CN1295494C - 集成化微型光学分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成化微型光学分析仪，包括光路部分、单片机与辅助电路部分以及输入输出部分，单片机与辅助电路部分用于计算与控制，输入输出部分用于信息的输入输出，其特征在于：所述光路部分包括光源稳压控制电路、第一单色光源组与第二单色光源组、样品池、分光器、光电检测器、光电传感器阵列和信号调理电路；第一单色光源组、样品池和光电检测器依次位于第一光路上，第二单色光源组、样品池、分光器以及光电检测器依次位于第二光路上，第一光路与第二光路成90度夹角。本发明集成多种光学检测技术，大大减小了分析仪的体积与功耗，实现了仪器的微型化，可以同时对环境和食品等复杂样品中的多种成分的现场快速测定。

Description

集成化微型光学分析仪

技术领域

本发明属于光学法分析检测技术，具体涉及一种集成化微型光学分析仪。

技术背景

由于环境污染、农药、生长激素和食品添加剂的滥用，对人民群众的健康产生极大危害，因此环境与食品安全问题受到国家和人民群众的高度关注。环境分析和食品分析的测试项目很多，它们的测量原理各不相同，如光学分析(吸光光度、荧光、发光分析等)、色谱分析等，其中光学分析法因其仪器简单、操作简便等优点成为使用最为广泛的分析方法。食品和环境分析中，各种光学分析方法已得到广泛应用。微型化的便携式智能分析仪器的开发近年来也有了长足的发展。

但是目前实验室使用的分光光度计、荧光光度计、发光分析仪等仪器，由于体积大、不便于携带、需要市电供电，因而难以满足在野外、集贸市场、超市等需要现场监测、监管场合对微型化、便携式、快速、简便、多成分同时测定的分析仪器的需求。而且分光光度计、荧光光度计、发光分析仪等仪器，都是基于单一的光学分析原理，不能同时实现基于多种光分析测量原理的多成分快速测定或同一样品多种光学测量信息的获取。因而在现场环境、食品等复杂样品快速分析应用中受到许多限制。例如用吸光光度法测定环境样品中的色度、COD时，水样中的浊度会产生干扰，空白校正在这些场合常常难以奏效，样品预处理也会对测定结果产生影响。因此目前的单一功能光学分析仪难以准确测定高浊度样品的色度、COD等水质指标。分光光度计、荧光光度计、发光分析仪等仪器的结构原理有相似之处，测量方法也各有优缺点。从分析应用的角度考虑，集成多种光学分析原理的微型化仪器，可以使用不同的测量原理，从复杂样品中获取更多的样品成分的定性定量信息，对多种被测成分实现现场快速测定。这种具有光学分析实验室功能的集成化微型光学分析仪，在环境和食品监管的现场快速分析场合的复杂样品分析中具有实际意义。

目前基于LED为光源、光电二极管为检测器的微型化、便携式分光光度计在国外已经成为应用普遍的商品化仪器(如美国的HACH、意大利的HANNA)，这类仪器交直流两用，配以特定的化学试剂包的使用，可以方便的测定数十种指标，近年来在我国市场受到青睐。但这种仪器也只能实现单一的吸光光度测量功能，无法实现荧光、发光分析等功能。市面上也有荧光分析仪、发光分析仪、散射光度仪等各种形形色色的光学分析仪，但都只具有单一测量功能。

迄今为止，在国内外尚未发现有这类集吸光光度、散射光度、荧光光度和发光分析等多种光学测量技术为一体的微型光学分析仪的报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有单一测量功能仪器的不足，提供一种集成化微型光学分析仪，该仪器能同时测量吸光度值、散射光强、荧光强度及发光强度等多种光学指标。

本发明提供的一种集成化微型光学分析仪，包括光路部分、单片机与辅助电路部分以及输入输出部分，单片机与辅助电路部分用于计算与控制，输入输出部分用于信息的输入输出，其特征在于：所述光路部分包括光源稳压控制电路、第一单色光源组与第二单色光源组、样品池、分光器、光电检测器、光电传感器阵列和信号调理电路；第一单色光源组、样品池和光电检测器依次位于第一光路上，第二单色光源组、样品池、分光器以及光电检测器依次位于第二光路上，第一光路与第二光路成度夹角；光源稳压控制电路根据单片机与辅助电路部分提供的信号为单色光源提供工作电压，并控制光源的开关；单色光源组或产生单色光的单色光束穿过位于样品池中的待测样品后，产生的光信号一部分直接照射到光电检测器上，由其测量总光强值并送入信号调理电路，一部分通过分光器照射到光电传感器阵列上，测量出各个波长段的光强值并送入信号调理电路，信号调理电路将各光强值整形放大，输出给单片机与辅助电路部分进行处理，其结果送入输入输出部分；第一单色光源组与光电检测器组配，或第二单色光源组与分光器、光电传感器阵列组配，用于吸光光度分析；第一单色光源组与光电检测器组配，或者第二单色光源组与分光器、光电传感器阵列组配，用于散射光度分析；第一单色光源组与分光器、光电传感器阵列组配，用于荧光分析；光电检测器，或者分光器与光电传感器阵列组配，用于发光分析。

本发明针对光学分析仪器的现状，提供了一种能够同时测量吸光度值、散射光强、荧光强度及发光强度等多种光学指标的高度集成化的微型光学分析仪。通过特殊的光路设计，两组光源与检测器可以根据需要进行组合，在一台仪器上集成了分光光度计、荧光分析仪、发光分析仪、散射光强仪等多种光学分析仪器的功能。仪器摈弃了体积庞大的传统热光源与光电倍增管检测器，改用体积小功耗低的半导体光源组与高度集成的微检测器，使得多种光学检测技术集成于一台仪器成为可能，同时也大大减小了仪器的体积与功耗，实现了仪器的微型化。仪器内置了高性能单片机系统，可以满足高速采样与复杂数值计算的要求。通过对多种光学指标的协同测量与数据综合分析处理，可以实现对环境和食品等复杂样品中多种成分的同时现场快速测定。目前在国内外尚未见有类似仪器报道。

附图说明

图1为仪器硬件的原理框图；

图2为仪器测量部分的软件流程框图。

图3为仪器的光学平台结构示意图；

具体实施方式

本仪器主要包括三大部分：光路部分1、单片机与辅助电路部分2以及输入输出部分3。光路部分1主要由光源稳压控制电路4、第一单色光源组5与第二单色光源组6、样品池7、分光器8、光电检测器9、光电传感器阵列10和信号调理电路11构成。单片机与辅助电路部分2包括单片机12、多路选择开关13、系统监控电路14、数据存贮电路15等，输入输出部分3包括显示装置16、输入装置17以及通讯电路18。

光源稳压控制电路4为单色光源提供恒定的工作电压，同时控制光源的开关；第一单色光源组5与第二单色光源组6由一系列不同波长的半导体单色光源组成，可根据待测样品分析方法的需求而选择不同波长(紫外区到近红外区)的半导体单色光源组合。两种单色光源成90度垂直排列(参见附图3)；样品池7用于放置待测样品；分光器8用于将复合光分解成不同波长的单色光；光电检测器9用于将总的光强信号转换成电信号；光电传感器阵列10用于分别检测不同波长的光强值，并将其转换成电信号；信号调理电路11可对输出的电信号进行放大整形；单片机12是整个仪器的运算与控制核心；多路选择开关13可根据单片机12的指令来选择适当的光源与检测器；系统监控电路14可以随时监控系统的运行状态，防止程序跑飞；数据存贮电路15用于将数据存贮在非易失性存贮器EEPROM中；显示装置16和输入装置17提供了良好的人机界面；通讯电路18用来与PC机或串行打印机进行数据交换。

用户根据需要选定需要测量的光学指标后，单片机12会自动选择合适的光源与检测器进行组合。在单片机系统的控制下，通过多路选择开关13和光源稳压控制电路4点亮单色光源组5或单色光源组6中对应波长的单色光源，产生单色光。单色光束穿过装有待测样品的样品池7后，经过样品吸收与散射等作用，产生的光信号一部分直接照射到光电检测器9上，一部分则通过分光器8后照射到光电传感器阵列10上。单色光照射到样品上后，除了透射光以外，还向其它方向产生散射光。有些样品还会产生荧光和化学发光等。不同位置的检测器所检测到的光信号类型是不相同的。如何对这些光信号进行采集与处理是个比较复杂的问题，不在此专利讨论的范围内。光电检测器9可以直接测量总光强值，而分光器8和光电传感器阵列10则可以分别测量各个不同波长段的光强值。各光强值由信号调理电路整形放大后可经多路选择开关15输入单片机。单片机会根据测试的需要有选择地进行信号采集，得到相应的吸光度值、散射光强值、荧光值和发光强度值等测量结果，并可以根据不同的算法对测量结果进行进一步的综合处理。所有测量数据通过数据存贮电路15保存在非易失性数据存贮器中，可供用户查询与汇总。显示装置16和输入装置17为主要的输入输出设备，可以提供良好的人机界面。通过通讯电路18，还可以实现与PC机的数据交换功能，也可以外接打印机直接打印测量结果。系统监控电路14时刻监控系统的工作状态是否正常，保证了仪器的稳定可靠。

表1  几种光学分析方法的组合

分析方法	光源	检测器
			吸光光度分析吸光光度分析散射光度分析散射光度分析荧光分析发光分析发光分析	单色光源组(A)5单色光源组(B)6单色光源组(A)5单色光源组(B)6单色光源组(A)5--	光电检测器9分光器8+光电传感器阵列10光电检测器9分光器8+光电传感器阵列10分光器8+光电传感器阵列10光电检测器9分光器8+光电传感器阵列10

集成化微型光学分析仪的程序可以采用高级语言C编写。整个软件可分为四大模块：参数设置、样品测量、数据处理、系统设置。参数设置模块主要完成与测量相关的设置，用户可根据需要指定测量波长、选择检测器组、指定测量方式(吸光光度、散射光度、荧光、发光分析)等；样品测量模块为整个软件的核心。根据用户的测量设置值，对样品进行测量，完成单色光选择、检测器选择、样品测量控制、数据采集以及测量结果的计算、显示等功能；数据处理模块负责完成测量结果的保存、查询、打印以及与PC机的数据交换等任务；系统设置模块包括系统时间设置、显示屏对比度设置、输入设备校正等辅助性功能。

上述各部分均可采用现有技术加以实现。

下面以一个实例为本实用新型作进一步的说明。

我们可以选用多个特定波长的窄带发光二级管LED作为单色光源来构建单色光源组(A)5和单色光源组(A)6，来代替现有实验室分光光度计的热光源和光源单色器系统。目前可用的商品化单色LED波长范围很广，有270、420、460、520、560、590、640、700、840nm等多种波长可供选用，基本涵盖了紫外、可见光和近红外光区，可以满足不同测量的需要；

TASO公司的TSL235、TI公司的OPT101等高集成度的微型半导体光电检测器体积小、功耗低、光谱响应范围广、性能稳定可靠，是光电检测器9的理想选择。Toshiba公司的TCD1208、TCD1500和DALSA公司的IL-P3-2048等CCD阵列检测器产品技术成熟，可以用作光电传感器阵列10。分光器8可以选用光栅或棱镜。

通过光电器件的选用，可以构建一个集吸光光度、散射光度、荧光和发光分析等多种光学测量原理为一体的高度集成化的光学分析平台。

作为信号处理与控制核心，单片机12可以选用增强型的8位或16位单片机产品，如Cygnal公司的C8051F、TI公司的MSP430等；多路开关13可选用CD4051；系统监控电路14可选用MAX813等芯片来实现看门狗、自动复位、电压监控等监控功能；数据存贮电路15可选用24LC系列的EEPROM产品来实现。

显示装置16可以选用大屏幕液显汉显LCD，触摸屏与键盘构成输入装置17。RS-232串行接口芯片(如MAX3233)可心用来构建通讯电路18，实现PC机通讯及串行打印等功能

以上提到的光源、检测器、芯片以及各主器件具有体积小，重量轻，可以在5V直流电压下正常工作，因而可以直接采用电池供电。这些都使仪器的微型化设计成为可能。

集成化微型光学分析仪的程序可以采用国外流行的Keil C单片机语言编写，包括参数设置、样品测量、数据处理、系统设置四大模块。这种模块化程序设计语言既有通用C语言的特点，又具有直接操作单片机硬件的能力，其基本特点包括：运行速度快、编译效率高、具有良好的移植性以及丰富的多种复杂运算的库函数与浮点运算能力。样品测量模块的软件流程示意图见图2。

表2列出了几种传统的大型光度分析仪和本仪器的主要功能对比。

表2  几种光学分析仪器功能对比

仪器	功能
		分光光度计红外光度计散射光度计荧光光度计发光分析仪本仪器	紫外—可见光吸光光度分析近红外、红外光度分析散射光度分析荧光光度分析、发光分析发光分析紫外、可见光、近红外吸光光度分析散射光度分析、荧光光度分析、发光分析

Claims (1)

1、一种集成化微型光学分析仪，包括光路部分、单片机与辅助电路部分以及输入输出部分，单片机与辅助电路部分用于计算与控制，输入输出部分用于信息的输入输出，其特征在于：所述光路部分(1)包括光源稳压控制电路(4)、第一单色光源组(5)与第二单色光源组(6)、样品池(7)、分光器(8)、光电检测器(9)、光电传感器阵列(10)和信号调理电路(11)；第一单色光源组(5)、样品池(7)和光电检测器(9)依次位于第一光路上，第二单色光源组(6)、样品池(7)、分光器(8)以及光电检测器(9)依次位于第二光路上，第一光路与第二光路成90度夹角；光源稳压控制电路(4)根据单片机与辅助电路部分提供的信号为单色光源提供工作电压，并控制光源的开关；单色光源组(5或6)产生单色光的单色光束穿过位于样品池(7)中的待测样品后，产生的光信号一部分直接照射到光电检测器(9)上，由其测量总光强值并送入信号调理电路(11)，一部分通过分光器(8)照射到光电传感器阵列(10)上，测量出各个波长段的光强值并送入信号调理电路(11)，信号调理电路(11)将各光强值整形放大，输出给单片机与辅助电路部分进行处理，其结果送入输入输出部分；其中，

第一单色光源组(5)与光电检测器(9)组配，或第二单色光源组(6)与分光器(8)、光电传感器阵列(10)组配，用于吸光光度分析；

第一单色光源组(5)与光电检测器(9)组配，或者第二单色光源组(6)与分光器(8)、光电传感器阵列(10)组配，用于散射光度分析；

第一单色光源组(5)与分光器(8)、光电传感器阵列(10)组配，用于荧光分析；

光电检测器(9)，或者分光器(8)与光电传感器阵列(10)组配，用于发光分析。

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