可见分光光度计波长和透射比检定结果的不确定度分析

苏红伟

【关键词】课件分光光度计；波长；透射比

引言

在可見分光光度计中，其测量目标包括：波长偏差和传输率偏差。本试验以723 PC型、350 nm至800 nm的可见分光光度计为试验目标。最后，对不确定度进行了综合分析。

一、分光光度计的基本结构

分光光度仪的种类很多，但其主要由六大部分组成，即光源、分光系统和吸收池、检测装置、检测讯号的显示装置。（1）光源：对光源的基本需求是，在很大的光谱范围内，它可以发射出充足的光强度，而且它的稳定度很高，而且在不同的波长范围内，它的辐射能没有明显的变化。但由于其自身的发光特性及在单色调光线中的损失，大多数的光源有钨丝、氢等。该仪器的照明装置由一个单一的光源和一组镜子组成，镜子的作用是把一个单一的光线集中到一个单一的平面上，然后填充一个能够被均匀地射到一个缝隙中的单色镜。（2）单色器件：它可以把各种光的波长成分进行分解，使之可以将所需要的光分开，通常由分光元件、狭缝和透镜组成，而单色元件的特性会对光谱带宽产生直接的作用，促使测量灵敏度与校正曲线间的关系发生转变。该系统组成元件包含滤光片、棱镜和光栅片，其中滤光片为单色装置，且具有较高的性价比，物美价廉。利用棱柱和光栅作色散器件，其特点是：它的光谱性能优良，不仅纯度较高，且运用广泛。而色散器件的色散特征主要取决于其波长，色散度随着波长变化而发生变化。它在紫外、可见、近红外等方面有着广阔的发展空间。在全频带上，它的解析度几乎是一样的。在现代，高级光谱测量仪中，通常采用两个或两个棱柱、一个棱镜和一个光栅来减少杂散光；同时，该设备的分辨率也得到了提高。（3）吸收：按材料分为硅胶和水杯两种。（4）检波器：它的作用是检测并把它转化为电讯号。其对探测设备有一定的要求，既要响应时间短，快速反应，也要具有良好的线性关系，能够将各种波长准确反映；同时噪声级别更小，更稳定，更好。常用的探测器有：光电管，光管，光放大管，二极管矩阵。（5）测试讯号显示：现有测试讯号的显示方法有：安培、数码显示、银幕显示、印刷等。[1]

二、波长指标概述与常规测量方法

（一）波长指标概述

一般340nm到900nm的波长称为可见光，在这一范围当中，光的波长从低到高，呈现出紫色、蓝色和绿色；不同的色彩和不同的颜色，如黄色和红色，不同的深浅。该仪器使用的单色器，在340-900nm之间形成一系列的光带，并将其与显示盘 LCD的波长指数连接起来，通过调节一个机械按钮或一个内置的程序，在光带的不同位置，通过缝隙，形成一种单色光线。通过该缝隙的单色光线与该仪器的波长指数相一致。

（二）波长指标的常规检测方法

标准仪器用于对光谱测定的标准仪器有：氧化钕标准滤光器、镨铷标准滤光器、干涉滤光器以及氧化钕标准溶液等。这些标准设备都是在可见光区的某个特定部位的最高或最低发射速率的吸收，并对应于特定的标准值，当使用氧化钕标准滤波器进行波长指数测定时，该标准滤波器的一个标准值为536 nm，选取一种可见光谱光度计，将该标准滤波器置于该比色箱中，将该波长设定在530 nm左右，测定波长为530 nm的透射比值，并根据波长从小到大依次变化波长到540 nm，得到了多组不同的透射率。相应的波长是用来测量这种可见光谱的测量值。根据上述三种不同的方法，分别进行3次以上的实验，得出3种不同的试验结果。利用实测波长平均值与标准值对比，获得检测方法的示值误差，并由此确定检测方法的测量准确性。

（三）波长指标的常规检测方法的评价

传统的波长指数测试方法比较繁琐，而且需要缓慢的操作，对工艺和标准也需要有透彻地理解和掌握，另外，会因为操作者的视力问题，在读数的过程中，出现机械读数的错误。这是一个循序渐进的过程，耗时较长，效率也不高。

三、检定方法

（一）波长示值误差

按照有关规范，有关工作人员采用分光光度仪对其进行了校验，并准确地记录和整理了各个波长的数值；在多次测量的基础上，将重复的测量次数分为三次，并对三次的测量结果进行平均，为最后测量精度提供了强有力的保证。

（二）透射比示值误差

依据有关规范，选择合适的滤波器，以空气为参考，对其进行了波长测量。在对滤波器的传输率进行测量时，需进行反复测量，总测量次数为3次，测量结果主要以三次测量数据的平均值为准。[2]

（三）检定环境

检测环境中的温度、湿度要控制在10～35℃，相对湿度在85%以上。

四、采集系统的设计

在选择光纤采集系统时，应综合考虑光纤参数、光纤接口的种类、光纤芯直径等因素。（1）光纤材料：众所周知，不同的物质在透射时都会受到一定的吸收，而吸收的量愈大，则会造成光讯号的损失；这对光能的利用有很大的影响。此外，在不同的波长范围内，不同物质对于波长的吸收情况也不尽相同，例如在紫外线照射下，普通玻璃、塑料均对紫外线具有较强吸收性，在进行波长采集时，要注重采集物质的选择。因此，在进行光谱采集系统的设计时，必须同时兼顾上述两个方面。石英材料因其吸收极低的紫外线和可见光而具有较高的透过率，从而极大地提高了光能的利用率，因此经常被用来制作各种光谱仪。通过比较，我们选择了石英纤维作为光谱仪的采集系统。（2）光纤的接口类型：由于不同的制造标准和不同的应用方向，市场上的光纤接口种类繁多，如： FC， PC， APC; SC， ST， SMA；MRTJ，诸如此类：SMA905光纤因其低损耗、高速率、高精度而被广泛应用于激光手术、光动力学治疗、光谱测量等领域；激光焊接，照明，传感器。因此，在光谱分析系统中，选择SMA905光纤作为光谱仪的数据采集系统。（3）光纤芯径的大小：光导纤维的直径愈大，通过的光线能量也就越强。采用芯径大的光纤对于可见分光光度计波长和透射比检定结果的不确定度分析有很大好处，由于光纤具有较大的芯径，因此，在使用光纤时，不需要对其进行高灵敏度的测量，从而产生更多的噪声影响光谱数据，SMA905光纤是大功率接口，光纤芯径1.0mm。[3]

五、色散系统

色散系统的原始材料是由棱镜和光栅组成的：由透明的玻璃构成的三角形状我们叫做棱镜。其具有很强的色散性，但是仅限于可见光区，其工作波长在185-4000nm之间，其在紫外区具有很好的分辨能力，对可见光区、近红外区都有很好的应用。棱镜具有较短的波长和较好的色散性，而在长波方向上则表现出较弱的特征。因此，使用棱镜的分光光度计，其波长刻度在紫外可达0.2nm，在长波段仅为5nm。棱镜分光光度计的分光原理主要以光学衍射和干涉现象实现分光。其衍射光栅分为透射型和反射型，而光谱仪中最常用的是反射光栅，其缝为不透明的反射铝膜。在一块非常光滑的表面上涂上一层铝箔，并在上面雕刻出许多平行、等宽、等间距的凹槽，这些凹槽就像一条“狭缝”，每毫米的刻痕有1200、2400或3600条，整个光栅上的刻痕有数万至数十万条。根据其形态，反射光栅可分为平面、凹面型和阶梯型三种，按制造方式可分为机械型和全息型两种。在普通反射光栅中，光强主要是由无色散的0级衍射的主极大（80%）所占，其强度随主极大级次的增加而急剧衰减（参见右侧）。这样，在采用这样的反射光栅时，一个是弱的，二次的衍射是弱的。为了解决此问题，将线槽刻成之字形，以达到“闪耀”的方向，并将能量集中于所需要的波长。光栅复制技术的发展，极大地减少了制造成本，缩短了制造周期，使得光栅的应用越来越广泛。

六、检定模型

（一）波长误差

波长误差公式见（1），在公式中，△λ代表了波长的误差，λ代表了算术平均，而λs代表了滤波器的标准值。可见光谱仪器中，波长误差△λ代表了系统误差和随机误差的总和。所以，只有随机误差才能测量波长检定的不确定度。

（二）透射比示值误差

透射比误差公式见（2）：在公式中，△ T代表了传输率的误差， T代表了传输率的算术平均， Ts代表了传输率标准滤波器的标准值。在可见光谱仪上，波长偏差△T是由系统误差和随机误差之和，在这种情况下，系统误差在校正后接近于0，校正后的偏差可以被忽略。由此可知，针对传输率检定的不确定性检测主要由随机误差实现。

七、光谱分析系统数据的标定

波长校准是可见光谱检定法中的重要内容，其主要以标准汞灯实现。标准汞灯所具有的特征谱线较多，但特征谱线均表现出稳定特点，因此在校准光谱时可采用标准汞灯实现。在此基础上，将标准汞灯放置在光谱仪之前，利用光纤进行标准汞光源光谱的提取。接着，进入光谱分析软件，点击“标定模式”按钮，在获取标准汞灯的频谱信号后，得到了标准汞灯四种特征谱线峰，并将其与标准汞灯的特性谱线峰相对应；这样就能校准全谱体系。用质心法、中值法、拟合法等方法求出了标准汞灯的峰。在“计算系数”键上单击，得到 B=376.60、 A=0.21448的系数 A和 B。单击“保存”按钮，将“结果”保存下来，“目录存储”是“数据存储格式文件”。进入光谱分析软件的主控界面，在屏幕的左下方单击“测量模式”按钮，选中前方标准汞灯的校准文档，接着进行波长检测，光谱分析软件界面变为以横轴作为波长值的状态。因为光谱仪的光谱是340nm至800nm的可见光，所以在设定横向坐标轴的数据时要特别注意。[4]

八、输入量的标准不确定度

（一）波长示值误差的测量结果不确定度

在可视化光度计检定过程中，对检定结果产生影响的因素众多，使得检定结果出现明显的不确定性，主要包含测量仪器，测量方法，测量环境；人员操作失误，被检设备的变化。检定结果不确定性，运用直接比较法分析，应首先忽视外部因素，并依据有关的测量规范和要求，科学设定环境状况，保证员工的工作规范。波长标准值的不确定度在本试验中，利用可见光谱仪对上述两种类型的不确定度进行了测量，结果表明：通过对可视化光度计的校准流程的分析，指出了造成其不确定因素的主要因素是：仪器、方法、环境，工作人员的错误和被检查的仪器的改变。在运用直接比较法进行不确定度分析时，应忽略外因，按照相关的标准和要求进行；科学地设置环境条件，确保员工的工作标准。由于测量的不确定性和重复测量的不确定性，所以在可见光谱光度计的示值检定中存在着不确定性。

1、波长标准值的不确定度

在本试验中，利用可见光谱仪对上述两种类型的不确定度进行了测量，发现其不确定度为0.2nm，结果见（3）。

表1 對课件分光光度计波长的重复性、重复测量标准不确定度的测量结果（nm）

3、测量不确定度

上述各波长的检定结果均符合有关规范，而波长示值误差的不确定性既有计量装置本身的因素，也有仪器的反复检测所致。因此，在这一测量中，该方法的波长误差是0.06nm。

（二）透射比示值误差输入量的不确定度

通过对该测量方法和透射率示值误差校正模型的分析，得出了影响其不确定度的主要因素：仪表的性能，校准方式的合理性，环境的检测等。在检验过程中，采用了直接比较法，而不考慮测量方法的不确定性。在特定环境下进行检定，其不确定性会受到外界环境、操作人员的误操作、读数和被检测设备的变化等影响。由此可以看出，由于测量标准件的不确定性，使此次试验的检定结果存在着很大的不确定性。[5]

（三）对可见分光光度计波长进行检测

使用光谱系统在检测精度上与标准滤光片相当，但是由于操作简便、快捷，能够很好地替代常规检测标准，在保证结果精度的基础上大大的提高计量检定的效率。在对光谱系统进行校准后，可以对不明波长的可见分光光度计进行探测。选择上海精密仪器公司722型可见光谱光度计，开机，待机器完全加热后，将其调到红光区域。将采集到的纤维置于可见光谱仪中的试样槽中，进行入射光和光谱分析。光谱软件的光谱表明，所采集的光谱峰值为663.11 nm，其相应的可见光谱测量仪具有663nm的波长，通过计算得到0.11nm的展示值，其精度超过了1nm。此外，在相同的722型可见光谱光度计中，采用氧化锆过滤器进行了波长测定，结果显示峰为638nm，而氧化锆过滤器的标准值为638.2 nm，并用该方法得到了0.2nm的显示值。将光谱仪与传统的标准滤波器相结合，对同一722型可视分光光度计进行了对比，该方法具有与标准滤光器相同的检测准确度，且由于操作简单、快速，可以很好地取代传统的检测标准，并在保证测量准确度的同时，大大提高了计量检定的工作效率。

结语

由于可见分光光度计在食品、医疗、化工、冶炼等行业领域当中有着极为广泛的应用，为了确保其测量结果的精度和一致性，计量部分需要每年对分光光度计进行检定。本文旨在研制一套能测量光谱波长的光谱分析仪，在保证测量精度的前提下，有效地提高了仪器的工作效率。本文着重分析和探讨了由于可见分光光度计检定过程中出现的各种错误原因，并根据这些误差因素，给出了相应的处理方法，以便更好地进行检定，确保鉴定结果的正确性；这样才能得到更好的试验效果。