專利名稱：白光干涉系統(tǒng)用于分光光度計中可變吸光長度測量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于化學分析儀器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種邁克爾遜白光干涉系統(tǒng)用于分光光度計中可變吸光長度測量的方法。
背景技術(shù)：
分光光度計是一種常用的化學分析儀器，基于比爾定律，通常利用待測樣品池與參比池光學參量比較的方法，進行相關(guān)的定性或定量分析。
目前廣泛使用的分光光度計均采用吸光長度固定的樣品吸收池(如最常見的1厘米池)，為了獲得最佳的信噪比、以及更高的分析精度，經(jīng)驗和理論的推導均已證明，最佳吸光度的取值范圍應(yīng)選在0.5左右。我們知道，吸光度＝吸光指數(shù)X樣品濃度X吸光長度，對給定的待測液體在特定的波長，其吸光指數(shù)是一定的。這樣對于固定吸光長度的測量方法，欲控制吸光度在0.5附近，就只能根據(jù)需要采取改變被測樣品濃度的方法。這種改變被測樣品濃度的方法，使得濃度測量變?yōu)槎螌С隽康臏y量。即欲測濃度C0，不得已必須將其稀釋n倍，測出比被測濃度小n倍的濃度，再反算。這既不符合精確測量的要求，也會引入不必要的誤差。此外，改變濃度會導致液體折射率發(fā)生變化，相應(yīng)的在吸收池窗口和待測液體界面之間的透射率也會不一致，進而引起測量誤差。另一方面，這種方法對于低濃度、高吸收系數(shù)的液體測量有很大的局限性。
另外一種普遍采用的方法是，配備一組光學性質(zhì)同一、均勻的、不同長度的樣品吸收池，其長度變化范圍為10μm～1cm之間不等。但是根據(jù)理論分析和實驗結(jié)果顯示，對于某些液體其0.5的最佳吸光度值，往往不能準確地分布在這些相對固定的長度范圍內(nèi)，還需結(jié)合上述的改變被測樣品濃度的方法來獲得最優(yōu)吸光度值。并且這種配備一組樣品池的方法，對制備樣品池的光學玻璃要求非常高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種不需要改變待測液體的濃度，只通過連續(xù)控制待測液體光學吸光長度的方法，實現(xiàn)最佳吸光度的選取。由邁克爾遜白光干涉系統(tǒng)測量待測液體吸光長度的變化量，完成對被測液體定量分析的要求。
分光光度計輸出的平行光，經(jīng)二向色棱鏡分光后，垂直入射到待測液體表面，其透射光強由朗伯-比爾定律決定。
I(d)＝I0-I0Re-αd式中，I0是入射光強，R是待測液體表面的反射系數(shù)，α是待測液體的吸收系數(shù)，I(d)是在待測液體中傳播距離為 時透射光強。
在測量過程中，待測液體濃度始終不變，這樣R始終是常數(shù)，測量不同厚度下的透射光強和厚度變化就得到吸收系數(shù)αα＝[InI(d2)-InI(d1)]/(d2-d1)＝[InI(d2)-InI(d1)]/Δd＝A/LA是吸光度；L是待測液體吸光長度；吸光度的測量采用目前標準的分光光度計來計量。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下由于重力作用，任何液體在一定大小的容器內(nèi)都會形成一個理想鏡面。這樣，將光束垂直入射到液體表面，就會形成比較好的反射光束。把反射光束由自聚焦透鏡棒收集，經(jīng)光纖耦合系統(tǒng)作為白光干涉系統(tǒng)的測量臂；另外一束光入射到固定在高精度步進電機上的全反射鏡上，反射光束同樣由自聚焦透鏡棒收集，經(jīng)光纖耦合系統(tǒng)作為白光干涉系統(tǒng)的參考臂。當液面的位置和全反鏡的位置滿足邁克爾遜相干條件時，就會形成白光干涉條紋。通過讀取白光干涉條紋中心峰值的位置就可以精確定位當前待測液體液面的位置(Changsen Sun，Longcheng Yu，Yuxing Sun，Qingxu Yu，Appl.Opt.44，5202(2005))，測量精度由步進電機精度決定。將某一測量到的液面位置標記為待測液體的相對厚度，記作d1，同時記錄該厚度下對應(yīng)的透射光強I(d1)；這樣，當改變待測液體在容器內(nèi)的含量時，就會得到一系列的待測液體的相對厚度以及該厚度下對應(yīng)的透射光強。此時，任意兩個白光干涉條紋中心峰值的距離，就表示待測液體厚度的變化量，這兩個厚度下的透射光強之比的對數(shù)就是相應(yīng)于該厚度變化量的吸光度。若以當前經(jīng)驗的最優(yōu)吸光度在0.5-0.8附近作為基點，預先設(shè)定最優(yōu)吸光度值，通過本系統(tǒng)可以實現(xiàn)對待測液體光學吸光長度的直接測量。
在不影響分光光度計整體結(jié)構(gòu)的前提下，將待測液體變化量的控制系統(tǒng)和自動測量待測液體吸光長度的白光干涉系統(tǒng)結(jié)合到一起，設(shè)計了一套光路和樣品池。采用二向色分光棱鏡的方法，將分光光度計和白光干涉系統(tǒng)兩個測量光路耦合到一起，垂直入射到待測液體的表面，樣品池底部的光學窗口只需要與分光光度計光源匹配即可。降低了目前光束側(cè)向通過樣品池時對樣品池光學性質(zhì)的精密要求。同時分光光度計的接收面固定在與樣品池底部相接觸的光學拋光平面上，樣品池放置時底面涂上光學耦合油以消除接收面與樣品池底面之間空氣隙的影響。最終整個光路機械固定在精密的光學平臺上，樣品池的拆卸不會影響光路。利用現(xiàn)有的分光光度計中吸光度的測量部分，把某個測量的液面位置記作初始位置，在該位置下分光光度計記錄的光強信號為初始光強；那么，可以根據(jù)需要預先設(shè)定吸光度的最優(yōu)值，例如將吸光度A控制在0.5-0.8之間的某一值。再由自動進樣器加入少許待測液體并用分光光度計測出的相應(yīng)光強。然后，結(jié)合初始光強計算出此時的吸光度值。將該吸光度值與預設(shè)的最優(yōu)吸光度值相比較，根據(jù)比較的結(jié)果控制自動進樣器調(diào)節(jié)待測液體的加入量，來對吸光長度進行調(diào)節(jié)。如此反復，直到系統(tǒng)的吸光度達到預先設(shè)定的最優(yōu)值為止。此時，白光干涉測量系統(tǒng)可以測得變化前、后待測液體液面位置的變化，即為待測液體吸光長度的變化量，再根據(jù)實際對應(yīng)的吸光度值就可以對被測液體進行所需要的定量分析。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如附圖1所示。
本發(fā)明的效果和益處是在不改變現(xiàn)有分光光度計整體測量系統(tǒng)的前提下，添加一個預先設(shè)定最優(yōu)吸光度值的控制和反饋單元，對待測液體加入的量進行自動控制。
用于測量待測液體吸光長度的白光干涉系統(tǒng)采用的寬譜光源，可以選擇與分光光度計測量系統(tǒng)的光源相隔較遠的譜段，將不會影響吸光度的測量。
待測液體吸光長度的測量范圍和精度主要由白光干涉系統(tǒng)中的步進電機決定，該系統(tǒng)使用步進電機的測量范圍在1微米至8厘米，精度為1.25微米。具體步進電機的指標可以根據(jù)不同測量精度要求選擇，可以滿足不同測量要求。
光垂直入射到被測液體的表面上，盛放液體的吸收池僅底部需要采用性能優(yōu)良的光學玻璃制作，降低了成本。
整個光路預先調(diào)正、校準并機械固定，用于接收的透鏡固定在精密的光學平臺上。由于是相對測量，所以盛被測液體的樣品池位置偏差不會影響測量精度。
本發(fā)明將白光干涉系統(tǒng)用于分光光度計中可變吸光長度的測量，其測量的范圍大、精度高，實現(xiàn)對液體吸光系數(shù)、或濃度的直接測量?？梢詮V泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、食品加工業(yè)等領(lǐng)域。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
圖中1---寬譜近紅外半導體光源；2---氦氖激光器光路校準光源；3---近紅外光電探測器；4---單模光纖；5---3×2單模光纖耦合器(分光比為50∶50)；6---光纖耦合自聚焦透鏡；7---步進電機控制下的平面全反射鏡；8---二向色分光棱鏡；9---出射的近紅外光垂直入射待測液體表面并反射回透鏡6的光路；10---被測液體樣品；11---盛放被測液體樣品的石英玻璃池(底部為光學精度的平面)；12---放置石英玻璃池的光學精度的平臺；13---鑲嵌在平臺12上的光學透鏡(其上表面與12構(gòu)成光學精度平臺)；14---相應(yīng)于分光光度計工作光波長的全反射鏡；15---分光光度計工作光束，從射入分光光度計原樣品池端引出，并經(jīng)上圖所示樣品池后，傳回到分光光度計原樣品池的出射端；16---吸光度預設(shè)值基準(一般為0.5左右最佳)；17---吸光度預設(shè)基準值與實際測得的吸光度值進行比較；18---進樣控制；19---進樣執(zhí)行器；20---原有的分光光度計系統(tǒng)。
圖2是白光干涉測量單片機控制測量系統(tǒng)設(shè)計框圖。
圖3是白光干涉測量干涉圖判讀方法。
圖4(a)(b)是用來計算被測液體吸光長度的白光干涉圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細敘述本發(fā)明的具體實施方式
。
按照圖1所示搭建光路，將待測液體放入樣品池中，然后啟動圖2所示的單片機控制下的白光干涉測量系統(tǒng)，得到圖3和圖4所示的白光干涉圖。再由單片機控制下的電子計數(shù)器測出條紋整形后的矩形脈沖寬度，再取中間值判定為白光干涉圖的中心條紋位置，即為待測液體液面的初始位置。以圖4所示的實測的白光干涉圖為例，圖4中橫坐標為步進電機的步數(shù)，所用步進電機的單步分辨率為1.25微米/步。容易判讀被測液體液面的初始位置為圖4(a)中的5130步，則在該位置下分光光度計記錄的光強信號為初始光強；再由自動進樣器加入少許待測液體并用分光光度計測出的相應(yīng)光強。然后，結(jié)合初始光強計算出此時的吸光度值。將該吸光度值與預設(shè)的最優(yōu)吸光度值相比較，根據(jù)比較的結(jié)果控制自動進樣器調(diào)節(jié)待測液體的加入量，來對吸光長度進行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。如此反復，直到系統(tǒng)的吸光度達到預先設(shè)定的最優(yōu)值為止。白光干涉測量系統(tǒng)隨后測得變化后待測液體的液面位置，為圖4(b)中的5025步。這樣圖4(a)和圖4(b)之間的空間距離為(5130-5025)*1.25＝131.25微米，該測量的被測液體液面變化的空間距離即為相應(yīng)的吸光長度之差。同時分光光度計系統(tǒng)算出相應(yīng)的吸光度值，兩者之比就是吸光系數(shù)和溶液濃度的乘積，從而可以直接確定待測液體的濃度。
權(quán)利要求
1.一種白光干涉系統(tǒng)用于分光光度計中可變吸光長度測量的方法，其特征是將垂直入射到液體表面反射回來的光束作為邁克爾遜白光干涉系統(tǒng)的測量臂，將固定在步進電機上的全反射平面鏡作為邁克爾遜白光干涉系統(tǒng)的參考臂；以一個低相干寬譜光源作為工作光源，用待測液體上表面位置的變化量來計算吸光長度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種白光干涉系統(tǒng)用于分光光度計中可變吸光長度測量的方法，其特征是樣品池底部光學窗口與分光光度計光源相匹配的光學材料，該窗口所在平面與待測液體的上表面平行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種白光干涉系統(tǒng)用于分光光度計中可變吸光長度測量的方法，其特征是采用自動控制系統(tǒng)對待測液體吸光度最優(yōu)值和吸光長度變化量進行控制。
全文摘要
本發(fā)明屬于化學分析儀器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種白光干涉系統(tǒng)用于分光光度計中可變吸光長度測量的方法。其特征是分光光度計測量待測液體時，為獲取最優(yōu)吸光度值，普遍采用固定吸光長度、稀釋待測液體濃度的方法中存在的問題。將邁克爾遜白光干涉系統(tǒng)用于分光光度計中，通過預先設(shè)定最佳吸光度值，控制樣品的量來改變待測液體的吸光長度，再由測量到的待測液體上表面位置的變化量來計算吸光長度，完成對被測液體的定量分析的要求。本發(fā)明的效果和益處是將白光干涉系統(tǒng)用于分光光度計中可變吸光長度的測量，其測量范圍大、精度高，可以實現(xiàn)對液體吸光系數(shù)、或濃度的直接測量。
文檔編號G01B11/02GK101046444SQ200610200310
公開日2007年10月3日 申請日期2006年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月4日
發(fā)明者孫長森, 孫昱星, 丁建華 申請人:大連理工大學