一種雙操作模式的熒光分光光度計

A Double Beam Spectrofluorometer with Two Operating Modes

FANG Zhaolu, CHENG Lizhi

(Institute of Microwave, East China Normal University, Shanghai 20006 2, China)

　　Key words: spectrofluorometer; MCU; mode

1儀器的基本工作原理
　　物質在吸收光之后發射出波長較長的熒光。當光源輻射出的光束經濾光片后照射到樣品池上，樣品中的熒光物質吸收激發光后發生能量躍遷而發射熒光。熒光由大孔徑非球面鏡的聚光及光柵的分光色散后，照射于光電倍增管上，由光電倍增管將光信號轉換成電信號，電信號經放大和AD采樣后進行相關的計算即可獲取物質的熒光度。
　　所測得的熒光相對強度與熒光物質的本質(吸光能力、熒光效率)、熒光物質的濃度、入射光強度以及檢測器的放大倍數有關，上述關系可用下式表示：
　　　F=KIΦA
　　式中：F——熒光相對強度；K——與儀器增益(檢測效率)有關的常數；I——激發光強度；Φ——熒光物質的熒光效率；A——熒光物質的吸收光度。
　　當儀器的有關參數選定，且被測物質和介質條件確定后，所測定的熒光相對強度僅與熒光物質的吸收光度A成正比，因而可進行定性測試。對于不同的熒光物質具有不同的熒光光譜，只要進行發射光譜掃描，即可得到被測物質的熒光光譜特性。?

　　本文所介紹的熒光分光光度計主要有以下幾部分組成：主機，上位機，測控單元，外圍控制單元，打印及顯示單元。整機的系統框圖如圖1所示。
　　(1)主機以8051單片機作為主控單元，完成串行口和外部中斷的響應、對外圍器件的控制、AD采樣、顯示和打印以及對采樣數據的處理等。
　　(2)上位機是Pentium工作站，在CRT工作模式下通過RS232串行口向51單片機發送命令，51單片機接收命令后進行相應的操作并將結果返回給上位機，上位機對接收到的數據進行處理后進行顯示和打印。
　　(3)測控單元是本儀器的主要部分，完成待測物質的熒光激發、光電轉換以及電信號的放大采樣。它主要由光源、干涉濾光片、樣品室、發射單色儀、光電倍增管、放大和AD采樣電路組成。光源采用150W大功率汞燈，激發能量強；干涉濾光片有254nm、313nm、405nm、436nm和546nm等幾個波長可供選擇，對光源發射的光譜進行初次濾波，只讓某一波長的光通過；樣品室用來放置被測物質：發射單色儀采用1200L/mm凹面光柵和大孔鏡球面反射鏡，靈敏度特別高，用來對物質受光照后發射的熒光分光；光電檢測器采用高性能的光電倍增管，可獲得最佳信號噪聲比；光電倍增管輸出的電信號經過兩級運放LF353放大后送到12位模數轉換器AD574進行采樣，達到較高的精度。測控單元框圖如圖2所示。

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　　(5)打印和顯示單元包括Panasonic KX?P1121針式打印機、10個用于顯示數據的LED和10個用于標識當前狀態的發光二極管。?

　　本儀器的軟件主要包括上位機軟件和5l單片機軟件兩部分。其中上位機軟件是在Visual Basic 6.0環境下，利用其MSCOMM控件，實現與單片機之間的RS232串口通信、數據處理、圖形顯示以及打印機控制等，本文對此不作詳細介紹。51單片機軟件是軟件設計的主要任務，主要實現串行口和外部鍵盤中斷的響應、對外圍器件的控制、AD采樣、對采樣數據的處理、顯示和打印等。單片機軟件在KEIL uVision2環境下用C51語言設計實現。為了區別不同的操作模式和外部鍵盤命令，在軟件中設置于一些標識位。在主程序里根據不同的鍵盤編碼設置相應的標志位并進行相關的操作。
　　整個軟件由中斷服務子程序和系統主程序組成。中斷服務子程序包括串行口中斷服務子程序和外部中斷0服務子程序，其中串行口中斷服務子程序將讀到的命令存入串行口命令緩沖區，外部中斷0服務子程序完成對鍵盤編碼的掃描。系統主程序流程圖如圖3所示，主要包括開機自檢、系統初始化、CRT模式對串口中斷命令的響應以及MC模式下對外部鍵盤中斷命令的響應等。
　　(1)開機自檢包括轉動步進電機計算起始波長到終止波長之間的步數，算出1nm對應的電機步數，并對儀器的性能進行檢查，判斷故障原因并進行報錯。需要判斷的器件包括外部RAM、控制光柵變化的步進電機、控制光門的繼電器、用來定位的光電耦合器、AD574等。如果有故障出現，通過LED顯示錯誤序號進行報錯。
　　(2)自檢通過后系統將進行初始化，包括系統變量和各標識位的初始化、光電倍增管靈敏度的初始設置、定時器和串口波特率的設定、打開外部中斷并將工作狀態設置為默認的工作模式：MC模式。
　　(3)系統初始化完成后軟件循環判斷操作模式的標志位，若為CRT模式則讀取串行口命令緩沖區里面的指令，并進行相應的操作，最后將操作結果發送給上位機；若為MC模式，則讀取鍵盤編碼，并根據標識位判斷鍵盤命令進行相應的操作。

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　　儀器上電后將首先進行自檢，如果有故障則需根據故障序號進行排除，故障排除后重新上電自檢。自檢通過后進入默認的MC模式，如果想進入CRT模式，則按鍵盤上的模式鍵即可。在CRT模式下用戶可通過工控機上已安裝好的軟件進行測量，觀察測量結果并可保存結果或將結果打印輸出。該軟件界面友好，簡單易學，測量結果直觀。在CRT模式下按模式鍵將回到MC模式。在MC模式下，用戶通過鍵盤輸入數據或命令控制機器進行相應的操作，測量結果通過LED顯示并可進行打印輸出。在實際使用中，用戶可根據需求選擇不同的模式并可方便的在不同的模式之間進行切換。
　　這種可工作于雙操作模式的熒光分光光度計可用于多種領域，具有良好的市場前景。