便攜式發(fā)光二極管分光光度計的設(shè)計與測試

黃利強(qiáng)

(集美大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，福建 廈門 361021)

0 引言

紫外-可見分光光度計結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、操作簡便、穩(wěn)定可靠，廣泛應(yīng)用于分析科學(xué)的各個領(lǐng)域。采用分光光度法進(jìn)行定量分析的前提是用單一波長的單色光去照射樣品，此時測得的吸光度才符合朗伯-比爾定律；若直接使用混合波長的光去照射樣品則會嚴(yán)重偏離朗伯-比爾定律，難以進(jìn)行定量分析。為獲得單一波長的單色光，傳統(tǒng)的分光光度計常采用鎢/氘燈+棱鏡/光柵、鎢/氘燈+窄帶濾光片。這類儀器光譜帶寬狹窄，單色性高，測量精準(zhǔn)；但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，光路調(diào)整繁瑣，制作成本高，抗振動性能差，不利于便攜使用。而當(dāng)今社會的發(fā)展對分析測試工作提出了更高要求，如市場食品安全、環(huán)境突發(fā)事件、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在線檢測等諸多場合都需要適合現(xiàn)場使用的分光光度計，因此微型分光光度計的開發(fā)正日益引起研究者們的重視和研究[1-4]。而使用發(fā)光二極管(LED)為光源的微型分光光度計，體積可進(jìn)一步縮小，更方便攜帶和現(xiàn)場檢測操作[5-7]。但用LED為光源時存在半峰寬較寬、單色性較差的缺點，要獲得較好的性能還需與濾光片/光柵等單色器配套使用，而這樣又增加了成本，不利于推廣和普及。

近年來，人們發(fā)現(xiàn)發(fā)光二極管不僅可以發(fā)射特定波長的光，而且也和光電二極管一樣具有光電效應(yīng)，在與其特征發(fā)射波長相近的光的照射下能產(chǎn)生光電壓，且光電壓的大小在一定范圍內(nèi)與照射光的強(qiáng)度成正比，因此可以用作光電檢測器[8-13]。李靈芝等[14]的研究發(fā)現(xiàn)：LED與光電二極管具有類似的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，有望作為高效靈敏的光電檢測器；在可見光范圍內(nèi)，紅、綠、藍(lán)三種LED均存在受激吸收，且在各自的波長響應(yīng)區(qū)內(nèi)具有較高的量子效率。

和光電二極管、光電池、光敏電阻等常規(guī)光電檢測器相比，發(fā)光二極管在作為光電檢測器時具有一些獨特的優(yōu)勢。普通光電池、光敏電阻、光電二極管對光的波長通常不具選擇性，一般對較寬波長范圍內(nèi)的光均能高靈敏響應(yīng)；而發(fā)光二極管對光的波長則具有較高選擇性，一般只響應(yīng)其特征發(fā)射波長附近的光，而對其他波長的光響應(yīng)度極低[14-15]。因此采用和光源發(fā)光二極管波長一致的發(fā)光二極管作為檢測器時，可以起到二次選擇波長的作用，不需使用棱鏡/光柵/濾光片等昂貴的光學(xué)器件就可以得到較理想的結(jié)果。此外，用發(fā)光二極管作為檢測器時，產(chǎn)生的光電壓更高，可以達(dá)到伏特級，因此不需使用放大電路，且電路簡單，工作穩(wěn)定。并且隨著近年來國家大力推廣，發(fā)光LED的產(chǎn)量與日劇增，產(chǎn)品種類日益豐富，目前已覆蓋了紫外、可見、紅外波段內(nèi)的眾多波長，成本遠(yuǎn)低于專用的光電檢測器件，有利于推廣和普及分光光度計系統(tǒng)的應(yīng)用。

基于以上發(fā)光二極管檢測器的原理，本文采用發(fā)光LED作為光源和檢測器，設(shè)計和組裝了一款簡單廉價的微型分光光度計系統(tǒng)，并以亞甲基藍(lán)為目標(biāo)物對系統(tǒng)性能進(jìn)行評測，以期開發(fā)一種低成本、易操作、便攜式的分光光度計，作為商用分光光度計的補(bǔ)充或替代，應(yīng)用于測量成本有限、要求不高的快速測定場合。

1 材料與方法

1.1 微型分光光度計的工作原理和系統(tǒng)組成

本微型分光光度計系統(tǒng)主要由光源、檢測器、電路系統(tǒng)等部分組成，具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)中：恒流源電路提供恒定電流給光源LED，產(chǎn)生特定波長的光照射比色皿；透射光照射檢測LED后產(chǎn)生光電壓，經(jīng)過對數(shù)轉(zhuǎn)換、減法運算后，直接在數(shù)字電壓表上顯示吸光度數(shù)值。

本實驗系統(tǒng)測試波長為660 nm，實驗所用LED均購自深圳市春達(dá)鑫光電有限公司(λ=660 nm，半峰寬20 nm，燈珠直徑8.0 mm，額定功率1 W，工作電壓2.0～2.6 V，最大電流350 mA)。將一只LED作為發(fā)射光源(光源LED)，另一只作為光電檢測器(檢測LED)，比色皿座在相對的兩面各開有一個直徑3 mm的窗口，光源/檢測器LED分別固定在兩面的窗口上對準(zhǔn)即可，不需額外的聚光或濾光器件。

系統(tǒng)的電路原理圖如圖2所示，主要包含穩(wěn)壓集成電路TL431(U1)及雙運放集成電路LM358(U2)。U1和三極管Q1組成恒流源電路為光源LED(LED1)提供穩(wěn)定的驅(qū)動電流，使光源LED發(fā)射出穩(wěn)定的光照射樣品。檢測LED(LED2)接收樣品的透射光產(chǎn)生光電壓Vin，在一定范圍內(nèi)，光電壓Vin的大小與透射光的強(qiáng)度It呈線性關(guān)系：Vin=K1It?？偽舛華總=-lgT=-lg(It/I0)=As+Ab，因此lgIt=lgI0-As-Ab。其中：As為樣品產(chǎn)生的吸光度；Ab為空白產(chǎn)生的吸光度；I0為入射光強(qiáng)度。

U2的第1個運放和三極管Q2構(gòu)成對數(shù)轉(zhuǎn)換電路，將光電壓Vin進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的輸出電壓Vout1=K2lgVin=K2lg(K1It)=K2(lgK1+lgI0-As-Ab)，送入U2的第2個運放的同相輸入端，即V+=Vout1=K2(lgK1+lgI0-As-Ab)。當(dāng)測試空白時，As=0，V+=K2(lgK1+lgI0-Ab)；系統(tǒng)調(diào)零時，放入空白，調(diào)節(jié)電阻器RP1使數(shù)字電壓表顯示0，即可使V-=V+=K2(lgK1+lgI0-Ab)。U2的第2個運放和電阻R3～R6組成減法運算電路,將總信號值與參比溶液信號值扣除，其輸出電壓Vout2=K3(V+-V-)=-K3K2As。經(jīng)電阻器RP2調(diào)節(jié)適合的分壓比即可得到Vout3=K4K3K2As=As，即得到的電壓值Vout3=樣品吸光度值A(chǔ)s，這表明可直接用數(shù)字電壓表顯示吸光度值。其中，K1～K4為各步驟的比例常數(shù)。

系統(tǒng)耗電較低，整機(jī)工作電流≤50 mA，可用電池供電；整機(jī)體積小巧，光路固定，易于戶外便攜使用。儀器的實物圖及外形參數(shù)如圖3和表1所示。

表1 外形參數(shù)一覽表

1.2 實驗步驟

本系統(tǒng)的操作步驟為：首先，接通電源，放入空白溶液作為對照(本實驗用蒸餾水)，調(diào)節(jié)電阻器RP1至數(shù)字電壓表顯示為0.000，即完成調(diào)零；接著，放入已知吸光度值的4 mg/L亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)溶液(其吸光度值由721分光光度計測得)，調(diào)節(jié)電阻器RP2至數(shù)字電壓表顯示4 mg/L亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)溶液吸光度值，即可完成斜率校正；最后，放入待測樣品，即可直接顯示樣品的吸光度數(shù)值,亦可用標(biāo)準(zhǔn)曲線法來進(jìn)行精確測量。

本實驗選用最大吸收波長為660 nm的亞甲基藍(lán)水溶液作為測試樣品。對比實驗采用721分光光度計(上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司)為測量儀器。實驗所用的比色皿光程均為10 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 系統(tǒng)性能測試

LED為電流驅(qū)動型器件，需用恒流源進(jìn)行驅(qū)動。驅(qū)動電流的大小和穩(wěn)定性直接影響光源LED發(fā)射光的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。為使光源LED能夠穩(wěn)定工作，并使光源的光強(qiáng)度與后續(xù)系統(tǒng)相匹配，依次調(diào)整光源LED的驅(qū)動電流分別為5，10，15，20 mA，按1.2方法測試亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)溶液系列的吸光度，測試驅(qū)動電流對吸光度的影響，并與721分光光度計測得的吸光度值進(jìn)行比較。結(jié)果如圖4所示，當(dāng)光源LED驅(qū)動電流≤10 mA或≥20 mA時，系統(tǒng)測得的吸光度與721分光光度計測試結(jié)果偏離較大，且線性較差；當(dāng)光源LED驅(qū)動電流=15 mA時，亞甲基藍(lán)在0.05～4 mg/L的質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，系統(tǒng)測得的吸光度數(shù)值與721分光光度計最接近，斜率值最接近，線性也最好(R2=0.999 7)，靈敏度、線性范圍等已接近721分光光度計的性能。因此后續(xù)實驗光源LED的驅(qū)動電流均選用15 mA。

啟動系統(tǒng)后，以蒸餾水為空白對照，對2 mg/L亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度進(jìn)行90 min 短期穩(wěn)定性測試，繪制吸光度隨時間的變化圖。結(jié)果(見圖5)表明：儀器在90 min內(nèi)讀數(shù)基本保持穩(wěn)定，吸光度(A)平均值及波動值為0.441±0.003，略低于721分光光度計的穩(wěn)定性指標(biāo)每小時0.004A，但對一般的測量工作應(yīng)可滿足要求。

2.2 選擇性實驗

使用本系統(tǒng)與721分光光度計分別對亞甲基藍(lán)、孔雀石綠和甲基紫3種不同最大吸收波長的樣品(質(zhì)量濃度均為3 mg/L)進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如表2所示。實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)對λmax遠(yuǎn)離系統(tǒng)測試波長(660 nm)的孔雀石綠或甲基紫的響應(yīng)度很低，測得的吸光度均顯著低于兩者用721光度計在各自λmax處測得的吸光度，表明本系統(tǒng)可選擇性地檢測最大吸收波長接近660 nm的樣品，而對吸收波長遠(yuǎn)離660 nm的樣品則響應(yīng)度很低。根據(jù)表2的測試結(jié)果，依據(jù)吸光度的加和性原理可推算出，當(dāng)亞甲基藍(lán)溶液中存在相同質(zhì)量濃度的孔雀石綠時，本系統(tǒng)可產(chǎn)生0.04/0.628=6.4%的誤差，而甲基紫造成的誤差則僅為2.4%。 由于孔雀石綠的λmax(617 nm)較接近系統(tǒng)測試波長(660 nm)，在660 nm處仍有一定吸收，因此其造成的誤差較大；而甲基紫的λmax(558 nm)已較為遠(yuǎn)離系統(tǒng)測試波長，因此甲基紫對本系統(tǒng)造成的誤差較小，接近其對721分光光度計造成的誤差(2.1%)。 因此本系統(tǒng)的LED光源-檢測器的組合確實對660 nm波長的光具有選擇性檢測能力，可較好地排除吸收波長遠(yuǎn)離660 nm的有色雜質(zhì)的干擾。系統(tǒng)的測試波長由系統(tǒng)使用的光源LED和檢測LED共同決定，選用不同波長的LED，即可選擇不同的測試波長，從而適用不同的樣品。

表2 不同最大吸收波長樣品測得的吸光度值(n=3)

2.3 樣品測量

為進(jìn)一步驗證系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和精密度，以3組不同質(zhì)量濃度的亞甲基藍(lán)樣品作為測試對象，用本微型分光光度計系統(tǒng)和721分光光度計對3組樣品分別進(jìn)行 11 次重復(fù)測定其吸光度值，用標(biāo)準(zhǔn)曲線法測定樣品的質(zhì)量濃度。

表3列出了721分光光度計與本系統(tǒng)對不同質(zhì)量濃度亞甲基藍(lán)樣品的檢測結(jié)果。低質(zhì)量濃度時，系統(tǒng)測得的吸光度雖與721分光光度計偏差較大，但最終的質(zhì)量濃度值可用標(biāo)準(zhǔn)曲線法加以校正；而在中、高質(zhì)量濃度時，系統(tǒng)測得的吸光度與721分光光度計偏差較小。因此在不同的質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，兩種儀器所測得的質(zhì)量濃度結(jié)果的相對偏差均小于±3.41%，表明本系統(tǒng)具有較好的測量準(zhǔn)確度。

由表3還可知，本系統(tǒng)在測試3種不同質(zhì)量濃度的亞甲基藍(lán)溶液時，其RSD均小于0.2%，表明系統(tǒng)的隨機(jī)誤差較小，具有較高的精密度。此外對空白溶液進(jìn)行了11次測定，依據(jù)空白值標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd的3倍除以斜率K，求得本系統(tǒng)對亞甲基藍(lán)的檢測限(3Sd/K)為0.02 mg/L。

表3 721分光光度計與微型分光光度計對亞甲基藍(lán)樣品檢測結(jié)果的比較(n=11)

3 結(jié)論

本文設(shè)計了一款以LED為光源及檢測器的便攜式微型分光光度計系統(tǒng)。通過對系統(tǒng)的測試，驗證了系統(tǒng)具有良好的線性度、準(zhǔn)確度和精密度，且體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、成本低廉，可以作為商用分光光度計的補(bǔ)充，適合環(huán)境監(jiān)測、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、家居生活等眾多場合的低成本快速現(xiàn)場檢測，也可用于實驗教學(xué)研究，對分光光度計系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用具有較好的現(xiàn)實意義。