可見分光光度計波長和透射比檢定結(jié)果的不確定度分析

蘇紅偉

【關(guān)鍵詞】課件分光光度計；波長；透射比

引言

在可見分光光度計中，其測量目標(biāo)包括：波長偏差和傳輸率偏差。本試驗以723 PC型、350 nm至800 nm的可見分光光度計為試驗?zāi)繕?biāo)。最后，對不確定度進(jìn)行了綜合分析。

一、分光光度計的基本結(jié)構(gòu)

分光光度儀的種類很多，但其主要由六大部分組成，即光源、分光系統(tǒng)和吸收池、檢測裝置、檢測訊號的顯示裝置。（1）光源：對光源的基本需求是，在很大的光譜范圍內(nèi)，它可以發(fā)射出充足的光強(qiáng)度，而且它的穩(wěn)定度很高，而且在不同的波長范圍內(nèi)，它的輻射能沒有明顯的變化。但由于其自身的發(fā)光特性及在單色調(diào)光線中的損失，大多數(shù)的光源有鎢絲、氫等。該儀器的照明裝置由一個單一的光源和一組鏡子組成，鏡子的作用是把一個單一的光線集中到一個單一的平面上，然后填充一個能夠被均勻地射到一個縫隙中的單色鏡。（2）單色器件：它可以把各種光的波長成分進(jìn)行分解，使之可以將所需要的光分開，通常由分光元件、狹縫和透鏡組成，而單色元件的特性會對光譜帶寬產(chǎn)生直接的作用，促使測量靈敏度與校正曲線間的關(guān)系發(fā)生轉(zhuǎn)變。該系統(tǒng)組成元件包含濾光片、棱鏡和光柵片，其中濾光片為單色裝置，且具有較高的性價比，物美價廉。利用棱柱和光柵作色散器件，其特點是：它的光譜性能優(yōu)良，不僅純度較高，且運(yùn)用廣泛。而色散器件的色散特征主要取決于其波長，色散度隨著波長變化而發(fā)生變化。它在紫外、可見、近紅外等方面有著廣闊的發(fā)展空間。在全頻帶上，它的解析度幾乎是一樣的。在現(xiàn)代，高級光譜測量儀中，通常采用兩個或兩個棱柱、一個棱鏡和一個光柵來減少雜散光；同時，該設(shè)備的分辨率也得到了提高。（3）吸收：按材料分為硅膠和水杯兩種。（4）檢波器：它的作用是檢測并把它轉(zhuǎn)化為電訊號。其對探測設(shè)備有一定的要求，既要響應(yīng)時間短，快速反應(yīng)，也要具有良好的線性關(guān)系，能夠?qū)⒏鞣N波長準(zhǔn)確反映；同時噪聲級別更小，更穩(wěn)定，更好。常用的探測器有：光電管，光管，光放大管，二極管矩陣。（5）測試訊號顯示：現(xiàn)有測試訊號的顯示方法有：安培、數(shù)碼顯示、銀幕顯示、印刷等。[1]

二、波長指標(biāo)概述與常規(guī)測量方法

（一）波長指標(biāo)概述

一般340nm到900nm的波長稱為可見光，在這一范圍當(dāng)中，光的波長從低到高，呈現(xiàn)出紫色、藍(lán)色和綠色；不同的色彩和不同的顏色，如黃色和紅色，不同的深淺。該儀器使用的單色器，在340-900nm之間形成一系列的光帶，并將其與顯示盤 LCD的波長指數(shù)連接起來，通過調(diào)節(jié)一個機(jī)械按鈕或一個內(nèi)置的程序，在光帶的不同位置，通過縫隙，形成一種單色光線。通過該縫隙的單色光線與該儀器的波長指數(shù)相一致。

（二）波長指標(biāo)的常規(guī)檢測方法

標(biāo)準(zhǔn)儀器用于對光譜測定的標(biāo)準(zhǔn)儀器有：氧化釹標(biāo)準(zhǔn)濾光器、鐠銣標(biāo)準(zhǔn)濾光器、干涉濾光器以及氧化釹標(biāo)準(zhǔn)溶液等。這些標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備都是在可見光區(qū)的某個特定部位的最高或最低發(fā)射速率的吸收，并對應(yīng)于特定的標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)使用氧化釹標(biāo)準(zhǔn)濾波器進(jìn)行波長指數(shù)測定時，該標(biāo)準(zhǔn)濾波器的一個標(biāo)準(zhǔn)值為536 nm，選取一種可見光譜光度計，將該標(biāo)準(zhǔn)濾波器置于該比色箱中，將該波長設(shè)定在530 nm左右，測定波長為530 nm的透射比值，并根據(jù)波長從小到大依次變化波長到540 nm，得到了多組不同的透射率。相應(yīng)的波長是用來測量這種可見光譜的測量值。根據(jù)上述三種不同的方法，分別進(jìn)行3次以上的實驗，得出3種不同的試驗結(jié)果。利用實測波長平均值與標(biāo)準(zhǔn)值對比，獲得檢測方法的示值誤差，并由此確定檢測方法的測量準(zhǔn)確性。

（三）波長指標(biāo)的常規(guī)檢測方法的評價

傳統(tǒng)的波長指數(shù)測試方法比較繁瑣，而且需要緩慢的操作，對工藝和標(biāo)準(zhǔn)也需要有透徹地理解和掌握，另外，會因為操作者的視力問題，在讀數(shù)的過程中，出現(xiàn)機(jī)械讀數(shù)的錯誤。這是一個循序漸進(jìn)的過程，耗時較長，效率也不高。

三、檢定方法

（一）波長示值誤差

按照有關(guān)規(guī)范，有關(guān)工作人員采用分光光度儀對其進(jìn)行了校驗，并準(zhǔn)確地記錄和整理了各個波長的數(shù)值；在多次測量的基礎(chǔ)上，將重復(fù)的測量次數(shù)分為三次，并對三次的測量結(jié)果進(jìn)行平均，為最后測量精度提供了強(qiáng)有力的保證。

（二）透射比示值誤差

依據(jù)有關(guān)規(guī)范，選擇合適的濾波器，以空氣為參考，對其進(jìn)行了波長測量。在對濾波器的傳輸率進(jìn)行測量時，需進(jìn)行反復(fù)測量，總測量次數(shù)為3次，測量結(jié)果主要以三次測量數(shù)據(jù)的平均值為準(zhǔn)。[2]

（三）檢定環(huán)境

檢測環(huán)境中的溫度、濕度要控制在10～35℃，相對濕度在85%以上。

四、采集系統(tǒng)的設(shè)計

在選擇光纖采集系統(tǒng)時，應(yīng)綜合考慮光纖參數(shù)、光纖接口的種類、光纖芯直徑等因素。（1）光纖材料：眾所周知，不同的物質(zhì)在透射時都會受到一定的吸收，而吸收的量愈大，則會造成光訊號的損失；這對光能的利用有很大的影響。此外，在不同的波長范圍內(nèi)，不同物質(zhì)對于波長的吸收情況也不盡相同，例如在紫外線照射下，普通玻璃、塑料均對紫外線具有較強(qiáng)吸收性，在進(jìn)行波長采集時，要注重采集物質(zhì)的選擇。因此，在進(jìn)行光譜采集系統(tǒng)的設(shè)計時，必須同時兼顧上述兩個方面。石英材料因其吸收極低的紫外線和可見光而具有較高的透過率，從而極大地提高了光能的利用率，因此經(jīng)常被用來制作各種光譜儀。通過比較，我們選擇了石英纖維作為光譜儀的采集系統(tǒng)。（2）光纖的接口類型：由于不同的制造標(biāo)準(zhǔn)和不同的應(yīng)用方向，市場上的光纖接口種類繁多，如： FC， PC， APC; SC， ST， SMA；MRTJ，諸如此類：SMA905光纖因其低損耗、高速率、高精度而被廣泛應(yīng)用于激光手術(shù)、光動力學(xué)治療、光譜測量等領(lǐng)域；激光焊接，照明，傳感器。因此，在光譜分析系統(tǒng)中，選擇SMA905光纖作為光譜儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。（3）光纖芯徑的大小：光導(dǎo)纖維的直徑愈大，通過的光線能量也就越強(qiáng)。采用芯徑大的光纖對于可見分光光度計波長和透射比檢定結(jié)果的不確定度分析有很大好處，由于光纖具有較大的芯徑，因此，在使用光纖時，不需要對其進(jìn)行高靈敏度的測量，從而產(chǎn)生更多的噪聲影響光譜數(shù)據(jù)，SMA905光纖是大功率接口，光纖芯徑1.0mm。[3]

五、色散系統(tǒng)

色散系統(tǒng)的原始材料是由棱鏡和光柵組成的：由透明的玻璃構(gòu)成的三角形狀我們叫做棱鏡。其具有很強(qiáng)的色散性，但是僅限于可見光區(qū)，其工作波長在185-4000nm之間，其在紫外區(qū)具有很好的分辨能力，對可見光區(qū)、近紅外區(qū)都有很好的應(yīng)用。棱鏡具有較短的波長和較好的色散性，而在長波方向上則表現(xiàn)出較弱的特征。因此，使用棱鏡的分光光度計，其波長刻度在紫外可達(dá)0.2nm，在長波段僅為5nm。棱鏡分光光度計的分光原理主要以光學(xué)衍射和干涉現(xiàn)象實現(xiàn)分光。其衍射光柵分為透射型和反射型，而光譜儀中最常用的是反射光柵，其縫為不透明的反射鋁膜。在一塊非常光滑的表面上涂上一層鋁箔，并在上面雕刻出許多平行、等寬、等間距的凹槽，這些凹槽就像一條“狹縫”，每毫米的刻痕有1200、2400或3600條，整個光柵上的刻痕有數(shù)萬至數(shù)十萬條。根據(jù)其形態(tài)，反射光柵可分為平面、凹面型和階梯型三種，按制造方式可分為機(jī)械型和全息型兩種。在普通反射光柵中，光強(qiáng)主要是由無色散的0級衍射的主極大（80%）所占，其強(qiáng)度隨主極大級次的增加而急劇衰減（參見右側(cè)）。這樣，在采用這樣的反射光柵時，一個是弱的，二次的衍射是弱的。為了解決此問題，將線槽刻成之字形，以達(dá)到“閃耀”的方向，并將能量集中于所需要的波長。光柵復(fù)制技術(shù)的發(fā)展，極大地減少了制造成本，縮短了制造周期，使得光柵的應(yīng)用越來越廣泛。

六、檢定模型

（一）波長誤差

波長誤差公式見（1），在公式中，△λ代表了波長的誤差，λ代表了算術(shù)平均，而λs代表了濾波器的標(biāo)準(zhǔn)值。可見光譜儀器中，波長誤差△λ代表了系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的總和。所以，只有隨機(jī)誤差才能測量波長檢定的不確定度。

（二）透射比示值誤差

透射比誤差公式見（2）：在公式中，△ T代表了傳輸率的誤差， T代表了傳輸率的算術(shù)平均， Ts代表了傳輸率標(biāo)準(zhǔn)濾波器的標(biāo)準(zhǔn)值。在可見光譜儀上，波長偏差△T是由系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差之和，在這種情況下，系統(tǒng)誤差在校正后接近于0，校正后的偏差可以被忽略。由此可知，針對傳輸率檢定的不確定性檢測主要由隨機(jī)誤差實現(xiàn)。

七、光譜分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)的標(biāo)定

波長校準(zhǔn)是可見光譜檢定法中的重要內(nèi)容，其主要以標(biāo)準(zhǔn)汞燈實現(xiàn)。標(biāo)準(zhǔn)汞燈所具有的特征譜線較多，但特征譜線均表現(xiàn)出穩(wěn)定特點，因此在校準(zhǔn)光譜時可采用標(biāo)準(zhǔn)汞燈實現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，將標(biāo)準(zhǔn)汞燈放置在光譜儀之前，利用光纖進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)汞光源光譜的提取。接著，進(jìn)入光譜分析軟件，點擊“標(biāo)定模式”按鈕，在獲取標(biāo)準(zhǔn)汞燈的頻譜信號后，得到了標(biāo)準(zhǔn)汞燈四種特征譜線峰，并將其與標(biāo)準(zhǔn)汞燈的特性譜線峰相對應(yīng)；這樣就能校準(zhǔn)全譜體系。用質(zhì)心法、中值法、擬合法等方法求出了標(biāo)準(zhǔn)汞燈的峰。在“計算系數(shù)”鍵上單擊，得到 B=376.60、 A=0.21448的系數(shù) A和 B。單擊“保存”按鈕，將“結(jié)果”保存下來，“目錄存儲”是“數(shù)據(jù)存儲格式文件”。進(jìn)入光譜分析軟件的主控界面，在屏幕的左下方單擊“測量模式”按鈕，選中前方標(biāo)準(zhǔn)汞燈的校準(zhǔn)文檔，接著進(jìn)行波長檢測，光譜分析軟件界面變?yōu)橐詸M軸作為波長值的狀態(tài)。因為光譜儀的光譜是340nm至800nm的可見光，所以在設(shè)定橫向坐標(biāo)軸的數(shù)據(jù)時要特別注意。[4]

八、輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

（一）波長示值誤差的測量結(jié)果不確定度

在可視化光度計檢定過程中，對檢定結(jié)果產(chǎn)生影響的因素眾多，使得檢定結(jié)果出現(xiàn)明顯的不確定性，主要包含測量儀器，測量方法，測量環(huán)境；人員操作失誤，被檢設(shè)備的變化。檢定結(jié)果不確定性，運(yùn)用直接比較法分析，應(yīng)首先忽視外部因素，并依據(jù)有關(guān)的測量規(guī)范和要求，科學(xué)設(shè)定環(huán)境狀況，保證員工的工作規(guī)范。波長標(biāo)準(zhǔn)值的不確定度在本試驗中，利用可見光譜儀對上述兩種類型的不確定度進(jìn)行了測量，結(jié)果表明：通過對可視化光度計的校準(zhǔn)流程的分析，指出了造成其不確定因素的主要因素是：儀器、方法、環(huán)境，工作人員的錯誤和被檢查的儀器的改變。在運(yùn)用直接比較法進(jìn)行不確定度分析時，應(yīng)忽略外因，按照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和要求進(jìn)行；科學(xué)地設(shè)置環(huán)境條件，確保員工的工作標(biāo)準(zhǔn)。由于測量的不確定性和重復(fù)測量的不確定性，所以在可見光譜光度計的示值檢定中存在著不確定性。

1、波長標(biāo)準(zhǔn)值的不確定度

在本試驗中，利用可見光譜儀對上述兩種類型的不確定度進(jìn)行了測量，發(fā)現(xiàn)其不確定度為0.2nm，結(jié)果見（3）。

表1 對課件分光光度計波長的重復(fù)性、重復(fù)測量標(biāo)準(zhǔn)不確定度的測量結(jié)果（nm）

3、測量不確定度

上述各波長的檢定結(jié)果均符合有關(guān)規(guī)范，而波長示值誤差的不確定性既有計量裝置本身的因素，也有儀器的反復(fù)檢測所致。因此，在這一測量中，該方法的波長誤差是0.06nm。

（二）透射比示值誤差輸入量的不確定度

通過對該測量方法和透射率示值誤差校正模型的分析，得出了影響其不確定度的主要因素：儀表的性能，校準(zhǔn)方式的合理性，環(huán)境的檢測等。在檢驗過程中，采用了直接比較法，而不考慮測量方法的不確定性。在特定環(huán)境下進(jìn)行檢定，其不確定性會受到外界環(huán)境、操作人員的誤操作、讀數(shù)和被檢測設(shè)備的變化等影響。由此可以看出，由于測量標(biāo)準(zhǔn)件的不確定性，使此次試驗的檢定結(jié)果存在著很大的不確定性。[5]

（三）對可見分光光度計波長進(jìn)行檢測

使用光譜系統(tǒng)在檢測精度上與標(biāo)準(zhǔn)濾光片相當(dāng)，但是由于操作簡便、快捷，能夠很好地替代常規(guī)檢測標(biāo)準(zhǔn)，在保證結(jié)果精度的基礎(chǔ)上大大的提高計量檢定的效率。在對光譜系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)后，可以對不明波長的可見分光光度計進(jìn)行探測。選擇上海精密儀器公司722型可見光譜光度計，開機(jī)，待機(jī)器完全加熱后，將其調(diào)到紅光區(qū)域。將采集到的纖維置于可見光譜儀中的試樣槽中，進(jìn)行入射光和光譜分析。光譜軟件的光譜表明，所采集的光譜峰值為663.11 nm，其相應(yīng)的可見光譜測量儀具有663nm的波長，通過計算得到0.11nm的展示值，其精度超過了1nm。此外，在相同的722型可見光譜光度計中，采用氧化鋯過濾器進(jìn)行了波長測定，結(jié)果顯示峰為638nm，而氧化鋯過濾器的標(biāo)準(zhǔn)值為638.2 nm，并用該方法得到了0.2nm的顯示值。將光譜儀與傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)濾波器相結(jié)合，對同一722型可視分光光度計進(jìn)行了對比，該方法具有與標(biāo)準(zhǔn)濾光器相同的檢測準(zhǔn)確度，且由于操作簡單、快速，可以很好地取代傳統(tǒng)的檢測標(biāo)準(zhǔn)，并在保證測量準(zhǔn)確度的同時，大大提高了計量檢定的工作效率。

結(jié)語

由于可見分光光度計在食品、醫(yī)療、化工、冶煉等行業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中有著極為廣泛的應(yīng)用，為了確保其測量結(jié)果的精度和一致性，計量部分需要每年對分光光度計進(jìn)行檢定。本文旨在研制一套能測量光譜波長的光譜分析儀，在保證測量精度的前提下，有效地提高了儀器的工作效率。本文著重分析和探討了由于可見分光光度計檢定過程中出現(xiàn)的各種錯誤原因，并根據(jù)這些誤差因素，給出了相應(yīng)的處理方法，以便更好地進(jìn)行檢定，確保鑒定結(jié)果的正確性；這樣才能得到更好的試驗效果。