基于MEMS技术的微型分光光度计

　　1　引　言

　　分光光度计是一种重要的光谱分析仪器,在物理学、化学、生物学、医学、材料学、环境科学、化工、医药、环境检测、冶金、高分子等方面都有广泛的应用。该仪器集成了各学科领域的先进技术成果,尤其是伴随着MEMS技术的飞速发展,使得未来的仪器可以把微光学器件、微结构、微传感器、微致动器、信号处理器等集成在一起,能够对外界的各种物理、化学、生物等各种信号进行实时采集、处理、操作和控制的智能化信息系统[1]。微型分光光度计较传统的大型的分光光度计具有体积小、携带方便、价格低,易于家庭化普及等优点,尤其USB接口的采用,可以充分利用计算机的资源,为微型分光光度计的远程式、网络化、无线操作、实时动态在线监测、数据的共享等提供了广阔的应用空间。在生物技术、生命科学突飞猛进的今天,大量需要快速测量的任务涌现出来,如酶动力学反应、生化过程研究等,都为微型化分光光度计的发展提出了迫切的要求。微型分光光度计研制是在保证分辨精度、波长重复性、波长准确度的情况下[2],考虑系统的集成化、小型化,同时还需要对吸光度线性度有更高的要求。本文结合MEMS技术研制出了微硅片对准机构和采用微硅片狭缝微小型光谱仪,并对样品池的光学特性进行了一定的分析,通过理论分析被测介质的折射率对透射光强的影响,进一步测试和分析了折射率对透射强度、吸光度的影响。

　　2　系统的基本组成和关键技术分析

　　微型分光光度计是光、机、电、算一体化,结合MEMS工艺研制出的新型光电探测系统。本文中微型分光光度计采用的是后分光技术,便于全光谱实时分析和杂散光的有效抑制。由于采用微硅片狭缝具有平直性好、窄宽一致性好等特点,当强的复色信号光会聚于狭缝时,背景光弱的很多。因此,来自外界的背景光对测试结果影响很小,在进行测试时可以不需遮光,可以敞开样品室进行开放式测量,这给测量带来了极大的方便,同时也更适用于多样品池、流动池的分析与测量[3]。

　　2.1　系统的构成和基本工作原理

　　系统的组成如图1所示,可以分成四部分:第一部分是光源耦合系统,主要是把钨卤灯或氘灯光源发出的光通过透镜组,耦合到光纤中。第二部分是样品室分析系统,又称微流体分析系统,通过微透镜或自聚焦透镜把光纤传出的光进行准直,使其近似平行地透过被分析样品,之后再经过透镜耦合到光纤中。第三部分是光谱分析系统,主要是把样品池透射出来的光耦合到光谱分析系统中,并进行准直、色散分光、成像、数据处理等。系统的工作原理是基于朗伯2比尔定律(Lambert2Beer’s Law),其表达式如下[4]: