一種雙操作模式的熒光分光光度計(jì)
介紹一種可工作于MC和CRT雙操作模式的熒光分光光度計(jì),給出了其工作原理和MC模式下的軟硬件實(shí)現(xiàn)方案。該儀器可方便的在兩種操作模式之間切換。
關(guān)鍵詞:熒光分光光度計(jì);單片機(jī);模式?
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(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),電信號(hào)經(jīng)放大和AD采樣后進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算即可獲取物質(zhì)的熒光度。
所測(cè)得的熒光相對(duì)強(qiáng)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(qiáng)度以及檢測(cè)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(duì)強(qiáng)度;K——與儀器增益(檢測(cè)效率)有關(guān)的常數(shù);I——激發(fā)光強(qiáng)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(cè)物質(zhì)和介質(zhì)條件確定后,所測(cè)定的熒光相對(duì)強(qiáng)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(cè)試。對(duì)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(cè)物質(zhì)的熒光光譜特性。?
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(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),電信號(hào)經(jīng)放大和AD采樣后進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算即可獲取物質(zhì)的熒光度。
所測(cè)得的熒光相對(duì)強(qiáng)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(qiáng)度以及檢測(cè)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(duì)強(qiáng)度;K——與儀器增益(檢測(cè)效率)有關(guān)的常數(shù);I——激發(fā)光強(qiáng)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(cè)物質(zhì)和介質(zhì)條件確定后,所測(cè)定的熒光相對(duì)強(qiáng)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(cè)試。對(duì)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(cè)物質(zhì)的熒光光譜特性。?
本文所介紹的熒光分光光度計(jì)主要有以下幾部分組成:主機(jī),上位機(jī),測(cè)控單元,外圍控制單元,打印及顯示單元。整機(jī)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。
(1)主機(jī)以8051單片機(jī)作為主控單元,完成串行口和外部中斷的響應(yīng)、對(duì)外圍器件的控制、AD采樣、顯示和打印以及對(duì)采樣數(shù)據(jù)的處理等。
(2)上位機(jī)是Pentium工作站,在CRT工作模式下通過RS232串行口向51單片機(jī)發(fā)送命令,51單片機(jī)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(jī),上位機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后進(jìn)行顯示和打印。
(3)測(cè)控單元是本儀器的主要部分,完成待測(cè)物質(zhì)的熒光激發(fā)、光電轉(zhuǎn)換以及電信號(hào)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(qiáng);干涉濾光片有254nm、313nm、405nm、436nm和546nm等幾個(gè)波長可供選擇,對(duì)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(cè)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(duì)物質(zhì)受光照后發(fā)射的熒光分光;光電檢測(cè)器采用高性能的光電倍增管,可獲得最佳信號(hào)噪聲比;光電倍增管輸出的電信號(hào)經(jīng)過兩級(jí)運(yùn)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(cè)控單元框圖如圖2所示。
(1)主機(jī)以8051單片機(jī)作為主控單元,完成串行口和外部中斷的響應(yīng)、對(duì)外圍器件的控制、AD采樣、顯示和打印以及對(duì)采樣數(shù)據(jù)的處理等。
(2)上位機(jī)是Pentium工作站,在CRT工作模式下通過RS232串行口向51單片機(jī)發(fā)送命令,51單片機(jī)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(jī),上位機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后進(jìn)行顯示和打印。
(3)測(cè)控單元是本儀器的主要部分,完成待測(cè)物質(zhì)的熒光激發(fā)、光電轉(zhuǎn)換以及電信號(hào)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(qiáng);干涉濾光片有254nm、313nm、405nm、436nm和546nm等幾個(gè)波長可供選擇,對(duì)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(cè)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(duì)物質(zhì)受光照后發(fā)射的熒光分光;光電檢測(cè)器采用高性能的光電倍增管,可獲得最佳信號(hào)噪聲比;光電倍增管輸出的電信號(hào)經(jīng)過兩級(jí)運(yùn)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(cè)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(jī)、10個(gè)用于顯示數(shù)據(jù)的LED和10個(gè)用于標(biāo)識(shí)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(jī)軟件和5l單片機(jī)軟件兩部分。其中上位機(jī)軟件是在Visual Basic 6.0環(huán)境下,利用其MSCOMM控件,實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)之間的RS232串口通信、數(shù)據(jù)處理、圖形顯示以及打印機(jī)控制等,本文對(duì)此不作詳細(xì)介紹。51單片機(jī)軟件是軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù),主要實(shí)現(xiàn)串行口和外部鍵盤中斷的響應(yīng)、對(duì)外圍器件的控制、AD采樣、對(duì)采樣數(shù)據(jù)的處理、顯示和打印等。單片機(jī)軟件在KEIL uVision2環(huán)境下用C51語言設(shè)計(jì)實(shí)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(shí)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(gè)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(duì)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(jī)自檢、系統(tǒng)初始化、CRT模式對(duì)串口中斷命令的響應(yīng)以及MC模式下對(duì)外部鍵盤中斷命令的響應(yīng)等。
(1)開機(jī)自檢包括轉(zhuǎn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)計(jì)算起始波長到終止波長之間的步數(shù),算出1nm對(duì)應(yīng)的電機(jī)步數(shù),并對(duì)儀器的性能進(jìn)行檢查,判斷故障原因并進(jìn)行報(bào)錯(cuò)。需要判斷的器件包括外部RAM、控制光柵變化的步進(jìn)電機(jī)、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(cuò)誤序號(hào)進(jìn)行報(bào)錯(cuò)。
(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(shí)位的初始化、光電倍增管靈敏度的初始設(shè)置、定時(shí)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(jī);若為MC模式,則讀取鍵盤編碼,并根據(jù)標(biāo)識(shí)位判斷鍵盤命令進(jìn)行相應(yīng)的操作。
整個(gè)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(duì)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(jī)自檢、系統(tǒng)初始化、CRT模式對(duì)串口中斷命令的響應(yīng)以及MC模式下對(duì)外部鍵盤中斷命令的響應(yīng)等。
(1)開機(jī)自檢包括轉(zhuǎn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)計(jì)算起始波長到終止波長之間的步數(shù),算出1nm對(duì)應(yīng)的電機(jī)步數(shù),并對(duì)儀器的性能進(jìn)行檢查,判斷故障原因并進(jìn)行報(bào)錯(cuò)。需要判斷的器件包括外部RAM、控制光柵變化的步進(jìn)電機(jī)、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(cuò)誤序號(hào)進(jìn)行報(bào)錯(cuò)。
(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(shí)位的初始化、光電倍增管靈敏度的初始設(shè)置、定時(shí)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(jī);若為MC模式,則讀取鍵盤編碼,并根據(jù)標(biāo)識(shí)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(hào)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(jī)上已安裝好的軟件進(jìn)行測(cè)量,觀察測(cè)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(jiǎn)單易學(xué),測(cè)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(jī)器進(jìn)行相應(yīng)的操作,測(cè)量結(jié)果通過LED顯示并可進(jìn)行打印輸出。在實(shí)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(jì)可用于多種領(lǐng)域,具有良好的市場(chǎng)前景。
這種可工作于雙操作模式的熒光分光光度計(jì)可用于多種領(lǐng)域,具有良好的市場(chǎng)前景。
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