便攜式發光二極管分光光度計的設計與測試

黃利強

(集美大學水產學院，福建 廈門 361021)

0 引言

紫外-可見分光光度計結構簡單、成本較低、操作簡便、穩定可靠，廣泛應用于分析科學的各個領域。采用分光光度法進行定量分析的前提是用單一波長的單色光去照射樣品，此時測得的吸光度才符合朗伯-比爾定律；若直接使用混合波長的光去照射樣品則會嚴重偏離朗伯-比爾定律，難以進行定量分析。為獲得單一波長的單色光，傳統的分光光度計常采用鎢/氘燈+棱鏡/光柵、鎢/氘燈+窄帶濾光片。這類儀器光譜帶寬狹窄，單色性高，測量精準；但結構復雜，體積龐大，光路調整繁瑣，制作成本高，抗振動性能差，不利于便攜使用。而當今社會的發展對分析測試工作提出了更高要求，如市場食品安全、環境突發事件、工農業生產在線檢測等諸多場合都需要適合現場使用的分光光度計，因此微型分光光度計的開發正日益引起研究者們的重視和研究[1-4]。而使用發光二極管(LED)為光源的微型分光光度計，體積可進一步縮小，更方便攜帶和現場檢測操作[5-7]。但用LED為光源時存在半峰寬較寬、單色性較差的缺點，要獲得較好的性能還需與濾光片/光柵等單色器配套使用，而這樣又增加了成本，不利于推廣和普及。

近年來，人們發現發光二極管不僅可以發射特定波長的光，而且也和光電二極管一樣具有光電效應，在與其特征發射波長相近的光的照射下能產生光電壓，且光電壓的大小在一定范圍內與照射光的強度成正比，因此可以用作光電檢測器[8-13]。李靈芝等[14]的研究發現：LED與光電二極管具有類似的半導體結構，有望作為高效靈敏的光電檢測器；在可見光范圍內，紅、綠、藍三種LED均存在受激吸收，且在各自的波長響應區內具有較高的量子效率。

和光電二極管、光電池、光敏電阻等常規光電檢測器相比，發光二極管在作為光電檢測器時具有一些獨特的優勢。普通光電池、光敏電阻、光電二極管對光的波長通常不具選擇性，一般對較寬波長范圍內的光均能高靈敏響應；而發光二極管對光的波長則具有較高選擇性，一般只響應其特征發射波長附近的光，而對其他波長的光響應度極低[14-15]。因此采用和光源發光二極管波長一致的發光二極管作為檢測器時，可以起到二次選擇波長的作用，不需使用棱鏡/光柵/濾光片等昂貴的光學器件就可以得到較理想的結果。此外，用發光二極管作為檢測器時，產生的光電壓更高，可以達到伏特級，因此不需使用放大電路，且電路簡單，工作穩定。并且隨著近年來國家大力推廣，發光LED的產量與日劇增，產品種類日益豐富，目前已覆蓋了紫外、可見、紅外波段內的眾多波長，成本遠低于專用的光電檢測器件，有利于推廣和普及分光光度計系統的應用。

基于以上發光二極管檢測器的原理，本文采用發光LED作為光源和檢測器，設計和組裝了一款簡單廉價的微型分光光度計系統，并以亞甲基藍為目標物對系統性能進行評測，以期開發一種低成本、易操作、便攜式的分光光度計，作為商用分光光度計的補充或替代，應用于測量成本有限、要求不高的快速測定場合。

1 材料與方法

1.1 微型分光光度計的工作原理和系統組成

本微型分光光度計系統主要由光源、檢測器、電路系統等部分組成，具體系統結構如圖1所示。本系統中：恒流源電路提供恒定電流給光源LED，產生特定波長的光照射比色皿；透射光照射檢測LED后產生光電壓，經過對數轉換、減法運算后，直接在數字電壓表上顯示吸光度數值。

本實驗系統測試波長為660 nm，實驗所用LED均購自深圳市春達鑫光電有限公司(λ=660 nm，半峰寬20 nm，燈珠直徑8.0 mm，額定功率1 W，工作電壓2.0～2.6 V，最大電流350 mA)。將一只LED作為發射光源(光源LED)，另一只作為光電檢測器(檢測LED)，比色皿座在相對的兩面各開有一個直徑3 mm的窗口，光源/檢測器LED分別固定在兩面的窗口上對準即可，不需額外的聚光或濾光器件。

系統的電路原理圖如圖2所示，主要包含穩壓集成電路TL431(U1)及雙運放集成電路LM358(U2)。U1和三極管Q1組成恒流源電路為光源LED(LED1)提供穩定的驅動電流，使光源LED發射出穩定的光照射樣品。檢測LED(LED2)接收樣品的透射光產生光電壓Vin，在一定范圍內，光電壓Vin的大小與透射光的強度It呈線性關系：Vin=K1It。總吸光度A總=-lgT=-lg(It/I0)=As+Ab，因此lgIt=lgI0-As-Ab。其中：As為樣品產生的吸光度；Ab為空白產生的吸光度；I0為入射光強度。

U2的第1個運放和三極管Q2構成對數轉換電路，將光電壓Vin進行對數轉換，轉換后的輸出電壓Vout1=K2lgVin=K2lg(K1It)=K2(lgK1+lgI0-As-Ab)，送入U2的第2個運放的同相輸入端，即V+=Vout1=K2(lgK1+lgI0-As-Ab)。當測試空白時，As=0，V+=K2(lgK1+lgI0-Ab)；系統調零時，放入空白，調節電阻器RP1使數字電壓表顯示0，即可使V-=V+=K2(lgK1+lgI0-Ab)。U2的第2個運放和電阻R3～R6組成減法運算電路,將總信號值與參比溶液信號值扣除，其輸出電壓Vout2=K3(V+-V-)=-K3K2As。經電阻器RP2調節適合的分壓比即可得到Vout3=K4K3K2As=As，即得到的電壓值Vout3=樣品吸光度值As，這表明可直接用數字電壓表顯示吸光度值。其中，K1～K4為各步驟的比例常數。

系統耗電較低，整機工作電流≤50 mA，可用電池供電；整機體積小巧，光路固定，易于戶外便攜使用。儀器的實物圖及外形參數如圖3和表1所示。

表1 外形參數一覽表

1.2 實驗步驟

本系統的操作步驟為：首先，接通電源，放入空白溶液作為對照(本實驗用蒸餾水)，調節電阻器RP1至數字電壓表顯示為0.000，即完成調零；接著，放入已知吸光度值的4 mg/L亞甲基藍標準溶液(其吸光度值由721分光光度計測得)，調節電阻器RP2至數字電壓表顯示4 mg/L亞甲基藍標準溶液吸光度值，即可完成斜率校正；最后，放入待測樣品，即可直接顯示樣品的吸光度數值,亦可用標準曲線法來進行精確測量。

本實驗選用最大吸收波長為660 nm的亞甲基藍水溶液作為測試樣品。對比實驗采用721分光光度計(上海舜宇恒平科學儀器有限公司)為測量儀器。實驗所用的比色皿光程均為10 mm。

2 結果與討論

2.1 系統性能測試

LED為電流驅動型器件，需用恒流源進行驅動。驅動電流的大小和穩定性直接影響光源LED發射光的強度和穩定性。為使光源LED能夠穩定工作，并使光源的光強度與后續系統相匹配，依次調整光源LED的驅動電流分別為5，10，15，20 mA，按1.2方法測試亞甲基藍標準溶液系列的吸光度，測試驅動電流對吸光度的影響，并與721分光光度計測得的吸光度值進行比較。結果如圖4所示，當光源LED驅動電流≤10 mA或≥20 mA時，系統測得的吸光度與721分光光度計測試結果偏離較大，且線性較差；當光源LED驅動電流=15 mA時，亞甲基藍在0.05～4 mg/L的質量濃度范圍內，系統測得的吸光度數值與721分光光度計最接近，斜率值最接近，線性也最好(R2=0.999 7)，靈敏度、線性范圍等已接近721分光光度計的性能。因此后續實驗光源LED的驅動電流均選用15 mA。

啟動系統后，以蒸餾水為空白對照，對2 mg/L亞甲基藍標準溶液的吸光度進行90 min 短期穩定性測試，繪制吸光度隨時間的變化圖。結果(見圖5)表明：儀器在90 min內讀數基本保持穩定，吸光度(A)平均值及波動值為0.441±0.003，略低于721分光光度計的穩定性指標每小時0.004A，但對一般的測量工作應可滿足要求。

2.2 選擇性實驗

使用本系統與721分光光度計分別對亞甲基藍、孔雀石綠和甲基紫3種不同最大吸收波長的樣品(質量濃度均為3 mg/L)進行了測試，測試結果如表2所示。實驗結果表明，本系統對λmax遠離系統測試波長(660 nm)的孔雀石綠或甲基紫的響應度很低，測得的吸光度均顯著低于兩者用721光度計在各自λmax處測得的吸光度，表明本系統可選擇性地檢測最大吸收波長接近660 nm的樣品，而對吸收波長遠離660 nm的樣品則響應度很低。根據表2的測試結果，依據吸光度的加和性原理可推算出，當亞甲基藍溶液中存在相同質量濃度的孔雀石綠時，本系統可產生0.04/0.628=6.4%的誤差，而甲基紫造成的誤差則僅為2.4%。 由于孔雀石綠的λmax(617 nm)較接近系統測試波長(660 nm)，在660 nm處仍有一定吸收，因此其造成的誤差較大；而甲基紫的λmax(558 nm)已較為遠離系統測試波長，因此甲基紫對本系統造成的誤差較小，接近其對721分光光度計造成的誤差(2.1%)。 因此本系統的LED光源-檢測器的組合確實對660 nm波長的光具有選擇性檢測能力，可較好地排除吸收波長遠離660 nm的有色雜質的干擾。系統的測試波長由系統使用的光源LED和檢測LED共同決定，選用不同波長的LED，即可選擇不同的測試波長，從而適用不同的樣品。

表2 不同最大吸收波長樣品測得的吸光度值(n=3)

2.3 樣品測量

為進一步驗證系統的準確度和精密度，以3組不同質量濃度的亞甲基藍樣品作為測試對象，用本微型分光光度計系統和721分光光度計對3組樣品分別進行 11 次重復測定其吸光度值，用標準曲線法測定樣品的質量濃度。

表3列出了721分光光度計與本系統對不同質量濃度亞甲基藍樣品的檢測結果。低質量濃度時，系統測得的吸光度雖與721分光光度計偏差較大，但最終的質量濃度值可用標準曲線法加以校正；而在中、高質量濃度時，系統測得的吸光度與721分光光度計偏差較小。因此在不同的質量濃度范圍內，兩種儀器所測得的質量濃度結果的相對偏差均小于±3.41%，表明本系統具有較好的測量準確度。

由表3還可知，本系統在測試3種不同質量濃度的亞甲基藍溶液時，其RSD均小于0.2%，表明系統的隨機誤差較小，具有較高的精密度。此外對空白溶液進行了11次測定，依據空白值標準偏差Sd的3倍除以斜率K，求得本系統對亞甲基藍的檢測限(3Sd/K)為0.02 mg/L。

表3 721分光光度計與微型分光光度計對亞甲基藍樣品檢測結果的比較(n=11)

3 結論

本文設計了一款以LED為光源及檢測器的便攜式微型分光光度計系統。通過對系統的測試，驗證了系統具有良好的線性度、準確度和精密度，且體積小、質量輕、結構簡單、操作簡便、成本低廉，可以作為商用分光光度計的補充，適合環境監測、工農業生產、家居生活等眾多場合的低成本快速現場檢測，也可用于實驗教學研究，對分光光度計系統的推廣和應用具有較好的現實意義。