紫外可见分光光度计电光源系统

 紫外可见分光光度计的电光源系统, 直接影响仪器的可靠性和使用效果,使用者必须对此引起高度重视。紫外可见分光光度计的电光源系统包括光源和电源两大部分, 下面简单介绍。

一、光源( 灯泡)

   紫外可见分光光度计的光源一般为氘灯和卤钨灯两种。

( 一) 氘灯

    氘灯是供紫外可见分光光度计的紫外波段使用的光源, 它发出的光的波长范围一般为190 ～ 400nm, 它是连续光谱带。氘灯的使用波长范围一般为190～360 nm 左右。氘灯在486. 0 nm、583. 0nm、656. 1nm 等三处各有一根特征谱线, 经常被研究人员或光谱仪器研制者、生产者用来作为标定仪器的理论波长值( 656. 1nm、486. 0nm 使用最多; 583. 0nm 使用很少, 因为它不够尖锐, 同时还伴有小峰)。

氘灯按插脚来分有两种: 一种是有三只插脚( 又称插脚式) 的氘灯; 另一种是带有三根插脚引线的氘灯。带有三只插脚的氘灯, 一般都注有阴极和阳极标志, 以便用户使用时辨认。目前国外生产的氘灯, 基本上都是属于带有三只插脚形式的氘灯。如日本浜松、美国RCA、英国的Cathodeon 等公司的产品都是如此。三只插脚引线的氘灯中, 有两只引脚线为阴极( 一般为黑色) , 一只引脚线为阳极( 一般为红色)。我国生产的氘灯中, 绝大多数为带有三根插脚引线模式的氘灯。如上海电光器件厂、宜征电子管厂等生产的氘灯就是如此。插脚式氘灯的最大优点是发光点的高度固定不变, 调换新氘灯时不需要调节氘灯发光孔的高度。而带有三根插脚引线的氘灯, 调换新氘灯时, 一定要调节发光孔的高度, 对使用者来讲很不方便。

    氘灯在紫外可见分光光度计仪器中工作时, 它的外壳周围的温度达到

400℃以上, 因此, 不能用手直接触摸, 以免烫伤。尤其是氘灯正前方的通光孔部分( 一般通光孔径为1mm) , 即使是氘灯不在工作状态( 未点亮) , 也绝对不能用手触摸。否则, 如果人手上的油污沾污了氘灯外壳与发光孔对应的部分, 在氘灯点亮后, 油迹将永久烧结在氘灯的表面, 将严重影响氘灯的发光强度, 影响氘灯的使用寿命。

    氘灯为易耗件, 一般使用寿命为: 国产氘灯500 ～ 800h; 进口氘灯为1000 h (少数长寿命灯可达2000h ) ; 一般情况下, 氘灯发光孔处发黑, 就应考虑氘灯的寿命是否到期。但氘灯的使用寿命与氘灯电源设计有关( 后面将详细讨论) ; 一般来讲, 电源设计得好的话, 国产氘灯的寿命也不止500～ 800h ,

有的寿命可达2000h 以上。如作者在使用国产氘灯时, 采用自己设计的优质恒流电源, 可将国产氘灯( 如上海电光器件厂生产的DD2. 5 型氘灯) 的寿命延长到2000h 以上。

    目前国外生产氘灯的主要厂商有日本的浜松( Hamamatsu ) 公司、英国的Ca thodeon 公司和美国的RCA 公司等。他们生产的氘灯, 一般都是带插座的。国内生产氘灯的主要厂商有: 上海电光器件厂、江苏宜征的宜征电子管厂、北京的电真空器件厂等。国产的氘灯一般不带插座, 大多都是有带三根插脚引线。国内外的氘灯产品型号各异, 且在质量上有一定差距; 根据作者的实践, 差距主要表现在寿命和稳定性上。但在价格上相差较大, 有的相差10 倍以上。如一般的国产氘灯, 大约200 多元人民币一只。而同类( 指光学、电学性能) 的进口氘灯, 如日本浜松( Hamamatsu ) 的产品则约需1800～3800 元人民币一只。

    氘灯的使用寿命与供电电源的关系很大, 如果氘灯的电源设计合理( 如直流工作电压、灯丝预热电压和电流、灯丝预热时间等) , 将大大有助于提高使用寿命。

    氘灯使用寿命的测试方法一般采用比较法。具体操作是: 采用一只新的优质( 相对而言) 氘灯, 先在紫外可见分光光度计的主机上或在自己制作的测试装置上测试一个真实的数据, 而后用待测试的氘灯调换新氘灯, 再测试一次,据二者的能量差值来判断被测氘灯的寿命是否到期。我国国家标准规定, 如果把新的优质( 相对而言) 氘灯的测试数据作为100 , 那么被测试的氘灯的能量不足新灯的45% , 则认为被测试的灯寿命到期。

    氘灯的发光稳定性, 也是既与氘灯电源有关, 又与氘灯灯泡本身的质量有关。使用者在调换新氘灯前, 应对新氘灯灯泡的稳定性作一次简单的测试。一般的简易测试方法是在紫外可见分光光度计的主机上( 应先确定主机是合格的) , 或在自己制作的测试装置上, 点亮需要换上的新氘灯, 仪器预热0. 5h 后测量。仪器条件为: 波长250nm, 光谱带宽2nm, 取能量测量、时间扫描方式, 纵坐标能量取50%左右, 对新氘灯作一次1 h 的漂移测试, 要求漂移小于0. 5%/ h , 如果新灯在1h 内的漂移超过0. 5% , 则为不合格。

( 二) 钨灯( 卤钨灯)

    钨灯是供紫外可见分光光度计的可见区使用的光源。其发出光的波长范围为330nm 到近红外, 它也为连续光谱。

钨灯( 卤钨灯) 有两只插脚, 不分正负, 可以互换。钨灯也是易损件, 到使用寿命时, 就要调换新灯。因此, 钨灯的灯丝高度非常重要。目前, 国产的钨灯中, 大多数在调换新灯时, 要调节灯丝的高度, 比较麻烦。但有些国外生产的钨灯, 调换新灯时不必调节灯丝高度, 很方便。和氘灯一样, 由于钨灯工作时其周围的温度也高达数百度, 因此, 不能用手触及钨灯表面, 以免烫伤和缩短钨灯的使用寿命。同样, 不能用手触摸钨灯的发光面, 以免沾污钨灯的发光面, 影响钨灯的发光强度。卤钨灯是在一般的钨灯中充有卤素元素, 主要是为了增强短波部分的强度。一般的钨灯寿命可达10000h 以上(但必须正确使用, 保证电源供电电压等都能符合钨灯规定的要求, 如工作电压应为12V±1. 2V 等)。

二、电源

    紫外可见分光光度计的光源电源, 一般分为氘灯恒流电源和钨灯恒压电源两种, 下面分别讨论。

( 一) 氘灯恒流电源

    氘灯恒流电源的输出电流一般为100～500mA。而氘灯工作时, 其工作电流一般恒定为300mA, 所以称为氘灯恒流电源。氘灯恒流电源是紫外可见分光光度计的关键部件之一, 它直接影响紫外可见分光光度计的稳定性。

   众所周知, 当氘灯电源的电流波动1% 它发出的光通量就要波动6. 7% ;也就是说, 当氘灯正常工作电流恒定为300mA 时, 若因某些原因, 电流波动3mA, 则氘灯发出的光通量就要波动6. 7%。这是一个很大、很惊人的波动数据。若用记录仪记录, 设记录仪满度为100 格, 则将以6. 7 格的幅度波动( 即6. 7%的波动) , 这样就根本无法使用。由此可见, 氘灯恒流电源的稳定性多么重要。美国科学家Wenstead 的研究结果表明: 光谱仪器的不稳定, 90%以上是由电源引起的。

    中华人民共和国计量检定规程对紫外可见分光光度计提出了电源波动对测试结果影响的指标。如1990 年9 月1 日开始实施的双光束紫外可见分光光度计标准( JJG 682—90 ) 中, 提出“ 电源电压变化的影响: 外电电源电压在( 220± 22 ) V 范围内改变, 仪器100% 透射比的最大变化应小于0. 5%”。又如1997 年6 月1 日开始实施的单光束紫外可见分光光度计标准( JJG 375—96 ) 中, 提出“ 电源电压的影响: 电源电压( 220±22 ) V 变化时对仪器的影响应符合要求”。而该标准中对棱镜式的单光束紫外可见分光光度计, 要求示值变化±0. 5% ; 该标准中对光栅式的单光束紫外可见分光光度计, 要求示值变化±0. 3% ( A 级) 和±0. 5% ( B 级) 。这种技术指标不太合适。因为外电电源就产生±0. 5% 的分析误差, 如果再加杂散光、噪声、光谱带宽、试样处理等操作误差, 仪器的分析测试结果总误差就会很大。不但药物分析的误差要求(很多药品要求相对误差在1% 以内) 达不到, 就连一般分析工作的最低要求也达不到。这种技术指标的仪器根本不能满足使用要求。我们说这种技术指标不合适, 主要是因为它是一个电子学的技术指

标。对电源来讲, 应该用电子学的指标( 电流调整率、纹波系数、漂移等)来描述。

    紫外可见分光光度计的光信号在紫外区一般为毫微流明( nlm) 级, 属于微光测试范畴。为了保证紫外可见分光光度计仪器的稳定性, 一般高质量的优秀紫外可见分光光度计, 其氘灯恒流电源的电流调整率要求达到0. 05% , 纹波系数要求在0. 5%以内。作者曾研究过一种高性能的氘灯恒流电源(DLPS-3 型氘灯恒流电源) , 其电流调整率达到0. 0006%。表3-2 列出了几种氘灯电源及其主要技术指标。

为了延长氘灯的寿命, 在点燃氘灯以前, 氘灯的灯丝一定要事先经过预热, 预热时间可以从10～30 s 均可, 使用者可以自选。如果氘灯不经过预热而直接点亮, 氘灯的寿命肯定会缩短。

    一般国产氘灯的氘灯触发电压为200～400V, 最低170V 也能点亮; 一般进口氘灯的触发电压为350～650V。如果一开机, 氘灯不经过预热, 氘灯的触发电压一下就直接加到阳极上, 就会严重缩短氘灯寿命。

    氘灯电源向氘灯提供的灯丝电压和灯丝电流, 一定要与氘灯灯泡的要求相一致。目前国际上一般都是两种类型: 一种是2. 5V, 4A; 另一种是10V,0. 8A。从氘灯电源的制作来讲, 因为电流小, 10V、0. 8A 比较好制作; 而2. 5V、4A 的灯丝供电, 因电流很大, 氘灯的电源比较难制作。

   为了延长氘灯的寿命, 还可将氘灯用在半功率点上, 即将氘灯恒流电源的工作电流调节到180mA 左右(150～200mA 范围内) , 这样可大大延长氘灯寿命, 有时可使氘灯的寿命延长好几倍。使用者可以对氘灯恒流电源的稳定性作简单的测试, 以便判断氘灯电源的稳定性是否合格。最重要的是测试三个指标: 电流调整率、漂移和纹波系数。

    电流调整率的简单测试方法为: 氘灯电源的输入电压通过一只0. 5 kV 的调压变压器, 点亮氘灯, 在氘灯电源的输出端用分压器取采样电压约取1. 8V左右( 直流信号电压) , 用数字电压表监控。氘灯电源预热0. 5h 后, 调节调压变压器, 分别记录198V、220V、242V 所对应的1. 8V 的变化( 即记录交流供

电电压220V 变化±10% 时, 所对应的输出直流电压的变化值)。

氘灯恒流电源的漂移的简单测试方法为: 点亮氘灯, 氘灯电源预热0. 5h后, 在电流调整率测试的条件下, 固定输入电压为220V, 记录1. 8V 在1h 内的变化值ΔV0 , 即是氘灯电源的漂移。一般氘灯电源的漂移为1×10 - 3 ～5×10 - 4 。氘灯恒流电源的纹波系数的简单测试方法为: 在氘灯电源的假负载或点亮

的氘灯上, 用交流毫伏表或示波器直接测量。

    氘灯恒流电源的纹波系数的简单测试方法有两种:

    ① 点亮氘灯, 预热0. 5h 后, 用示波器或交流真空毫伏表, 直接在氘灯的阴极和阳极之间测试。如作者在研制DLSP-3 型氘灯恒流电源时, 曾采用这种方法测得纹波电压15mV, 测得氘灯两端的直流工作电压为69. 11V; 由此计算出纹波系数SR = 15mV/ 69. 11V = 2. 17×10 - 4 。

    ② 点亮氘灯, 预热0. 5h 后, 用示波器或交流真空毫伏表, 在采样电阻上测得纹波电压15mV, 测得采样电阻上的直流工作电压为1. 7675V; 由此计算出纹波系数SR = 3mV/ 1. 7675V = 1. 7×10 - 3 。

    上述两种测试方法得到的测试结果差别较大, 其原因是第二种方法在采样电阻上取样, 波动较小, 故测得的纹波系数SR 小。一般来讲, 第一种方法较接近实际, 比较可靠。但第一种方法要求氘灯质量较好才能反映真实情况, 否则误差很大。一般要求氘灯电源的纹波系数在0. 5%以内。

( 二) 钨灯电源

    钨灯电源一般为恒压源。其电压输出一般为8～ 15V; 输出电流2～3A。一般紫外可见分光光度计钨灯的额定工作电压为12V, 额定工作电流为2～3A; 正常工作时的电压一般为11～13V。有些紫外可见分光光度计的制造者误认为电压低可提高稳定性, 有时将钨灯的工作电压选为8～9V, 这是不对的。因为在这样的工作电压下, 一般来讲, 钨灯不能工作在最佳状态。因没有达到钨灯工作电压额定值的要求, 反而钨灯不稳定。一般额定值为12V 的钨灯, 其工作电压为11～12V 较好。

    钨灯电源也是紫外可见分光光度计的关键部件之一, 直接影响仪器的可见光部分的稳定性, 直接影响使用者的使用效果。众所周知, 若钨灯恒压电源的电压波动1% , 则钨灯发出的光通量要波动3. 4% , 这也是一个很大的波动数。Wnstead 对光谱仪器电源波动对分析误差影响的研究结果( 光谱仪器不稳定,90%以上是电源引起的) , 同样适用于钨灯作光源的紫外可见分光光度计。一般紫外可见分光光度计的钨灯电源的原理图如图3-10 中的上半部分所示。

    为了保证紫外可见分光光度计仪器的稳定性, 一般要求高质量的紫外可见分光光度计的钨灯恒压电源的电压整率达到0. 05% , 纹波系数要求在0. 5%以内。