摘要：為保證分光光度計波長(cháng)檢測的準確度,設計了光度計波長(cháng)自動(dòng)掃描標定系統。系統以STM32F103RBT6單片機為控制核心,通過(guò)控制步進(jìn)電機、光電池檢測模塊、人機交互模塊等部件,實(shí)現波長(cháng)自動(dòng)掃描檢測。波長(cháng)掃描過(guò)程中,光度計在波長(cháng)每增加0.5 nm處檢測保存待測樣品的吸光度值,并通過(guò)串口通信與計算機交互,再將檢測數據上傳至VB上位機軟件。上位機完成對檢測數據的處理及曲線(xiàn)繪制。根據檢測結果,利用正弦函數擬合校正波長(cháng)脈沖函數,并將校正系數下發(fā)至下位機。下位機根據校正系數,完成波長(cháng)標定。標定系統波長(cháng)掃描范圍為190~850 nm,掃描檢測速度為2 nm/s。校正后,實(shí)際測量數據檢驗結果表明,分光光度計波長(cháng)準確度優(yōu)于0.3 nm。

　　關(guān)鍵詞：波長(cháng)標定; 擬合; VB 6.0; 光柵; 單片機; 上位機; 分光光度計;

　　Abstract：To ensure the accuracy detection of the wavelength of spectrophotometer,an automatic scanning calibration system is designed. The single chip computer STM32F103RBT6 is used as the control core,through controlling the stepper motor of each part,photovoltaic detection module,and man machine interaction module,etc.,the automatic scanning detection of wavelength is implemented. In wavelength scanning process,the output value of the photodetector is read and saved by spectrophotometer when the wavelength increases every 0. 5 nm; and the detected data is uploaded to VB host computer through serial communication. The processing and curve plotting of the detected data are completed by the host computer,using the sine function to fit and correct the wavelength pulse function,and the correction coefficients are issued to the lower computer. The wavelength calibration is completed by lower computer according to the correction coefficient. The test results of actual measurement show that the accuracy of the wavelength of spectrophotometer is within 0. 3 nm.

　　Keyword：Wavelength calibration; Fitting; VB 6; 0; Grating; Microcontroller; Host computer; Spectrophotometer;

　　分光光度計主要根據物質(zhì)吸收光譜上某波長(cháng)處的吸光度值來(lái)判斷或測定待測物含量[1],被廣泛應用于制藥、化學(xué)化工、冶金、食品、農業(yè)等領(lǐng)域的定性、定量分析[2]。不同物質(zhì)有其特定的吸收光譜線(xiàn),在實(shí)際測量中,根據不同的物質(zhì),選用不同的波長(cháng)。波長(cháng)準確度直接關(guān)系到分光光度計的分析誤差[2-3]。

　　近年來(lái),由于電子技術(shù)的高速發(fā)展,光電檢測技術(shù)對儀器的分辨率、測量范圍、靈敏度、速度、集成化、一體化等方面提出了更高的要求[4]。提高波長(cháng)標定的掃描速度和精度是分光光度計控制系統設計的主要任務(wù)。目前,波長(cháng)標定主要有根據掃描結果在一定區間內線(xiàn)性加減脈沖數和多項式擬合[4-5]兩種方法。線(xiàn)性地加減脈沖數,誤差較大,標定過(guò)程復雜;多項式擬合精度較高,但要求擬合的數據點(diǎn)較多。本系統通過(guò)cortex-M3芯片控制各部件電機及光電池檢測系統等模塊,實(shí)現自動(dòng)掃描檢測,大大簡(jiǎn)化操作流程;VB上位機根據掃描結果,利用正弦函數進(jìn)行擬合。光柵方程符合正弦規律,用較少的標定點(diǎn)數獲得較高精度的波長(cháng)脈沖函數,可有效提高系統的實(shí)時(shí)性及檢測精度。

　　1、標定系統結構及原理

　　1.1、系統結構

　　分光光度計下位機主要包括cortex-M3主控制單元、光源系統、光柵分光系統、樣品池、濾光片、光電池檢測系統以及人機交互模塊等。上位機為VB設計的軟件程序,主要完成數據的處理、顯示及擬合等。標定系統結構如圖1所示。

圖1 標定系統結構框圖

　　下位機控制單元選用STM32F103RBT6作為主控芯片。光源系統包括氘燈、鎢燈及光路系統。系統可根據波長(cháng)自動(dòng)切換光源,切換時(shí)由步進(jìn)電機驅動(dòng)切換鏡片將指定光源反射至入射狹縫。分光系統采用平面反射閃耀光柵作為分光元件,光柵相對于棱鏡有更好的分光能力[6]。光柵由步進(jìn)電機及其減速傳動(dòng)裝置帶動(dòng)旋轉,選擇特定波長(cháng)的單色光出射。光柵步進(jìn)電機選用STP-42D2081,步距角為1.8°。為提高光柵角度分辨率,電機驅動(dòng)時(shí)采用64細分,同時(shí)設計機械細分,設計減速傳動(dòng)比為兩級齒輪減速傳動(dòng)機構。為克服衍射光柵光譜的級次重疊,在出射單色光前加有7個(gè)不同波段截止濾光片。截止濾光片安裝在可由步進(jìn)電機驅動(dòng)的圓盤(pán)孔位上。步進(jìn)電機選用力矩較大的24BYJ48B減速步進(jìn)電機。樣品池中放有待測物質(zhì)的樣品及用作參照對比的“空白”樣品。“空白”樣品中沒(méi)有待測物,用以消除待測物質(zhì)以外其他物質(zhì)的影響。樣品池用35BYJ412B步進(jìn)電機進(jìn)行樣品切換,使單色光依次通過(guò)各樣品。檢測系統采用光電池傳感器和放大模塊,完成對透射光能量的檢測。

　　1.2、標定系統原理

　　光柵將復色光分成各波長(cháng)單色光,特定波長(cháng)單色光通過(guò)樣品池中樣品,經(jīng)光電池檢測透射光能量。通過(guò)計算待測物樣品和“空白樣品”兩種樣品透射光能量的比值,得到待測物質(zhì)的透過(guò)率及吸光度。

　　根據光柵衍射理論,平面反射光柵的光柵方程為:

　　式中:d為光柵常數,設計理論值為833.33;α為入射光與光柵法線(xiàn)夾角;β為衍射光與光柵法線(xiàn)夾角;m為光柵衍射光譜級數,選用m=1級光譜;λ為衍射光波長(cháng)。

　　由光柵方程可知,波長(cháng)為λ的一級(m=1)光譜線(xiàn)、波長(cháng)為λ/2的2級光譜線(xiàn)、波長(cháng)為λ/3的3級光譜線(xiàn)等都具有相同的衍射角。為消除光譜級次重疊,保證單色光純度,在出射光前加有截止濾光片。根據截止濾光片,將波長(cháng)分成190~339 nm、340~369 nm、370~429 nm、430~549 nm、550~649 nm、650~749 nm、749~850 nm多段進(jìn)行掃描。系統選用能量較高的m=1級光譜,則:

　　根據三角函數變換,可得:

　　對于分光光度計,入射狹縫A及出射狹縫B固定,閃耀反射光柵分光原理如圖2所示。

圖2 閃耀反射光柵分光原理圖

　　光柵旋轉所選擇的入射單色光光線(xiàn)與出射單色光光線(xiàn)夾角始終不變,(α+β)為常數。零級光處,入射角與衍射角相等,α-β=0。光柵旋轉一定角度θ時(shí),α-β=2θ,則式(2)可簡(jiǎn)化為:

　　式中: ;θ為光柵旋轉角度, ,n為電機步進(jìn)脈沖數,j為細分數,選64細分,i為傳動(dòng)比。

　　在實(shí)際測量過(guò)程中,由于分光光度計的安裝誤差、光柵誤差等因素使(α+β)的常數與理論值產(chǎn)生偏差,也將引入由齒輪制造的誤差,從而導致系數k1、k2的誤差,最終使電機脈沖數產(chǎn)生偏差,從而影響分光光度計的波長(cháng)準確度。為保證波長(cháng)的準確度,必須根據實(shí)際分光光度計,對系數k1、k2重新計算。系統通過(guò)測定氧化鈥玻璃的特征譜線(xiàn),并根據其特征波長(cháng)及對應實(shí)際脈沖數,采用正弦函數最小二乘擬合,得到實(shí)際系數k1、k2。分光光度計下位機根據實(shí)際系數重新完成波長(cháng)標定。

　　2、VB上位機

　　由于波長(cháng)掃描標定時(shí)檢測處理的數據量較大,為提高系統的數據處理能力及運行效率,設計VB上位機軟件。上位機與下位機通過(guò)RS-232通信,實(shí)現數據交互。下位機分光光度計負責波長(cháng)掃描檢測,上位機軟件主要實(shí)現數據處理、曲線(xiàn)繪制、數據管理、存儲、excel表格輸出以及正弦函數擬合校正等。

　　上位機選擇指定的波長(cháng)段并開(kāi)始采集。下位機接收掃描指令后,對指定的波長(cháng)段自動(dòng)掃描檢測,并將檢測的各待測物質(zhì)的透過(guò)率及對應的波長(cháng)值通過(guò)串口通信傳至上位機。上位機將數據顯示在對應的表格中,并繪制對應的波長(cháng)透過(guò)率曲線(xiàn)。同時(shí)可對檢測數據進(jìn)行存儲及輸出。所有波長(cháng)段檢測完成后,即可進(jìn)行波長(cháng)校正。波長(cháng)校正時(shí),上位機根據檢測數據,找到實(shí)際特征波長(cháng)的波長(cháng)值及對應電機脈沖數。根據氧化鈥玻璃的標準特征波長(cháng)及脈沖數,利用正弦函數進(jìn)行擬合校正,得到校正系數k1、k2,將系數下發(fā)給下位機。下位機再根據校正系數重新計算得出每個(gè)波長(cháng)對應的脈沖數,完成波長(cháng)標定。

　　3、波長(cháng)標定

　　波長(cháng)標定過(guò)程中,由于截止濾光片的不同,需分波段進(jìn)行掃描。VB上位機選擇不同的波長(cháng)段,下發(fā)至下位機。下位機根據上位機指令,控制光柵電機帶動(dòng)光柵旋轉,對指定波長(cháng)段掃描標定。下位機接收指定波長(cháng)段掃描指令后進(jìn)行初始化。初始化主要包括根據波長(cháng)自動(dòng)選擇光源及截止濾光片、樣品池電機帶動(dòng)樣品池回零,使空白樣品至指定工位。選擇合適的波長(cháng)放大倍數,提高系統檢測精度。

　　初始化完成后,在光柵電機的作用下,光柵以一定的角速度旋轉,使光柵出射的單色光以2 nm/s的掃描速度先后通過(guò)“空白”樣品及待測物樣品。為提高系統的運行效率及實(shí)時(shí)性,同時(shí)減少數據量,只在波長(cháng)值每增加0.5 nm處讀取光電檢測器的輸出值,并將結果存儲。通過(guò)對空白樣品及標準樣品檢測結果的對比,即可得出標準物質(zhì)對不同波長(cháng)的透過(guò)率,最后將掃描結果傳給上位機。

　　由于系統檢測數據是在掃描過(guò)程中動(dòng)態(tài)檢測的,為提高系統的檢測精度,本系統采用中位值平均濾波與滯后濾波軟件濾波相結合的方法。每次采集8組波長(cháng)數據,去掉最大值與最小值,再求平均值。在每組數據采集過(guò)程中,連續采樣18次,去掉最大值與最小值,取平均值,再根據上一組數據,采用一階滯后濾波,得到當前數據。

　　自動(dòng)波長(cháng)標定系統流程圖如圖3所示。

圖3 標定系統流程圖

　　特征波長(cháng)掃描檢測結果如表1所示。

表1 特征波長(cháng)掃描檢測結果

　　據檢測特征波長(cháng)及對應的實(shí)際脈沖數,采用正弦函數λ=k1sin(n/k2),擬合校正得到k1=1 544、k2=31 455,則λ=1 544sin(n/31 455)。

　　校正結束后,經(jīng)過(guò)檢驗測量,得到實(shí)際特征波長(cháng)值如表2所示。

表2 標定結果測試檢驗

　　試驗數據表明,系統測量波長(cháng)誤差小于0.3 nm。系統標定后,用分光光度計自帶氘燈校正波長(cháng)。根據氘燈特征譜線(xiàn),其特征波長(cháng)為486 nm和656.1 nm,檢測實(shí)際波長(cháng)為486 nm和656 nm。

　　波長(cháng)重復性與波長(cháng)準確度同樣重要。對于同一物質(zhì),不同波長(cháng)下測試會(huì )有不同的靈敏度。波長(cháng)重復性不好的分光光度計在每次試驗檢測時(shí),將不能得到可靠的分析結果。為檢測波長(cháng)重復性精度,多次掃描檢測氧化鈥玻璃特征譜線(xiàn),測定系統波長(cháng)重復性。經(jīng)過(guò)系統4次掃描測量,得到的特征波長(cháng)處波長(cháng)重復性檢測結果如表3所示。

表3 波長(cháng)重復性檢測結果

　　試驗數據表明,特征波長(cháng)處波長(cháng)重復性?xún)?yōu)于0.3 nm。

　　4、結束語(yǔ)

　　基于VB 6.0的自動(dòng)分光光度計波長(cháng)標定系統[7-10],通過(guò)上位機正弦函數擬合校正,獲得了較高的波長(cháng)準確度。通過(guò)設計上位機數據處理軟件,提高了系統的運行速度及效率,友好的上位機界面能更加直觀(guān)地顯示測量的結果;通過(guò)步進(jìn)電機帶動(dòng)分光光度計各部件自動(dòng)掃描檢測,提高了系統的智能化與自動(dòng)化,大大簡(jiǎn)化了測量操作,并保證了系統的準確性與可靠性。通過(guò)試驗檢測表明,經(jīng)系統波長(cháng)校正后的分光光度計,其波長(cháng)準確度優(yōu)于0.3 nm,滿(mǎn)足分光光度計試驗檢測要求。

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