专利名称：一种便携式多功能分析仪及其测试方法
技术领域：
本发明涉及一种便携式多功能分析仪，更具体地说，涉及一种具有比色分光分析、 荧光分析和散射特性分析多重功能的便携式分析仪。
背景技术：
手持便携式比色分光分析仪和便携式式荧光分析仪已分别广泛应用于工业和环境现场中水的生物和化学参数的分析。使用者不需要将水样送到实验室，在取样时就能用手持便携式分析仪得到许多水中的生物和化学参数。例如，水中的铁，铜，铅，余氯的浓度。这些分析仪大多采用发光二极管和感光二极管作为光源和光强度测量元件，由于手持便携式分析仪尺寸大小和重量的限制，一般都只能容纳有限几个波长的发光二极管，这就限制了手持便携式分析仪的使用范围。在水处理现场使用便携式分析仪时，经常会遇到在加入试剂几分钟后，分析仪显示浓度超过检测范围而得不到任何读数，使用者必须估计稀释倍数，稀释样品重新测量。这样会浪费时间和化学试剂。一般来说，某一被检测物质存在一个或多个吸收峰，为了降低检测下限，一般会选择发光二极管波长接近该物质的最大吸收波长。这样做的缺点是会降低检测上限，使检测范围窄。例如，美国哈希(Hach)公司的 DR890只有三个发光二极管，许多物质的比色分光分析不能在该物质的最优化波长处进行， 这使该手持便携式分析仪的检测下限比实验室分光分析仪高，检测上限比实验室分光分析仪低。此外，现有手持便携式分析仪一般只具有单一功能，比色分光分析只能用来做比色分析，荧光分析仪只能做荧光分析。现有手持便携式分析仪还缺乏必要的计算功能，一般不能同时扫描多个波长，用多个吸光度值进行多分量分析。

发明内容
本发明的目的在于提出一种具有多个波长，更大检测范围，同时具有多重分析功能以及计算分析功能的手持便携式分析仪。本发明提出一种便携式多功能分析仪，包括一电路板；多个安装在电路板上的表面装贴发光元件；多个安装在电路板上的表面装贴感光元件；一与所述电路板位置固定的样品池杯固定架，固定架中间部位是一透明样品池杯，用来盛放一样品池；样品池杯固定架上还包括多个光学反射面，将表面装贴发光元件发出的光反射进入样品池，将经过样品池的光反射进入表面装贴感光元件，形成多个测试光路；以及一可编程电子系统，与电路板连接，对发光元件和感光元件进行控制和读取。较佳地，所述一个测试光路中有多个表面装贴发光元件。较佳地，所述一个测试光路中有多个表面装贴感光元件。较佳地，表面装贴感光元件前具有滤光片，在比色分析同时进行荧光分析。其中，通过调节发光元件输入电流的大小，控制输出光强。其中，通过控制感光元件增益倍数调节输出。
其中，可编程电子系统可将发光元件转换成感光元件使用。本发明还提出一种便携式多功能分析仪的测试方法，包括如下步骤
1)根据被分析物质多个波长的吸光度是否在给定范围内选择最优分析波长；
2)根据被分析物质在某个特定波长的吸光度是否超过某一给定上限，增大发光二极管的电流以便让感光二极管检测到足够的透射光，增加被分析物质浓度检测范围；
3)根据被分析物质在某个特定波长的吸光度是否超过某一给定上限，增大感光二极管的增益倍数以便让感光二极管检测到足够的透射光，增加被分析物质浓度检测范围；
4)根据被分析物质在某个特定波长的吸光度是否超过某一给定上限，增大发光二极管的电流并同时增大感光二极管的增益倍数以便让感光二极管检测到足够的透射光，增加被分析物质浓度检测范围；
5)根据被分析物质在某个特定波长的荧光强度是否超过某一给定上限，减少激发光源的电流以便让荧光强度在感光元件的检测范围内，增加被分析物质浓度检测范围；
6)根据被分析物质在某个特定波长的吸光度是否超过某一给定上限，减少感光元件的增益倍数以便让荧光强度在感光元件的检测范围内，增加被分析物质浓度检测范围；
7)根据被分析物质在某个特定波长的荧光强度是否低于某一给定下限，增大激发光源的电流并同时增大感光元件的增益倍数以便让感光元件检测到足够的荧光，增加被分析物质浓度检测范围；
8)根据被分析物质在发射波长的吸光度值和激发波长的吸光度值，以及水样品的在某些波长的散射强度，对荧光分析结果进行修正；
9)根据被分析物质在一个或多个波长的散射强度，对比色分析结果进行校正。其中，用安装在不同角度的多个感光元件测量经由水样品散射的光强度，在比色分析和荧光分析时同时测量样品在某一波长的散射强度。其中，用安装在不同角度的多个感光元件测量经由水样品散射的光强度，在比色分析和荧光分析时同时测量样品的浊度。本发明使用表面装贴发光二极管和表面装贴感光二极管，必要时也可使用传统插装式发光二极管，或与和传统3mm或5mm椭圆形发光二极管在三维空间作合理分布，使本发明的手持便携式分析仪可以具有十个以上的比色分析波长。此外，本发明的手持便携式分析仪的部分感光二极管前装有光学滤光片，这使本发明的手持便携式分析仪可以用来进行荧光分析。在本发明的手持便携式分析仪中，一个光学元件往往具有多个功能，同时具有强大的计算及控制功能，这样不仅可以实现光学元件的多功能化，还可以实现多分量分析。


关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。图1为本发明便携式分析仪第一实施例中发光元件与感光元件设置分布图； 图2为本发明便携式分析仪测试光路原理示意图3为本发明便携式分析仪立体结构图4为本发明便携式分析仪第二实施例中发光元件与感光元件设置分布图； 图5为本发明便携式分析仪电路原理示意图；图6为本发明便携式分析仪第二实施例中的荧光校正曲线； 图7为本发明第三实施例中的浊度校正曲线；
图8为本发明第一实施例中的用N，N-二乙基-1，4-苯二胺测溴的校正曲线； 图9为本发明第一实施例中的用哈西铁试剂测铁的校正曲线； 图10为本发明第一实施例中的用哈西卟啉试剂测铜的校正曲线； 图11为本发明便携式分析仪测试方法流程图。
具体实施例方式下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。实施例1
图1为本发明便携式分析仪第一实施例中发光元件与感光元件设置分布图。如图1所示，在一个测试光路中，一个表面装贴感光元件2可以检测安装在同一光路上多个表面装贴发光元件1。在使用表面装贴元件的同时，也可以同时使用传统插装式5mm发光二极管3 和4、5mm发光二极管/感光二极管5和T05感光二极管6，使它们在三维空间作合理分布， 使本发明的手持便携式分析仪可以具有十个以上的比色分析波长。图2为本发明便携式分析仪双反射光路原理示意图。从发光二极管1发出的光线经过第一反光面7反射，穿过样品池8，再通过第二反光面7反射，到达感光二极管2，形成一个测试光路。在本发明中，一个测试光路中可以有多个光学元件，从而达到光路的重用而节省安装面积。图3为本发明便携式分析仪立体结构图。如图3所示，在电路板9的多处安装有两个表面装贴发光二极管1，这样在同一光路上一个表面装贴感光二极管2可以检测两个表面装贴光电二极管1的光强度。电路板9上还安装了一个5mm椭圆形发光二极管5和一个T05封装发光二极管6。样品池杯固定支架由上下两部分组成。非表面装贴发光二极管 5和感光二极管6需要用样品池杯上支架11和样品池杯下支架10进一步固定。光学反射面7安装在样品池杯支架10的内侧，当样品池杯支架10和11被固定在电路板1上后，光学反射面7与电路板1平面的夹角大约是45度。如图1-3所示，本发明在同一光路上安装多个发光元件，让表面装贴元件和非表面装贴元件在三维空间作合理分布，实现本发明的手持便携式分析仪具有比传统同类分析仪更多的比色分析和荧光分析波长。同时，利用如图1所示的发光元件1-感光元件2和发光元件7-感光元件8这两条光路互为90度的特点，也可测量多个波长下样品的散射特性。图3所示的两个表面装贴发光二极管1，一个是420nm发光二极管，另一个是 560nm发光二极管。感光二极管2是一 2mm X 2mm的表面装贴感光二极管。反射面由贴在样品池支架内侧的镀金属铝的反射薄片实现。下表是对三个标准吸光度样品的测量结果， 此结果表明本方案的线性区间和测量重现性可以满足手持便携式比色分光分析的要求。
4 2 Onm5 6 Onm标准值测醒标准偏差标准值测量值标准偏差0.5970.5810.0030.5960.5830.0011.2121.1890.0051.2111.1840.0011.8051.8140.0141.S011,748O.OOfi
图8-10是用此方案的560nm发光二极管测量的校正曲线。对溴的检测使用标准 N, N- 二乙基-1，4-苯二胺法，对铁的检测使用哈西公司的铁试剂方法，对铜的检测使用哈西公司的卟啉方法。这些校正曲线的线性度好，线性区间等于或大于现有手持便携式比色分光分析的范围，表明此方案的杂光很少，满足手持便携式比色分光分析的要求。实施例2
图4为本发明便携式分析仪第二实施例中发光元件与感光元件设置分布图。在本发明的这一实施例中，目的是实现一个波长的荧光，两个波长的吸光度，一个波长的散射测量，并可以用所测得吸光度值和散射强度对荧光强度进行修正。在本实施例中，除安装在感光二极管2对面的400nm发光二极管1外，其它三个元件都具有双重功能。感光二极管2前装有一个400nm带通光学滤光片12，与安装在90度方向365nm发光二极管1，一起实现荧光强度的测量。安装在感光二极管对面的400nm发光二极管1和感光二极管2 —起实现400nm吸光度的测量，安装在365nm发光二极管1’对面的另一 400nm发光二极管1和带有滤光片12的感光二极管2 —起实现样品在400nm的散射强度测量。此400nm发光二极管1还可以当作感光二极管使用，这样它与对面的365nm发光二极管1，一起实现365nm吸光度的测量。基于图4所示的元件布置方式，可以在对荧光强度吸收强度和散射强度同时测量， 以及对荧光分析的校正。发光二极管1是一紫外光发光二极管，T5封装感光二极管2前装有一 400nm带通滤光片12。两个400nm发光二极管1是普通5mm椭圆形发光二极管。本实施例使用一套两级放大运算放大电路将感光二极管和400nm发光二极管的光电流转换成0到5V 电压。图6是这一实施例得到的荧光1，3，6，8-芘四磺酸(PTSA)的校正曲线。PTSA在工业水处理中用作示踪剂，用365皿发光二极管作荧光激发光源来测其浓度时， 经常受到水中的天然腐殖酸和单宁酸的干扰，这些物质在365nm和400nm有很强的吸收，导致所测PTSA荧光强度降低。本实例中用365nm/400nm对测量水样品在365nm的吸光度值，用400nm和带滤光片的感光二极管对测量水样品在400nm的吸光度值。下表列出了一系列含PTSA的水样品的荧光强度以及在365nm和400nm的吸光度值。这些水样品中加了不同量的绿茶水来模拟水中的天然腐殖酸和单宁酸。表中还列出了根据图6的校正曲线计算PTSA浓度，很明显当365nm吸收值大时(也就是由感光二极管测到的输出小时)，PTSA浓度的测量偏差就大，于是当365nm吸收值已知时PTSA浓度就可以得到校正。下面是含有365nm吸收值和400nm吸收值的新的校正曲线，
PTSA/ppm = 94.71 + 116. 2*PD1 - 79. 5* PD2 - 1. 25*PD权利要求
1.一种便携式多功能分析仪，其特征在于包括一电路板；多个安装在电路板上的表面装贴发光元件；多个安装在电路板上的表面装贴感光元件；一与所述电路板位置固定的样品池杯固定架，固定架中间部位是一透明样品池杯，用来盛放一样品池；样品池杯固定架上还包括多个光学反射面，将表面装贴发光元件发出的光反射进入样品池，将经过样品池的光反射进入表面装贴感光元件，形成多个测试光路；以及一可编程电子系统，与电路板连接，对发光元件和感光元件进行控制和读取。
2.如权利要求1所述的便携式多功能分析仪，其特征在于所述一个测试光路中有多个表面装贴发光元件。
3.如权利要求1所述的便携式多功能分析仪，其特征在于所述一个测试光路中有多个表面装贴感光元件。
4.如权利要求1所述的便携式多功能分析仪，其特征在于表面装贴感光元件前具有滤光片，在比色分析同时进行荧光分析。
5.如权利要求1所述的便携式多功能分析仪，其特征在于通过调节发光元件输入电流的大小，控制输出光强。
6.如权利要求1所述的便携式多功能分析仪，其特征在于通过控制感光元件增益倍数调节输出。
7.如权利要求1所述的便携式多功能分析仪，其特征在于可编程电子系统可将发光元件转换成感光元件使用。
8.使用如权利要求1-7之一所述的便携式多功能分析仪的测试方法，其特征在于包括如下步骤1)根据被分析物质多个波长的吸光度是否在给定范围内选择最优分析波长；2)根据被分析物质在某个特定波长的吸光度是否超过某一给定上限，增大发光元件的电流以便让感光元件检测到足够的透射光，增加被分析物质浓度检测范围；3)根据被分析物质在某个特定波长的吸光度是否超过某一给定上限，增大感光元件的增益倍数以便让感光元件检测到足够的透射光，增加被分析物质浓度检测范围；4)根据被分析物质在某个特定波长的吸光度是否超过某一给定上限，增大发光元件的电流并同时增大感光元件的增益倍数以便让感光元件检测到足够的透射光，增加被分析物质浓度检测范围；5)根据被分析物质在某个特定波长的荧光强度是否超过某一给定上限，减少激发光源的电流以便让荧光强度在感光元件的检测范围内，增加被分析物质浓度检测范围；6)根据被分析物质在某个特定波长的吸光度是否超过某一给定上限，减少感光元件的增益倍数以便让荧光强度在感光元件的检测范围内，增加被分析物质浓度检测范围；7)根据被分析物质在某个特定波长的荧光强度是否低于某一给定下限，增大激发光源的电流并同时增大感光元件的增益倍数以便让感光元件检测到足够的荧光，增加被分析物质浓度检测范围；8)根据被分析物质在发射波长的吸光度值和激发波长的吸光度值，以及水样品的在某些波长的散射强度，对荧光分析结果进行校正；9)根据被分析物质在一个或多个波长的散射强度，对比色分析结果进行校正。
9.如权利要求8所述的测试方法，其特征在于用安装在不同角度的多个感光元件测量经由水样品散射的光强度，在比色分析和荧光分析时同时测量样品在某一波长的散射强度。
10.如权利要求8所述的测试方法，其特征在于用安装在不同角度的多个感光元件测量经是由水样品散射的光强度，在比色分析和荧光分析时同时测量样品的浊度。
全文摘要
本发明提出一种便携式多功能分析仪，包括一电路板；多个安装在电路板上的表面装贴发光元件；多个安装在电路板上的表面装贴感光元件；一与所述电路板位置固定的样品池杯固定架，固定架中间部位是一透明样品池杯，用来盛放一样品池；样品池杯固定架上还包括多个光学反射面，将表面装贴发光元件发出的光反射进入样品池，将经过样品池的光反射进入表面装贴感光元件，形成多个测试光路；以及一可编程电子系统，与电路板连接，对发光元件和感光元件进行控制和读取。同时还提出一种便携式多功能分析仪的测试方法。在本发明的手持便携式分析仪中，一个光学元件往往具有多个功能，同时具有强大的计算及控制功能，这样不仅可以实现光学元件的多功能化，还可以实现多分量分析。
文档编号G01N21/64GK102288566SQ20111021681
公开日2011年12月21日 申请日期2011年7月29日 优先权日2011年7月29日
发明者杨庆荣, 肖才斌, 黄洁 申请人:杨庆荣, 肖才斌, 黄洁