WTS系列脈沖紫外可見分光光度計的研制

2016-06-24 08:45:16段政衛陸士民

分析儀器 2016年3期

段政衛　黃　岑　陸士民

(上海慧多信息科技發展有限公司，上海 201108))

WTS系列脈沖紫外可見分光光度計的研制

段政衛黃岑陸士民

(上海慧多信息科技發展有限公司，上海 201108))

摘要：介紹了作者研發的一種多功能脈沖紫外可見分光光度計，討論了該儀器在設計、元器件選擇、應用等方面的創新思想及儀器的特點和有關問題。

關鍵詞：脈沖智能即開即用

1前言

自從美國Bekman公司于1945年推出世界上第一臺紫外可見分光光度計后，紫外可見分光光度計儀器及其應用一直在飛速發展[1，2]，隨著科學技術的發展,目前紫外可見分光光度計已經成為光、機、電、計算機四位一體的、技術密集的高科技產品。它的應用領域非常廣泛，可以說在“農、輕、重、海、陸、空、吃、穿、用”各個領域，無所不在，無所不有，應用覆蓋面達到全球應用領域的75%。

但是，隨著應用發展的需求，對紫外可見分光光度計的要求越來越高，特別是在如何改變傳統紫外可見分光光度計儀器的結構、配置，以適應智能化、快速化、在線化等方面的需要，很多國家開展了研發工作，2010年以來，全球各大儀器廠商相繼投入研制脈沖氙燈光源的專用紫外可見分光光度計，例如：ThermoFisher公司、PerkinElmer公司、Agilent公司等等(表1)。

表1　世界各國主要廠商氙燈光源產品一覽表

續表1

上海慧多信息科技發展有限公司，根據儀器學理論[3]，從儀器設計制造和應用等方面走出了一條創新之路。以脈沖氙燈做光源，研發成功了一種新型的通用的WTS脈沖紫外可見分光光度計(以下簡稱WTS)，打破了國外主流公司在這一領域的產品壟斷、填補了國內空白。

本文將重點介紹和討論WTS的設計、創新點和有關特點。

2WTS的脈沖氙燈的特點

不同類型光源覆蓋的波長范圍如圖1所示。

圖1　不同類型光源覆蓋的波長范圍示意圖

由于采用了特殊的電路設計，所以保證了WTS的脈沖氙燈具有以下特點：

(1)WTS所用的脈沖氙燈輻射光譜能量分布與日光相接近，色溫約為6000K；脈沖光源的閃光持續是指1/3峰值光強所對應的時間間隔,稱為脈沖寬度。它主要由光源的結構和點燈電路決定。現有脈沖光源的脈沖寬度一般為10-9～10-2s,瞬時亮度可達10-10cd/m，是除激光外亮度最高的人造光源，它的瞬時光通量可達109lm，閃光重復頻率為1～106次/分,工作壽命達106次以上。

(2)光譜覆蓋范圍寬，連續光譜部分的光譜分布幾乎與燈輸入功率變化無關，紫外波段輸出能量高，在壽命期內光譜能量分布也幾乎不變。其發射光譜如圖2所示。

圖2　脈沖氙燈光譜圖

(3)光穩定性好，光、電參數一致性好，工作狀態受外界條件變化的影響小(圖3)。

圖3　脈沖氙燈光源光輸出穩定性示意圖

(4)光源一經燃點，幾乎是瞬時即可達到穩定的光輸出。關閉后，可瞬時再次燃點。

(5)光源使用壽命長，正常使用可達30億次(圖4)。

圖4　脈沖氙燈光源的壽命特性圖

3WTS的整體設計及其有關特點

3.1光源固定結構

采用獨立三點式懸掛，克服了整機基座應力的影響，避振效果好。

3.2光學系統

采用S/N光學設計，保持入射狹縫和出射狹縫都不動的情況下, 繞光柵中心轉動光柵, 就可完成光譜掃描。凹面光柵, 使光既衍射又聚焦，可減少吸收現象，只存在光柵面一次反射的光損失，且無色差，可消除單色器像散, 獲得很高的像質。自動可調式入、出射狹縫，滿足更多測量需要。

3.3電源系統

交直流寬電源適配器，可以滿足從交流230V/50Hz和直流12V的供電條件，既符合實驗室規范，又能適應野外、車載、在線的需要。

3.4機械系統

所有機械運動部件采用電機直接驅動機械運轉，沒有中間的機械傳動環節，保障了整機運行的精度和速度。

3.5光度室系統

自動六連池的測樣承載機構，既可以測量單一樣品，又可以適應多個樣品多波長、多點的連續測量。由于采用獨特的光學設計，在測試時即使敞開樣品室，也不會被室光干擾，因此WTS200/300系列可以在分析樣品時開蓋測試。

3.6控制系統

滿足穩定脈沖氙燈光源的光電能量選頻輸出的匹配控制系統，其特征在于，運用模糊理論和反饋控制手段，捕獲并控制元器件材質誤差、等離子體運動路線位移、微波干擾、電磁場引力變化、電子電路溫差、高低壓電位勢能失衡、充放電時差等因素造成的非線性影響，達到保持光電能量穩定匹配的目的。

該系統的穩定光電能量方法科學規范，運用本方法可大幅降低各類誤差形成的積累變化，控制效果顯著，不僅可以滿足當前儀器檢測系統的可靠性，而且還預留了以后的功能擴展過程中對其他干擾因素產生的控制性，提升了整機工作系統的穩定性、重復性、可靠性。

3.7檢測系統

響應度高、探測性好、線性度準、動態范圍寬是WTS200/300系列檢測系統的特點，光電匹配選頻輸出是WTS檢測系統針對脈沖氙燈光源的獨創技術。

3.8顯示系統

WTS200/300系列使用7英寸進口彩色觸摸屏，連續工作時間超過20000小時，完全符合現代裝備的操作要求，既簡化了儀器操作方式，又增加了工作樂趣。

3.9操作系統

WTS200/300系列脈沖氙燈光源紫外分光光度計的計算機硬件系統采用的是嵌入式計算機平臺,其處理器的特點是：體積小、低功耗、高性能。

軟件操作系統可使完整的可移動技術與現有的Windows桌面系統技術整合。

由于WTS200/300系列的軟件系統是基于Windows CE操作系統開發的，因此WTS200 /300系列可以實現本機上直接完成所有的檢測、計算、圖形顯示及打印報告，無需聯接PC上位機。WTS200/300系列也可以通過無線或有線網絡聯接PC電腦，實現檢測、計算、圖形顯示及打印報告，并且可以通過手機或IPad遠程遙控操作。WTS200/300系列還可以通過網絡實現測試結果數據的遠程傳送到數據庫服務器，實現測試結果的網絡共享和企業的無紙化管理，管理機構可以通過互聯網利用WTS200/300系列的遠程數據傳送的這一特點實現遠程監測功能。

3.10快捷響應

儀器性能無須預熱，即開即用。傳統儀器在使用之前需開機預熱30分鐘以上，才能基本達到儀器應有的性能指標。WTS系列儀器無須預熱，開機即用，其穩定性和可靠性完全滿足分析測量要求。特別在突發事件發生和現場檢測中可以快速響應，處理緊急分析任務。

3.11低能耗，高效率

傳統儀器必須在220V的電壓環境下工作，且使用功率至少高于300W。而WTS系列儀器能耗僅為12V/5W，降低了能耗和使用成本。最特別的是，WTS系列可在車載環境中使用。此功能適用于移動分析任務、野外分析任務、在線分析任務等。

3.12真正環保

分析儀器的主要任務就是檢測、分析各類物質，幫助人們辨別、控制有害物質，提升有益物質的使用率和應用率。但傳統儀器的金屬鹵素光源會釋放臭氧，造成對人體的次生污染。WTS系列運用清潔光源，不產生任何諸如臭氧的次生污染，極大地降低了實驗室工作人員的健康風險。

3.13長壽命

傳統儀器在一個正常使用周期(10年)至少需要更換10次光源，而WTS系列在一個正常使用周期中無需更換光源，光源的工作壽命達109次以上。

3.14智能系統

WTS系列產品基于嵌入式計算機平臺搭載WinCE6.0操作系統，無須連接電腦，即可實現所有儀器功能。傳統儀器可能只能儲存最多20條分析數據，WTS系列具備海量存儲數據的能力。

傳統儀器的本機操作需要按鍵板，確定、退出、修改、存儲、打印等功能非常復雜，而WTS系列使用彩色觸摸屏操作，完全符合現代裝備的操作習慣。雖然簡化了儀器操作方式，卻增加了儀器分析功能。

3.15無線操控

此功能所有國內外儀器都未見實現。WTS系列配置無線網卡，增加了新的通訊口。傳統儀器的聯機(PC)模式，需要依靠RS232線或者USB線連接，而WTS系列無須連線，完全無線聯機。WTS系列有一個特殊的功能，在網絡環境下，任何諸如計算機、PAD、手機等可以聯網的設備，都可以無線接管儀器，不僅可以遠程操控儀器，而且可以監管儀器。此功能無論是實驗員、管理員或者指導者，都是一種革命性的方便選擇。

3.16DIY的軟件功能。

如果儀器用戶需要可任意編輯加入或者更改軟件的分析方法和功能，在用戶具備安全局域網環境的條件下,本機的工作數據可自動加密上傳服務器。

3.17整機系統比較

WTS200/300脈沖氙燈光源紫外可見分光光度計與傳統紫外可見光譜儀的特點比較如表2所示。