基于FPGA和DSP的时间分辨荧光光谱测硼仪

　　0　引　　言

　　在现代农业中，准确测量硼元素的含量有着重要的意义。硼是植物生长的必需元素，其生理营养功能如下：促进体内碳水化合物的运输和代谢;参与半纤维及有关细胞壁物质的合成，影响膜的透性;促进细胞生长和细胞分裂;促进生殖器官的生长和发育;提高豆科作物根瘤菌的固氮能力[1]。因此，及时、精确地测定作物、土壤、营养液中硼的含量，采取合理的增硼措施对实现农业丰收具有重要意义。测量微量硼元素的方法有很多，如质谱法、原子发射光谱法、分光光度法和电化学分析方法等[2]，但是传统的方法需要事先对样品进行富集或分离，测量手续烦琐。时间分辨荧光光谱法是一种直接的测量方法，具有灵敏度高、选择性好、试样用量少和方法简单等特点，越来越受到研究者的重视。

　　1　时间分辨荧光光谱法基本原理

　　含有荧光物质的被测样品在特定波长的脉冲光源的照射下能产生荧光。根据被测荧光物质的激发光谱和发射光谱，确定合适的激发光和发射光的波长。通过单色器或者滤波片选择特定波长的荧光，照射在光电倍增管上产生电流信号，经过模拟信号调理、AD转换，从而得到荧光强度随时间变化的数据曲线。在一定范围内，荧光强度和荧光物质的浓度具有线性关系，通过测定荧光强度可以分析被测物质的特性。由于同时检测波长和时间2个参数进行信号分辨，消除了短寿命荧光和光源的影响，极大地提高了分析灵敏度[3]。硼元素能与多种有机络合剂生成有色络合物，在激发光照射下会发出荧光，故可以将时间分辨荧光光谱测量技术应用到物质中微量硼的测量。

　　2　系统整体结构

　　时间分辨荧光光谱仪的结构主要由脉冲光源、光路系统、光电倍增管以及电路系统组成[4]。标准硼溶液的激发光谱和发射光谱的峰值大概分别位于370nm和405nm，所以本仪器中选取的入射光滤波片为360～390nm的带通滤波片，发射光滤波片为400～410nm(以405nm为中心)的带通滤波片。

　　在一定范围内，荧光强度与激发光强度成正比，由于硼是微量元素，发射的荧光强度很微弱，所以需要强光源。本仪器采用氮激光器为脉冲光源，脉冲输出波长357.7nm，每个脉冲的能量大约2mJ，脉冲持续时间1μs;检测荧光的传感器通常有光电倍增管、光电二极管、CCD传感器，同样由于硼发射的荧光很微弱，所以选用灵敏度很高的光电倍增管作为光电转换器件，本仪器选用的是北京滨松的CR131，光谱响应范围宽(185～900nm)，最大响应波长为400nm，适合紫外-可见光的测量。

　　荧光信号强度和光源信号强度成正比，即同样浓度的物质在不同的激发光源下，产生的荧光强度不同。所以必须测量激发光和荧光才能测出物质的浓度。因此，时间分辨荧光光谱仪使用双通道采集，其中1个通道采集脉冲光源发出的激发光信号，另1个通道采集硼元素发出的荧光信号。时间分辨荧光光谱仪的整体结构如图1所示。