高速分光系统的分析及仪器研制.docx

研究工作概要
长期以来,光谱分析仪器一直是科学研究、工业品质管理、环境、生物医学等领域不可缺少的分析手段,近年来,特别是随着分子生物学、医学诊断和环境检测等领域的迅速发展,光谱分析仪器和其分析方法更显示了其独特的作用和威力。但是,随着科学技术的发展,传统的分光光度分析仪己不能满足生化、环境、生命科学以及品质在线监测等领域的应用要求,这些领域一方面对光谱分析仪器的精度、可靠性、扫描速度、分辨率、杂散光等技术性能指标提出了更高的要求,同时要求仪器使用操作方便、小型化、具有自动智能化分析功能、对工作环境要求低等等。因此,光谱分析仪器还有待于不断地研究与开发,国内分析仪器领域正期待新型的集高性能、高速、小型、智能、高效于一身的光谱仪器面世。
本研究针对传统分光方法的不足和分析领域对光谱分析仪器的新要求,着重对分光系统及方法进行了研究,以高速、高性能、小型化分光系统为主要目标,提出了多通道高速分光系统方案,对多通道高速分光系统涉及的光学、光电技术、数据处理方法及技术、以及软件技术等问题进行了详细研究,重点对多通道高速分光系统涉及的:1)光源组合方法及光学元器件选择;2)光栅衍射多级重叠光谱的消除方法及技术;3)消象差平场凹面光栅高精度定位方法及技术;4)阵列探测器信号采集与接口技术;5)数据处理与软件设计技术等问题进行了深入研究和探讨,并提出了解决方案和措施。同时, 承担了上海市科委攻关项目:“小型超高速紫外可见光谱仪”(项目编号:011409011), 进行仪器系统样机的研制与开发。
通过对高速分光系统的研究和对“小型超高速紫外可见光谱仪”样机的研制与开发, 我们取得了以下主要成果:1)解决了在多通道高速分光系统中消除光栅衍射多级重叠光谱的技术难题;2)解决了应用消像差平场凹面光栅中的高精度定位问题;3)解决了阵列检测器的驱动、高精度信号采集处理与接口和软件设计等问题;4)研制开发了具有先进操作和数据处理分析软件的“小型超高速紫外可见光谱仪”样机,仪器不但具有小型、高速、高效和使用方便等特点,还具有独特的远程诊断和维护等网络功能。样机经过国家光学仪器质量监督检验中心测试,性能指标基本达到先进国家同类仪器水平, 经过中科院上海生物化学与细胞研究所等单位试用,获得肯定和好评,最终通过了上海市科委组织的技术鉴定。
本研究工作的创新成果:1)提出了消除多级光谱重叠干扰的方法和装置,解决了采用阵列检测器进行宽光谱高速测量中的关键技术问题。2)提出了采用激光和位置敏感探测器(PSD)进行精密测距和定位的方法和技术,解决了应用消象差平场凹面光栅中的精密定位技术问题。3)在国内首次研制成功光谱范围扩展到紫外200hm以下、 s、具有先进操作和数据处理软件和网络功能的高性能小型高速紫外可见光谱仪,填补园内空白。
第一章绪 论
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据美国国家标准技术研究院(N I S T)的统计,美国为了质量以证和控制、自动化及流j{!t!分析,每天要完成2亿5千万个检测,占国民生产总值(GN P)%,要完成这些检测,需要大量的种类繁多的分析和检测仪器。美国商业部国家标准局(N B s), 九十年代初评估仪器仪表工业对美国国民经济总产值(G N P)的影响作用,提出调查报告:仪器仪表工业总产值只占工业总产值的4%,但它对国民经济(G N P)的影响达到 66%。充分说明仪器仪表对国民经济有巨大“倍增器”和拉动作用。
钱学森院士认为:“新技术革命的关键技术是信息技术。信息技术由测量技术、计算机技术、通讯技术三部分组成。测量技术则是关键和基础。”,仪器测量技术是光、机、电、计算机、材料科学、物理、化学、生物学等学科和先进技术的高度综合的高技术, 仪器整体发展水平是国家综合国力的重要标志之一,也是国家高科技发展水平的标志。
在科学研究和现代化的国民经济活动中,分析仪器正发挥着越来越重要的作用,分析仪器被誉为科学家的“眼睛”,是产品质量监督检验及计量技术部门的“物质法官”, 是现代企业促进生产、提高劳动生产力、提升产品质量和市场竞争力的重要法宝。另一方面,分析技术和分析仪器应用的目益拓展,分析仪器有着比以往更为广泛的用途,涉及人类活动的方方面面,与人们的健康、生活与工作休戚相关,特别是近年来,由于农业、能源、信息、环境、材料、生物、医学等领域快速发展,对分析仪器的需求增长, 加上分析仪器技术发展使分析仪器更新换代的周期不断缩短,世界分析仪器市场销售额一直保持10%左右的年增长率,世界分析仪器事业呈现持续快速发展的态势。从技术发展角度来看,世界分析仪器技术正向光、机、电、算一体化、小型化、自动化、智能化和网络化方向发展。
我国的分析仪器水平严重落后于世界发达国家,长期以来,由于存在重引进轻研制、重国外轻国内的思想