本發(fā)明涉及小型分析儀器中的光度測(cè)量，具體而言，尤其涉及一種分時(shí)順序出光led光源的多波長(zhǎng)光度計(jì)。

背景技術(shù)：

1、光度計(jì)不僅廣泛應(yīng)用于化學(xué)和材料研究實(shí)驗(yàn)室，還在生物、制藥、化學(xué)化工、食品、化妝品、環(huán)保監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。除此之外，在海洋環(huán)境調(diào)查和監(jiān)測(cè)、深海科考也有應(yīng)用。另外，海底石油勘探、輸油管泄露點(diǎn)和海底光纖保護(hù)層泄露點(diǎn)的故障勘察，都需要原位光度計(jì)或原位光度傳感器。

2、現(xiàn)有的商品分光光度計(jì)或紫外-可見(jiàn)光度儀是采用紫外燈(氘燈/氙燈)+鎢燈的連續(xù)波長(zhǎng)光源，用光柵分光和狹縫出光，成為波長(zhǎng)可調(diào)的單波長(zhǎng)光源，用旋轉(zhuǎn)光柵的方式調(diào)節(jié)出光波長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)樣品池和檢測(cè)器，獲得吸光度值。這些裝置由于傳統(tǒng)光源的體積大、功耗高、怕振動(dòng)沖擊，而且需要光柵分光以獲得寬光譜范圍的掃描，因此難以實(shí)現(xiàn)小型化、低功耗化和野外應(yīng)用。

3、最早報(bào)道用led為光源的光度測(cè)量裝置是由三位新西蘭人h?flaschka,cmckeithan,r?barnes在1973年出版的anal,lett.,1973,6,585.上發(fā)表的論文“l(fā)ightemitting?diodes?and?phototransistors?in?photometric?modules”，之后有許多國(guó)家的科研人員陸續(xù)發(fā)表了用led為光源、硅光電二極管為檢測(cè)器的文章。從1995年開(kāi)始[amultiwavelength?photometer?based?on?light-emitting-diodes]出現(xiàn)了用多支led和陣列l(wèi)ed光源的專用光度計(jì)的研究報(bào)導(dǎo)。但是，這項(xiàng)技術(shù)直到近十幾年才獲得商業(yè)應(yīng)用，這一方面要?dú)w功于led器件質(zhì)量的提高和紫外led技術(shù)的成熟，另一方面是其價(jià)格的大幅下降。與傳統(tǒng)光源比，led的體積小、功耗低、光強(qiáng)波動(dòng)噪音小、壽命長(zhǎng)。在已有的學(xué)術(shù)報(bào)道和專利技術(shù)中，用led為光源的光度計(jì)主要是應(yīng)用在專用領(lǐng)域，專利號(hào)分別為jp2021082610、jp2019506607a、jp2021139908a、jp2021139907a以及jp2021139906a公開(kāi)了如便攜式全血血紅蛋白參數(shù)、全血膽紅素參數(shù)、葡萄糖和乳酸濃度測(cè)量?jī)x，專利號(hào)為cn216386741u的專利公開(kāi)了污水中特定污染物測(cè)定、蔬菜中指定農(nóng)殘的測(cè)定、以及專利號(hào)為cn109709040a公開(kāi)了采用微流控芯片檢測(cè)等。上述應(yīng)用中通常需要配合顯色試劑來(lái)與被測(cè)組分發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生有色物質(zhì)，用給定波長(zhǎng)光度計(jì)進(jìn)行定量測(cè)量。這類應(yīng)用中通常采用1至7顆不同波長(zhǎng)的led，例如專利號(hào)cn114460022a和cn109709040a公開(kāi)了用光柵或移動(dòng)led進(jìn)行波長(zhǎng)選擇；也有用分別點(diǎn)亮不同波長(zhǎng)led、同時(shí)選擇合適的濾光片來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)出射光波長(zhǎng)的選擇，測(cè)量該波長(zhǎng)的吸光度；還有用多個(gè)獨(dú)立測(cè)量池，每個(gè)測(cè)量池用獨(dú)立的led和光探測(cè)器。

4、由于單色led發(fā)射的光波長(zhǎng)λ具有大約±15～20nm的波長(zhǎng)分布，因此在需要窄帶波長(zhǎng)的應(yīng)用場(chǎng)合，往往采用光柵+狹縫、或者窄帶濾光片來(lái)限制帶寬。但是這種應(yīng)用場(chǎng)合主要在實(shí)驗(yàn)室中。在實(shí)驗(yàn)室外的各類應(yīng)用場(chǎng)合，如便攜、在線、原位檢測(cè)等，往往對(duì)檢測(cè)靈敏度、重復(fù)性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性有較高要求，同時(shí)還要求低功耗、耐受振動(dòng)沖擊和電磁干擾，而對(duì)出射光源的帶寬要求不高。這是因?yàn)榻^大多數(shù)組分的吸光度-波長(zhǎng)特性都不是尖銳的峰，而是比較寬的峰，所以監(jiān)測(cè)這類組分并不需要窄帶寬。

5、對(duì)于需要適應(yīng)較寬環(huán)境溫度變化的應(yīng)用場(chǎng)合，現(xiàn)有的主流技術(shù)是用1只硅光電二極管(pd)監(jiān)測(cè)1只led的出射光強(qiáng)度變化并進(jìn)行補(bǔ)償，使led的輸出光強(qiáng)穩(wěn)定。但是，由于pd的響應(yīng)值也受溫度的影響，因此這種補(bǔ)充方案只是降低了溫度變化對(duì)led出射光強(qiáng)的影響，不能充分補(bǔ)償。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、根據(jù)上述提出的技術(shù)問(wèn)題，提供一種分時(shí)順序出光led光源的多波長(zhǎng)光度計(jì)。本發(fā)明采用led陣列替代傳統(tǒng)的紫外燈及鎢燈為光源，既不用光柵分光也不用濾光片選波長(zhǎng)。采用從深紫外至近紅外的多只單波長(zhǎng)led組合(通常需要用26只不同波長(zhǎng)的led組合)來(lái)實(shí)現(xiàn)不間斷寬光譜光源，可測(cè)量從深紫外至近紅外波長(zhǎng)分布的光度值。通過(guò)每次只點(diǎn)亮其中1只led獲得帶寬～30nm的單色光，用順序點(diǎn)亮-熄滅led的方式實(shí)現(xiàn)寬光譜范圍的波長(zhǎng)掃描，利用led(i)熄滅后延遲δt時(shí)間內(nèi)采集本底光，扣除led(i)點(diǎn)亮?xí)r間δt內(nèi)測(cè)量的該波長(zhǎng)吸光度值，可以實(shí)現(xiàn)明場(chǎng)檢測(cè)吸光度。此外，因?yàn)閘ed在恒流狀態(tài)下，其出光強(qiáng)度e與led的結(jié)溫度temp相關(guān)[e＝fledi(temp)]，光探測(cè)器件的響應(yīng)值s也與溫度有關(guān)[s＝fd(temp)]。本發(fā)明還能夠?qū)ed溫度和光探測(cè)器溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和響應(yīng)值校正，因此提高了對(duì)環(huán)境大幅度溫度變化的耐受能力和測(cè)量精確，可用于寬溫度范圍的野外環(huán)境。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：

3、一種分時(shí)順序出光led光源的多波長(zhǎng)光度計(jì)，包括：led線光源陣列、導(dǎo)光棒、出射光窗口、樣品池、接收光窗口、光探測(cè)器、密封外殼以及電路部分，其中：

4、所述led線光源陣列設(shè)置在所述導(dǎo)光棒的側(cè)面并貼近所述導(dǎo)光棒；所述導(dǎo)光棒的出光端面貼近所述出射窗口；所述出射窗口和所述接收光窗口之間設(shè)置所述被測(cè)樣品池；所述光探測(cè)器設(shè)置在所述接收光窗口的后部；

5、所述電路部分包括前置對(duì)數(shù)放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、采樣和濾波電路、本底扣除電路、時(shí)序控制電路、led線光源陣列驅(qū)動(dòng)電路、led基板溫度測(cè)量電路、光探測(cè)器溫度測(cè)量電路、響應(yīng)值數(shù)據(jù)校正電路以及接口電路，其中：

6、所述led線光源陣列驅(qū)動(dòng)電路對(duì)所述led線光源陣列中的各個(gè)led進(jìn)行分時(shí)順序點(diǎn)亮-熄滅，被點(diǎn)亮的led發(fā)射的光通過(guò)所述導(dǎo)光棒導(dǎo)出，分別經(jīng)過(guò)所述出射光窗口、所述樣品池中的介質(zhì)后，進(jìn)入所述接收光窗口并到達(dá)所述光探檢測(cè)器，經(jīng)過(guò)前置對(duì)數(shù)放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、采樣和濾波電路以及本底扣除電路，得到無(wú)校正吸光度信號(hào)i和本底光信號(hào)ib；所述led基板溫度測(cè)量電路和所述光探測(cè)器溫度測(cè)量電路將所測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)傳輸給響應(yīng)值數(shù)據(jù)校正電路，用來(lái)分別校正溫度對(duì)led的發(fā)光強(qiáng)度、光探測(cè)器靈敏度的影響，使測(cè)量數(shù)據(jù)在寬的溫度范圍內(nèi)得到校正；所述采樣和濾波電路、所述本底扣除電路、所述led光源陣列驅(qū)動(dòng)電路、所述響應(yīng)值數(shù)據(jù)校正電路以及所述接口電路均通過(guò)所述時(shí)序控制電路控制時(shí)序；

7、所述密封外殼用于屏蔽外部的背景光和灰塵進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，以保護(hù)上述光學(xué)器件和電路。

8、進(jìn)一步地，所述led線光源陣列包括n支不同波長(zhǎng)led組成的線陣列光源，n≥4，且led發(fā)射波長(zhǎng)不受限制，取決于led的產(chǎn)品性能，其中：

9、當(dāng)n≤8時(shí)，led一字排列焊接在1條鋁基pcb板或普通pcb板上，led出光面貼近所述導(dǎo)光棒并與所述導(dǎo)光棒完全平行，使led出射光盡可能多地進(jìn)入導(dǎo)光棒中；

10、當(dāng)n>8時(shí)，led被分成2條led光源陣列條，且2條led光源陣列條分別從所述導(dǎo)光棒側(cè)面的2個(gè)面貼近所述導(dǎo)光棒；

11、當(dāng)n≥20時(shí)，led被分成4條led光源陣列條，且4條led光源陣列條分別從所述導(dǎo)光棒側(cè)面的4個(gè)面貼近所述導(dǎo)光棒。

12、進(jìn)一步地，所述led線光源陣列中的led均由led線光源陣列驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)順序點(diǎn)亮或熄滅，其中：

13、所述led線光源陣列中的每支led被點(diǎn)亮并持續(xù)一段時(shí)間δt后熄滅，保持δt時(shí)間；然后點(diǎn)亮下一支led，持續(xù)δt時(shí)間后熄滅，保持δt時(shí)間后，再點(diǎn)亮第三支led，余此類推，直到第n支led被點(diǎn)亮δt時(shí)間后熄滅，并保持δt時(shí)間，至此完成一個(gè)多波長(zhǎng)出光周期，所用時(shí)間為tc。

14、進(jìn)一步地，所述led線光源陣列中l(wèi)ed光源陣列條發(fā)射出的光進(jìn)入所述導(dǎo)光棒后，光向所述導(dǎo)光棒的兩端傳輸；所述導(dǎo)光棒的一個(gè)端面是出光面，另一端面設(shè)置有反光鏡，反光鏡將端面的出射光反射回所述導(dǎo)光棒，使其從出光面出射，增強(qiáng)出射光強(qiáng)度。

15、進(jìn)一步地，所述導(dǎo)光棒用于將靠近導(dǎo)光棒側(cè)面的led光源陣列條發(fā)出的光導(dǎo)向同一個(gè)出光面，所述導(dǎo)光棒的側(cè)面和端面都是光學(xué)平面；所述導(dǎo)光棒由透明的光學(xué)材料制成，透明的光學(xué)材料包括透明高分子材料或透明無(wú)機(jī)光學(xué)材料，透明高分子材料包括pmma、聚碳酸酯；透明無(wú)機(jī)光學(xué)材料包括光學(xué)玻璃、光學(xué)石英玻璃或透明光學(xué)陶瓷；導(dǎo)光棒的橫截面形狀包括三角形、矩形或多邊形。

16、進(jìn)一步地，所述導(dǎo)光棒的出光軸線與所述出射光窗口的軸線以及所述接收光窗口的軸線同軸，使出射光通過(guò)所述樣品池后的光信號(hào)盡可能多地到達(dá)所述接收光窗口，最后被所述光探測(cè)器檢測(cè)；

17、進(jìn)一步地，所述出射光窗口的軸線與所述樣品池的入口軸線相交，夾角為α；所述接收光窗口的軸線與所述樣品池的軸線相交，夾角為180°-α，兩個(gè)窗口之間設(shè)置一個(gè)用光反射材料制成的管，管內(nèi)充滿被測(cè)液體樣品；出射光以α角度射入被測(cè)樣品溶液，照射到反光材料管內(nèi)壁，然后被全反射再次進(jìn)入被測(cè)樣品溶液中，并到達(dá)對(duì)面的管內(nèi)壁，如此多次反復(fù)，直到從管出口位置被所述接收光窗口接收以及被所述光探測(cè)器探測(cè)；其中，反光材料包括ptfe-af或光反射層。

18、進(jìn)一步地，所述樣品池包括封閉空間或開(kāi)放空間，封閉空間包括比色皿、透明的液體管路或內(nèi)壁全反射的樣品池，開(kāi)放空間是將水密封外殼、出射光窗口和接收光窗口均沉浸在被測(cè)液體中。

19、進(jìn)一步地，所述光探測(cè)器、所述前置對(duì)數(shù)放大器、所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路以及所述采樣和濾波電路在時(shí)間δt內(nèi)測(cè)得吸光度值i、在δt時(shí)間內(nèi)測(cè)得背景光值ib；所述本底扣除電路依據(jù)吸光度值i和背景光值ib扣除背景光信號(hào)，得到校正后的吸光度值ir，校正公式為ir(i)＝i(i)-(ib(i-1)+ib(i))/2，其中，i表示第i只led。

20、進(jìn)一步地，所述led線光源陣列的基板上設(shè)置有l(wèi)ed基板溫度傳感器和所述led基板溫度測(cè)量電路；所述光探測(cè)器設(shè)置有光探測(cè)器溫度傳感器和光探測(cè)器溫度測(cè)量電路，數(shù)據(jù)均傳輸至所述響應(yīng)值數(shù)據(jù)校正電路；所述led線光源陣列的發(fā)光強(qiáng)度與光源溫度的關(guān)系fi(temp)以及光探測(cè)器的響應(yīng)值s與溫度的關(guān)系fd(temp)，均存儲(chǔ)在所述響應(yīng)值數(shù)據(jù)校正電路中，并對(duì)吸光度值進(jìn)行溫度校正。

21、較現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

22、1、本發(fā)明提供的分時(shí)順序出光led光源的多波長(zhǎng)光度計(jì)，采用led線陣列光源，每只led被順序點(diǎn)亮和關(guān)閉，任一時(shí)刻只有1只led被點(diǎn)亮，因此功耗極低。

23、2、本發(fā)明提供的分時(shí)順序出光led光源的多波長(zhǎng)光度計(jì)，能實(shí)現(xiàn)大光通量設(shè)計(jì)，因此靈敏度與使用傳統(tǒng)光源的商品光度計(jì)相近。

24、3、本發(fā)明提供的分時(shí)順序出光led光源的多波長(zhǎng)光度計(jì)，設(shè)計(jì)為順序出光，能采集本底光信號(hào)并扣除，可以實(shí)現(xiàn)明場(chǎng)檢測(cè)吸光度。

25、4、本發(fā)明提供的分時(shí)順序出光led光源的多波長(zhǎng)光度計(jì)，不需濾光片及光柵，大幅減小裝置體積和成本，同時(shí)提高耐受振動(dòng)沖擊的性能，提高長(zhǎng)期可靠性，適合便攜、野外和原位在線使用。