WTS系列脉冲紫外可见分光光度计的研制

段政卫　黄　岑　陆士民

(上海慧多信息科技发展有限公司，上海 201108))

WTS系列脉冲紫外可见分光光度计的研制

段政卫黄岑陆士民

(上海慧多信息科技发展有限公司，上海 201108))

摘要：介绍了作者研发的一种多功能脉冲紫外可见分光光度计，讨论了该仪器在设计、元器件选择、应用等方面的创新思想及仪器的特点和有关问题。

关键词：脉冲智能即开即用

1前言

自从美国Bekman公司于1945年推出世界上第一台紫外可见分光光度计后，紫外可见分光光度计仪器及其应用一直在飞速发展[1，2]，随着科学技术的发展,目前紫外可见分光光度计已经成为光、机、电、计算机四位一体的、技术密集的高科技产品。它的应用领域非常广泛，可以说在“农、轻、重、海、陆、空、吃、穿、用”各个领域，无所不在，无所不有，应用覆盖面达到全球应用领域的75%。

但是，随着应用发展的需求，对紫外可见分光光度计的要求越来越高，特别是在如何改变传统紫外可见分光光度计仪器的结构、配置，以适应智能化、快速化、在线化等方面的需要，很多国家开展了研发工作，2010年以来，全球各大仪器厂商相继投入研制脉冲氙灯光源的专用紫外可见分光光度计，例如：ThermoFisher公司、PerkinElmer公司、Agilent公司等等(表1)。

表1　世界各国主要厂商氙灯光源产品一览表

续表1

上海慧多信息科技发展有限公司，根据仪器学理论[3]，从仪器设计制造和应用等方面走出了一条创新之路。以脉冲氙灯做光源，研发成功了一种新型的通用的WTS脉冲紫外可见分光光度计(以下简称WTS)，打破了国外主流公司在这一领域的产品垄断、填补了国内空白。

本文将重点介绍和讨论WTS的设计、创新点和有关特点。

2WTS的脉冲氙灯的特点

不同类型光源覆盖的波长范围如图1所示。

图1　不同类型光源覆盖的波长范围示意图

由于采用了特殊的电路设计，所以保证了WTS的脉冲氙灯具有以下特点：

(1)WTS所用的脉冲氙灯辐射光谱能量分布与日光相接近，色温约为6000K；脉冲光源的闪光持续是指1/3峰值光强所对应的时间间隔,称为脉冲宽度。它主要由光源的结构和点灯电路决定。现有脉冲光源的脉冲宽度一般为10-9～10-2s,瞬时亮度可达10-10cd/m，是除激光外亮度最高的人造光源，它的瞬时光通量可达109lm，闪光重复频率为1～106次/分,工作寿命达106次以上。

(2)光谱覆盖范围宽，连续光谱部分的光谱分布几乎与灯输入功率变化无关，紫外波段输出能量高，在寿命期内光谱能量分布也几乎不变。其发射光谱如图2所示。

图2　脉冲氙灯光谱图

(3)光稳定性好，光、电参数一致性好，工作状态受外界条件变化的影响小(图3)。

图3　脉冲氙灯光源光输出稳定性示意图

(4)光源一经燃点，几乎是瞬时即可达到稳定的光输出。关闭后，可瞬时再次燃点。

(5)光源使用寿命长，正常使用可达30亿次(图4)。

图4　脉冲氙灯光源的寿命特性图

3WTS的整体设计及其有关特点

3.1光源固定结构

采用独立三点式悬挂，克服了整机基座应力的影响，避振效果好。

3.2光学系统

采用S/N光学设计，保持入射狭缝和出射狭缝都不动的情况下, 绕光栅中心转动光栅, 就可完成光谱扫描。凹面光栅, 使光既衍射又聚焦，可减少吸收现象，只存在光栅面一次反射的光损失，且无色差，可消除单色器像散, 获得很高的像质。自动可调式入、出射狭缝，满足更多测量需要。

3.3电源系统

交直流宽电源适配器，可以满足从交流230V/50Hz和直流12V的供电条件，既符合实验室规范，又能适应野外、车载、在线的需要。

3.4机械系统

所有机械运动部件采用电机直接驱动机械运转，没有中间的机械传动环节，保障了整机运行的精度和速度。

3.5光度室系统

自动六连池的测样承载机构，既可以测量单一样品，又可以适应多个样品多波长、多点的连续测量。由于采用独特的光学设计，在测试时即使敞开样品室，也不会被室光干扰，因此WTS200/300系列可以在分析样品时开盖测试。

3.6控制系统

满足稳定脉冲氙灯光源的光电能量选频输出的匹配控制系统，其特征在于，运用模糊理论和反馈控制手段，捕获并控制元器件材质误差、等离子体运动路线位移、微波干扰、电磁场引力变化、电子电路温差、高低压电位势能失衡、充放电时差等因素造成的非线性影响，达到保持光电能量稳定匹配的目的。

该系统的稳定光电能量方法科学规范，运用本方法可大幅降低各类误差形成的积累变化，控制效果显著，不仅可以满足当前仪器检测系统的可靠性，而且还预留了以后的功能扩展过程中对其他干扰因素产生的控制性，提升了整机工作系统的稳定性、重复性、可靠性。

3.7检测系统

响应度高、探测性好、线性度准、动态范围宽是WTS200/300系列检测系统的特点，光电匹配选频输出是WTS检测系统针对脉冲氙灯光源的独创技术。

3.8显示系统

WTS200/300系列使用7英寸进口彩色触摸屏，连续工作时间超过20000小时，完全符合现代装备的操作要求，既简化了仪器操作方式，又增加了工作乐趣。

3.9操作系统

WTS200/300系列脉冲氙灯光源紫外分光光度计的计算机硬件系统采用的是嵌入式计算机平台,其处理器的特点是：体积小、低功耗、高性能。

软件操作系统可使完整的可移动技术与现有的Windows桌面系统技术整合。

由于WTS200/300系列的软件系统是基于Windows CE操作系统开发的，因此WTS200 /300系列可以实现本机上直接完成所有的检测、计算、图形显示及打印报告，无需联接PC上位机。WTS200/300系列也可以通过无线或有线网络联接PC电脑，实现检测、计算、图形显示及打印报告，并且可以通过手机或IPad远程遥控操作。WTS200/300系列还可以通过网络实现测试结果数据的远程传送到数据库服务器，实现测试结果的网络共享和企业的无纸化管理，管理机构可以通过互联网利用WTS200/300系列的远程数据传送的这一特点实现远程监测功能。

3.10快捷响应

仪器性能无须预热，即开即用。传统仪器在使用之前需开机预热30分钟以上，才能基本达到仪器应有的性能指标。WTS系列仪器无须预热，开机即用，其稳定性和可靠性完全满足分析测量要求。特别在突发事件发生和现场检测中可以快速响应，处理紧急分析任务。

3.11低能耗，高效率

传统仪器必须在220V的电压环境下工作，且使用功率至少高于300W。而WTS系列仪器能耗仅为12V/5W，降低了能耗和使用成本。最特别的是，WTS系列可在车载环境中使用。此功能适用于移动分析任务、野外分析任务、在线分析任务等。

3.12真正环保

分析仪器的主要任务就是检测、分析各类物质，帮助人们辨别、控制有害物质，提升有益物质的使用率和应用率。但传统仪器的金属卤素光源会释放臭氧，造成对人体的次生污染。WTS系列运用清洁光源，不产生任何诸如臭氧的次生污染，极大地降低了实验室工作人员的健康风险。

3.13长寿命

传统仪器在一个正常使用周期(10年)至少需要更换10次光源，而WTS系列在一个正常使用周期中无需更换光源，光源的工作寿命达109次以上。

3.14智能系统

WTS系列产品基于嵌入式计算机平台搭载WinCE6.0操作系统，无须连接电脑，即可实现所有仪器功能。传统仪器可能只能储存最多20条分析数据，WTS系列具备海量存储数据的能力。

传统仪器的本机操作需要按键板，确定、退出、修改、存储、打印等功能非常复杂，而WTS系列使用彩色触摸屏操作，完全符合现代装备的操作习惯。虽然简化了仪器操作方式，却增加了仪器分析功能。

3.15无线操控

此功能所有国内外仪器都未见实现。WTS系列配置无线网卡，增加了新的通讯口。传统仪器的联机(PC)模式，需要依靠RS232线或者USB线连接，而WTS系列无须连线，完全无线联机。WTS系列有一个特殊的功能，在网络环境下，任何诸如计算机、PAD、手机等可以联网的设备，都可以无线接管仪器，不仅可以远程操控仪器，而且可以监管仪器。此功能无论是实验员、管理员或者指导者，都是一种革命性的方便选择。

3.16DIY的软件功能。

如果仪器用户需要可任意编辑加入或者更改软件的分析方法和功能，在用户具备安全局域网环境的条件下,本机的工作数据可自动加密上传服务器。

3.17整机系统比较

WTS200/300脉冲氙灯光源紫外可见分光光度计与传统紫外可见光谱仪的特点比较如表2所示。

表2　WTS200/300与传统紫外可见光谱仪的特点比较

4WTS系列的主要技术指标

WTS系列的主要技术指标如下表3所示。

表3　WTS系列紫外可见分光光度计技术性能指标表

续表3

5讨论

WTS仪器经上海市质检院测试和型式样机认证[4]，该系统可以完全实现所有紫外可见分光光度计应该具有实时测量规范，符合国家计量器具制造许可要求，达到了设计研制要求，可替代传统光源的紫外可见分光光度计。

WTS完全能满足国防、科研、农业、环保、食品安全、医药、生命科学、工业制造、地矿勘探、教学等领域的分析检测需求，无论在专业实验室、品质检测、野外勘探、现场监测、在线监控等方面均有出色的表现。尤其在下述几个方面，更具特色：

(1)尤其适合实验室大量样品快速测定的应用，开机即测，用样量少、测量数据准确度好、测定速度快。

(2)在食品、制药、环境、疾控、农业、生命科学等领域的应用，仪器光源、传动部件不产生热源，对有机溶剂、显色样品的测定不会由于物理干扰而引起化学变化。

(3)开盖测量尤其适合大型样品、不规则样品和需要开盖测量的样品测试。

(4)全天候服务于工业在线测定，光源供电不受限制，检测时间不受限制，整机稳定性和可靠性及时反馈实时监测数据。

(5)便携移动应用测定，可连接便携、车载电源，并可在行驶中进行稳定的测定数据反馈。

(6)采用脉冲氙灯作为光源的紫外可见分光光度计，更适合芳香族化合物的测定。

参考文献

[1]李昌厚.紫外可见分光光度计.北京：化学工业出版社，2005：148-154.

[2]李昌厚.紫外可见分光光度计及其应用.北京：化学工业出版社，2010:2-10.

[3]李昌厚.仪器学理论与实践.北京：科学出版社，2008：1-20.

[4]上海市计量测试研究院.WTS计量器具形式批准证书.

Development of WTS series pulse UV visible spectrophotometer.

Duan Zhengwei, Huang Cen, Lu Shimin

(WisdomTechnology(Shanghai)Co.,Ltd.,Shanghai201108,China)

Abstract:This article mainly described the instrument design ideas and the components selection.

Keyword:pulse；intelligence；opening and use

作者简介：段政卫，男，1976年生，工程师，从事分析仪器研发工作, E-mail：service@wisdomid.com。

DOI:10.3936/j.issn.1001-232x.2016.03.005

收稿日期：2015-12-23