一種雙操作模式的熒光分光光度計

A Double Beam Spectrofluorometer with Two Operating Modes

FANG Zhaolu, CHENG Lizhi

(Institute of Microwave, East China Normal University, Shanghai 20006 2, China)

　　Key words: spectrofluorometer; MCU; mode

1儀器的基本工作原理
　　物質(zhì)在吸收光之后發(fā)射出波長較長的熒光。當(dāng)光源輻射出的光束經(jīng)濾光片后照射到樣品池上，樣品中的熒光物質(zhì)吸收激發(fā)光后發(fā)生能量躍遷而發(fā)射熒光。熒光由大孔徑非球面鏡的聚光及光柵的分光色散后，照射于光電倍增管上，由光電倍增管將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，電信號經(jīng)放大和AD采樣后進(jìn)行相關(guān)的計算即可獲取物質(zhì)的熒光度。
　　所測得的熒光相對強度與熒光物質(zhì)的本質(zhì)(吸光能力、熒光效率)、熒光物質(zhì)的濃度、入射光強度以及檢測器的放大倍數(shù)有關(guān)，上述關(guān)系可用下式表示：
　　　F=KIΦA(chǔ)
　　式中：F——熒光相對強度；K——與儀器增益(檢測效率)有關(guān)的常數(shù)；I——激發(fā)光強度；Φ——熒光物質(zhì)的熒光效率；A——熒光物質(zhì)的吸收光度。
　　當(dāng)儀器的有關(guān)參數(shù)選定，且被測物質(zhì)和介質(zhì)條件確定后，所測定的熒光相對強度僅與熒光物質(zhì)的吸收光度A成正比，因而可進(jìn)行定性測試。對于不同的熒光物質(zhì)具有不同的熒光光譜，只要進(jìn)行發(fā)射光譜掃描，即可得到被測物質(zhì)的熒光光譜特性。?

　　本文所介紹的熒光分光光度計主要有以下幾部分組成：主機，上位機，測控單元，外圍控制單元，打印及顯示單元。整機的系統(tǒng)框圖如圖1所示。
　　(1)主機以8051單片機作為主控單元，完成串行口和外部中斷的響應(yīng)、對外圍器件的控制、AD采樣、顯示和打印以及對采樣數(shù)據(jù)的處理等。
　　(2)上位機是Pentium工作站，在CRT工作模式下通過RS232串行口向51單片機發(fā)送命令，51單片機接收命令后進(jìn)行相應(yīng)的操作并將結(jié)果返回給上位機，上位機對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后進(jìn)行顯示和打印。
　　(3)測控單元是本儀器的主要部分，完成待測物質(zhì)的熒光激發(fā)、光電轉(zhuǎn)換以及電信號的放大采樣。它主要由光源、干涉濾光片、樣品室、發(fā)射單色儀、光電倍增管、放大和AD采樣電路組成。光源采用150W大功率汞燈，激發(fā)能量強；干涉濾光片有254nm、313nm、405nm、436nm和546nm等幾個波長可供選擇，對光源發(fā)射的光譜進(jìn)行初次濾波，只讓某一波長的光通過；樣品室用來放置被測物質(zhì)：發(fā)射單色儀采用1200L/mm凹面光柵和大孔鏡球面反射鏡，靈敏度特別高，用來對物質(zhì)受光照后發(fā)射的熒光分光；光電檢測器采用高性能的光電倍增管，可獲得最佳信號噪聲比；光電倍增管輸出的電信號經(jīng)過兩級運放LF353放大后送到12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574進(jìn)行采樣，達(dá)到較高的精度。測控單元框圖如圖2所示。

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　　(5)打印和顯示單元包括Panasonic KX?P1121針式打印機、10個用于顯示數(shù)據(jù)的LED和10個用于標(biāo)識當(dāng)前狀態(tài)的發(fā)光二極管。?

　　本儀器的軟件主要包括上位機軟件和5l單片機軟件兩部分。其中上位機軟件是在Visual Basic 6.0環(huán)境下，利用其MSCOMM控件，實現(xiàn)與單片機之間的RS232串口通信、數(shù)據(jù)處理、圖形顯示以及打印機控制等，本文對此不作詳細(xì)介紹。51單片機軟件是軟件設(shè)計的主要任務(wù)，主要實現(xiàn)串行口和外部鍵盤中斷的響應(yīng)、對外圍器件的控制、AD采樣、對采樣數(shù)據(jù)的處理、顯示和打印等。單片機軟件在KEIL uVision2環(huán)境下用C51語言設(shè)計實現(xiàn)。為了區(qū)別不同的操作模式和外部鍵盤命令，在軟件中設(shè)置于一些標(biāo)識位。在主程序里根據(jù)不同的鍵盤編碼設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志位并進(jìn)行相關(guān)的操作。
　　整個軟件由中斷服務(wù)子程序和系統(tǒng)主程序組成。中斷服務(wù)子程序包括串行口中斷服務(wù)子程序和外部中斷0服務(wù)子程序，其中串行口中斷服務(wù)子程序?qū)⒆x到的命令存入串行口命令緩沖區(qū)，外部中斷0服務(wù)子程序完成對鍵盤編碼的掃描。系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示，主要包括開機自檢、系統(tǒng)初始化、CRT模式對串口中斷命令的響應(yīng)以及MC模式下對外部鍵盤中斷命令的響應(yīng)等。
　　(1)開機自檢包括轉(zhuǎn)動步進(jìn)電機計算起始波長到終止波長之間的步數(shù)，算出1nm對應(yīng)的電機步數(shù)，并對儀器的性能進(jìn)行檢查，判斷故障原因并進(jìn)行報錯。需要判斷的器件包括外部RAM、控制光柵變化的步進(jìn)電機、控制光門的繼電器、用來定位的光電耦合器、AD574等。如果有故障出現(xiàn)，通過LED顯示錯誤序號進(jìn)行報錯。
　　(2)自檢通過后系統(tǒng)將進(jìn)行初始化，包括系統(tǒng)變量和各標(biāo)識位的初始化、光電倍增管靈敏度的初始設(shè)置、定時器和串口波特率的設(shè)定、打開外部中斷并將工作狀態(tài)設(shè)置為默認(rèn)的工作模式：MC模式。
　　(3)系統(tǒng)初始化完成后軟件循環(huán)判斷操作模式的標(biāo)志位，若為CRT模式則讀取串行口命令緩沖區(qū)里面的指令，并進(jìn)行相應(yīng)的操作，最后將操作結(jié)果發(fā)送給上位機；若為MC模式，則讀取鍵盤編碼，并根據(jù)標(biāo)識位判斷鍵盤命令進(jìn)行相應(yīng)的操作。

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　　儀器上電后將首先進(jìn)行自檢，如果有故障則需根據(jù)故障序號進(jìn)行排除，故障排除后重新上電自檢。自檢通過后進(jìn)入默認(rèn)的MC模式，如果想進(jìn)入CRT模式，則按鍵盤上的模式鍵即可。在CRT模式下用戶可通過工控機上已安裝好的軟件進(jìn)行測量，觀察測量結(jié)果并可保存結(jié)果或?qū)⒔Y(jié)果打印輸出。該軟件界面友好，簡單易學(xué)，測量結(jié)果直觀。在CRT模式下按模式鍵將回到MC模式。在MC模式下，用戶通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令控制機器進(jìn)行相應(yīng)的操作，測量結(jié)果通過LED顯示并可進(jìn)行打印輸出。在實際使用中，用戶可根據(jù)需求選擇不同的模式并可方便的在不同的模式之間進(jìn)行切換。
　　這種可工作于雙操作模式的熒光分光光度計可用于多種領(lǐng)域，具有良好的市場前景。