熒光分光光度計(jì)增加波長掃描功能研究*

黃利強(qiáng)

(1 集美大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，福建 廈門 361021；2 集美大學(xué)水域環(huán)境與漁業(yè)資源監(jiān)測中心，福建 廈門 361021)

手動(dòng)調(diào)節(jié)波長的普通紫外-可見分光光度計(jì)、熒光分光光度計(jì)目前在國內(nèi)市場占有量大，但這類儀器不具有自動(dòng)波長掃描功能，若欲得到化合物的波長掃描光譜，必須手動(dòng)調(diào)節(jié)逐個(gè)波長進(jìn)行檢測，匯總多個(gè)波長的數(shù)據(jù)后匯總數(shù)據(jù)作圖，由于只能手動(dòng)操作，工作量大，操作繁瑣，而且譜圖數(shù)據(jù)也不易齊全。而具備自動(dòng)波長掃描功能的分光光度計(jì)價(jià)格目前相對(duì)昂貴，因此將普通光度計(jì)改裝，使其具備簡易波長掃描功能是一種簡易可行的方法[1-2]。目前研究者已研究出多種在普通手動(dòng)式光度計(jì)上實(shí)施波長掃描的方法，但這些方法或者需要拆機(jī)改動(dòng)內(nèi)部電路，或者需要設(shè)計(jì)專門應(yīng)用軟件，實(shí)施難度較大[3-5]。本文研究了一種基于光纖傳感器的波長掃描方法，無需拆機(jī)，并且可直接使用原機(jī)配套軟件，改裝較為簡便。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 儀 器

Cary Eclipse熒光光度計(jì)，美國瓦里安公司；F93熒光分光光度計(jì)(激發(fā)波長365 nm)，上海棱光技術(shù)有限公司；M3超細(xì)芯反射型光纖傳感器；NA11型光纖放大器。

1.2 試 劑

甲基紫(AR)，天津致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司；亞甲基藍(lán)(AR)，天津致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司。

2 結(jié)果與討論

2.1 改裝方法

F93熒光分光光度計(jì)的波長刻度盤上波長范圍為330～820 nm，在刻度盤上均勻地每隔2 nm繪有1條黑色細(xì)線。F93熒光分光光度計(jì)配套有棱光通用數(shù)據(jù)處理軟件，每點(diǎn)擊鼠標(biāo)1次，就可使與電腦聯(lián)機(jī)的F93機(jī)器自動(dòng)測量1次熒光值，并自動(dòng)按順序輸入到軟件表格中(圖1)。因此只要實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)隨波長的改變自動(dòng)點(diǎn)擊，即可將不同波長的熒光值自動(dòng)輸入軟件。

圖1 F93熒光分光光度計(jì)通用數(shù)據(jù)處理軟件界面Fig.1 Universal data processing software interface of F93 fluorescence spectrophotometer

波長檢測和輸入功能由M3超細(xì)芯反射型光纖傳感器、NA11型光纖放大器實(shí)現(xiàn)(圖2)。M3光纖傳感器的探頭為長度40 mm、直徑0.8 mm的不銹鋼空心針，內(nèi)裝有2條內(nèi)徑0.25 mm的超細(xì)光纖，2條光纖中的1條作為發(fā)射頭，另一條作為接收頭；其光電檢測原理是光纖傳感器的發(fā)射頭發(fā)射一束紅色激光，檢測物反射的光線被接收頭接收后送到光纖放大器進(jìn)行放大，即可產(chǎn)生開關(guān)電流控制負(fù)載的開關(guān)，可檢測最小直徑0.1 mm的物體。本實(shí)驗(yàn)將NA11型光纖放大器的2條負(fù)載輸出線與電腦鼠標(biāo)的左鍵微動(dòng)開關(guān)并聯(lián)，做成光電檢測開關(guān)，并將光纖放大器的狀態(tài)開關(guān)置“遮光時(shí)ON”檔位。當(dāng)發(fā)射光照射在波長刻度表的白色底盤時(shí)，反射光較強(qiáng)，此時(shí)光纖放大器沒有輸出，鼠標(biāo)不動(dòng)作；當(dāng)發(fā)射光照射在波長刻度表的黑色刻度線上時(shí)，反射光減弱，相當(dāng)于遮光狀態(tài)，此時(shí)光纖放大器產(chǎn)生輸出信號(hào)，鼠標(biāo)隨即閉合一次，即鼠標(biāo)左鍵自動(dòng)單擊一次。細(xì)心調(diào)節(jié)光纖傳感器的探頭位置，以及光纖放大器的靈敏度檔位，使波長刻度盤的黑色刻度線每次經(jīng)過發(fā)射光束時(shí)，光纖放大器就開關(guān)一次，鼠標(biāo)也隨之自動(dòng)單擊一次，即可實(shí)現(xiàn)每隔2 nm，鼠標(biāo)自動(dòng)單擊1次。

圖2 實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.2 Experimental schematic diagram

打開F93熒光分光光度計(jì)的通用數(shù)據(jù)處理軟件，將鼠標(biāo)移到“#001”的輸入欄；轉(zhuǎn)動(dòng)波長刻度盤，使起始波長(本文以340 nm為例)刻度線恰好位于光纖傳感器發(fā)射紅色光束的下方；慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)波長刻度盤，使340 nm刻度線經(jīng)過光束，鼠標(biāo)即自動(dòng)單擊一次，自動(dòng)測量熒光值并通過軟件自動(dòng)在#001欄輸入熒光值。繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)波長刻度盤，342 nm刻度線也經(jīng)過光束，系統(tǒng)自動(dòng)將342 nm測得的熒光值輸入#002欄；此后繼續(xù)慢慢勻速轉(zhuǎn)動(dòng)波長刻度盤直至終點(diǎn)波長(本文以800 nm為例)處，即可依次在340～800 nm范圍內(nèi)，每隔2 nm測量1次熒光值，并自動(dòng)輸入到軟件的輸入欄。測量完成后，將軟件輸入欄的數(shù)值導(dǎo)入EXCEL表格，以340～800 nm范圍的波長為橫坐標(biāo)，測得的各處熒光值為縱坐標(biāo)，即可繪制成波長-熒光值掃描圖譜。

2.2 光譜掃描結(jié)果

使用改裝的F93熒光光度計(jì)掃描甲基紫水溶液(6 mg/L)的熒光發(fā)射光譜，所得熒光光譜如圖3所示。對(duì)比使用Cary Eclipse熒光光譜儀進(jìn)行的掃描結(jié)果(圖4)，可以看出二者的熒光光譜基本一致。二臺(tái)儀器均使用365 nm的激發(fā)光源，因此熒光光譜圖上均出現(xiàn)365 nm、730 nm的一級(jí)、二級(jí)光源散射峰(Cary Eclipse使用Ex=5 nm、Em=20 nm的激發(fā)和發(fā)射狹縫，因此峰強(qiáng)度更大)；418 nm處二者均出現(xiàn)一較弱光譜峰。比較二者的譜峰形狀及位置，可以看出改裝的F93熒光光度計(jì)所得的熒光掃描光譜圖基本和Cary Eclipse一致，可以滿足普通定性分析及教學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求。

圖3 甲基紫(6 mg/L)簡易熒光發(fā)射光譜Fig.3 Simple fluorescence emission spectroscopy of methyl violet(6 mg/L)

圖4 Cary Eclipse上的甲基紫(6 mg/L)熒光發(fā)射光譜Fig.4 Fluorescence emission spectroscopy of methyl violet(6 mg/L)on cary eclipse

使用改裝的F93熒光光度計(jì)對(duì)亞甲基藍(lán)水溶液(2 mg/L)進(jìn)行多次掃描(激發(fā)波長365 nm)，所得熒光光譜峰形和峰位置基本一致(圖5)，表明改裝后系統(tǒng)重復(fù)性和穩(wěn)定性尚可。但由于F93使用光電倍增管檢測微弱的熒光信號(hào)，本身機(jī)器檢測時(shí)的熒光強(qiáng)度波動(dòng)幅度較大、穩(wěn)定性較差，因此改裝后不同時(shí)間掃描的譜峰強(qiáng)度變化幅度也較大。若使用紫外可見分光光度計(jì)，由于紫外可見分光光度計(jì)檢測的是吸光度，穩(wěn)定性較高，掃描結(jié)果的重復(fù)性和準(zhǔn)確度應(yīng)會(huì)更高。目前很多手動(dòng)式熒光光度計(jì)、紫外-可見分光光度計(jì)均配有廠家數(shù)據(jù)處理軟件，與電腦聯(lián)機(jī)后，每次單擊鼠標(biāo)就可輸入一次單個(gè)檢測值，使用本文方法，可以方便地改裝這類分光光度計(jì)，使其實(shí)現(xiàn)簡單的波長掃描功能。本方法的缺點(diǎn)是掃描時(shí)波長間隔較大且不可調(diào)(只能固定為2 nm)，但對(duì)于簡單的定性分析或?qū)嶒?yàn)教學(xué)已可滿足需要。

圖5 亞甲基藍(lán)(2 mg/L)不同時(shí)間的簡易熒光發(fā)射光譜Fig.5 Simple fluorescence emission spectroscopy of methylene blue (2 mg/L)at different times

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一款基于光纖傳感器的簡易波長掃描系統(tǒng)，通過對(duì)系統(tǒng)的測試，驗(yàn)證了系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)簡單的波長掃描功能，且成本低廉，改裝方便，可用于對(duì)配有波長刻度盤及數(shù)據(jù)輸入軟件的熒光分光光度計(jì)、紫外-可見分光光度計(jì)進(jìn)行改裝，適用于化合物的快速定性分析，以及分光光度法的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。