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【第二届网络原创大赛作品】光电倍增管与积分球

夕阳

2009/10/09

紫外可见分光光度计（UV）

前言：
在分光光度计中，一个是作为检测器用的光电倍增管，另一个是作为附件用的积分球，两者看似没有直接的联系，实际上，积分球的问世和使用正是弥补了光电倍增管在检测多样化样品时的自身缺陷。
而对于积分球检测器这种附件，许多仪器使用者了解甚少，甚至没有听说过。为此，本文针对这两者的关系做一简单介绍，以飨读者。
1．光电倍增管的使用：
光电倍增管英文名称是photomultiplier tube，简称PTM。在目前的一些双光束分光光度计中经常使用光电倍增管作为检测器。由于光电倍增管具有灵敏度高，噪声低及响应速度快的特点，所以被广泛地应用在许多光学仪器中作为检测器，这是众所周知的常识。

2．光电倍增管的结构：
光电倍增管有侧窗式和端窗式两种，在实际应用范围里又以侧窗式居多，因此、本文以R928型侧窗式光电倍增管为例加以介绍。
R928型光电倍增管有11个电极，分别为：1个光阴极（Ｋ），9个倍增极，也称打拿极（DY）和1个阳极（P）；外观图和内部图如图－1，图－2所示：

图－1、R928型光电倍增管外观图

图－2、R928型光电倍增管内部结构顶视图

3．光电倍增管的简单工作原理：
当入射的检测光信号（S/R）照射到光阴极（K）后，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子首先进入倍增系统的第一个打拿极DY1，然后通过进一步的二次电子发射，逐级通过其余的8个打拿极（DY2～DY9）而得到递增式的倍增放大；最后这些被多次放大后的电子被阳极（P）收集作为信号输出。图－3是R928电极排列及供电电路示意图：

图－3、R928电极排列及供电电路示意图

4．光电倍增管灵敏度特性的分析：
虽然光电倍增管有许多优点，但暇不掩玉，该器件自身也有两个致命的缺陷；
①灵敏度因强光照射（这也就是为何仪器在通电的情况下样品室盖子不能打开的原因）或因照射时间过长而降低，停止照射后又部分地恢复；鉴于光电倍增管的这种特性致使它随着使用时间的累加，灵敏度会逐渐下降（一般从长波长开始下降，俗称“红外紫移”）且噪声输出却逐渐加大，直至被弃用。我们把这种现象称为“疲乏效应”。
②光阴极表面各点的灵敏度不是均匀的，而是根据入射光束的输出变动而定。

对于第一个缺陷由于有个时间的累积过程，故负面效应在短时间内不是很凸显；但是对于第二个缺陷，却直接影响着不同样品的在线分析结果。于是就引出了一个关于光电倍增管灵敏度特性这样一个概念的分析。
侧窗型光电倍增管由于光电面（光窗）的弧形结构及电极的几何形状等原因，致使光阴极表面各个位置上的灵敏度是不均匀的，但是造成这种不均匀的原因不是光阴极表面本身，而是入射光束（或光斑）作用在光阴极光电面上不同的位置（locality）所致。形象地说，就是入射光束照射在光阴极表面上不同的位置会直接影响着阳极灵敏度的高低（即阳极输出电流的大小），这种特性关系见图－4所示：

图－4、光电倍增管的灵敏度特性

我们从上面示意图可以看到，入射光束作用在光电倍增管光电面上的位置不同会改变其输出的灵敏度；水平位置对灵敏度的影响最为明显，垂直位置其次。如果入射光束照射在光电面的水平方向的边缘时，甚至使检测器失去了放大功能，这也就是为何仪器在更换光电倍增管后需要仔细地调整管子与入射光束的垂直角度和高低的原因。如果有机会你会发现，许多仪器上的光电倍增管的光电面（光窗）不是与入射光束形成垂直0°度角，而是有个小小的偏差角度，其原因就是为了寻找检测器最佳灵敏度位置的结果。

5．不同测试样品对灵敏度的影响：
由于入射光束的强弱变化和检测器灵敏度的变化，故我们在使用分光光度计之前一般均要做基线校正，这是基本使用常识。
以双光束单检测器的仪器测试液体样品为例：在测试前，两个通道的比色池内均放置了溶剂调零或做用户基线扫描，注意：这时两个通道的各种误差（包括光强、折射率、光束照射在检测器光阴极上的位置的偏差）均得到了校正，然后再测试未知样品。如果样品的浓度及结构较为简单时，也就是说样品光束与先前作为校正用的溶剂的光束一致或相近时，测试结果是可信的（这也就是许多使用者经常谈到的吸光值在0.7Abs以下最适合的出处所在）；
可是当被测样品的浓度过高或结构较为复杂（例如浑浊样），此时样品光束的形状与溶剂光束的形状相差甚远，所测试的结果的可信度就会大大打折扣的；当样品结构过于复杂时（例如脑积液）几乎无法测试，不但结果不可信同时噪声还会加大。何况现在的分光光度计还不仅仅局限于测试液体样品呢？图－5就是各种样品光束的形状：

图－5、各种样品的光束
从上面示意图可以看出，通过空气的光束在检测器光阴极上形成的光斑面积最小，而光强最集中，故检测器输出的信号噪声也最小，这是因为光束没有受到任何样品的散射作用；而透镜类的固体样品所产生的光斑最大且有可能平移，光强较为分散，故会引起检测结果精度的下降及噪声的增大，这是因为光束受到样品的散射作用之故；固体样品的厚度越大，这种散射越严重。
结论：即使仪器的条件全部一致（光源、单色器、波长等），但由于样品的不一致，则作用在光电倍增管光电面上的光束的位置、面积、光压强也不一致。
众所周知，当今的分光光度计，不仅仅测试液体样品的透过率（或吸光度），而是还要测试固体样品的透射率，甚至固体表面的漫反射率。因此图－5所表示的传统的测光方式已经远远不能满足现代分析的需要了。对于浑浊的液体样品或某些固体样品的测试，则需要使用一种特殊的附件，那就是积分球检测器。

6．积分球检测器的构造和原理：
积分球附件其实就是一个特殊的检测器，它的英文名称是Integrating Sphere；其结构示意图如图－6所示：

图－6、积分球检测器结构示意图

从图－6中可以看到，积分球的外观确是个中空的球体，外壁由金属构成，内壁涂有扩散率很高的物质，如：硫酸钡(BaSO4)或诗贝伦(SPEKTRON)；硫酸钡涂层的积分球价格较便宜，等效透过率的基线平坦度Tλ稍差，但反射率(Pλ)较高，可达到 Pλ≥0.92；而诗贝伦涂层的积分球刚好与硫酸钡涂层的相反，它的基线平坦度Tλ更趋于平直，但反射率稍差，Pλ≥0.80。它的内径可以做到从几十毫米～几百毫米不等；但内径越大则价格也越贵。
沿球体的直径，对开两个圆口，一个为入光口、一个为反光口。入光口处可以放置液体或固体样品，以做透过率测试之用；这时、反光口处则要放置由氧化铝(Al2O3)制成的副白板作为扩射元件，如图－6所示；如果需要测试固体样品的反射率，则要将样品放置在副白板处，而副白板是否仍然需要继续使用，这就要视样品的性质而定了。如果样品完全不透明，则无需使用副白板；如果样品透明或半透明状，则一般仍需使用副白板，只是该白板要放置在样品的后面做衬底之用。
但是无论是测透射还是测反射，具有各向异性的样品光束在积分球体内进行全方位的漫反射,最后一个被平均化了的光信号被置于积分球底部（或上部）的光电倍增管接收并加以进一步的放大。这就是积分球检测器的简单放大原理。
这种积分球检测器的优点是克服了传统的单一使用光电倍增管作为检测器所产生的弊病，对于不同的样品光束的形状则无需再加考虑了，使光电倍增管的光电面接受的光束形状和位置几乎一致，最终使测试精度得以提高了。
图－6只是积分球结构和原理的示意图；实际上的积分球需要开两组窗口，每组两个光口，一个入光口，一个反光口，共四个光口。两组窗口可以互为垂直，也可以互为平行；一组窗口作为样品光束用，另一组为参比光束用。下面介绍实际的积分球的结构和用法。

精
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夕阳

第1楼2009/10/09

应助达人

7．积分球检测器的实际应用：
现在将一个内直径为Φ60mm的积分球的实例照片和光路图作为说明之用。图－7是这种积分球的外观图，图－8是光路示意图：

图－7、Φ60mm积分球外观图

图－8、积分球光路示意图

当需要测试液体样品的透过率时，比色池架安放在积分球入光口的前面，并且可以放置 10×10,10×20,10×30,10×40四种比色池子，另外也可以选择安放由2～4只10×10规格的比色池串接的池组；此时，样品测的反光口处只能安放副白板作为扩散用。这种测试方式见图－9所示：

图－9、测试液体样品的透过率

当要进行固体样品的透过率的测试时，需将比色池架取掉，此时在样品光束入口处可以放置厚度小于50mm的固体样品。这种测试方式见图－10所示：

图－10、测试固体样品的透过率

当要进行固体样品的透过率的测试时，需要将样品放置在样品侧的反光口处以进行漫反射的测量。图－11所展示的照片为对不透明的固体样品进行漫反射的测量状态：

图－11、测试固体样品的反射率

8．其他类型的积分球:
在某些专用的分光光度计上，例如可以检测光学器件的分光光度计，只能使用积分球检测器。此类仪器为了适应测试体积大的光学样品（例如照相机变焦镜头），故样品仓设计的很宽敞，因此所测样品无需放置在积分球附近。这种积分球外观如图－12所示：

图－12、专用积分球

目前在荧光分光光度计上，对材料领域中的固体样品、粉末样品做荧光量子产率的测定正在逐步被广泛使用。鉴于此、荧光用的积分球也问世了，图－13所示的照片正是这种积分球的外观图：

图－13、荧光用积分球

此外还有一种内径为Φ150mm的大型积分球，可用于高精度色彩分析；这种积分球的两组窗口不是互为垂直方向，而是互为平行方向；见图－14所示：

图－14、Φ150mm的大型积分球外观图

后记：十一长假无以去处但可静心，夕阳西下晚霞仍现，于是写下这篇小作权当给版友做消遣之用。文中理论性东西甚少而直观性内容较多，还乞望广大仁智者见谅呦！

0

精
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快乐

第2楼2009/10/09

应助达人

这样好东东，应该支持一下。图文并茂，真的不错

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vanvan

第3楼2009/10/09

大师的大作，
先占个位置来，
等下来细看

0

tutm

第4楼2009/10/09

厉害！有这么多积分球！

想问一下用积分球做荧光测试，应该要脉冲光源吧，否则激发光和发射光会不会一锅端地测进去？普通硫酸钡的积分球能用于荧光测试吗？

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夕阳

第5楼2009/10/09

应助达人

回答tutm先生：
（1）氙灯光源不一定用脉冲方式的。根据各个仪器的现状“随遇而安”吧。
（2）我在文中展示的的荧光用积分球的照片就是内壁涂有硫酸钡材料的。

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tutm

第6楼2009/10/09

第二个问题清楚了，谢谢！
第一个，我想不用积分球时，固体样品表面与激发光成一定角度，避免被直接反射发射光（荧光）检测器；但是，使用了积分球，激发光射在固体表面被散射后都还在积分球内，这样不会强烈干扰发射光的检测？
anping 发表:回答tutm先生：
（1）氙灯光源不一定用脉冲方式的。根据各个仪器的现状“随遇而安”吧。
（2）我在文中展示的的荧光用积分球的照片就是内壁涂有硫酸钡材料的。

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山羊

第7楼2009/10/10

专业，不错的内容

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老多_小多

第8楼2009/10/10

接触的少，积分球都不是很认识，还奇怪它怎么叫积分球，不叫什么检测器呢

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peilun

第9楼2009/10/10

wonderful 实在是太精彩啦！

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ImFarmer

第10楼2009/10/10

楼主受累，图文并茂，生动，值得学习

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