略论光谱色谱仪器五大系统的创新切入点

前言

光谱仪器种类繁多，总共有紫外、可见、红外、原子吸收、原子荧光、拉曼、旋光等20多类光谱仪器；色谱仪器也有液相、气相、离子色谱、薄层扫描色谱、毛细管电色谱、高压微流电色谱等10多类；光谱、色谱仪器是使用最多、覆盖面最广的分析仪器之一；它们在“农、轻、重、海、陆、空、吃、穿、用”等的各个领域、各行各业的科研、生产工作中，都无所不在，无所不有。广大从事光谱、色谱仪器研发、制造、使用的科技工作者对光谱、色谱仪器最基本的要求是稳定可靠。所谓稳定，就是漂移小、重复性好；所谓可靠，就是分析检测的数据准确可靠、灵敏度高（信噪比S/N高或检测限小）。这些问题都是光谱仪器、色谱仪器及其应用的研究人员，值得特别重视的关键问题。      

本文根据仪器学理论和作者长期的实践，对如何提高各类光谱仪器、各类色谱仪器的可靠性、稳定性和灵敏度等的创新切入点进行了讨论；文中从保证知其然知其所以然的角度，重点讨论了光谱仪器、色谱仪器的电光系统、光学系统、光电系统、电子学系统和计算机系统的重要性、影响这些关键部件的关键点、提高这些系统和整机稳定性、可靠性的关键点和创新切入点；本文所论述的问题，是目前国内外业内很多科技工作者还没有引起重视的问题，这些问题对有关的科技工作者都有重要的参考意义。

一、电光系统

光谱仪器、色谱仪器及其有关的联用仪器，都离不开电光系统；而电光系统主要包括光源（氘灯、钨灯、氙灯）和电源（交流电源、直流或脉冲电源等）。在电光系统中，灯泡是重要元器件之一，其质量在某种程度上，决定整个光谱仪器、色谱仪器的质量和可靠性（包括灵敏度）。如果灯泡发光不稳定，整个仪器就不可能稳定。但是电光系统中除灯泡外，灯泡的电源是非常重要的、容易被人们忽视的部件；科学家从仪器学理论中的电子学与电光器件相关的理论出发，对光谱仪器、色谱仪器的氘灯灯泡所发出的光通量的稳定性，与灯泡所加的恒流电源稳定性的关系进行了研究；研究结果表明：氘灯恒流电源的电流稳定性与氘灯灯泡发出的光通量的稳定性关系如下^[1]：

（I₂/I₁）^Y=Φ₂/Φ₁

式中，I₁为氘灯恒流电源在电流波动变化前的恒定电流值；I₂为氘灯恒流电源因某些 因素影响，其电流微量变化后的电流值；Φ₁为氘灯灯泡在氘灯恒流电源电流未变化前发出的稳定光通量；Φ₂为氘灯灯泡在氘灯恒流电源波动变化后发出的光通量；Y为通过大量实验后总结得到的经验系数，一般取Y=6.05〜6.75 (作者的实践证明 取6.5为最佳)。

若设波动前的光通量为100,波动后的光通量为Φ₂；波动前的恒电流为300mA，波动后的恒电流为303mA ；即：因为电源的电流波动电流上升1%（3mA)。

将波动前后的数据代人上式，则:

(303/300)^6.5=Φ₂/100

1.01^6.5=Φ₂/100

Φ₂=1.01^6.5ꓫ100=6.7%

上述计算表明：氘灯电源的电流波动1%，则灯泡发出的光波动6.7%，这是一个很大的波动值，可能使得各类光谱仪器和各类色谱仪器失去应用功能。

光谱仪器、色谱仪器的钨灯电源，是一种恒压电源；其电压稳定性与钨灯灯泡发出的光通量的稳定性的关系如下^[1]：

(V₂/V₁)^k=Φ₂/Φ₁

式中，V₁为钨灯恒压电源在电压变化前的恒定电压值；V₂为钨灯恒压电源因某些因素影响，其电压微量变化后的电压值；Φ₁为钨灯灯泡在钨灯恒压电源电压未变化前发出的光通量值；Φ₂为钨灯灯泡在钨灯恒压电波动源变化后发出的光通量值；K为通过大量实验后总结得到的经验系数，一般取K=3.36〜3.51 (作者 的实践表明取3.45为最佳)。

钨灯恒压电源一般为12V；若设钨灯电源波动前的光通量Φ₁为100,波动后的光通量为Φ₂；波动后的恒压电压为12.12V (即：因为波动电压上升1%（0.12V)。

将波动前后的数据代人上式，则:

(12.12/12)^3.45=Φ2/100

1.01^3.45=Φ₂/100

Φ₂=1.01^3.45ꓫ100=3.4%

上式计算结果表明：若钨灯恒压电源的电压波动1%，则钨灯发出的光通量波动3.4%。这个波动也将严重影响到整机使用的稳定性、可靠性。

美国科学家Wenstead[2]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。所以，电光系统的重要性和认真研究光谱仪器、色谱仪器的电光系统的重要性就不言而喻了。并且，作者认为从事光谱仪器、色谱仪器研发、制造、应用的科技工作者应该认识到，电光系统是提高光谱仪器、色谱仪器可靠性和灵敏度的创新切入点之一，必须引起高度重视。

二、 光学系统

光谱仪器、色谱仪器及其联用仪器和有关的元素分析仪器（例如：总硫分析仪等等），都离不开光学系统；光学系统比较复杂，一般分为外光路和单色器两大部分：

1、外光路：主要作用有三个[1]：一是通过各类聚光镜（凹面或平面反射镜或透射镜），尽量将光源（灯泡）发出的光聚集到单色器的入射狭缝上或样品上；二是将从灯泡发出的光改变前进方向，转向后直接汇聚到入射狭缝上或样品上；三是将氘灯和钨灯灯泡切换，以改变波仪器的长范围。所以外光路也是光学系统的重要组成部分之一，加强对外光路的研究，是提高光谱仪器、色谱仪器灵敏度的创新切入点之一。

2、单色器：它是一个比较复杂的部件；它由入射狭缝、准直镜、光栅、物镜（聚光透镜或成像凹面反射镜）、出射狭缝等光学元件组成。它的作用是将灯泡发出的复合光分解成单色光。从出射狭缝射出的单色光纯度（光谱带宽），取决于单色器的狭缝、准直镜、物镜、光栅的指标，这些指标直接决定或影响光谱、色谱仪器整机的可靠性、稳定性等核心指标。单色器的种类很多[2]、[3]、[6]、[8]，它是光谱仪器中最重要的部件之一。单色器的所有光学元件中，只要有一个元件出现故障，整个光谱仪器、色谱仪器就不能正常工作。单色器是光学系统中非常重要的部件，是提高光谱仪器、色谱仪器的可靠性、保证分析检测数据准确可靠和提高仪器灵敏度的最重要创新切入点之一。

三、光电系统

顾名思义，光电系统就是将光信号转换成电信号的光电转换系统；它有很多种类，例如：光电管、光电倍增管、硅光电池、光电二集管、光电二集管阵列等等。这些光电转换元器件是光谱仪器、色谱仪器中最重要的元器件之一。有的光电转换器件只是单纯的起光电转换作用；例如：光电管、硅光电池、二极管阵列等；有的则具有很大的电流放大倍数；例如：光电倍增管，它在1000V直流高压下，可达到100万倍的电流放大倍数；即在1000V直流高压下，一个光子入射到光电倍增管的阴极上，在其阳极上可以输出100万个光子，基本上形成了nA级的电流。但是1000V高压如果波动1%，则光电倍增管的一百万倍的放大倍数将波动10-12%，将是以10万倍的数据波动。作者的实践表明：如果光电倍增管工作在600V的情况下（作者的实践表明：一般光谱仪器、色谱仪器中的光电倍增管的最佳工作电压为600V左右），此时，光电倍增的放大倍数约是50万倍，如果600V高压波动1%，则50万倍的放大倍数将波动10%以上，即是5万倍的波动。这时整个光谱仪器、色谱仪器就因为高压不稳定而没有办法使用了。所有光电系统的稳定性，都将严重影响光谱仪器、色谱仪器整机的可靠性、稳定性和灵敏度。由此可见，电光系统多么重要就不言而喻了。所以，认真研究光电倍增管的高压电源、认真选择光电倍增管、认真研究光电系转换统，是提高光谱仪器、色谱仪器的可靠性、稳定性和灵敏度的最重要的创新切入点。

四、电子学系统

任何光谱仪器、色谱仪器都必须有电子学系统，其作用就是将从光电系统转换过来的电信号或通过其他办法采集的电信号予以放大、并处理到符合后面计算机系统所要求的电信号。电子学系统的放大倍数、噪声、漂移是非常重要的性能技术指标，也是决定光谱仪器、色谱仪器可靠性、稳定性、灵敏度的关键指标；很多科技工作者重视光机和计算机，但是不大重视电子学系统的性能指标，这是我国、甚至全世界光谱仪器、色谱仪器研发者、制造者的通病，更是阻碍我国分析仪器发展的重要问题之一。光谱仪器、色谱仪器出现故障的概率最多的是电子学系统；例如：放大器的±15V电源等、电光系统的氘灯电源、钨灯电源、光电系统的高压电源等等，这些电源都是值得光谱仪器、色谱仪器研发、制造、使用者高度重视的关键部件。因为电源发热，会致使产生整机漂移；由于电子元器件的浴盆效应理论，会使得电子元器件老化（只有10年左右的寿命），使电子元器件整体性能变坏，使整机产生故障；有些科技工作者不重视设计放大倍数，他们随意的将直流放大器的放大倍数设计为100倍以上，致使整机的噪声增加，灵敏度（信噪比）降低；作者的实践表明，直流放大器的放大器的放大倍数一般在25~30倍左右为最佳。有些科技工作者由于将直流放大器的放大倍设计过小或过大，使得输出的电信号不符合后面计算机要求，以致产生整机漂移、使整机稳定性变差、灵敏度降低。还有纹波电压，是很多科技工作者容易忽视的指标，很多研发、生产光谱仪器、色谱仪器的科技工作者，不给出（不测试）仪器各类电源的纹波系数，使得整机的噪声增加、稳定性变坏等等。所以，重视电子学系统的指标研究，是提高光谱仪器、色谱仪器可靠性、灵敏度的很重要的创新切入点之一。

五、计算机系统

提高仪器的自动化水平，是光谱仪器、色谱等仪器研发者、制造者的重要使命之一；自动化可以实现仪器的五个保证：第一，保证仪器工作在最佳状态；第二，保证避免人为操作误差；第三，保证分析工作者的人身安全；第四，保证避免仪器带病工作，延长有关仪器的使用寿命；第五，保证得到最佳的分析检测数据。过去比较长的一段时间里，我国分析仪器使用者们认为，我国分析仪器与国外同类仪器的最大差距是软件。

的确，软件方面的差距是我国分析仪器与国外分析仪器的主要差距之一。据我国科技部的调查结果表明：我国90%的用户对我国国产分析仪器的软件不大满意。但是近十年来，由于国家科技部的重视和广大科技工作者的努力，情况大有好转；目前我国光谱仪器、色谱仪器等分析仪器的软件已经有很大提高，可以与国外同类同档次的仪器抗衡（有些指标优于、有些指标一样、个别指标不及），并且性价比大大优于国外同类同档次的产品。例如：我国上海科哲的薄层扫描色谱仪器、制备色谱仪器，北京普析的紫外、北京海光的原子荧光广州和信的质谱、浙江福立的气相色谱等等，其软件都可以与国外同类高档产品抗衡，或优于国外同类同档次的产品。特别是近几年，国内外广大软件科技工作者，在光谱仪器、色谱仪器研发、制造中，采用软件降噪声技术；在降噪声时可以不降低有用信号，可以轻而易举的提高仪器的信噪比。例如：北京西派特在自己研发的HF-ExR510 便携拉曼光谱仪上（仪器的激发光源：785nm； 积分时间：10s；功率等级：10级），对被分析样品进行数据采集、采用软件降噪声、软件降荧光，以及通过软件对五种组分的复合样品进行数据采集、数据处理，效果都很好，他们走在国外同行的前列；具体情况如下：

1、通过软件对滑石粉（强荧光物质）的数据采集和降荧光、降噪处理的效果：  

2、 对滑石粉、重钙、五组分等样品进行定性检测的结果；滑石粉定性检测的结果（见下图）；滑石粉 检测的匹配度：0.999（见下表）

所以，重视软件开发，是提高光谱仪器、色谱仪器的可靠性、稳定性和灵敏度非常重要的创新切入点之一。必须引起光谱仪器、色谱仪器研发、制造、应用的有关科技工作者高度重视。

主要参考文献

[1] Wensted，lnstrument Check Systems,Published in Great Britain by

   Hencry Kimpton  PublishersLondon,1971.

[2] 李昌厚著，《仪器学理论与实践》，北京：科学出版社,2008

[3] 李昌厚著，《紫外可见分光光度计》,北京:化学工业出版 社,2005。

[4] 李昌厚，略论分析仪器的主要核心技术指标及有关问题，仪器信息网，2024

[5] 李昌厚，便携式激光拉曼仪器及其应用的最新进展，仪器信息网，2019/7/11.

[6] 李昌厚著，《紫外可见分光光度计及其应用》，北京:化学工业出版 社,2010。

[7]李昌厚，用好AAS的一些关键问题，仪器信息网，2020/8/17

[8] 李昌厚著，《高效液相色谱仪器及其应用》，北京：科学出版社，2014

[9] Tony Owen,Fundamentals of UV-Visible Spectroscopy,1996,Germany

     Hewkett-Packard   publication number 12-5965-123-E

[10] 赵志慧等，《国联股份第21届中国（合肥）食品安全检测技术高峰论坛PPT》，

       合肥，2023-06

[11] A. J .Owen. 1988. The Diode-Array Advantage in UV/Visible Spectroscopy  Printed

     in theFederal  Republic of Germany 03/88.  (Hewlett-Packard  Publication

     No. 12-2954-8912)

[12] 李昌厚，试论分析仪器研发创新的切入点及有关问题，仪器信息网，2023

作者简介

李昌厚，男，1963年毕业于天津大学精密仪器系光学仪器专业；中国科学院上海营养与健康研究所原仪器分析室主任、生命科学仪器及其应用研究室主任、教授、博士生导师、华东理工大学兼职教授、天津大学兼职教授；终身享受国务院政府特殊津贴。

主要研究方向：长期从事分析仪器研究开发和分析仪器应用研究。主要从事光谱仪器（紫外吸收光谱、原子吸收光谱、旋光光谱、分子荧光光谱、原子荧光、拉曼光谱等）、色谱仪器（液相色谱、气相色谱等）及其应用研究；特别对《仪器学理论》和分析仪器指标检测等方面有精深研究；以第一完成者身份，完成科研成果15项。由中科院组织专家鉴定，其中13项达到鉴定时国际上同类仪器的先进水平，2项填补国内空白；以第一完成者身份获得国家发明奖和省部级（中国科学院、上海市、科技部）科技成果奖5项；发表论文280篇（退休后97篇），出版《仪器学理论与实践》、光谱和色谱仪器及其应用等专著5本。

曾任中国仪器仪表学会理事、中国仪器仪表学会分析仪器分会第五届、第六届副理事长兼光谱仪器、高速分析等多个专业委员会的副主任；国家认监委计量认证/审查认可国家级常任评审员、国家科技部“十五”、“十一五”、“十二五”和“十三五”重大仪器及其应用专项的技术专家组组长、上海市科学仪器专家组成员、《生命科学仪器》副主编、《光学仪器》副主编、《光谱仪器与分析》副主编、上海化工研究院院士专家工作站成员等数十个学术团体和专家委员会成员，和北京瑞利、北京普析、上海科哲、美国ISCO等十多家公司的技术顾问或专家组组长等职务。