专利名称：实时动态测试吸收光谱的方法
技术领域：
本发明属于紫外可见吸收光谱学仪器领域。通过对吸收光谱进行动态化测试设计，以获得所研究体系的实时动态吸收光谱曲线，进而可以通过该实时动态吸收光谱曲线来研究动态进行的化学、材料和生物体系。
背景技术：
吸收光谱是由于组成物质的分子吸收辐射能后引起的能级变化和跃迁所致。而紫外可见吸收光谱主要是由价电子跃迁所致，其具有超灵敏的特点。由于许多分子都可以产生紫外可见吸收光谱，且不同的物质分子和相同的物质分子在不同的相互作用状态下都会产生不同的紫外可见吸收光谱，因而紫外可见吸收光谱已经成为实验室和工业上常用的定性、定量和结构分析的仪器。但一般的紫外可见吸收光谱只能对处于平衡态的体系进行研 究，而实际发生的化学过程，材料的聚集过程和生物体系中的生命过程都不是处于平衡态而是动态进行的，因此，这就需要动态的紫外可见吸收光谱仪。目前已经商业化的动态吸收光谱仪是所谓的瞬态吸收光谱仪。瞬态吸收光谱仪的光源采用激光脉冲光源，通过脉冲单色光对样品进行辐射，并且测试其透射光，从而获得吸收光谱。尽管目前的激光技术已经可以实现飞秒级的激光脉冲，因而可以实现飞秒级的瞬态光谱。但从研究实时动态进行的化学、材料和生物体系而言，基于瞬态激光光源的仪器存在以下问题
O相对普通连续光源，激光脉冲光源是很昂贵的，因而所得的瞬态吸收光谱仪比现行的普通紫外可见吸收光谱仪昂贵很多，难以推广作为常态仪器；
2)普通的吸收光谱是测试所研究体系的一个较宽的连续光谱吸收带(通常的紫外可见吸收光谱仪的光谱范围为200 800 nm左右)。而瞬态吸收光谱仪的脉冲光源如果要实现连续光谱，则所得仪器将极为昂贵，一般的实验室难以承受。为降低成本，激光脉冲通常都只采用几个固定的波长。因此，现行的瞬态吸收光谱仪要么价格昂贵难以承受，要么难以实现连续波谱，这使得其难以广泛的研究动态进行的化学、材料和生物过程。动态体系的科学研究和实际应用需要一种既价格便宜，又能实现连续波谱的吸收光谱仪，本发明的基于连续光源和数据采集卡的动态紫外可见吸收光谱仪则满足了这一需求。

发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种实时动态测试吸收光谱的方法，通过这种仪器可以直接对具有实际和科学意义的实时动态的化学、材料和生物过程进行测试。技术方案本发明的实时动态测试吸收光谱的方法具体如下
由光源发出的光经过单色系统后，成为单色光，然后通过光信号输入输入到样品室中，对所研究体系进行照射，透射光通过光信号输出输出后，经过光电转换器，光信号被转换为电信号，然后电信号通过电信号输出输出到数据采集卡；为了样品室测试的需要，还设有温度和压力控制系统和环境控制系统对样品室进行控制，整个仪器系统由计算机数据处理进行控制和数据处理；
在光源存在的情况下，单色光是一直入射样品，同时也是一直从样品透射的，本仪器设计上采用电荷耦合元件将光信号转换为电信号，然后用高速数据采集卡进行高速实时动态数据采集，从而实现动态化吸收光谱的测试。所述的光源采用连续光源，连续光源采用氢灯、氘灯、钨灯、氙灯、汞灯或发光二极管灯。所述的光电转换器采用电荷耦合元件来实现将光学信号直接转换为模拟电流信号，然后该模拟电流信号被传输到数据采集卡。 本发明实现动态测试的原理是依据数据采集卡的采集速率的，目前的电子工业已经可以方便的提供各个采样速率的数据采集卡，其采用速率可以从低频至IO9 Hz，即本发明的动态紫外可见光谱的测试速率可以根据需要在每秒数千次、数万次、IO6UO9范围内变化。且因为数据采集卡的数据采集速率在不超过最大采集速率的情况下可以设定的，这就意味着动态测试光谱的速率也是可以设定的，这会在具体的化学、材料和生物动态体系的研究和生产中带来极大的方便。有益效果本发明的动态吸收光谱仪采用普通的吸收光谱光源和单色系统，在透射光后增加电荷耦合元件CCD将光信号转换为电信号，然后用高速数据采集卡进行高速实时动态数据采集，从而实现动态化吸收光谱的测试。CCD已经是广泛使用的光学元件，价格通常在数千元左右，高速数据采集卡是常用的电信号硬件设备，其价格也仅在万元或者几万元左右。而现有的商业化高速数据采集卡的采集速率可以达到每秒IO9次，这样，本发明的动态吸收光谱仪可以实现每秒测试IO9次吸收光谱，这已经可以满足绝大部分的实时动态的测试要求。且同普通吸收光谱仪相比，价格只增加几万元，就算是配备较好的数据采集卡，价格也只增加约十万元。而且，一旦实现量产推广，在批量采购下，价格会更加便宜。因而，本发明的动态吸收光谱既可以实现纳秒级的瞬态连续吸收光谱测试，仪器价格也增加不多。而目前采用激光瞬态光源的全波长瞬态吸收光谱仪，价格多在200万左右。因此，本发明的仪器在性能上能满足大部分的动态测试要求，而在价格上也增加不多。


图I是本发明仪器的整体结构示意图。图中有光源I、单色系统2、单色光3、光信号输入4、样品室5、光信号输出6、光电转换器7、电信号输出8、数据米集卡9、温度和压力控制系统10、其它环境控制系统11、计算机数据处理12。
具体实施例方式为了更好地理解本发明的内容，通过以下具体的实施例来进一步说明本发明的技术方案，但该实施例并不限制本发明。光源可以采用一般的紫外可见吸收的连续光源，包括氢灯、氘灯、钨灯、氙灯、汞灯和发光二极管LED灯等。光源通过分光系统而成为单色光，然后定位的入射到研究体系中，最后到电荷耦合元件CCD上，通过CCD而将光信号转化为电信号。然后电信号由数据采集卡进行采集。由于紫外可见光的频率远远高于数据采集卡的采样频率，因而采集速率由数据采集卡决定。在光源存在的情况下，单色光是一直入射样品，同时也是一直从样品透射的，本发明在整体设计上采用光电转换器将光信号转换为电信号，然后用高速数据采集卡进行高速数据采集，从而实现动态化测试。光源采用常用的钨灯作为连续光源1，单色器2采用光栅，通过光栅后，光源被分为单色光波3，然后入射到样品室里。在样品室5中，由于研究体系的物质结构特点，将对入射的单色光进行选择性吸收。由光栅所分光所得到的单色光是可以通过计算而定位的，仪器中可以选择300 800 nm的光谱范围,这样,就可以得到300 800 nm范围内的单色光，且每一波长的单色光入射的方向是确定的。光电转化器7采用CCD，CCD的本质是由很多个单个光电转换器组成，每个光电转化器为一个像素点。由于每一个波长的入射光的方向是确定的，这样，当透射光6到达光电转换器CCD时，每一个波长的透射光的方位也是确定地照射到CXD上的某个或某几个像素点上。这样，仪器就实现了同时将单色光入射到光电转换器CCD上，而目前的CCD技术已经可以方便的对所需要波长范围的同时入射的单色光进行光电转换。并且同时输出模拟电信号8到数据采集卡9上。由数据采集卡对所获得的数据进行分析处理，整个系统由计算机控制12。
要实现动态吸收光谱测试，对于不断进行的动态过程，为了准确得到随时间t变化的吸收光谱，采用微元法原理进行数据测试，即在t时间范围内，可认为反应体系是静态的。由于紫外可见吸收光谱仪中的入射单色光的频率远远高于数据采集卡的频率，因此，整个数据采集的速率由数据采集卡的采集速率来决定。如果配备GHz的数据采集卡，则整个动态测试的速率为每秒IO9次，即可以实现在每秒的时间内测试吸收光谱IO9次。该速率虽然比不上目前的采用飞秒激光瞬态光源的商用瞬态吸收光谱仪的速率，但对于一般用途的材料、化学和生物动态体系来说已经足够了。而且如前所述，其价格上比激光瞬态吸收光谱仪要低至少一个数量级，所以该仪器很容易作为常态动态仪器而加以推广。
权利要求
1.一种实时动态测试吸收光谱的方法，其特征在于该方法具体如下 由光源(I)发出的光经过单色系统(2)后，成为单色光(3)，然后通过光信号输入(4)输入到样品室(5)中，对所研究体系进行照射，透射光通过光信号输出(6)输出后，经过光电转换器(7)，光信号被转换为电信号，然后电信号通过电信号输出(8)输出到数据采集卡(9);为了样品室(5)测试的需要，还设有温度和压力控制系统(10)和环境控制系统(11)对样品室(5)进行控制，整个仪器系统由计算机数据处理(12)进行控制和数据处理； 在光源存在的情况下，单色光是一直入射样品，同时也是一直从样品透射的，采用电荷耦合元件(CCD)将光信号转换为电信号，然后用高速数据采集卡进行高速实时动态数据采集，从而实现动态化吸收光谱的测试。
2.如权利要求I所述的实时动态测试吸收光谱的方法，其特征在于所述的光源(I)采用连续光源，连续光源采用氢灯、氘灯、钨灯、氙灯、汞灯或发光二极管灯。
3.如权利要求I所述的实时动态测试吸收光谱的方法，其特征在于所述的光电转换器(7)采用电荷耦合元件(CCD)来实现将光学信号直接转换为模拟电流信号，然后该模拟电流信号被传输到数据采集卡(9 )。
全文摘要
本发明是一种实时动态测试吸收光谱的方法，该方法具体如下由光源(1)发出的光经过单色系统(2)后，成为单色光(3)，然后通过光信号输入(4)输入到样品室(5)中，对所研究体系进行照射，透射光通过光信号输出(6)输出后，经过光电转换器(7)，光信号被转换为电信号，然后电信号通过电信号输出(8)输出到数据采集卡(9)；为了样品室(5)测试的需要，还设有温度和压力控制系统(10)和其它环境控制系统(11)对样品室(5)进行控制，整个仪器系统由计算机数据处理(12)进行控制和数据处理；本发明采用普通吸收光谱用的连续光源，通过高速数据采集卡来实现动态吸收光谱的测试，可广泛地适用于对紫外可见吸收光敏感的化学、材料和生物学体系中的动态测试过程。
文档编号G01N21/31GK102735628SQ201210206318
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月21日 优先权日2012年6月21日
发明者刘瑞兰, 唐超, 徐慧, 戎舟, 黄维 申请人:南京邮电大学