便携式多功能比色仪的研制及试验

　　比色法广泛用于化学、临床医学、生命科学、食品、制药和环境监测等领域[1],尤其是在现场样品的快速定量分析中,一般采用分光光度计进行比色分析.但传统的分光光度计体积庞大,分析过程繁琐,不适用于现场快速分析;然而,市场上现有的便携式比色仪存在看波长单一、精度低、与PC机通信不便等缺点[2].

　　本文研制出一种便携式多功能比色仪,以MSP430单片机为主机,用发光二极管(LED)作为光源,引入一体化双层比色池的设计思路,从而实现了四波长同时测定.

　　1　仪器设计原理

　　吸收光度法是基于Lambert-Beer定律[3]而对光选择性吸收的1种分析方法.由Lambert-Beer定律可知:当一束平行单色光通过一定厚度的溶液时,溶液的吸光度(A)与溶液的浓度(c)成正比:

　　式中:K为系数;It/Io为透过率;b为样品厚度.通过测定吸光度可以测定出溶液的浓度.

　　2　仪器设计思路

　　2.1　整体结构

　　传统的比色仪光源大多采用钨灯,用光栅或滤光片得到窄带光,由光电管接收光信号,其结构较复杂,不利于设计成便携式仪器.本文采用新型长寿命小型化固体LED作为光源,不但功耗低且单色性好,使光路结构得到简化.另外,应用多功能低功耗MSP430型单片机[4]实现了比色仪便携、小型及多功能化的目的.所设计的比色仪整体结构框图如图1所示,由MSP430型单片机控制LED,透射光强由光电二极管探测,光电信号经处理放大后输入单片机内置A/D转换器,其结果再由单片机缓存和运算,最后输出至LCD屏幕或PC机.

　　2.2　双层样品池的设计

　　一些手持比色仪只有单个波长,无法进行多参数测定;还有些采用切换滤光片方法得到多个波长;少数以光纤耦合多个波长,但其价格昂贵.本文采用图2所示紧凑的比色池光路系统一体化设计,把光路系统各部分元件均装配到比色池座内,采取双层设计,实现了多路光源同时容纳,不需要机械转动切换和耦合,通过单片机控制实现对4种波长的测定这种紧凑的一体化设计既节省了空间,又使得用户无需再调整光路,使仪器的可靠性得到提高,且扩大了仪器的使用范围,提高了仪器的性价比.

　　此外,为了提高测定结果的重复性,在比色皿腔内的各接缝处设计小型橡皮圈或弹簧,用于固定比色皿,同时也可以防止震动,减小因外界震动对测定结果的影响;而且,各部分光学元件都可集成安装在几个小孔中,具有可拆卸的优点.由于其没有活动部件且具有4个波长范围,因此在稳定性、多波长测定等方面具有明显优势.

　　2.3　程序设计

　　为了有效提高仪器精度,在提高A/D精度、软件滤波和测定方法上进行了改进.