紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)電光源系統(tǒng)
紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)電光源系統(tǒng)
紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的電光源系統(tǒng), 直接影響儀器的可靠性和使用效果,使用者必須對(duì)此引起高度重視。紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的電光源系統(tǒng)包括光源和電源兩大部分, 下面簡(jiǎn)單介紹。
一、光源( 燈泡)
紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的光源一般為氘燈和鹵鎢燈兩種。
( 一) 氘燈
氘燈是供紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的紫外波段使用的光源, 它發(fā)出的光的波長(zhǎng)范圍一般為190 ～ 400nm, 它是連續(xù)光譜帶。氘燈的使用波長(zhǎng)范圍一般為190～360 nm 左右。氘燈在486. 0 nm、583. 0nm、656. 1nm 等三處各有一根特征譜線, 經(jīng)常被研究人員或光譜儀器研制者、生產(chǎn)者用來(lái)作為標(biāo)定儀器的理論波長(zhǎng)值( 656. 1nm、486. 0nm 使用最多; 583. 0nm 使用很少, 因?yàn)樗粔蚣怃J, 同時(shí)還伴有小峰)。
氘燈按插腳來(lái)分有兩種: 一種是有三只插腳( 又稱插腳式) 的氘燈; 另一種是帶有三根插腳引線的氘燈。帶有三只插腳的氘燈, 一般都注有陰極和陽(yáng)極標(biāo)志, 以便用戶使用時(shí)辨認(rèn)。目前國(guó)外生產(chǎn)的氘燈, 基本上都是屬于帶有三只插腳形式的氘燈。如日本浜松、美國(guó)RCA、英國(guó)的Cathodeon 等公司的產(chǎn)品都是如此。三只插腳引線的氘燈中, 有兩只引腳線為陰極( 一般為黑色) , 一只引腳線為陽(yáng)極( 一般為紅色)。我國(guó)生產(chǎn)的氘燈中, 絕大多數(shù)為帶有三根插腳引線模式的氘燈。如上海電光器件廠、宜征電子管廠等生產(chǎn)的氘燈就是如此。插腳式氘燈的最大優(yōu)點(diǎn)是發(fā)光點(diǎn)的高度固定不變, 調(diào)換新氘燈時(shí)不需要調(diào)節(jié)氘燈發(fā)光孔的高度。而帶有三根插腳引線的氘燈, 調(diào)換新氘燈時(shí), 一定要調(diào)節(jié)發(fā)光孔的高度, 對(duì)使用者來(lái)講很不方便。
氘燈在紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)儀器中工作時(shí), 它的外殼周圍的溫度達(dá)到
400℃以上, 因此, 不能用手直接觸摸, 以免燙傷。尤其是氘燈正前方的通光孔部分( 一般通光孔徑為1mm) , 即使是氘燈不在工作狀態(tài)( 未點(diǎn)亮) , 也絕對(duì)不能用手觸摸。否則, 如果人手上的油污沾污了氘燈外殼與發(fā)光孔對(duì)應(yīng)的部分, 在氘燈點(diǎn)亮后, 油跡將永久燒結(jié)在氘燈的表面, 將嚴(yán)重影響氘燈的發(fā)光強(qiáng)度, 影響氘燈的使用壽命。
氘燈為易耗件, 一般使用壽命為: 國(guó)產(chǎn)氘燈500 ～ 800h; 進(jìn)口氘燈為1000 h (少數(shù)長(zhǎng)壽命燈可達(dá)2000h ) ; 一般情況下, 氘燈發(fā)光孔處發(fā)黑, 就應(yīng)考慮氘燈的壽命是否到期。但氘燈的使用壽命與氘燈電源設(shè)計(jì)有關(guān)( 后面將詳細(xì)討論) ; 一般來(lái)講, 電源設(shè)計(jì)得好的話, 國(guó)產(chǎn)氘燈的壽命也不止500～ 800h ,
有的壽命可達(dá)2000h 以上。如作者在使用國(guó)產(chǎn)氘燈時(shí), 采用自己設(shè)計(jì)的優(yōu)質(zhì)恒流電源, 可將國(guó)產(chǎn)氘燈( 如上海電光器件廠生產(chǎn)的DD2. 5 型氘燈) 的壽命延長(zhǎng)到2000h 以上。
目前國(guó)外生產(chǎn)氘燈的主要廠商有日本的浜松( Hamamatsu ) 公司、英國(guó)的Ca thodeon 公司和美國(guó)的RCA 公司等。他們生產(chǎn)的氘燈, 一般都是帶插座的。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)氘燈的主要廠商有: 上海電光器件廠、江蘇宜征的宜征電子管廠、北京的電真空器件廠等。國(guó)產(chǎn)的氘燈一般不帶插座, 大多都是有帶三根插腳引線。國(guó)內(nèi)外的氘燈產(chǎn)品型號(hào)各異, 且在質(zhì)量上有一定差距; 根據(jù)作者的實(shí)踐, 差距主要表現(xiàn)在壽命和穩(wěn)定性上。但在價(jià)格上相差較大, 有的相差10 倍以上。如一般的國(guó)產(chǎn)氘燈, 大約200 多元人民幣一只。而同類( 指光學(xué)、電學(xué)性能) 的進(jìn)口氘燈, 如日本浜松( Hamamatsu ) 的產(chǎn)品則約需1800～3800 元人民幣一只。
氘燈的使用壽命與供電電源的關(guān)系很大, 如果氘燈的電源設(shè)計(jì)合理( 如直流工作電壓、燈絲預(yù)熱電壓和電流、燈絲預(yù)熱時(shí)間等) , 將大大有助于提高使用壽命。
氘燈使用壽命的測(cè)試方法一般采用比較法。具體操作是: 采用一只新的優(yōu)質(zhì)( 相對(duì)而言) 氘燈, 先在紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的主機(jī)上或在自己制作的測(cè)試裝置上測(cè)試一個(gè)真實(shí)的數(shù)據(jù), 而后用待測(cè)試的氘燈調(diào)換新氘燈, 再測(cè)試一次,據(jù)二者的能量差值來(lái)判斷被測(cè)氘燈的壽命是否到期。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定, 如果把新的優(yōu)質(zhì)( 相對(duì)而言) 氘燈的測(cè)試數(shù)據(jù)作為100 , 那么被測(cè)試的氘燈的能量不足新燈的45% , 則認(rèn)為被測(cè)試的燈壽命到期。
氘燈的發(fā)光穩(wěn)定性, 也是既與氘燈電源有關(guān), 又與氘燈燈泡本身的質(zhì)量有關(guān)。使用者在調(diào)換新氘燈前, 應(yīng)對(duì)新氘燈燈泡的穩(wěn)定性作一次簡(jiǎn)單的測(cè)試。一般的簡(jiǎn)易測(cè)試方法是在紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的主機(jī)上( 應(yīng)先確定主機(jī)是合格的) , 或在自己制作的測(cè)試裝置上, 點(diǎn)亮需要換上的新氘燈, 儀器預(yù)熱0. 5h 后測(cè)量。儀器條件為: 波長(zhǎng)250nm, 光譜帶寬2nm, 取能量測(cè)量、時(shí)間掃描方式, 縱坐標(biāo)能量取50%左右, 對(duì)新氘燈作一次1 h 的漂移測(cè)試, 要求漂移小于0. 5%/ h , 如果新燈在1h 內(nèi)的漂移超過(guò)0. 5% , 則為不合格。
( 二) 鎢燈( 鹵鎢燈)
鎢燈是供紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的可見(jiàn)區(qū)使用的光源。其發(fā)出光的波長(zhǎng)范圍為330nm 到近紅外, 它也為連續(xù)光譜。
鎢燈( 鹵鎢燈) 有兩只插腳, 不分正負(fù), 可以互換。鎢燈也是易損件, 到使用壽命時(shí), 就要調(diào)換新燈。因此, 鎢燈的燈絲高度非常重要。目前, 國(guó)產(chǎn)的鎢燈中, 大多數(shù)在調(diào)換新燈時(shí), 要調(diào)節(jié)燈絲的高度, 比較麻煩。但有些國(guó)外生產(chǎn)的鎢燈, 調(diào)換新燈時(shí)不必調(diào)節(jié)燈絲高度, 很方便。和氘燈一樣, 由于鎢燈工作時(shí)其周圍的溫度也高達(dá)數(shù)百度, 因此, 不能用手觸及鎢燈表面, 以免燙傷和縮短鎢燈的使用壽命。同樣, 不能用手觸摸鎢燈的發(fā)光面, 以免沾污鎢燈的發(fā)光面, 影響鎢燈的發(fā)光強(qiáng)度。鹵鎢燈是在一般的鎢燈中充有鹵素元素, 主要是為了增強(qiáng)短波部分的強(qiáng)度。一般的鎢燈壽命可達(dá)10000h 以上(但必須正確使用, 保證電源供電電壓等都能符合鎢燈規(guī)定的要求, 如工作電壓應(yīng)為12V±1. 2V 等)。
二、電源
紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的光源電源, 一般分為氘燈恒流電源和鎢燈恒壓電源兩種, 下面分別討論。
( 一) 氘燈恒流電源
氘燈恒流電源的輸出電流一般為100～500mA。而氘燈工作時(shí), 其工作電流一般恒定為300mA, 所以稱為氘燈恒流電源。氘燈恒流電源是紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的關(guān)鍵部件之一, 它直接影響紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的穩(wěn)定性。
眾所周知, 當(dāng)氘燈電源的電流波動(dòng)1% 它發(fā)出的光通量就要波動(dòng)6. 7% ;也就是說(shuō), 當(dāng)氘燈正常工作電流恒定為300mA 時(shí), 若因某些原因, 電流波動(dòng)3mA, 則氘燈發(fā)出的光通量就要波動(dòng)6. 7%。這是一個(gè)很大、很驚人的波動(dòng)數(shù)據(jù)。若用記錄儀記錄, 設(shè)記錄儀滿度為100 格, 則將以6. 7 格的幅度波動(dòng)( 即6. 7%的波動(dòng)) , 這樣就根本無(wú)法使用。由此可見(jiàn), 氘燈恒流電源的穩(wěn)定性多么重要。美國(guó)科學(xué)家Wenstead 的研究結(jié)果表明: 光譜儀器的不穩(wěn)定, 90%以上是由電源引起的。
中華人民共和國(guó)計(jì)量檢定規(guī)程對(duì)紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)提出了電源波動(dòng)對(duì)測(cè)試結(jié)果影響的指標(biāo)。如1990 年9 月1 日開始實(shí)施的雙光束紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)標(biāo)準(zhǔn)( JJG 682—90 ) 中, 提出“ 電源電壓變化的影響: 外電電源電壓在( 220± 22 ) V 范圍內(nèi)改變, 儀器100% 透射比的最大變化應(yīng)小于0. 5%”。又如1997 年6 月1 日開始實(shí)施的單光束紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)標(biāo)準(zhǔn)( JJG 375—96 ) 中, 提出“ 電源電壓的影響: 電源電壓( 220±22 ) V 變化時(shí)對(duì)儀器的影響應(yīng)符合要求”。而該標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)棱鏡式的單光束紫外可見(jiàn)分光光度計(jì), 要求示值變化±0. 5% ; 該標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)光柵式的單光束紫外可見(jiàn)分光光度計(jì), 要求示值變化±0. 3% ( A 級(jí)) 和±0. 5% ( B 級(jí)) 。這種技術(shù)指標(biāo)不太合適。因?yàn)橥怆婋娫淳彤a(chǎn)生±0. 5% 的分析誤差, 如果再加雜散光、噪聲、光譜帶寬、試樣處理等操作誤差, 儀器的分析測(cè)試結(jié)果總誤差就會(huì)很大。不但藥物分析的誤差要求(很多藥品要求相對(duì)誤差在1% 以內(nèi)) 達(dá)不到, 就連一般分析工作的最低要求也達(dá)不到。這種技術(shù)指標(biāo)的儀器根本不能滿足使用要求。我們說(shuō)這種技術(shù)指標(biāo)不合適, 主要是因?yàn)樗且粋€(gè)電子學(xué)的技術(shù)指
標(biāo)。對(duì)電源來(lái)講, 應(yīng)該用電子學(xué)的指標(biāo)( 電流調(diào)整率、紋波系數(shù)、漂移等)來(lái)描述。
紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的光信號(hào)在紫外區(qū)一般為毫微流明( nlm) 級(jí), 屬于微光測(cè)試范疇。為了保證紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)儀器的穩(wěn)定性, 一般高質(zhì)量的優(yōu)秀紫外可見(jiàn)分光光度計(jì), 其氘燈恒流電源的電流調(diào)整率要求達(dá)到0. 05% , 紋波系數(shù)要求在0. 5%以內(nèi)。作者曾研究過(guò)一種高性能的氘燈恒流電源(DLPS-3 型氘燈恒流電源) , 其電流調(diào)整率達(dá)到0. 0006%。表3-2 列出了幾種氘燈電源及其主要技術(shù)指標(biāo)。
為了延長(zhǎng)氘燈的壽命, 在點(diǎn)燃氘燈以前, 氘燈的燈絲一定要事先經(jīng)過(guò)預(yù)熱, 預(yù)熱時(shí)間可以從10～30 s 均可, 使用者可以自選。如果氘燈不經(jīng)過(guò)預(yù)熱而直接點(diǎn)亮, 氘燈的壽命肯定會(huì)縮短。
一般國(guó)產(chǎn)氘燈的氘燈觸發(fā)電壓為200～400V, 最低170V 也能點(diǎn)亮; 一般進(jìn)口氘燈的觸發(fā)電壓為350～650V。如果一開機(jī), 氘燈不經(jīng)過(guò)預(yù)熱, 氘燈的觸發(fā)電壓一下就直接加到陽(yáng)極上, 就會(huì)嚴(yán)重縮短氘燈壽命。
氘燈電源向氘燈提供的燈絲電壓和燈絲電流, 一定要與氘燈燈泡的要求相一致。目前國(guó)際上一般都是兩種類型: 一種是2. 5V, 4A; 另一種是10V,0. 8A。從氘燈電源的制作來(lái)講, 因?yàn)殡娏餍? 10V、0. 8A 比較好制作; 而2. 5V、4A 的燈絲供電, 因電流很大, 氘燈的電源比較難制作。
為了延長(zhǎng)氘燈的壽命, 還可將氘燈用在半功率點(diǎn)上, 即將氘燈恒流電源的工作電流調(diào)節(jié)到180mA 左右(150～200mA 范圍內(nèi)) , 這樣可大大延長(zhǎng)氘燈壽命, 有時(shí)可使氘燈的壽命延長(zhǎng)好幾倍。使用者可以對(duì)氘燈恒流電源的穩(wěn)定性作簡(jiǎn)單的測(cè)試, 以便判斷氘燈電源的穩(wěn)定性是否合格。最重要的是測(cè)試三個(gè)指標(biāo): 電流調(diào)整率、漂移和紋波系數(shù)。
電流調(diào)整率的簡(jiǎn)單測(cè)試方法為: 氘燈電源的輸入電壓通過(guò)一只0. 5 kV 的調(diào)壓變壓器, 點(diǎn)亮氘燈, 在氘燈電源的輸出端用分壓器取采樣電壓約取1. 8V左右( 直流信號(hào)電壓) , 用數(shù)字電壓表監(jiān)控。氘燈電源預(yù)熱0. 5h 后, 調(diào)節(jié)調(diào)壓變壓器, 分別記錄198V、220V、242V 所對(duì)應(yīng)的1. 8V 的變化( 即記錄交流供
電電壓220V 變化±10% 時(shí), 所對(duì)應(yīng)的輸出直流電壓的變化值)。
氘燈恒流電源的漂移的簡(jiǎn)單測(cè)試方法為: 點(diǎn)亮氘燈, 氘燈電源預(yù)熱0. 5h后, 在電流調(diào)整率測(cè)試的條件下, 固定輸入電壓為220V, 記錄1. 8V 在1h 內(nèi)的變化值ΔV0 , 即是氘燈電源的漂移。一般氘燈電源的漂移為1×10 - 3 ～5×10 - 4 。氘燈恒流電源的紋波系數(shù)的簡(jiǎn)單測(cè)試方法為: 在氘燈電源的假負(fù)載或點(diǎn)亮
的氘燈上, 用交流毫伏表或示波器直接測(cè)量。
氘燈恒流電源的紋波系數(shù)的簡(jiǎn)單測(cè)試方法有兩種:
① 點(diǎn)亮氘燈, 預(yù)熱0. 5h 后, 用示波器或交流真空毫伏表, 直接在氘燈的陰極和陽(yáng)極之間測(cè)試。如作者在研制DLSP-3 型氘燈恒流電源時(shí), 曾采用這種方法測(cè)得紋波電壓15mV, 測(cè)得氘燈兩端的直流工作電壓為69. 11V; 由此計(jì)算出紋波系數(shù)SR = 15mV/ 69. 11V = 2. 17×10 - 4 。
② 點(diǎn)亮氘燈, 預(yù)熱0. 5h 后, 用示波器或交流真空毫伏表, 在采樣電阻上測(cè)得紋波電壓15mV, 測(cè)得采樣電阻上的直流工作電壓為1. 7675V; 由此計(jì)算出紋波系數(shù)SR = 3mV/ 1. 7675V = 1. 7×10 - 3 。
上述兩種測(cè)試方法得到的測(cè)試結(jié)果差別較大, 其原因是第二種方法在采樣電阻上取樣, 波動(dòng)較小, 故測(cè)得的紋波系數(shù)SR 小。一般來(lái)講, 第一種方法較接近實(shí)際, 比較可靠。但第一種方法要求氘燈質(zhì)量較好才能反映真實(shí)情況, 否則誤差很大。一般要求氘燈電源的紋波系數(shù)在0. 5%以內(nèi)。
( 二) 鎢燈電源
鎢燈電源一般為恒壓源。其電壓輸出一般為8～ 15V; 輸出電流2～3A。一般紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)鎢燈的額定工作電壓為12V, 額定工作電流為2～3A; 正常工作時(shí)的電壓一般為11～13V。有些紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的制造者誤認(rèn)為電壓低可提高穩(wěn)定性, 有時(shí)將鎢燈的工作電壓選為8～9V, 這是不對(duì)的。因?yàn)樵谶@樣的工作電壓下, 一般來(lái)講, 鎢燈不能工作在最佳狀態(tài)。因沒(méi)有達(dá)到鎢燈工作電壓額定值的要求, 反而鎢燈不穩(wěn)定。一般額定值為12V 的鎢燈, 其工作電壓為11～12V 較好。
鎢燈電源也是紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的關(guān)鍵部件之一, 直接影響儀器的可見(jiàn)光部分的穩(wěn)定性, 直接影響使用者的使用效果。眾所周知, 若鎢燈恒壓電源的電壓波動(dòng)1% , 則鎢燈發(fā)出的光通量要波動(dòng)3. 4% , 這也是一個(gè)很大的波動(dòng)數(shù)。Wnstead 對(duì)光譜儀器電源波動(dòng)對(duì)分析誤差影響的研究結(jié)果( 光譜儀器不穩(wěn)定,90%以上是電源引起的) , 同樣適用于鎢燈作光源的紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)。一般紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的鎢燈電源的原理圖如圖3-10 中的上半部分所示。
為了保證紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)儀器的穩(wěn)定性, 一般要求高質(zhì)量的紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的鎢燈恒壓電源的電壓整率達(dá)到0. 05% , 紋波系數(shù)要求在0. 5%以內(nèi)。
