紫外可見分光光度計電光源系統

 紫外可見分光光度計的電光源系統, 直接影響儀器的可靠性和使用效果,使用者必須對此引起高度重視。紫外可見分光光度計的電光源系統包括光源和電源兩大部分, 下面簡單介紹。

一、光源( 燈泡)

   紫外可見分光光度計的光源一般為氘燈和鹵鎢燈兩種。

( 一) 氘燈

    氘燈是供紫外可見分光光度計的紫外波段使用的光源, 它發出的光的波長范圍一般為190 ～ 400nm, 它是連續光譜帶。氘燈的使用波長范圍一般為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, 經常被研究人員或光譜儀器研制者、生產者用來作為標定儀器的理論波長值( 656. 1nm、486. 0nm 使用最多; 583. 0nm 使用很少, 因為它不夠尖銳, 同時還伴有小峰)。

氘燈按插腳來分有兩種: 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極標志, 以便用戶使用時辨認。目前國外生產的氘燈, 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RCA、英國的Cathodeon 等公司的產品都是如此。三只插腳引線的氘燈中, 有兩只引腳線為陰極( 一般為黑色) , 一只引腳線為陽極( 一般為紅色)。我國生產的氘燈中, 絕大多數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的氘燈就是如此。插腳式氘燈的最大優點是發光點的高度固定不變, 調換新氘燈時不需要調節氘燈發光孔的高度。而帶有三根插腳引線的氘燈, 調換新氘燈時, 一定要調節發光孔的高度, 對使用者來講很不方便。

    氘燈在紫外可見分光光度計儀器中工作時, 它的外殼周圍的溫度達到

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( 未點亮) , 也絕對不能用手觸摸。否則, 如果人手上的油污沾污了氘燈外殼與發光孔對應的部分, 在氘燈點亮后, 油跡將永久燒結在氘燈的表面, 將嚴重影響氘燈的發光強度, 影響氘燈的使用壽命。

    氘燈為易耗件, 一般使用壽命為: 國產氘燈500 ～ 800h; 進口氘燈為1000 h (少數長壽命燈可達2000h ) ; 一般情況下, 氘燈發光孔處發黑, 就應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計有關( 后面將詳細討論) ; 一般來講, 電源設計得好的話, 國產氘燈的壽命也不止500～ 800h ,

有的壽命可達2000h 以上。如作者在使用國產氘燈時, 采用自己設計的優質恒流電源, 可將國產氘燈( 如上海電光器件廠生產的DD2. 5 型氘燈) 的壽命延長到2000h 以上。

    目前國外生產氘燈的主要廠商有日本的浜松( Hamamatsu ) 公司、英國的Ca thodeon 公司和美國的RCA 公司等。他們生產的氘燈, 一般都是帶插座的。國內生產氘燈的主要廠商有: 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。國產的氘燈一般不帶插座, 大多都是有帶三根插腳引線。國內外的氘燈產品型號各異, 且在質量上有一定差距; 根據作者的實踐, 差距主要表現在壽命和穩定性上。但在價格上相差較大, 有的相差10 倍以上。如一般的國產氘燈, 大約200 多元人民幣一只。而同類( 指光學、電學性能) 的進口氘燈, 如日本浜松( Hamamatsu ) 的產品則約需1800～3800 元人民幣一只。

    氘燈的使用壽命與供電電源的關系很大, 如果氘燈的電源設計合理( 如直流工作電壓、燈絲預熱電壓和電流、燈絲預熱時間等) , 將大大有助于提高使用壽命。

    氘燈使用壽命的測試方法一般采用比較法。具體操作是: 采用一只新的優質( 相對而言) 氘燈, 先在紫外可見分光光度計的主機上或在自己制作的測試裝置上測試一個真實的數據, 而后用待測試的氘燈調換新氘燈, 再測試一次,據二者的能量差值來判斷被測氘燈的壽命是否到期。我國國家標準規定, 如果把新的優質( 相對而言) 氘燈的測試數據作為100 , 那么被測試的氘燈的能量不足新燈的45% , 則認為被測試的燈壽命到期。

    氘燈的發光穩定性, 也是既與氘燈電源有關, 又與氘燈燈泡本身的質量有關。使用者在調換新氘燈前, 應對新氘燈燈泡的穩定性作一次簡單的測試。一般的簡易測試方法是在紫外可見分光光度計的主機上( 應先確定主機是合格的) , 或在自己制作的測試裝置上, 點亮需要換上的新氘燈, 儀器預熱0. 5h 后測量。儀器條件為: 波長250nm, 光譜帶寬2nm, 取能量測量、時間掃描方式, 縱坐標能量取50%左右, 對新氘燈作一次1 h 的漂移測試, 要求漂移小于0. 5%/ h , 如果新燈在1h 內的漂移超過0. 5% , 則為不合格。

( 二) 鎢燈( 鹵鎢燈)

    鎢燈是供紫外可見分光光度計的可見區使用的光源。其發出光的波長范圍為330nm 到近紅外, 它也為連續光譜。

鎢燈( 鹵鎢燈) 有兩只插腳, 不分正負, 可以互換。鎢燈也是易損件, 到使用壽命時, 就要調換新燈。因此, 鎢燈的燈絲高度非常重要。目前, 國產的鎢燈中, 大多數在調換新燈時, 要調節燈絲的高度, 比較麻煩。但有些國外生產的鎢燈, 調換新燈時不必調節燈絲高度, 很方便。和氘燈一樣, 由于鎢燈工作時其周圍的溫度也高達數百度, 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光面, 以免沾污鎢燈的發光面, 影響鎢燈的發光強度。鹵鎢燈是在一般的鎢燈中充有鹵素元素, 主要是為了增強短波部分的強度。一般的鎢燈壽命可達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定的要求, 如工作電壓應為12V±1. 2V 等)。

二、電源

    紫外可見分光光度計的光源電源, 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, 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分光光度計的關鍵部件之一, 它直接影響紫外可見分光光度計的穩定性。

   眾所周知, 當氘燈電源的電流波動1% 它發出的光通量就要波動6. 7% ;也就是說, 當氘燈正常工作電流恒定為300mA 時, 若因某些原因, 電流波動3mA, 則氘燈發出的光通量就要波動6. 7%。這是一個很大、很驚人的波動數據。若用記錄儀記錄, 設記錄儀滿度為100 格, 則將以6. 7 格的幅度波動( 即6. 7%的波動) , 這樣就根本無法使用。由此可見, 氘燈恒流電源的穩定性多么重要。美國科學家Wenstead 的研究結果表明: 光譜儀器的不穩定, 90%以上是由電源引起的。

    中華人民共和國計量檢定規程對紫外可見分光光度計提出了電源波動對測試結果影響的指標。如1990 年9 月1 日開始實施的雙光束紫外可見分光光度計標準( 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 范圍內改變, 儀器100% 透射比的最大變化應小于0. 5%”。又如1997 年6 月1 日開始實施的單光束紫外可見分光光度計標準( JJG 375—96 ) 中, 提出“ 電源電壓的影響: 電源電壓( 220±22 ) V 變化時對儀器的影響應符合要求”。而該標準中對棱鏡式的單光束紫外可見分光光度計, 要求示值變化±0. 5% ; 該標準中對光柵式的單光束紫外可見分光光度計, 要求示值變化±0. 3% ( A 級) 和±0. 5% ( B 級) 。這種技術指標不太合適。因為外電電源就產生±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, 儀器的分析測試結果總誤差就會很大。不但藥物分析的誤差要求(很多藥品要求相對誤差在1% 以內) 達不到, 就連一般分析工作的最低要求也達不到。這種技術指標的儀器根本不能滿足使用要求。我們說這種技術指標不合適, 主要是因為它是一個電子學的技術指

標。對電源來講, 應該用電子學的指標( 電流調整率、紋波系數、漂移等)來描述。

    紫外可見分光光度計的光信號在紫外區一般為毫微流明( nlm) 級, 屬于微光測試范疇。為了保證紫外可見分光光度計儀器的穩定性, 一般高質量的優秀紫外可見分光光度計, 其氘燈恒流電源的電流調整率要求達到0. 05% , 紋波系數要求在0. 5%以內。作者曾研究過一種高性能的氘燈恒流電源(DLPS-3 型氘燈恒流電源) , 其電流調整率達到0. 0006%。表3-2 列出了幾種氘燈電源及其主要技術指標。

為了延長氘燈的壽命, 在點燃氘燈以前, 氘燈的燈絲一定要事先經過預熱, 預熱時間可以從10～30 s 均可, 使用者可以自選。如果氘燈不經過預熱而直接點亮, 氘燈的壽命肯定會縮短。

    一般國產氘燈的氘燈觸發電壓為200～400V, 最低170V 也能點亮; 一般進口氘燈的觸發電壓為350～650V。如果一開機, 氘燈不經過預熱, 氘燈的觸發電壓一下就直接加到陽極上, 就會嚴重縮短氘燈壽命。

    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講, 因為電流小, 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。

   為了延長氘燈的壽命, 還可將氘燈用在半功率點上, 即將氘燈恒流電源的工作電流調節到180mA 左右(150～200mA 范圍內) , 這樣可大大延長氘燈壽命, 有時可使氘燈的壽命延長好幾倍。使用者可以對氘燈恒流電源的穩定性作簡單的測試, 以便判斷氘燈電源的穩定性是否合格。最重要的是測試三個指標: 電流調整率、漂移和紋波系數。

    電流調整率的簡單測試方法為: 氘燈電源的輸入電壓通過一只0. 5 kV 的調壓變壓器, 點亮氘燈, 在氘燈電源的輸出端用分壓器取采樣電壓約取1. 8V左右( 直流信號電壓) , 用數字電壓表監控。氘燈電源預熱0. 5h 后, 調節調壓變壓器, 分別記錄198V、220V、242V 所對應的1. 8V 的變化( 即記錄交流供

電電壓220V 變化±10% 時, 所對應的輸出直流電壓的變化值)。

氘燈恒流電源的漂移的簡單測試方法為: 點亮氘燈, 氘燈電源預熱0. 5h后, 在電流調整率測試的條件下, 固定輸入電壓為220V, 記錄1. 8V 在1h 內的變化值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的簡單測試方法為: 在氘燈電源的假負載或點亮

的氘燈上, 用交流毫伏表或示波器直接測量。

    氘燈恒流電源的紋波系數的簡單測試方法有兩種:

    ① 點亮氘燈, 預熱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極之間測試。如作者在研制DLSP-3 型氘燈恒流電源時, 曾采用這種方法測得紋波電壓15mV, 測得氘燈兩端的直流工作電壓為69. 11V; 由此計算出紋波系數SR = 15mV/ 69. 11V = 2. 17×10 - 4 。

    ② 點亮氘燈, 預熱0. 5h 后, 用示波器或交流真空毫伏表, 在采樣電阻上測得紋波電壓15mV, 測得采樣電阻上的直流工作電壓為1. 7675V; 由此計算出紋波系數SR = 3mV/ 1. 7675V = 1. 7×10 - 3 。

    上述兩種測試方法得到的測試結果差別較大, 其原因是第二種方法在采樣電阻上取樣, 波動較小, 故測得的紋波系數SR 小。一般來講, 第一種方法較接近實際, 比較可靠。但第一種方法要求氘燈質量較好才能反映真實情況, 否則誤差很大。一般要求氘燈電源的紋波系數在0. 5%以內。

( 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。一般紫外可見分光光度計鎢燈的額定工作電壓為12V, 額定工作電流為2～3A; 正常工作時的電壓一般為11～13V。有些紫外可見分光光度計的制造者誤認為電壓低可提高穩定性, 有時將鎢燈的工作電壓選為8～9V, 這是不對的。因為在這樣的工作電壓下, 一般來講, 鎢燈不能工作在最佳狀態。因沒有達到鎢燈工作電壓額定值的要求, 反而鎢燈不穩定。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分光光度計的關鍵部件之一, 直接影響儀器的可見光部分的穩定性, 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1% , 則鎢燈發出的光通量要波動3. 4% , 這也是一個很大的波動數。Wnstead 對光譜儀器電源波動對分析誤差影響的研究結果( 光譜儀器不穩定,90%以上是電源引起的) , 同樣適用于鎢燈作光源的紫外可見分光光度計。一般紫外可見分光光度計的鎢燈電源的原理圖如圖3-10 中的上半部分所示。

    為了保證紫外可見分光光度計儀器的穩定性, 一般要求高質量的紫外可見分光光度計的鎢燈恒壓電源的電壓整率達到0. 05% , 紋波系數要求在0. 5%以內。