氘灯供电。钨灯：30W，12V，氘灯：DDl0。喇描图3．2钨灯在不同1作温度下的光谱3．2单色器单色器是用来把混合光分解为单色光并能随意改变波长的装置，它是分光光度测量系统中光学系统的心脏部分。它的主要组成为入口狭缝，出13狭缝，色散元件和准直镜等部分，其中色散元件是关键部件。入口狭缝起着限制杂散光进入的作用；色散元件起着把混合光分解为各个单色光的作用，它可以是棱镜亦可以是光栅；准直镜起着把来自狭缝的光束转化为平行光，并把来自色散元件的平行光聚焦于出口狭缝上而形成光谱像的作用：出口狭缝起着把额定波长光射出单色器的作用。当连接光栅的步进电机转动时，可以改变单色器射出光束的波长；改变进出口狭缝宽度，可以改变射出光束的带宽和单色光的纯度。9 沈阶J：业大学硕士学何论文单色器质量的优劣，主要决定于色散元件光栅的质量。3．2．1光栅的色散原理(1)光栅衍射：若一束平行的单色光照射于一块平面透射光栅上时，每一条狭缝都要产生衍射，这些衍射彼此又要产生干涉。图3．3为光栅衍射的示意图。In日、答。迭．荔＼p暑邋8卜-门—，————一豳3．3光栅衍射示意图图中b为狭缝宽度，d为光栅常数，0为衍射角，BC垂直于AC。当入射的平行单色光经狭缝保持原来的方向传播时，凶它们在各狭缝上的子波相位相同，经透镜聚焦于光屏M。时的相位亦相同，结果光强度增大，在Mo处呈现⋯明亮线。若各狭缝的子波到达M1时就有一光程差AC。如果光程差AC恰等于波长九，则各狭缝的子波到达Ml点的光程差是九的整数倍，它们的相位亦都一样，结果光线增强，所以在Ml又出现一明亮线(称一级极大)。光栅在M，产生极大的干涉条件是五=dsin臼(3．1)如果光程差AC是2凡、3^，或为波长的其他整数倍时，就会在相应的M2、M3或其他高级次出现极大干涉线。出现极大线的一般条件是10 沈酣r业人学硕}学位论文聊五=dsin秽(3．2)m为任一整数，又称干涉级数。如果入射的是复合光，那么在零级极大出现的光是没有色散的复合光。不同波长的光衍射角不同，产生一级极大处的位置也巧i同，波长短者衍射角小，落于接近Mo的地方，波长长者衍射角大，落于Mo距稍远的地方，于是，复合光通过光栅后便产生了色散。考虑到入射光可能以一定的角度而不是垂直地照射于光栅上，所以上式(3．2)改为一般式mA=d(sinO+sin／)(3．3)i为入射角，当入射光垂直照于光栅时，i=O，式(3．3)复原为(3．2)，(3．3)统称为光栅方程。(2)闪耀光栅是在近代分光光度计中最常采用的色散元件，被称为反射光栅。为了克服～般光栅所存在的缺点，把光栅的线槽刻制成具有三角形的槽线，并使槽面对光栅表面的夹角保持恒定，从而控制了每一槽面光的反射方向。这样一来，就能使光能集中到所需要的一级极大上去。这种光栅统称为闲耀光栅。槽面与光栅表面所构成的夹角叫闪耀角，反射方向与衍射方向相同的波长叫闪耀波长。闪耀波长的光强度最大。3．2．2光栅的角色散率光栅的色散能力一般采用角色散率表示，它可由光栅方程微分而得d口，，，‘mdCOS口(3．4)上式表明，光栅的角色散率与光栅常数d成反比，光栅常数d越小(即光栅每毫米内的刻线越多)角色散率就越大；光栅的角色散率与干涉的级数m成正比，干涉的级数越大，角色散率也越大。在光栅法线附近，e角很小，cosO*l。实际上0角由0。 沈刚l：业人学硕士学侍论文变至8。HjcosO值由1变到0．99，所以可以把光栅的色散看成线性的，即与波长无关。这难是光栅的优点所在。3r23光栅的分辨率根据瑞利(Rayleigh)准则和光栅方程可以推导出光栅的分辨率公式为R：尘：mN△五(3．5)式中：R-一分辨率^一可分辨的紧邻线对的平均波长△^一它们的波长差rl,1一光谱的级数N一光栅的总刻线数可见光栅的分辨率与光谱级数和光栅的总刻线数的乘积成难比。3,2．4本设计采用的单色器我们选用长春光机所制造的单色器。单色器采用光栅作为色散元件，通过步进电机的转动改变光栅的衍射角，从而得到不同波长的单色光。步进电机控制器采用常州电机厂生产的驱动器，由计算机控制步进电机的转动方向，可以使单色仪的波长增大或减小。在最初的实验中，光栅与电机采用线传动，由于线绳本身张力和电机转动时的惯性作用，常发生滑动，多次试验表明电机定位不准，造成单色器输出单色光的波长不准，这种情况会造成整个测量失败。后将光栅与电机改为齿带条传动断】，避免步进电机转动时发生滑动，取得较好的效果。它的主要技术指标如下：(1)波长准确度O．5nm(2)波长重复性0．3rim(3)波长范围190～9001ml～12 沈日I512业火学硕士学位论文(4)全息衍射光栅1200条．／mm单光束3．3检测器在分光光度测量系统中，需要一些设备对通过试样溶液与参比溶液的光强度加以检测并把光强度以电信号显示出来，这种光电转换设备称为检测器。紫外一可见光分光光度测量系统常用的检测器有光电池、光电管、光电倍增管等三种”21。本系统所采用的是光电倍增管。光电倍增管是检测弱光最常用的光电元件，它的灵敏度比光电管高200多倍。光电倍增管由光阴极和多级的二次发射电极所组成。光照射于光阴极时会引起一次电子发射，这些光电子在真空管中被电场加速而射到第一个二次发射极上时，每个光电子将引起4、5个二次电子的发射，这些电子又被加速到下一个电极上去，如此重复多次。当这个过程被重复9次时，每个光电子将产生lOt一107个电子，最后这些电子被集中到阳极上去。光电倍增管的放大倍数主要取决于电极问的电压。电压越高，放大倍数越大。为了获得稳定的放大倍数，所用的直流高压电源就要很稳定。光电倍增管响应时间极短，能检测10一i一10-9秒级的脉冲光。它的灵敏度受暗电流的限制。暗电流主要由阴极和次级反射极的热电子发射产生的热电流和光电倍增管电极间的漏电流所形成。电极电压较低时，暗电流主要来自漏电流；电极电压较高时，暗电流主要来自热电子发射。光电倍增管的光电流和光强间的线性关系范围很宽，但光强过大时将呈现弯曲现象。3．4数据采集及控制部分电路设计微机控制部分是整个测量系统的控制核心，它完成以下控制任务：单色器波长的定位及调节：样品池样品放置位置的检测；样品池受光情况的检测；检测器测量值的数据采样；检测器放大倍数的调节；上述信息与计算机的通讯。该部分电路设计有几种方案，详细讨论如下：[方案1]购买模拟／数字采样卡可以省去A／D部分的电路设计，一块12位、采样速度100k以上的采样卡价格在13 沈刚小叱大学硕十学位论文千元以上，因此，符合设计要求的采样}价格昂贵，成本过高，其它的控制及检测任务还需另外设计电路。如果采用AfD采样卡，采样卡是安装在计算机中的，检测器输m的模拟信号要经过较长的线传递到计算机中的A／D卡上，不可避免的有噪声信号混入，引起信号失真。[方案2]采用单片机控制仪器要完成全波段(190nm～900nm)光谱扫描，首先必须进行基线扫描，需要采样的测量点有15000个，且每个点采样多次，每个采样点的吸光度值需要对原始值进行滤波、存储；对样品测量值和基线测量值作比值、对数计算；基于上述原因，采用一个单片机完成所有的控告4和计算任务，从存储量和计算速度两方面衡量都很困难。只有采用单片机和微机共同控制的方法。[方案3]采用Pc机控制随着科学的发展，计算机技术R新月异。现在的计算机速度快，存储量大，用台计算机既可以完成测量过程的控制，又可以完成大量数据的存储和计算，通过对比方案2，如果我们自己为仪器设计一块专用采样控制卡，直接安装在测量系统的电路中，使它能够完成AID采样和各控制功能。选择与计算机通讯的接口，使计算机可对其进行操作。这时传递到计算机的信号为数字信号，可防止噪声的混入。这种方案极大地压缩了硬件电路的设计成本，与购买A／D采样卡相比可以节省十几倍。综上所述，第一种方案成本高，功能有限，容易引入噪声。第二种方案需要一片单片机和一台微机。第三种方案硬件电路成本低，功能强，同时使得由信号传输线引入的噪声信号尽可能减小。因此我们选择【方案3】。基于『方案31，设计一块采样测量卡，下面具体讨论完成各项功能的电路设计。3A．1光电倍增管放大倍数的控制本系统使用光电倍增管作为检测器，由于各种物质吸光能力区别很大，即使同一种物质在不同波长处的吸光度也不同，因此，要求它的放大倍数可调。光电倍增管由负高压块供电，改变高压块的控制电压，就可以控制仪器的放大倍数。选用一个数字／模拟转换器，由计算机控制D／A的输出，D／A的输出控制高压块电压，高压块输出电压改变，检测器放大倍数随之改变。检测器的测量值经A／D变换后，得到的数字量送入计14— 沈刚。I：业大学硕士学位论文算机处理，由计算机判断设置的放大倍数是否合适。如果扫描值在量程范围内，则放大倍数预置合理，停止高压调节。保存高压设置。如果扫描输出电压超出量程范围，则继续调节高压，直至合适为止。光电倍增管放大倍数调节框图。图3．4光电倍增管放犬倍数调节原理图3．4．2数字／模拟转换器件计算机对光电倍增管放大倍数的控制是通过D／At27281来实现的。这里采用的D／A是MAXIM公司生产的MAX525芯片，MAX525是。一种低功耗、】2位、电压输出、串行接fl的数字／模拟转换器。它具有四路电压输出，每个放大器的反向输入端可供使用者利用，这有利于远程传感，它还具：有高输出驱动能力，因此MAX525是理想的工业控制器件。MAX525采用串行通讯方式，节省口线，它有四个通道，具有后备丌发潜力，为系统升级予留足够端口。它还具有其他一些特点，包括软件关断，一个用户可编程逻辑输出和一个串行数据输出。(1)芯片的主要特性：每～路DAC通道都有⋯个DAC寄存器和一个输入寄存器组成双层缓冲。一个16位字以串行方式装载进每一个输入DAC寄存器。串行接口与SPI／QSPI以及M1CROWIRE总线兼容。MAX525容许寄存器的数据独立更新或随软件命令改变。DAC寄存器的数据通过三线串行接口进行更新。它的所有逻辑输入与TrL／CMOS逻辑兼容，芯片的主要特性如下：·四路12位电压输出数字，模拟转换器；·+5V单电源供电；·低供电电流：O．85mA正常操作，10“A关断模式；·20引脚DIP／SSOP封装：一15 沈RII-业大。学硕士学f讧论文·上电复位清除全部寄存器并使DAC输出为零；·通过三个串行接口可同时或单独控制每路DAC；·具有用户盯编程的数据输出；·兼容SPFQSPI和MICROWERE：(2)管脚结构MAX525的芯片为20引脚双列直插式和表面贴形式，具体管脚如图3．5所示。^C■DFB矗0ⅡT^0ⅡTBFBBREF^BCLCSDI—SCL五．＼√I^工III^X525DIP，SSOP图3．5MAX525VDDFBD0ⅡTD0ⅡTCFBcREFCDPDLⅡP0DOⅡTDG■D(3)芯片接口控制MAX525的串行输入字包括两个地址位和两个控制位，后面跟随12位数据位(MSBfirst)，如表3．1所示。四位地址／控制代码决定了MAX525的响应情况。表3．1串行数据模式MSB⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯LsB16位串行数据地址位控制位数据位MSBLSBA1A0C1coD】1DO位地址／控制12位数据16 沈阳』：业大!学硕士学位论文MAX525串行口编程命令需要16位串行数据，表3．2列出了串行接口编程命令。CS必须保持低电平直到16位数据传送完毕。先送数据高字节，数据可以用两个8位字节传送，也可以一个16位字传送。表3．2是串行接口编程命令。袭3．2MAX525串行口编稳命令16位串行字AlA0ClcoD儿⋯⋯⋯⋯D0功能MSBLSB0l12位DAC数据装载输入寄存器A：DAC寄存器不变0lOl12位DAC数据装载输入寄存器B；DAC寄存器不变l0Ol12位DAC数据装载输入寄存器c：DAC寄存器不变l0112位DAc数据装载输入寄存器D：DAC寄存器不变O112位DAC数据装载输入寄存器A：全部DAC寄存器被刷新0l1l12位DAC数据装载输入寄存器B：全部DAC寄存器被刷新10I12位DAC数据装载输入寄存器c：全部DAc寄存器被刷新l112位DAc数据装载输入寄存器D；全部DAC寄存器被刷新OlOXXX)D。【XXX全部DAC按各自输入寄存器更新数据1012位DAc数据从移位寄存器中装载DAC1l0OXXX)【X)()0【)c关断状态(／PDI．=1)01OXXX)。【XXXXUPO变低OLl0XX)：)：XXXXXUPO变高0O)。。()。【)【碰X无操作l1O)()【XXXX)。。(模式1，DOU"f在时钟周期上升沿输出输入数据1010)。∞()()∞【)【模式0，Dour在时钟周期下降沿输出输入数据3．4，3测量数据的采集紫外分光光度计的数据采集工作是获得数据以及计算机处理数据的关键环节，通过模／数转换器完成。A／Dp9吲】完成检测器信号的采样、单色器零位信号采样、样品池挡光隔板信号采样。采用MAXIM公司的A／D芯片MAXl27完成这些任务，它是一个串行17～ 沈阳，L：业大学硕j：学位论文通讯芯片，通道多，占用的口线少，转换速度快(典型转换时问是7．7us，最大值是10．0us)，非常适合本测量系统使用。此外，予留的A／D通道为仪器的改进提供很大余地。(1)芯片特点MAXl27是‘个多通道、12位模蜘数字转换器。其主要特点如下：·12位数字输出，1／2LSB线性度·+5v单电源供电·12C总线兼容，两线串行接E】·四路软件可选的输入量程MAXl27：0～+10V，O～+5V，={：10V，士5V·八路模拟输入通道·输入放大器±16．5V过电压容量·两种电源关断模式·24脚DIP封装或28脚SSOP封装每一路模拟输入都可以通过设置相应的控制位(RNG，BIP)单独编程选择四种量程中的一种。在每一路输入通道上都有一个电阻网络，为所有通道提供a：16．5V的错误保护，这种保护限制管脚上的输入或输出电流使其小于1．2mA。MAXl27的两线串行接口由SDA和SCL管脚组成。SDA是数据输入／输出，SCL是由主机控制的串行时钟输入。A2～A0是用于编程区别MAXl27不同的存储地址。当总线不使用时，SDA和SCL必须是高电平状态，这就需要外加上拉电阻。(2)MAxl27的控制字情况如下：表3．3MAXl27的控制字18～ 沈Rl-E业火学硕士学位论文表3．4MAXl27的通道选择字SEl2SETlSET0通道号0O0CH00】aJlO1OCll2Ol1CH3l0OCH4】O】aJ5l0CH6J1]CH7表3．5MAXl27的关断选择PDlPDo模式0X止常操作(alwayson)1O休闲关断状态(STBYPD)1l休眠关断状态(FULLPD)表3．6MAXl27量程和极性选择输入范围(V)RNGBIP负满量程(v)零电压(V)满量程(v)O～5O0V目$l，22070～101O0V唧车2．4414±501一Vm#1．22070Vw}1．2207±10l1一Vm一2．4414OVB蛇．4414MAXl27有一个7位的存储地址，前四位(MSBs)是固定的0101，地址(A2～A0)决定器件的低3位。控制字的第八位是读／写位，RAV=0，主机向MAXl27写，RAV=I，主机读MAXl27。当主机给MAXl27开始信号START时，转换开始。一19一 沈阳l：业大学硕士学位论文START信号要求SCL为高屯平时SDA一高到低跳变。当转换结束时，主机发出一个停止信号STOP，STOP要求SCL为高电平时，SDA}=}；j低到高跳变。MAXl27写周期示意图如下：17181NO．OFB1"ISSSL～VEADDRESS／WACoNTROL—BYTEAPfACKN0啊』EDGE图3．6lMk4X127写周期当RAV=0时，主机向MAXl27开始发送控制字节，发送结束时发出STOP信号。应答完成后转换立刻开始。MAXl27的内部转换时钟频率是1．56MHz，典型转换时间是7．7us。转换开始后，主机不必等待转换结束，当主机想要读取数据时，发送START信号以及存储地址，并使骱Ⅳ=l。如果八位数据与地址相匹配，MAXl27就会发出应答信号，接着传送串行数据的第一个字节(D11—D4,MSBfirst)。然后主机发出应答信号，MAXl27开始发送第二个字节(D3一DO和四个零)。主机发出应答和停止信号，完成读操作。读周期示意图如下：18l8l1NO．OFBITS4--START酗3．7MAXll7读周期MAXl27的管脚结构由于封装形式的不同而略有变化，如图3．8所示： 沈刚1：业人学硕}：学位论文图3．8MAXl27的管脚示意倒DIP3．4．4单色仪控制信号调节单色仪波长的步进电机的丝杠上安装有一个光电开关，当电机转动到此位置时，产生电平信号，计算机检测此信争怍为系统零位置定位信号。由于零点位置的重要性，系统是通过A／D的CHl通道对零点信号采样以保证每次系统复位的一致性。步进电机还有两个控制信号与计算机相连：转动方向控制信号DIR(控制步进电机正、反转)和步进脉冲信号CP。3．4．5样品池控制信号不同的测量过程对光源有不同的要求，因此系统对样品池是否有光通过必须明确。样品池的受光情况由样品池与光源之间隔板的开关状态决定，隔板与机盖相连，机盖开启，隔板闭合，样品室无光源通过；机盖闭合，光源通过样品室。机盖装有光电开关，机盖开关时产生不同的电平信号。为了保证样品池的开关情况的一致性，该信号由A／D的第二个通道采集，计算机通过设定的域值判断光电开关的状态，检测出样品室的受光情况。样品池中有四个放置样品的样品槽，计算机需要确认处在光路中的是哪个样品。为了识别不同的样品槽，在每一个位置安装一个光电开关，当某个样品处于光路中时在相应的信号线上产生电平信号，可由计算机检测。21一譬=蚕盟曩盛盘加加。彻乱如M涫巴1叮肋裟妊嚣警皆温嚣嚣酱盐裟翟盘加肋¨巴玑¨巳已从汜巳。阻肋裟裟嚣嚣詈皆湍 沈刚L业人学硕I一学位论文3．4．6测量卡与计算机的接口数字／模拟转换器、模拟／数字转换器和上述的各种控制信号都集中在测量卡上，我们将测量}通过计算机的打印机口与微机相连【321。微机控制部分电路图如下：图3．9中MAXl27的CH0通道采样检测器输出测量信号，CHl通道采样单色仪零位信号，CH2通道采样样品池挡光板信号。SCL是由主机提供的时钟信号，控制A／D的转换进程。SDA是串行数据端口，它是MAXl27接受主机命令，应答主机信号及向主机传送转换数据的口线，该端口应具有读、写双向功能。但是打印机口的每条线只能单向使用，所以，加一个2N2906管，使MAX]27的SDA通过两条线与司。算机相连，实现了计算机对MAXl27进行读写操作。L114022401章专c生02L2VDDCⅡ014==一104OJV加CⅡ115I立=C404104：一髓1-|Tuf占_一0．1ull"11SHDNCH2屿船5蝗!D矗R10x6R401墨‘：5：—争SCLSD矗：VCCN嚣‰6睦A^21RE盛23丑—_』C40"l^O12“06宁o．1uf亍t．7unC冒n^CID图3．9MAXl27接口电路图3．10中MAX525的A通道输出口OUTA对高压块进行设置，从而改变光电倍增管的放大倍数。REFAB为A和B通道提供参考电压，采用MCl403基准电源提供2．5V。CS是主机提供的片选信号，SCLK是主机发出的转换时钟，DIN是串行数据端口，由主机向MAX525写入控制字和二进制数。一22 沈阳r业大学硕士学位论文C40847uf日403苎士C"t09VDDFBA亏。％习一i诚D／A占1o·luf0ⅡT^一CLK101DI一93DCILHKAGliDCS8CS711401IICl403．Vt签PCDLLREFABC4111量=#c410OUTIll114．7uf毒__J0-luf一DGHD3专G■D图3．10MAX525接口电路哇12luf图3．11计算机对单色仪的控制是通过打印机口的四条线经过72LS244的输出驱动信号DIR和CP。1X$403图3．11打印机口接线圈图3．12是样品槽槽位采样信号，Y1、Y2、Y3、Y4通过打印机口送入微机。一23— 沈刚Hp人学硕十学位论文VCCY哇6搿酱6舾B503篙66嚣R螂5066舾7鬻Y33Y22Y11SB50lSB502SB503SB50哇挂盎日I鞋刍g邕刍g挂盎g图3．12样品槽位检测电路43．5软件编程本课题设计的紫外分光光度测量系统是一台具有在给定波长范围内自动扫描功能的智能仪器，它可以由用户根据自己的需求修改仪器设置，按要求完成任务。智能仪器是以计算机为核心，其工作是以软件控制、运算及分析为特点，具有人工智能的新型系统。在硬件电路确定之后，仪器的功能将依赖软件来实现，因此智能仪器的设计工作有很大部分是软件设计。我们设计的紫外分光光度计的软件系统在WINDOW环境下运行，它具有WINDOW应用程序的特点，可以单独操作，不受其他程序运行的影响，本身的运行亦不干扰其他程序的使用。我们采用MicrosoftVisualC十+编程133-40]。3．5．1软件特点和功能软件是测量系统的灵魂，软件编程的质量决定了测量系统的功能和效率。为使测量系统能够方便灵活的执行各项任务，编程的软件应具有良好的开发环境，丰富的类库和函数库，对硬件操作的功能强大，用户界面友好，方便使用者进行学习和掌握，Vc++恰好能满足这些要求。这一点对于为实际应用项目的本课题更为有意义。紫外一可见分光光度测量系统使用了单CPU的结构，也就是直接使用打印机口来控制仪器上的所有部件，而没有使用额外的单片机，所以程序的编写相对复杂，VC抖一24— 沈日}【：业人学硕士学位论文6．0对硬件的出色控制能力盼38跏是其相对于其它高级语言的一个显著优点，而且速度快、；’存储单元少。我们设计的系统与计算机是通过打印机接口通汛的。一般打印机口有多种工作模式这里使用的是SPP模式。所以程序首先要确保工作校式正确，可以通过对BIOS的访问来完成打印机口模式的判断和修改。由于程序既要完成对硬件的实时控制又要提供给用户一个友好的操作界面，所以多线程是必不可少的。这里使用了两个线程：一个用来控制仪器的硬件运行，包括单色仪，数据采集部件，高压控制部件等；另一个用来完成图形界面的绘制，鼠标和键盘的操作以及响应系统消息等。两个线程之间使用自定义的消息来进行通讯，以协调整个仪器的运行。多线程的设计使测量过程可以独立进行。软件的界面友好直观，使测量过程的控制更加容易。因为程序所要完成的任务非常复杂，所以使用了单文档双视图的界面，即一个一般视图和一个列表视图。另外加上仪器要实时地呈现很多参数给用户，所以界面中加入了两个Dialol；Bar。程序还对工具栏和状态栏进行了修改，以获得更多可以用来指示信息的界面空问。软件功能齐全，程序可以对操作的合法性作出判断，终止错误操作，并及时给出提示。参数修改方便，可以键入测量范围(190nm～900nm)，选定测量速度、波长间隔：0．05rim，0．10nm，0．20nm，0．50rt,n，设置高压值。在状态栏中加入一个进度条来指示全波长扫描的进度。对鼠标所指处的吸光度值进行显示。还设计了两种光谱显示形式、两种光谱曲线存储方式。为满足用户的不同要求，设计了坐标变换功能，包括单位的变换和量程的变换，使得光谱曲线的观察更加清晰明了。下面是几种参数调节的对话框。图3．13对话框：可设定采样间隔：O．05rim、0．10nm、O．20nm和0．50nm四档。选择扫描速度：高速、中速、低速三种。 沈阳L业大学硕士学位论文图3．13扫描参数设定图3．14对话框：曲线的横纵坐标都可以根据需要改变。物理量类型有吸光度、透射比、能量电压，每个物理量对应的量程范围还可有几种选择。电压和浓度也呵调整。图3．14曲线坐标设定图3．15对话框：为用户提供高压设置。图3．15高压调节当将要进行测量的样品已经具有标准工作曲线时，可由图3．16输入曲线的参数。 沈阻工业大学硕十学位论文图3．16标准曲线参数设定图3．17对话框：对曲线颜色加以区分，从而使用户可以突出自己感兴趣的部分。图3．17曲线颜色设定图3．18对话框：可以满足使用者习惯以百分比作为浓度单位的要求。图3．18百分比浓度计算3．5．2界面介绍紫外分光光度测量应用程序启动后，进入图3．19所示的操作界面。操作窗口大致分为三个区域，上部主要是菜单栏和工具栏，用户可以通过选择菜单或工具栏上的按钮 沈目{。L业大学硕士学位论文对紫外分光光度测量系统进行控制。中间部分，所占的面积最大，它是测量结果的显示区域，也是使用者最关心和经常使用的区域。分为两个视图区，⋯个用来显示扫描光谱曲线、吸收峰值、谷值和吸光度值或透射比值：另一个用来显示样本信息。窗f]的下部用来实时反映系统测量的进展情况。图3．19紫外一可见分光光度计的操作界面28～ 沈刚．【业大学硕士学位论文4紫外—可见光分光光度系统测量过程的设计与实验的研究紫外分光光度测量系统在硬件设汁和软件编程完成后，整个系统就可以进行联机调试和实验，在微机控制下完成各项测量任务。4．1测量系统的零点修正测量系统的零点是由单色仪的零点决定，它决定了测量系统波长定位的精度。单色仪的零点信号是由安装在改变单色仪波长的步进电机丝杠部位的光电开关来提供的。当步进电机转动至此位置时，发光管被遮挡，产生一个电平信号。光电开关的狭缝有一定的外形尺寸，而单色器是以nnl为单位的精密仪器，狭缝的尺寸不能满足零位的要求性。为了确保零点定位信号的确定性，电路设计时，通过A／D的一个通道(CHI)对其进行采样，计算机中设定一个域值作为判定标准，以保障每次到达零点位子的一一致性。软件编程时，函数m_hard．ZERO()的返回值用于判断电机是否到达此位置，mhard．ZERO()=l到达电机零点位置，否则不在零位置。此点位置的确定对于保证以后波长定位很重要，所以为防止干扰的影响，连续采样十次，只有全部十次ZERO()=1，程序才认定系统位置为零位。在测量实验中，我们发现测得的光谱曲线与参考资料并不相符，总有一定量的偏差。多次实验测量的结果证明，系统存在一个偏差需要修正。分析误差产生的原因，主要有：(a)由于单色仪出厂后在进行机械安装时，零点位置不可能绝对精准，安装到系统上后，也会产生安装误差；(b)由于单色仪是非常精密的设备，波长值以零点几纳米为单位，系统的移动或摆放位置的变化都会引起零点移动。(c)长期使用后，单色仪的机械部件会发生的磨损，也会引起零点的改变。这些因素将直接影响仪器的测量，因此系统波长零点误差必须尽量消除。紫外一可见分光光度测量系统采用以下两种方法进行系统的零点的修正：(1)氘灯光谱法：只用氘灯做光源，用紫外分光光度测量系统测得氘灯的光谱曲线，获得吸收峰值，与氘灯吸收峰值理论数值相比较，得到误差值Offset，存储误差值，仪器自动校正零点。氘灯吸收谱线理论峰值是656．1nm和486．0nm口、1810图4．i是一29 沈刚I．业人学硕t学位论文一次实验测得的氘灯吸收谱线，从图4．1可知，此时的吸收峰值是488．50am，得到零点误差为2．5nm。图4．1氘灯能每谱线(2)镨钕玻璃、钬玻璃光谱法：采用镨钕玻璃、钦玻璃的标准试样，测量它们的光谱曲线，获得吸收峰值，同理论值比较，也可获得零点误差，进行自动修正。紫外一可见分光光度测量系统样机的实验和实际测量及修正结果表明，氘灯光谱法修正可达至U较理想的准确度。4．2步进电机复位由于分光光度计的测量范围是190nm～900nm，所以需要的步进电机的起始位置应是测量范围的起始点190nm。当计算机检测电机位置时，它的位置所在点的波长可能比190nm小，也可能比190nm大，所以要使电机复位，步进电机的转动方向必须可控。计算机通过一个信号DIR来控制电机的转动方向。函数m—hard．DIR()的变量值反映了主机的控制意图。 沈阳J：业大学硕一l学位论文D1R(o)波长增大，DIR(1)波长减小。电机的控制端口CP，每加一个脉冲，电机在指定方向上运动一步。步进电机每步转动睢色器输出波长变化值是0．05nm，这样190nm就可以通过电机运动的步数实现定位。4．3分光光度测量系统的0％T一100％T调整0％T--100％T调整是仪器进行定波长测量和对系统高压进行设置必须进行的一项工作。4．3．1仪器调0％T当光电倍增管接收的光源能量为零，即光源全部能量被遮挡状态下，ADC所采集到的输出电压。通过MAXl27的第一通道获得0％T数据Voffset。仪器调零的过程也就是测量仪器噪声电压的过程，噪声电压的采集对系统测量的修正有很重要的意义，它将对以后的测量结果的准确性产生影响。为保证此值的准确性，对其采样200次，Voffset取其平均值，以消除外界干扰的影响。4．3．2仪器调100％T当样品室内样品为空白液(只有溶剂)时，将波长确定为某一值时，使光源通过样品室，待其状态稳定后，通过MAX525数字／模拟转换器设置光电倍增管的放大倍数，DAC的输出由8,N大逐渐增加，DAC调整一次，MAXl27通过第一通道采样输出电压一次。采样值送回计算机作比较，当MAXl27测得检测器的输出达到5v时，记录此时的电压值Vfull及高压块的高压值HV。同样为排除干扰的影响采样200次，取其平均值作为100％T电压值。4．4定波长测量定波长测量：从键盘输入测量波长值，仪器自动调整单色仪到特定波长。在指定波长处首先调0％T，存储噪声信号．再进行100％T调节，修正高压设置，再分别对空白溶液和样品溶液进行数据采集，滤波去噪，计算该波长处的吸光度值和透射比值，根据标准工作曲线计算被测溶液组分的含量。一31 沈日{f：业大学硕士学位论文4．5基线扫描由于光源能量在整个波段的分布是不均匀的，入射光强出对空白液进行的基线扫描获得。首先，设置初始高压值、测量范围、采样速度和采样次数。再检查电机是否已经复位到190hm，等到电机复位及高压稳定后，由计算机控制单色仪改变波长值，得到各波长点单色平行光，开始从用户设定的波长起点进行扫描测量。对采样数据进行数字化滤波处理，计算出每一点的值并逐一存储，得到各点入射光强度。扫描完成后，如果扫描所得数据在正常范围内，窗口将有对话框提示基线扫描成功，此时可将基线数据保存起来。以备扫描样品溶液时，计算数据。图4．2基线扫描谱线4．6全波长自动扫描全波长扫描是对被测溶液进行的，目的是获得透射光强度。它必须在基线扫描完成后进行。计算出每一点处透射比。对透射比取对数得到相应采样点的吸光度。系统经过各种数据处理搜寻和标定出吸收峰值和吸收谷值(-．q-搜寻和标定出多个吸收峰值和吸收谷值)。吸收谱线、吸收峰值及吸收谷值是化学分析中进行组分判断，定波长点测量时 沈mii业大学硕士学位论文波长的选择及各种校j下的重要依据。绘出两种吸收诺线：以波长值为横坐标，以吸光度为纵坐标的吸收谱线和以波长值为横坐标，以透射比为纵坐标的吸收谱线。图4．3足一个样品溶液在设定的波长范围内(300nm～800nm)进行的全波段扫描谱线。为了可以更进一步地观察所关心的某个波长附近的谱线情况，我们可以将该点左右20nm内的曙线放大显示，即细扫描显示方式。根据需要不同全波长扫描的显示方式分为粗扫描和细扫描。扫描类型可由软件编程控制，变量DisplayKind的值对应不同的扫描类型，DisplayKind一0显示曲线为粗扫描线，DisplayKind一1显示曲线为细扫描线。图4．4是图4．3中扫描曲线在波长为450．931trn处的细扫描谱线，可以更清晰的观察到谱线的变化情况。图4．3全波长扫描光谱曲线 沈IHl]i业人学硕士学位论文图4．4细扫描曲线4．7自动寻峰在自动扫描曲线完成后，计算机将会自动找到样品吸收的峰值处和谷值处，并在该处显示吸收峰值和谷值以及相应的波长值。由图4．3可以观察到该被测溶液的吸收峰(单峰)值为1．035A，波长值为447．60nm。吸收谷值为O．039A，波长值为799．70nm。 沈HILL_业人’≥硕士学位论文5测量系统的数据处理及数据分析5．1扫描曲线5．1．1噪声的消除出于数据采集过程中存在诸多引入噪声的环节，所以获得的扫描断线中隐含着大量的干扰信号。在通过硬件对噪声抑制无法获得更进一步效果时我们可以借助于软件手段。实验发现在能量比较弱的区域随机干扰信号的问题比较突出，滤波和平滑算法可以获得满意的效果。但在差分滤波过程中很容易引起严重的相位失真，这会使得最后获得的峰值点出现大范围的平移。所以差分方程的使用成为一个很矛盾的问题。另外不能一味借助于低通数学模型，许多有效的峰也是又窄又陡峭的，低通会严熏影响这些峰的幅度。(1)我们首先去除一些尖峰干扰。设信号为y俐，n=l，Z一．Ⅳ，N为4的倍数，对连续4个样值点y倒，y一+∥，y”矽，y一+印进行从大到小排序后得刑，xO+1)，xO+2)，xO+3)这样一个新的序列片段，得到去除脉冲干扰后的新信号为y6》=y({+1)：=yO+2)：=ye+3)=／x(i+1)+x(i+2)J／2t5．1)(2)通过移动平均差分作进一步的处理。砌)2嘶1毫塑幽掣@：，对应的频率响应为H(d”)：而1，蛩Lin(Ⅳ峋w(上r>”)(5，12)》一J娥一x。型强嘉j—y—孰百础 沈骱工、Ik人学硕士学位论文显然，增大肝会使系统忽略小的纹波．抗干扰能力就会相应增强。但n不能选的太大，那样会削掉过窄的峰，失真也就非常严重了。通常n值的选择要根据光谱带宽决定。一般在光谱带宽为O．2nm时选择n=10，即在该点左右lnm范围内进行拟合。在数据序列的两侧将导数置为0，这样会引起导数光谱的阶跃，但我们的关键问题是要提取峰值信息，这样的小缺陷并不会影响整个算法。可以发现通过上面的方法得到的导数光谱虽然有一定的失真，但其本身就蕴涵着平滑的意味。所以即使扫描光谱被淹没到噪声中也不会引起算法的失控。图5．3上面为扫描光谱卜．面是它的导数光谱。／、j＼，一，M厂一一LU图5．3扫描光谱及对应的导数光谱5．2．3从导数光谱获得离散的曲线在导数光谱中，峰值被反映为衔接从正到负变化的零点。所以要找到峰值必须抛弃其它的零点，观察图5．3中的导数曲线发现导数曲线中有太多的零点，但找到从正到零l；。一．．．．；～一．．．．矗一一、9I一～蚰一一，一-，-～一，一_～一_、-～一一．． 沈⋯1．业人学硕士学位论文再到负的跳变还是非常容易的。为了使算法具有更高的稳定性和适应性，使用没定域值的方法来将跳变过程夸张成离散曲线的跳变。令正负域值为刚+和TH-且导数序列为y倒则对于离散序列三㈣有F面表达式：L(月)IY。>刀了+0TH+≥y，≥TH～TH一’Y。(5．13)在不同的域值下，可以得到不同的触发效果。图5，4中从上到下域值依次减小，当域值比较大时波形的变得非常简洁。呵以准确无误的找到几个非常典型的峰值，但是几个不太陡峭的峰却没有反映出来。而域值选的小了又会将许多太小的波动信息提取出来，这样会使干扰问题再次变得敏感。于是借助于模糊的方法来寻找有效的峰。；i几厂]ii000■——■’矿一⋯细一——■～。蠕矗⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯409一．95⋯⋯⋯⋯⋯⋯一jj；mL--⋯⋯⋯⋯⋯⋯一j；；矗⋯⋯⋯⋯⋯≮赫面：。lon。o：r‘赫二—_÷—一{号j‰⋯⋯⋯⋯⋯⋯一；i；矗⋯⋯～⋯⋯⋯‘；j；矗⋯⋯⋯⋯⋯⋯‘；晶矗⋯⋯⋯⋯⋯’；磊；|_：。looo—r—牡厂[雠几A卜J搿‰⋯⋯⋯⋯⋯；函盗⋯一图5．4域值对吸收峰提取的影响40一469．85 沈日i_[业人学硕士学位论文5．2．4埘不同域值得到的数据进行加权融合很显然用越大的域值找到的跳变点是有效峰的可能性也就越大。我们可以对不同域值下得到信息进行加权后融合，以使{每一个峰值都得到更加准确的反应。首先我们对每条离散的曲线进行以下处理。上㈤=仁L(月)|：0L(月)l≠0(5，14)首要问题是确定一个函数，以对不同域值下得到的数据进行融合。为了简化汁算过程采用线性的模型就可以获得满意的效果。设上俐的触发域值为TH(n)=0．003+O．002n，则对于光谱上的每一个点都有：P，：矿1圭(。+1)三(")窆f”。(5．15)其中的口值反映了多项式的项数，在工程中发现印=9时比较合适，当日更大时对效果几乎没有什么影响，不过必须牺牲更多的运算时间，但太小时又会使适应性减弱而不能进行准确的判断。从图5．5可以看到Q--9时只i)的波形曲线，对比图5．3上面的扫描光谱，不难发现通过上面的一系列数学方法已经对峰值信息进行了有效的提取。下面只要在其中找到每个P>f(f为用户设定的自动寻峰灵敏度)的塔形区域就可以了。当然还要在每一个区域中找到最大值。应用上述的方法可以查找多个吸收峰值、谷值的’隋况，经实际测量证明这种方法效果令人满意。图5．6为扫描光谱的多峰寻峰结果。图中共找到16个峰值点和15个谷值点。——41—— 沈RI：l：业大学硕“{：学位论文f__厂＼一p／图5．5Q=9时爿i)的波形曲线图5．6多峰寻峰结果42— 沈日¨业人学硕1：学位论文5．3标准工作曲线的建立在仪器分析实验中，常用标准曲线法进行定量分析【4。431。标准曲线随着试样溶液的组成不同而发生改变，实际应用中经常需要求取未知的标准曲线。方法是：配置不同浓度的标准试样，将紫外分光光度计调节到特定波长，测量每个试样的吸光度。采取l叫归分析p451的办法对数据进行处理，求取吸光度与溶液浓度的标准工作曲线。在分析化学中使用的工作曲线，通常都是直线。吸光度与溶液浓度成线性关系。横坐标(x)表示标准溶液浓度：纵坐标(Y)表示如吸光度。当x取值为xI，x2，⋯，砥时，测得的Y值分别为Yj，Y2，⋯，Y。。可绘出一条直线表示X与Y之间的函数关系，这条直线就是标准曲线。用作绘制标准曲线的标准溶液，它的含量范围应包括试样中欲测物的含量，标准曲线不能任意延长。由于误差不能完全避免，实验点完全通过工作曲线的情况是极少的。应用一元线性回归方法，利用最小二乘法原理来求得回归直线的斜率K和截距B。设回归直线方程为；可推导出K和B的估算值：Y=B+KX(5．16)K=端旦毫Xy，一(1／雅崦X，迤y，)(5．17)。—事■可万爵习_B=Y—KX43(5．18) 沈阳【业人学硕七学位论文式中牙=0／-)ZX，，F=(1／胛)∑y：I=l肚l为简化计算公式，定义以下一些量x的离差平方和三。=∑恤，一霄)=Zx,2—0／n】∑Ⅳ，l(5．19)2fd，Ⅳ*、2『=lr_】＼』=1／Y的离差平方和三，，：宝@一Ff：主rz一(1／。)r窆112(5．20)扛lf=J＼i=1／XYIYJ耥,,三。：宝∽一霄地f_I式(5．17)可简化为：，)2蕃置r一0／．1、善z儿善rj@’21’、一，一、r一、K=L以。(5．22)求出K和B值后代入(5．16)，即得一元线性回归方程。回归方程是否有意义，必须进行相关性检验。在分析测试中，一元回归分析习惯采用相关系数R来检验。相关系数检验的统计量为：R=L。／NL。L，(5．23)R值的范围为：0≤矧≤l。当0R。，则表示Y与x两个变量之问存在着线性关系；如R．，R。，即吸光度与溶液浓度之间存在线性关系。所以，此线可作为标准工作曲线。建立标准工作曲线后，可反求该种溶液的浓度。在紫外分光光度计的实际应用中，经常完成此项工作。对未知浓度的该种溶液用同样的波长进行定波长扫描，测得其吸光度，吸光度值与工作曲线的交点处的浓度值即为溶液的浓度。 沈刚1：、止人学硕士学位论文图5．7标准』：作曲线 沈目j工业大学硕士学位论文6结论通过对紫外～可见分光光度测量系统的设计和实验的研究得出如F结论：1．采用微机与测量系统硬件分离的设计方案，町以实现微机的资源共享，节省了资金，使整套测量系统价格大幅度下降。同时，微机接收的来至测量卡的信号为数字信号，抗干扰能力强，经实验验证实施效果好，实践中可以采用。2．在单光束测量系统中，采用导数方法进行多峰寻峰，实际操作证明效果明显。因此，这种方法可以应用。3．在多峰搜寻中，用户通过对域值的设定，可以自己选择需要的吸收峰，既可以观察到细小的吸收峰，也可忽略自己不关心的部分。这一措施方便了用户的使用。4，由测量数据建立的标准工作曲线可以用于反求该种溶液的浓度。5．在目前的条件下，本课题设计的测量控制部分完全可以处理再增加一个单色器而引入的信号，从而当光路系统成为双波长以后测量系统仍然适用。6．后续的研究工作在对大量的实验结果进行分析后，我们认为光源对整个测量系统的影响很大。光源输出强度的稳定性会直接影响仪器的测量结果，尽管我们采取了稳压措施，但光源的强度不仅与电源有关，还与通电时问、环境温度等其它因索有关。要查明各种因素之间的关系，还需要大量的实验工作。由于本课题的任务量已经很大，没有时间将这一工作做完，只好交给后续的研究人员。另一影响测量结果的因素就是单色器，实验中我们发现，在一些波段，单色器分出的单色光能量较弱，信噪比降低。由于单色器为外协部件，我们会在以后的研究中，注意对各生产厂家的产品进行对比、筛选，挑选色散性能更好的单色器，这样整个测量系统的性能将得到改善和提高。47 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