主题：【第六届原创】【找批版】分光光度计暗电流对分析测试的影响。

背景：

        前几天到一个电厂做一个751GD的培训。到了之后，发现氘灯不亮。最后，发现是保险丝坏了。客户说，仪器安装后，由于不会使用，半年来一直闲置。其实，客户的不会使用，就是因为氘灯不亮（使用259nm），所以无法调节。仪器在保修期，而且，未付经销商款。然后，我就开始调仪器，满以为调好了，给客户讲解时，发现使用紫敏管时，不能调节透过率0%。

        当我用紫敏管，推入暗电流拉杆，再按0%键，仪器会显示E0,按说明书是说暗电流过大！

        其实，关机---开机，红敏管和紫敏管得暗电流分别显示8.2%和10%。

        红敏是可以调节的，紫敏就显示E0。

        基本可以判断是紫敏光电管的问题了。

      不过，当时更换不了。临时的解决方法是，用红敏管来调暗电流，再推入紫敏管使用。

      如果用红敏管调暗电流，再测紫敏管的暗电流，是3%T。

      客户是用标准曲线法，在259nm来测水质中的总氮（大概这样）。

        所以，我想看看，这3%的暗电流，对标准曲线法测样的影响。

题外话：

        虽然仪器标注是精科751GD，估计不是精科生产的，是其他厂家贴牌的。就像精科的722s，是棱光生产的。不过，好像棱光是精科的，不过棱光也用自己牌子出722s。我晕了。

另外，比较下上世纪90年代时的751GW，和现在的751GD，差不多，换汤不换药吧。



因为751GD和751GW差不多，所以我们用751GW的结构，来先说明下仪器结构。

751GW的结构，如下面三个图。






一。透过率和吸光度的关系

我们简化一下，考虑一个如下的示意图1。



光源产生的光经过单色器，通过仪器波长设置，即可产生所需的波长。

单色光通过比色皿时的情况如下图：



图2的情况比较复杂，这里简化一下，假设单色光Pi通过比色皿，只被样品吸收（忽略反射和样品的散射），通过比色皿后光为Po。

简化后，考虑图3，图3中的b就是图2中的比色皿光程b。


图3中的P0和P分别代表入射光强和出射光强。

光的吸收：



仪器显示的透过率T为：



注，这里P，P0代表上图中的I,I0

分光光度计分析依据的是比尔定律：


ε是摩尔系数，b是光程，c是样品浓度。

根据光的吸收图，有



而A= -lg(T)，所以可以推得公式2.

实际上，分光光度计显示的透过率T和吸光度A之间的计算关系为：



式中，T为0~100的值，比如透过率为50%，T为50.

二。仪器直接测量的是T还是A？

图1中的光电转换器是测量的透过率还是吸光度呢？

列一下一些光电转换器的光电特性：



注：光电管特性图中的1，2曲线是对应不同的阴极材料。
光电池特性如下：



可以看出，光电池的短路电流和光强存在较强的线性关系。
所以，光电转换器大多都是工作在电流模式。

考虑大多数中低端分光光度计用的是光电池，我们用光电池来分析一下仪器的光电转换过程。

再贴一下图1.



图1中的放大器实际结构可能如下图5，具体电路可以参看图2-73：



电路中，光电池一般有两种接法：


光伏模式，光电转换线性好，比如分光光度计光度模式，只是测量单个波长处的吸光度时；光导模式可以实现较高的切换速度，比如扫描模式时，要考虑光电池的切换速度。当然，实际电路中，一般只会采用其中的一种，不会来回切换。

不管哪种情况，都可以简单的认为：光电转换的Uo = R*I，这里I为光电池短路电流Isc

设入射光强为P，考虑光电池特性 Isc = K1*P,

所以,Uo = K2*P .。K1,K2为系数，可以认为是常数。

至于图5中的滤波和主放大电路，也是要求保证工作在线性状态。

所以，图5中的信号处理处的信号U，可以简单的认为是
 
U = K*P ，K为常数，P是光强。

因为T = P/P0,所以，仪器直接测试的是T。

这个U通过数模转换，变为数字信号，记忆下来。可以参看图2-68。

暗电流调节时，此时电压U记为U暗，一般不为零，对应T暗，仪器记下这个值，并显示0%T。

如果移入参比溶液，此时U记为U0,会有对应的一个透过率T0，仪器自动执行T0-T暗，记忆下来，并显示100%T。

再测其他样品时，仪器都会执行T-T暗的操作，假如，我们不调暗电流，仪器就不执行T-T暗。

而由于仪器是利用公式3来算A的，所以可能会存在问题，这个在后面会说明。


至于参比调百后，样品的值，是这样。

如果再移入样品溶液，此时U为U1，

U1 = K*P1, P1/P0 = (U1）/（U0），T1/T0 = P1/P0 = U1/U0。(假设暗电流T暗为零)

因为T0设置为100%,此时T1就可以直接显示为xx%了。

对于吸光度A的计算。由于现在仪器都是采用的微处理器，如751GW使用的Z-80微处理器（z-80基本淘汰了，现在用的多是8051系列或者AVR，PIC单片机），可以通过对数运算，根据公式3直接算出，再送到显示单元。

如果是纯模拟电路，一般有个透过率T转换为吸光度A的对数转换电路。

如下图可以实现对数运算。


像精科的721，是在表头，直接刻度出来（721是直接放大GD-2型光电管的电流信号，然后送到电流型表头上，满刻度记得对应100uA）。
如下图：



总之，分光光度计直接测量的是透过率T，吸光度通过公式3计算，再写如下：



四。暗电流对测量浓度C的影响

现在开始进入正题：暗电流对测量浓度C的影响

暗电流：就是无光时，即图1中，P0=0时U的值，因为我们暗电流校正时，没校正前，仪器也显示一个小的透过率，我们设这个T为 T暗。


暗电流一般是光电池在无光时的电流信号，和图1中放大器在输入为零时的输出信号。

T暗，一般在仪器切换波长和样品浓度变化后，再测暗电流时不变化，所以简单认为T暗是个固定值。

而反应样品浓度的透过率会随浓度变化，满足公式2和公式3.

估算：

仪器计算吸光度的公式：


假设标准浓度C为：2,3,4,5,6,7，单位不计。

对应的理想吸光度为: 0.2000    0.3000    0.4000    0.5000    0.6000    0.7000，单位Abs  （考虑样品吸光度为0.434时最准）

根据公式3算得T对应的值为：

63.0957  50.1187  39.8107  31.6228  25.1189  19.9526，单位%。

也就是说，实际中，我测得是上述透过率，理想情况，仪器可以换算成上述理想吸光度系列。

考虑有暗电流的情况，T暗=3（即暗电流透过率为3%，经验值）

因为没有扣除透过率，T = T+T暗，T暗不随T的值变化而变化。

根据上面仪器测量透过率原理，

公式3变为：


浓度C：2,3,4,5,6,7，单位不计。
测得的T变化为（加上3%的暗电流）：66.0957  53.1187  42.8107  34.6228  28.1189  22.9526，单位：%
根据公式4算得A的变化为：0.1798    0.2748    0.3684    0.4606    0.5510    0.6392，单位：Abs
如下表一（C和A，相关系数：0.9999）


扣除暗电流，使用公式3



数据如表二(C和A，相关系数1)


根据表一和表二，绘制图形



如果样品透过率的值变得可以跟暗电流相比较时会怎么样呢？
如果对应浓度C：2,3,4,5,6,7，单位不计。
T值测得的对应值可以跟暗电流相比较（暗电流：3%，）如下图表三（T值是假设值，A值根据公式）。



注：表三是用表二中透过率T*0.2+3得出，然后根据公式4，算出A。(最小的是7%T，也就是样品产生的吸光度为4%，暗电流3%。)

表三中的C和A之间的相关系数是0.9988。

所以，如果实际测试时，浓度和吸光度，跟我假设的差不多，那不扣暗电流的话，曲线线性也可以，标准曲线法，估计没有什么问题。

也许大家觉得我是在做“白日梦”，我就站出来，让大家批判一下吧。

还有的不足就是没能进行实验。如果大家有条件可以试试。

因为不能扣暗电流，暗电流为3%。

所以这台仪器，计量局来检定，透射比准确度项。因为暗电流引起的误差就是3%，而07版的检定规程最大是2%，按说是过不了。

但是，由于检定方法中，用的最小波长是440nm，这台仪器可以用红敏管来顶替一下（虽然红敏是650nm~1000nm使用，但在440nm，红敏管转换T值，还是比较高的），就能过了，但是用紫敏管得话，基本就fail了。











公式10是对公式8的泰勒展开忽略三次及以上项上的近似，看表格四，误差很大，所以公式8不能用公式10近似，那公式11就更不能用了。

但是， 用公式8算出的A和C之间的线性很好，也许有其他的线性近似方法，或者我的推导就是错误的，或者我的逻辑就是错误的。

总之，我感觉我这里是很有问题的。

题外话：T和C之间的线性 





仅仅从公式上看，T和C之间，有线性的可能性。





对于一般的T有