實時動態測試吸收光譜的方法

2023-05-06 20:43:41

專利名稱：實時動態測試吸收光譜的方法
技術領域：
本發明屬於紫外可見吸收光譜學儀器領域。通過對吸收光譜進行動態化測試設計，以獲得所研究體系的實時動態吸收光譜曲線，進而可以通過該實時動態吸收光譜曲線來研究動態進行的化學、材料和生物體系。
背景技術：
吸收光譜是由於組成物質的分子吸收輻射能後引起的能級變化和躍遷所致。而紫外可見吸收光譜主要是由價電子躍遷所致，其具有超靈敏的特點。由於許多分子都可以產生紫外可見吸收光譜，且不同的物質分子和相同的物質分子在不同的相互作用狀態下都會產生不同的紫外可見吸收光譜，因而紫外可見吸收光譜已經成為實驗室和工業上常用的定性、定量和結構分析的儀器。但一般的紫外可見吸收光譜只能對處於平衡態的體系進行研 究，而實際發生的化學過程，材料的聚集過程和生物體系中的生命過程都不是處於平衡態而是動態進行的，因此，這就需要動態的紫外可見吸收光譜儀。目前已經商業化的動態吸收光譜儀是所謂的瞬態吸收光譜儀。瞬態吸收光譜儀的光源採用雷射脈衝光源，通過脈衝單色光對樣品進行輻射，並且測試其透射光，從而獲得吸收光譜。儘管目前的雷射技術已經可以實現飛秒級的雷射脈衝，因而可以實現飛秒級的瞬態光譜。但從研究實時動態進行的化學、材料和生物體系而言，基於瞬態雷射光源的儀器存在以下問題
O相對普通連續光源，雷射脈衝光源是很昂貴的，因而所得的瞬態吸收光譜儀比現行的普通紫外可見吸收光譜儀昂貴很多，難以推廣作為常態儀器；
2)普通的吸收光譜是測試所研究體系的一個較寬的連續光譜吸收帶(通常的紫外可見吸收光譜儀的光譜範圍為200 800 nm左右)。而瞬態吸收光譜儀的脈衝光源如果要實現連續光譜，則所得儀器將極為昂貴，一般的實驗室難以承受。為降低成本，雷射脈衝通常都只採用幾個固定的波長。因此，現行的瞬態吸收光譜儀要麼價格昂貴難以承受，要麼難以實現連續波譜，這使得其難以廣泛的研究動態進行的化學、材料和生物過程。動態體系的科學研究和實際應用需要一種既價格便宜，又能實現連續波譜的吸收光譜儀，本發明的基於連續光源和數據採集卡的動態紫外可見吸收光譜儀則滿足了這一需求。

發明內容
技術問題本發明的目的是提供一種實時動態測試吸收光譜的方法，通過這種儀器可以直接對具有實際和科學意義的實時動態的化學、材料和生物過程進行測試。技術方案本發明的實時動態測試吸收光譜的方法具體如下
由光源發出的光經過單色系統後，成為單色光，然後通過光信號輸入輸入到樣品室中，對所研究體系進行照射，透射光通過光信號輸出輸出後，經過光電轉換器，光信號被轉換為電信號，然後電信號通過電信號輸出輸出到數據採集卡；為了樣品室測試的需要，還設有溫度和壓力控制系統和環境控制系統對樣品室進行控制，整個儀器系統由計算機數據處理進行控制和數據處理；
在光源存在的情況下，單色光是一直入射樣品，同時也是一直從樣品透射的，本儀器設計上採用電荷耦合元件將光信號轉換為電信號，然後用高速數據採集卡進行高速實時動態數據採集，從而實現動態化吸收光譜的測試。所述的光源採用連續光源，連續光源採用氫燈、氘燈、鎢燈、氙燈、汞燈或發光二極體燈。所述的光電轉換器採用電荷耦合元件來實現將光學信號直接轉換為模擬電流信號，然後該模擬電流信號被傳輸到數據採集卡。 本發明實現動態測試的原理是依據數據採集卡的採集速率的，目前的電子工業已經可以方便的提供各個採樣速率的數據採集卡，其採用速率可以從低頻至IO9 Hz，即本發明的動態紫外可見光譜的測試速率可以根據需要在每秒數千次、數萬次、IO6UO9範圍內變化。且因為數據採集卡的數據採集速率在不超過最大採集速率的情況下可以設定的，這就意味著動態測試光譜的速率也是可以設定的，這會在具體的化學、材料和生物動態體系的研究和生產中帶來極大的方便。有益效果本發明的動態吸收光譜儀採用普通的吸收光譜光源和單色系統，在透射光後增加電荷耦合元件CCD將光信號轉換為電信號，然後用高速數據採集卡進行高速實時動態數據採集，從而實現動態化吸收光譜的測試。CCD已經是廣泛使用的光學元件，價格通常在數千元左右，高速數據採集卡是常用的電信號硬體設備，其價格也僅在萬元或者幾萬元左右。而現有的商業化高速數據採集卡的採集速率可以達到每秒IO9次，這樣，本發明的動態吸收光譜儀可以實現每秒測試IO9次吸收光譜，這已經可以滿足絕大部分的實時動態的測試要求。且同普通吸收光譜儀相比，價格只增加幾萬元，就算是配備較好的數據採集卡，價格也只增加約十萬元。而且，一旦實現量產推廣，在批量採購下，價格會更加便宜。因而，本發明的動態吸收光譜既可以實現納秒級的瞬態連續吸收光譜測試，儀器價格也增加不多。而目前採用雷射瞬態光源的全波長瞬態吸收光譜儀，價格多在200萬左右。因此，本發明的儀器在性能上能滿足大部分的動態測試要求，而在價格上也增加不多。


圖I是本發明儀器的整體結構示意圖。圖中有光源I、單色系統2、單色光3、光信號輸入4、樣品室5、光信號輸出6、光電轉換器7、電信號輸出8、數據米集卡9、溫度和壓力控制系統10、其它環境控制系統11、計算機數據處理12。
具體實施例方式為了更好地理解本發明的內容，通過以下具體的實施例來進一步說明本發明的技術方案，但該實施例並不限制本發明。光源可以採用一般的紫外可見吸收的連續光源，包括氫燈、氘燈、鎢燈、氙燈、汞燈和發光二極體LED燈等。光源通過分光系統而成為單色光，然後定位的入射到研究體系中，最後到電荷耦合元件CCD上，通過CCD而將光信號轉化為電信號。然後電信號由數據採集卡進行採集。由於紫外可見光的頻率遠遠高於數據採集卡的採樣頻率，因而採集速率由數據採集卡決定。在光源存在的情況下，單色光是一直入射樣品，同時也是一直從樣品透射的，本發明在整體設計上採用光電轉換器將光信號轉換為電信號，然後用高速數據採集卡進行高速數據採集，從而實現動態化測試。光源採用常用的鎢燈作為連續光源1，單色器2採用光柵，通過光柵後，光源被分為單色光波3，然後入射到樣品室裡。在樣品室5中，由於研究體系的物質結構特點，將對入射的單色光進行選擇性吸收。由光柵所分光所得到的單色光是可以通過計算而定位的，儀器中可以選擇300 800 nm的光譜範圍,這樣,就可以得到300 800 nm範圍內的單色光，且每一波長的單色光入射的方向是確定的。光電轉化器7採用CCD，CCD的本質是由很多個單個光電轉換器組成，每個光電轉化器為一個像素點。由於每一個波長的入射光的方向是確定的，這樣，當透射光6到達光電轉換器CCD時，每一個波長的透射光的方位也是確定地照射到CXD上的某個或某幾個像素點上。這樣，儀器就實現了同時將單色光入射到光電轉換器CCD上，而目前的CCD技術已經可以方便的對所需要波長範圍的同時入射的單色光進行光電轉換。並且同時輸出模擬電信號8到數據採集卡9上。由數據採集卡對所獲得的數據進行分析處理，整個系統由計算機控制12。
要實現動態吸收光譜測試，對於不斷進行的動態過程，為了準確得到隨時間t變化的吸收光譜，採用微元法原理進行數據測試，即在t時間範圍內，可認為反應體系是靜態的。由於紫外可見吸收光譜儀中的入射單色光的頻率遠遠高於數據採集卡的頻率，因此，整個數據採集的速率由數據採集卡的採集速率來決定。如果配備GHz的數據採集卡，則整個動態測試的速率為每秒IO9次，即可以實現在每秒的時間內測試吸收光譜IO9次。該速率雖然比不上目前的採用飛秒雷射瞬態光源的商用瞬態吸收光譜儀的速率，但對於一般用途的材料、化學和生物動態體系來說已經足夠了。而且如前所述，其價格上比雷射瞬態吸收光譜儀要低至少一個數量級，所以該儀器很容易作為常態動態儀器而加以推廣。
權利要求
1.一種實時動態測試吸收光譜的方法，其特徵在於該方法具體如下 由光源(I)發出的光經過單色系統(2)後，成為單色光(3)，然後通過光信號輸入(4)輸入到樣品室(5)中，對所研究體系進行照射，透射光通過光信號輸出(6)輸出後，經過光電轉換器(7)，光信號被轉換為電信號，然後電信號通過電信號輸出(8)輸出到數據採集卡(9);為了樣品室(5)測試的需要，還設有溫度和壓力控制系統(10)和環境控制系統(11)對樣品室(5)進行控制，整個儀器系統由計算機數據處理(12)進行控制和數據處理； 在光源存在的情況下，單色光是一直入射樣品，同時也是一直從樣品透射的，採用電荷耦合元件(CCD)將光信號轉換為電信號，然後用高速數據採集卡進行高速實時動態數據採集，從而實現動態化吸收光譜的測試。
2.如權利要求I所述的實時動態測試吸收光譜的方法，其特徵在於所述的光源(I)採用連續光源，連續光源採用氫燈、氘燈、鎢燈、氙燈、汞燈或發光二極體燈。
3.如權利要求I所述的實時動態測試吸收光譜的方法，其特徵在於所述的光電轉換器(7)採用電荷耦合元件(CCD)來實現將光學信號直接轉換為模擬電流信號，然後該模擬電流信號被傳輸到數據採集卡(9 )。
全文摘要
本發明是一種實時動態測試吸收光譜的方法，該方法具體如下由光源(1)發出的光經過單色系統(2)後，成為單色光(3)，然後通過光信號輸入(4)輸入到樣品室(5)中，對所研究體系進行照射，透射光通過光信號輸出(6)輸出後，經過光電轉換器(7)，光信號被轉換為電信號，然後電信號通過電信號輸出(8)輸出到數據採集卡(9)；為了樣品室(5)測試的需要，還設有溫度和壓力控制系統(10)和其它環境控制系統(11)對樣品室(5)進行控制，整個儀器系統由計算機數據處理(12)進行控制和數據處理；本發明採用普通吸收光譜用的連續光源，通過高速數據採集卡來實現動態吸收光譜的測試，可廣泛地適用於對紫外可見吸收光敏感的化學、材料和生物學體系中的動態測試過程。
文檔編號G01N21/31GK102735628SQ201210206318
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月21日 優先權日2012年6月21日
發明者劉瑞蘭, 唐超, 徐慧, 戎舟, 黃維 申請人:南京郵電大學