實驗二：LED光源光譜定標(biāo),LED光譜測量實驗報告

本科學(xué)生綜合性實驗報告學(xué)號114090523姓名羅朝斌學(xué)院物電學(xué)院專業(yè)、班級11光電子實驗課程名稱光譜技術(shù)及應(yīng)用實驗教師及職稱羅永道副教授開課學(xué)期2013至2014學(xué)年下學(xué)期填報時間2014年6月10日云南師范大學(xué)教務(wù)處編印一．實驗設(shè)計方案實驗序號二實驗名稱LED光源光譜定標(biāo)實驗時間2014年6月5日實驗室同析三棟318實驗?zāi)康?、理解波長標(biāo)定的意義；

2、掌握波長標(biāo)定的方法；3、理解波長最大允許誤差和波長重復(fù)性的意義

；4、掌握檢定波長最大允許誤差和波長重復(fù)性的方法

。實驗原理、實驗流程或裝置示意圖JJG

178‐2007《紫外、可見、近紅外分光光度計》檢定規(guī)程，2007年11月21日經(jīng)國家質(zhì)檢總局批準(zhǔn)發(fā)布，并自2008年5月21日起實施。該規(guī)程對波長范圍190nm~2600nm，波長連續(xù)可調(diào)的可見、紫外‐可見、紫外‐可見‐近紅外分光光度計的首次檢定、后續(xù)檢定和使用中檢定做出了明確要求。規(guī)程首先將儀器的波長劃分為三段，分別是A段（190nm~340nm）、B段（340nm~900nm）、C段（900nm~2600nm）。按照計量性能的高低將儀器劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共四個級別。規(guī)程規(guī)定需要檢定的主要性能指標(biāo)包括波長最大允許誤差、波長重復(fù)性、噪聲與漂移、最小光譜帶寬、透射比最大允許誤差、透射比重復(fù)性、基線平直度、電源電壓的適應(yīng)性、雜散光、吸收池的配套性。

波長最大允許誤差波長最大允許誤差也稱為波長準(zhǔn)確度，是指儀器測定時標(biāo)稱的波長值與儀器出射的光線實際波長值（波長的參考或理論值）之間的符合程度，一般用多次波長測量值平均值與參考值之差（即波長誤差）來測量。波長準(zhǔn)確度的大小其實質(zhì)反映的是波長的系統(tǒng)誤差，一般由儀器裝置在制造中的缺陷或儀器沒有調(diào)整到最佳狀態(tài)而造成的，它對測量的準(zhǔn)確度有很大影響，特別是在對不同儀器的測試結(jié)果進(jìn)行比較時，波長準(zhǔn)確度顯得更為重要。檢定規(guī)程要求波長最大允許誤差應(yīng)符合表1要求。

表1

波長最大允許誤差(nm)

波長重復(fù)性波長重復(fù)性是儀器在相同測試條件下、一個極短的時間內(nèi)，對同一吸收或發(fā)射譜線進(jìn)行連續(xù)多次波長測量，測量結(jié)果的一致性。也稱波長精密度，即多次波長測試數(shù)據(jù)的符合程度。波長重復(fù)性一般用多次波長測試數(shù)據(jù)的離散性，即取波長最大允許誤差多次測試結(jié)果中的最大值與最小值之差來衡量。檢定規(guī)程要求波長重復(fù)性應(yīng)符合表2要求。表2

波長重復(fù)性(nm)

檢定原理波長最大允許誤差與波長重復(fù)性的測試一般都是對波長標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行波長多次測量。根據(jù)采用的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)不同，有多種測量方法，常用的波長標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)包括：氘燈（氫燈）、汞燈、標(biāo)準(zhǔn)玻璃濾光片、某些樣品溶液。

采用氘燈和汞燈的測試方法屬于輻射光源法，即采用具有特征發(fā)射譜線的元素?zé)舢a(chǎn)生的特征譜線來對儀器的波長進(jìn)行檢查，如汞燈、氘燈、鈉燈。由于他們發(fā)射的是線狀光譜，譜線的特征性強、準(zhǔn)確度高，因此作為波長準(zhǔn)確度的首選標(biāo)準(zhǔn)。氘燈或氫燈在紫外區(qū)具有連續(xù)光譜，可作為儀器紫外區(qū)的光源，而在可見區(qū)他們還有兩條分離的、強度比較高的特征譜線，如氘燈為486nm和656.1nm。這些譜線均可用于檢測儀器的波長準(zhǔn)確度和波長重復(fù)性。隨著儀器的自動化及微機化，氘燈特征峰常用于儀器初始化波長自動定位的基準(zhǔn)。

也可采用干涉濾光片或氧化鈥及鐠釹玻璃濾光片等標(biāo)準(zhǔn)濾光片來檢查，前者檢測時，應(yīng)注意將干涉濾光片按指定方向垂直置于光路中測定，后者在可見區(qū)和紫外區(qū)均有吸收峰，用來檢測儀器波長準(zhǔn)確度相當(dāng)方便，但必須注意使用條件必須與標(biāo)定這些吸收峰波長時的條件相一致，否則將引起較大誤差。如果選定不同掃描速度和帶寬，會使正常出現(xiàn)的吸收峰消失或錯位。一些稀土元素氧化物的溶液都具有明顯的吸收峰，因此可以用來檢測儀器的波長準(zhǔn)確度。氧化鈥溶液常用于紫外可見分光光度計準(zhǔn)確度的測定。由氧化鈥和高氯酸組成的溶液，在檢測范圍內(nèi)比氧化鈥濾光片有更多的吸收峰。采用氧化鈥溶液檢測儀器波長準(zhǔn)確度，也應(yīng)該注意選擇合適的檢測條件，尤其是帶寬。因為氧化鈥溶液特征峰很尖銳，儀器帶寬對測定值影響很大。對于波長重復(fù)性的表示方法，國內(nèi)外還沒有統(tǒng)一的規(guī)定，在各種儀器的說明書和有關(guān)資料中，計量標(biāo)準(zhǔn)不盡相同。

在檢定規(guī)程JJG178‐2007中重復(fù)性采用最大值與最小值之差，國標(biāo)JB/T

6778‐93、JB/T6777‐93及部分規(guī)程都采用的是最大值與最小值之差，故采用

計算。ASTM

E275采用標(biāo)準(zhǔn)偏差，標(biāo)準(zhǔn)偏差比較合理但需要至少7次以上的測試，現(xiàn)場檢定時間比較長

還有一種算法，每次測量值與平均值之差，取絕對值最大的，即

以上三種算法中，第一種算法對儀器要求是最苛刻的、最嚴(yán)格的。本實驗按照最新國家標(biāo)準(zhǔn)JJG

178‐2007采用第一種算法。注意，同一組測量數(shù)據(jù)，不同的計算方法重復(fù)性的結(jié)果是不一樣的。在進(jìn)行國內(nèi)外儀器指標(biāo)比對時應(yīng)尤其注意此點。

光度準(zhǔn)確度是吸光度測量的準(zhǔn)確程度，一般用透射比標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)實測吸光度值與其標(biāo)準(zhǔn)值之差（吸光度誤差）衡量。因為吸光度誤差在整個量程范圍內(nèi)的示值是非線性的，因此用吸光度表示光度準(zhǔn)確度時，必須指明其吸光度范圍。光度準(zhǔn)確度也可用透射比來表示，即透射比準(zhǔn)確度，一般用透射比最大允許誤差（實際透射比值與其標(biāo)準(zhǔn)值之差）來衡量。透射比最大允許誤差是一個反映儀器綜合性能的指標(biāo)，與波長準(zhǔn)確度、雜散光、儀器穩(wěn)定性等眾多因素有關(guān)。檢定規(guī)程要求透射比最大允許誤差應(yīng)滿足表3要求。表3

透射比最大允許誤差

(%)

光度重復(fù)性是在相同的儀器上、相同條件下，如儀器波長、光譜帶寬不變，在短時間對同一樣品進(jìn)行多次重復(fù)測定吸光度，所測得值的一致性。光度重復(fù)性是影響分析結(jié)果可靠性的最主要因素，是關(guān)鍵性技術(shù)指標(biāo)，一般用多次測量吸光度的最大值與最小值之差來衡量。如按同樣方式測得透射比，即為透射比重復(fù)性。檢定規(guī)程要求透射比重復(fù)性應(yīng)滿足表4要求。

表4

透射比重復(fù)性(%)

根據(jù)采用的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的不同，測試透射比最大允許誤差與透射比重復(fù)性的方法主要有兩類，即標(biāo)準(zhǔn)溶液法和標(biāo)準(zhǔn)濾光片法。常用的透射比標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)溶液為重鉻酸鉀的高氯酸酸性溶液，使用透射比標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)溶液時也必須按規(guī)定的條件配置和使用，這樣才能保證吸光度標(biāo)準(zhǔn)值。由于目前能得到的透射比標(biāo)準(zhǔn)濾光片大多是可見光范圍，一般用于可見光區(qū)，而重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液法主要用于紫外光區(qū)。如對可見光區(qū)，一般采用透射比標(biāo)稱值分別為10%、20%、30%的3片光譜中性濾光片，分別在440nm、546nm、635nm測定，具體的操作為：以空氣作參比，一次性將濾光片置于吸收池框架中，在上述每個固定波長下測定透射比標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的透射比三次，記下每片三次測量的透射比值，計算出儀器的透射比準(zhǔn)確度及重復(fù)性。三次測定的平均值與標(biāo)準(zhǔn)值之差即為透射比準(zhǔn)確度；3次測量的最大值與最小值之差即為透射比重復(fù)性。分辨率是指儀器對于緊密相鄰的峰可分辨的最小波長間隔，是衡量分光光度計性能的重要指標(biāo)之一。單色器輸出的單色光的光譜純度、強度以及檢測器的光譜靈敏度等是影響儀器分辨率的主要因素。新版檢定規(guī)程已取消分辨率要求，一般可用最小光譜帶寬來衡量。光譜帶寬指從經(jīng)過單色器后從出射狹縫出來的單色光的譜線輪廓曲線中峰高一半高度處的譜帶寬度。光譜帶寬可以表征儀器的光譜分辨率。光譜帶寬越小越好，儀器一般可通過調(diào)窄狹縫，使光譜帶寬變小，但是同時光源能量弱，可能影響儀器對信號的檢測，降低儀器的靈敏度。光源輝線或一些交尖銳的吸收光譜都可用于光譜帶寬的檢查。一般通過測定氘燈或汞燈等特征譜線的半峰寬獲得。具有氘燈的儀器，可直接測定656.1nm特征譜線；對于沒有氘燈的儀器，可選擇汞燈546.1nm或253.7nm特征譜線。選用汞燈時，應(yīng)先將汞燈裝入儀器光源室，使其光線入射到光源單色器入射狹縫。并把波長調(diào)到相應(yīng)特征譜線，如儀器具有波長掃描功能，直接掃描獲得特征譜線的圖譜，其半峰寬即為光譜帶寬。否則，應(yīng)先測出汞燈譜線中心波長所對應(yīng)的最大透射比，然后在中心波長兩側(cè)采取從較短波長向較長波長方向移動的方法，記下波長兩側(cè)透射比示值下

降50%時所對應(yīng)的波長值和，計算出和絕對值之差即為儀器光譜帶寬。對可變狹縫儀器可在最小狹縫處測量。檢定規(guī)程要求儀器的最小光譜帶寬誤差應(yīng)不超過標(biāo)稱光譜帶寬的±20%。

實驗設(shè)備及材料計算機、紫外‐可見光譜儀、LED燈實驗方法步驟及注意事項實驗方法步驟：在進(jìn)行光譜儀的性能檢定時我們不能使用儀器內(nèi)部光源，因此需要另外一臺光譜儀作為外部光源。

1、按照光譜儀使用說明連接光譜儀、打開管理軟件、設(shè)置參數(shù)。注意設(shè)置參數(shù)時需禁用光源。按照使用說明將另一臺儀器設(shè)置為外部光源。

2、采集光源光譜。將外部光源的出光口與光譜儀的采光口對齊放置。先按照使用說明調(diào)整參數(shù)，然后采集合適的光源光譜并保存數(shù)據(jù)。復(fù)制數(shù)據(jù)到“實驗二

光譜儀器主要指標(biāo)檢測（二）1.xlsx”中的“光源光譜V”欄。

3、保持步驟二中調(diào)整的參數(shù)不變。將鐠釹濾光片垂直置于光源與光譜儀中間。點擊“五幀循環(huán)采集”，采集到光譜數(shù)據(jù)。保存光譜數(shù)據(jù)，選擇其中兩組數(shù)據(jù)，分別復(fù)制到“實驗二

光譜儀器主要指標(biāo)檢測（二）1.xlsx”中的“吸收光譜V1”和“吸收光譜V2”中。

4、找到“實驗二

光譜儀器主要指標(biāo)檢測（二）1.xlsx”中“V‐V1”欄和“V‐V2”欄內(nèi)的最大值，再找到這兩個最大值對應(yīng)的值和。則為波長最大允許誤差；

5、重復(fù)上述過程獲得多組最大允許誤差（至少7組），將這些數(shù)據(jù)填入“實驗二

光譜儀器主要指標(biāo)檢測（二）2.xlsx”中的“波長最大允許誤差”欄中，系統(tǒng)自動計算得到波長重復(fù)性。

6、將得到的波長最大允許誤差、波長重復(fù)性填入檢定證書。

注意事項1、請分析影響積分時間的因素。

2、注意光譜儀光源不易長時間點亮。首先，長時間點亮光譜儀光源會降低其使用壽命；其次，光源點亮?xí)r泄露出來的紫外線對人體有害。

二．實驗報告采集校正數(shù)據(jù)初步采集數(shù)據(jù)1.0單幀采集：1.1五幀采集一1.21.1五幀采集二（2）最終采集數(shù)據(jù)校正：2.0單幀采集2.1五幀采集光譜定標(biāo)分析：2．對實驗現(xiàn)象、實驗結(jié)果的分析及其結(jié)論1.0實驗現(xiàn)象、實驗結(jié)果分析：(1)本次實驗采用手電筒做LED燈光源光譜分析，由上面的圖可以得到，本次實驗室成功的，而且通過五幀采集后，許多條線是重合在一起的，說明本次實驗很成功?。?）得到上述的實驗結(jié)果，雖然和標(biāo)準(zhǔn)的有一定誤差，這也許是和自然界的雜散光有關(guān)，我們可以關(guān)掉實驗室的燈和拉上窗簾來進(jìn)行測試，再次進(jìn)行LED燈光譜標(biāo)定。（3）我得到實驗結(jié)果后，進(jìn)行實驗誤差分析，進(jìn)行校正，得到跟理想的效果。2.0實驗總結(jié)：（1）本次實驗是成功的，我可以學(xué)到好多東西，實驗時我們要多分析，多動手。掌握好實驗步驟和方法