认识分光光度计(三)内部构造

发布于 2018-02-01 15:33

一部分光光度计,通常会经由以下几个步骤,来测量样品吸收光线的状况与程度:

  1. 将光线分散成不同颜色的色光
  2. 撷取出某个波长的色光
  3. 将此单一色光穿透样品
  4. 测量穿过样品后,这个单一色光,被吸收部分能量后的强度,并量化成数值
  5. 获得样品对此单一色光的吸收值

若要绘制某个波长范围的吸收光谱图,只要将这个范围,等分切割成若干的波长刻度,比方说,从 380nm – 390 nm,每 1nm 一个刻度,便能获得 11个波长刻度。重复以上步骤,并将各个波长的吸收值,一一记录下来,最后便能绘制 X轴为波长,Y轴为吸收值的光谱曲线图。

连接每个波长的吸收值,绘制成吸收光谱图

以下便是一部分光光度计的构造。右上角是光源,光线依序通过反射镜、光栅、反射镜、狭缝、然后穿过盛装样品的比色管之后,由光侦测器读取光线强度的数位信号,经过信号处理过程,最后将数值或图谱,呈现在仪器的荧幕上,或者可以将这些数据,透过 USB 传送到电脑光谱工作站软体,执行复杂的分析、制图、制作报告,甚至结合其他软体,如 ExcelR、MatlabR,进行更深入的统计分析。

分光光度计的内部构造

分光单元 (光学单元)

光源

常见的光源有钨卤灯 (可见光)、氘灯 (紫外光)、氙灯 (可见光 + 紫外光)。可参阅“紫外可见光分光光度计的光源有哪些?”一文,了解更多有关于分光光度计光源的资讯。

https://www.acttr.com/zh/cn-faq/cn-faq-uv-vis/218-cn-faq-what-kind-of-uv-vis-lamps.html

光切换器

用来依序切换紫外光、可见光的光源,集合成完整的全波长光源。设置一个电动的反射镜,来决定哪一道光线可以被传送。

电动反射镜切换左侧的钨卤灯与右边的氘灯

入射狭缝与反射镜

光线先经过狭缝与反射镜,产生如同太阳光束的平行光,照射到光栅上。

光栅

一种利用光的绕射原理所设计的光学分光元件。光栅的表面做成微小的锯齿状,用来将混合波长的原始光线(白光),分散成色光。早期的分光光度计,是使用三棱镜来分光,如今三棱镜被更精密稳定的光栅所取代。

绕射光栅乍看像一块镜片,细看表面呈现锯齿状

准直镜、射出狭缝

分光后的色光,像扇子一样展开,透过准直镜旋转角度,可以让某个波长的色光,对准在射出狭缝上,并经过滤光片,产生纯净的单一色光。滤镜设置的位置顺序,各家厂商的设计不尽相同。

注:虽然这里是以“纯净的单一色光”来说明,但其实光线的能量在整个波长范围是连续的。也就是说,当通过狭缝的波长,是533nm的单一色光,这可能意味者从 532.09nm 到 533.01nm这个范围中的色光,都通过了狭缝。

实际仪器的设计,往往不是单纯一道狭缝这么简单,因此,有些文件,会以单光器 (monochromator) 来概括所有将原始光线,变为纯净单一波长光线的光学零组件。

样品单元

比色管

比色管是用来盛装液体样品的容器,容器上方呈方形开口,以便倒入样品。容器的材质有玻璃、石英 (紫外光),塑胶等。比色管的宽度,会影响光穿过样品的路径长度,造成吸收值的变化。最常见的比色管,是10mm (1公分)宽度的,也有专为如 DNA、RNA样品所设计的微量比色管 (Micro Cuvette),或者吸光度弱的低浓度样品所用的长光径,10公分宽的比色管。在本文不一一介绍。

比色管座

比色管被放置在比色管座上,一般常见的是四槽的手动切换座,可以放置四只比色管,并且在光线通过的路径上,有篓空设计。切换座下方有拉杆,用来前后切换比色管进行量测。亦有用马达控制,可程式控制的旋转式比色管座。

手动式四单元比色管座,可以插入四支比色管,手动切换

光线侦测处理单元

光侦测器

目前常用的光侦测器,是矽晶光电二极体,由于每次仅侦测一道细细的光线,跟照相机不同的是,分光光度计所采用的光侦测器,画素很少,但一般更灵敏,出来的杂讯也更少。光电二极体出来的信号是电压,因此会再经过“类比-数位转换器 (ADC, A/D Converter)”转成数位信号输出。目前一般做这些感测器的厂商,多半将两者整合在一块电路板上,仪器制造商不需要再格外设计。

数位信号处理器

目前多半是使用跟手机一样的 ARM 处理器 (低阶款),可同时处理信号,也可以同时身兼控制、计算的功能。从光侦测器接收到的数值,经过运算、处理,变成使用者看得懂的一连串吸收值。

显示控制单元

液晶荧幕键盘

荧幕有大有小,低阶的分光光度计,可从荧幕上读出吸收值,并透过薄膜键盘设定参数、切换功能。中高阶的分光光度计,可在荧幕上显示光谱图,直接从单机上完成大部分的工作。甚至有些大荧幕的分光光度计,能够直接在上面触控操作。

USB连线

一些分光光度计,设计有 USB 插座,让使用者能将光谱仪连线到电脑,或者插上 USB行动碟,输出资料。连线到电脑的分光光度计,能够透过软体来操控仪器,并且将仪器的测量结果,进行初步的分析,比方可以找出光谱图上的波峰波谷。显示在电脑荧幕上,并且可透过印表机,制作精美的报告、图表,或者与其它的软体共用,进行光谱解析。

其他分光光度计设计细节

除了以上的基本结构外,一部分光光度计还有更多的细节设计,让测量趋于完美,无论是对于光线路径的安排,旋转移动光学装置的步进马达、镜片、滤光片的选用,都会影响最后测量的精确度、稳定度。此外,一些测量必要的测量步骤与技术,如,系统基线测量、空白吸收值测量、检量线制作,单一波长量测、光谱扫描、时间动态量测...等,对于特定的应用,也是非常重要。

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