目前分析儀器微型化的浪潮洶涌澎湃,人們以極大的熱情投入到這個(gè)浪潮中。從世界各地的實(shí)驗(yàn)室里出現(xiàn)的原理型樣機(jī)看上去是如此的微小、簡潔和令人驚詫,有如此多的加工工藝可以應(yīng)用在微型器件的加工和組合上從非常昂貴的、在超凈房間才能使用的精密儀器設(shè)備和工藝到土法上馬、在普通房間就能操作的加工手段。它的前景是那樣的誘人,引無數(shù)英雄一試身手。
實(shí)驗(yàn)室使用數(shù)字示波器必須注意的要點(diǎn)
從1986年我**次聽說微型氣相 色譜儀 并看到相關(guān)文章,就認(rèn)定它是色譜發(fā)展的未來。1987年底我在荷蘭**次看到它時(shí),就下決心今生一定研究微型色譜,因?yàn)樗鼜挠^念上、認(rèn)識(shí)上打開了分析儀器微型化的大門。
真正開始研究微型氣相色譜(μ2GC)是在1992年的春天,從715萬元的經(jīng)費(fèi)和國內(nèi)無輔助加工條件的困難境地開始的。至今,科技部、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院、前國家教委、遼寧省科委和本單位對(duì)我們研究組在微型色譜儀方面的投入已有300萬,我們研制的微型氣相色譜儀已經(jīng)在2002年6月通過科技部的攻關(guān)課題驗(yàn)收。目前在國家自然科學(xué)基金委儀器研制專項(xiàng)基金的支持下,正在進(jìn)行陣列式微型液相色譜/電色譜的研究工作。10年多的科學(xué)實(shí)踐使我認(rèn)識(shí)到:要進(jìn)行色譜儀器的微型化,首先要對(duì)色譜儀器和色譜原理有十分深入的認(rèn)識(shí),不僅從化學(xué)上,更要從基本的物理知識(shí)、統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)、材料學(xué)、力學(xué)、數(shù)學(xué)、機(jī)械和 電子 器件制造 技術(shù) 上**認(rèn)識(shí);要對(duì)色譜儀器的每一個(gè)部件和零件的原理、材料、設(shè)計(jì)、尺寸等因素對(duì)部件或器件性能的影響有深入的定量的研究,以及它們對(duì) 整機(jī) 性能的定量影響。
在色譜儀器微型化過程中,尺寸的縮小不僅要考慮材料的性質(zhì)和制造上的可能,還要從原理上考慮尺寸縮小后所帶來的一系列問題。這些問題包括:(1)分離系統(tǒng)中被分配的分子個(gè)數(shù)是否大于106,因?yàn)橹挥写笥?06才能得到符合統(tǒng)計(jì)結(jié)果的數(shù)據(jù);(2)因分離通道尺寸縮小,自然提高了單位柱長的效率,但是總長度的減少可能使總分離效能遠(yuǎn)低于常規(guī)儀器;(3)對(duì)于質(zhì)量敏感型檢測器,經(jīng)過分離柱后單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)檢測器的分子個(gè)數(shù)是否滿足檢測原理所要求的*小數(shù)目;(4)對(duì)于濃度型檢測器,到達(dá)檢測池的分子數(shù)目是否能滿足符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律的分子數(shù)目;(5)檢測微區(qū)內(nèi)的外加能量密度是否超過被檢測分子所能承受的極限;(6)微量流動(dòng)相的輸送與控制;(7)因材料尺寸的縮小,表面層氧化或腐蝕對(duì)器件功能的影響。*后,色譜儀器微型化所帶來的好處不僅僅是單位長度分離效率的提高,而是總分離能力的保持甚至提高;不僅僅是分離系統(tǒng)或某個(gè)部件的微型化,而是整體的微型化;不僅僅是質(zhì)量靈敏度的提高,而是濃度靈敏度的保持或提高;不僅僅是能量和物質(zhì)的低消耗,而是使用的方便和友好;不僅僅是整體尺寸的縮小,更重要的是整機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性的提高!
下面分別討論上述問題。
(1)色譜分離的基本原理是有符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律數(shù)目的分子群經(jīng)過不斷的兩相分配和分子碰撞,利用其分配系數(shù)的差異來達(dá)到分離的目的。這是一個(gè)宏觀參數(shù)。當(dāng)分子數(shù)目低于這個(gè)數(shù)目時(shí),就會(huì)偏離統(tǒng)計(jì)規(guī)律而出現(xiàn)所謂的漲落現(xiàn)象。分子數(shù)目越少,漲落現(xiàn)象越嚴(yán)重。當(dāng)分子數(shù)目低于103個(gè)時(shí),已沒有準(zhǔn)確的色譜保留規(guī)律,因此也就失去了宏觀意義下的分離規(guī)律。一般地,保證符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律的分子數(shù)目是106個(gè)。
例如內(nèi)徑30μm的填充毛細(xì)管液相色譜(μ2HPLC)柱或毛細(xì)管電泳柱,若分別保持10萬/m和40萬/m的分離柱效,直接進(jìn)樣時(shí)不過載的進(jìn)樣量分別為40pL(1pL=10-12L)和115pL,分子總數(shù)分別是112×1012～112×1014和415×1010～415×1012。樣品中含量低至1～0.01μL/L(對(duì)μ2HPLC)或低至20～0.2μL/L(對(duì)CE)的組分就不能滿足106個(gè)分子的數(shù)目要求,分離過程中就會(huì)出現(xiàn)上述問題。所以,上述分離系統(tǒng)對(duì)濃度高于這個(gè)指標(biāo)的樣品分離時(shí)可以有重復(fù)的保留時(shí)間。如果考慮檢測方面的限制[參見下述的(3)和(4)>,痕量分析中用粗內(nèi)徑的填充色譜柱總是優(yōu)于微型色譜柱。
數(shù)字示波器因具有波形觸發(fā)、存儲(chǔ)、顯示、測量、波形數(shù)據(jù)分析處理等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，其使用日益普及。由于數(shù)字示波器與模擬示波器之間存在較大的性能差異，如果使用不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生較大的測量誤差，從而影響測試任務(wù)。
區(qū)分模擬帶寬和數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬
帶寬是示波器*重要的指標(biāo)之一。模擬示波器的帶寬是一個(gè)固定的值，而數(shù)字示波器的帶寬有模擬帶寬和數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬兩種。數(shù)字示波器對(duì)重復(fù)信號(hào)采用順序采樣或隨機(jī)采樣技術(shù)所能達(dá)到的*高帶寬為示波器的數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬，數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬與*高數(shù)字化頻率和波形重建技術(shù)因子K相關(guān)(數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬=*高數(shù)字化速率/K)，一般并不作為一項(xiàng)指標(biāo)直接給出。從兩種帶寬的定義可以看出，模擬帶寬只適合重復(fù)周期信號(hào)的測量，而數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬則同時(shí)適合重復(fù)信號(hào)和單次信號(hào)的測量。廠家聲稱示波器的帶寬能達(dá)到多少兆，實(shí)際上指的是模擬帶寬，數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬是要低于這個(gè)值的。例如說TEK公司的TES520B的帶寬為500MHz，實(shí)際上是指其模擬帶寬為500MHz，而*高數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬只能達(dá)到400MHz遠(yuǎn)低于模擬帶寬。所以在測量單次信號(hào)時(shí)，一定要參考數(shù)字示波器的數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬，否則會(huì)給測量帶來意想不到的誤差。
有關(guān)采樣速率
采樣速率也稱為數(shù)字化速率，是指單位時(shí)間內(nèi)，對(duì)模擬輸入信號(hào)的采樣次數(shù)，常以MS/s表示。采樣速率是數(shù)字示波器的一項(xiàng)重要指標(biāo)。
1.如果采樣速率不夠，容易出現(xiàn)混迭現(xiàn)象
如果示波器的輸人信號(hào)為一個(gè)100KHz的正弦信號(hào)，示波器顯示的信號(hào)頻率卻是50KHz，這是怎么回事呢?這是因?yàn)槭静ㄆ鞯牟蓸铀俾侍?，產(chǎn)生了混迭現(xiàn)象?；斓褪瞧聊簧巷@示的波形頻率低于信號(hào)的實(shí)際頻率，或者即使示波器上的觸發(fā)指示燈已經(jīng)亮了，而顯示的波形仍不穩(wěn)定。混迭的產(chǎn)生如圖1所示。那么，對(duì)于一個(gè)未知頻率的波形，如何判斷所顯示的波形是否已經(jīng)產(chǎn)生混迭呢?可以通過慢慢改變掃速t/div到較快的時(shí)基檔，看波形的頻率參數(shù)是否急劇改變，如果是，說明波形混迭已經(jīng)發(fā)生;或者晃動(dòng)的波形在某個(gè)較快的時(shí)基檔穩(wěn)定下來，也說明波形混迭已經(jīng)發(fā)生。根據(jù)奈奎斯特定理，采樣速率至少高于信號(hào)高頻成分的2倍才不會(huì)發(fā)生混迭，如一個(gè)500MHz的信號(hào)，至少需要1GS/s的采樣速率。有如下幾種方法可以簡單地防止混迭發(fā)生：
·調(diào)整掃速;
·采用自動(dòng)設(shè)置(Autoset);
·試著將收集方式切換到包絡(luò)方式或峰值檢測方式，因?yàn)榘j(luò)方式是在多個(gè)收集記錄中尋找極值，而峰值檢測方式則是在單個(gè)收集記錄中尋找*大*小值，這兩種方法都能檢測到較快的信號(hào)變化。
·如果示波器有InstaVu采集方式，可以選用，因?yàn)檫@種方式采集波形速度快，用這種方法顯示的波形類似于用模擬示波器顯示的波形。
2.采樣速率與t/div的關(guān)系
每臺(tái)數(shù)字示波器的*大采樣速率是一個(gè)定值。但是，在任意一個(gè)掃描時(shí)間t/div，采樣速率fs由下式給出：
fs=N/(t/div)N為每格采樣點(diǎn)
當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)N為一定值時(shí)，fs與t/div成反比，掃速越大，采樣速率越低。
公安機(jī)關(guān)備案號(hào)：
