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一、概述

赛默飞（Thermo Scientific）BioMate 系列分光光度计是一类高性能紫外–可见光分析仪器，其核心在于精密的光学系统。
光学系统是仪器的“视觉中枢”，它决定了波长分辨率、吸光度精度、杂散光水平和信噪比等关键指标。
BioMate 采用先进的双光束光路设计、全息光栅分光系统和高灵敏检测模块，在保证高稳定性的同时，实现了宽波段、高准确度的光谱测量。

要充分理解 BioMate 的性能优势，必须从其光学系统的结构组成、工作机理与工程优化角度进行系统性分析。

二、光学系统的总体构成

BioMate 分光光度计的光学系统由五个主要部分组成：

1. 光源模块（Light Source）

2. 入射与准直系统（Entrance & Collimation）

3. 分光系统（Monochromator）

4. 样品与参比通道（Sample/Reference Beam Path）

5. 检测器模块（Detector System）

此外，电子信号处理与反馈控制系统与光学模块协同运行，实现光强稳定与波长精确控制。

三、光源系统

3.1 光源类型

BioMate 依据型号不同，采用以下光源配置：

• 氙灯（Xenon Lamp）：单灯系统，覆盖 190–1100 nm，光谱连续、能量稳定，点亮即用；

• 氘灯（Deuterium Lamp）+ 钨灯（Tungsten Lamp）：双灯系统，分别用于紫外与可见光区，波段切换自动完成。

3.2 光源特性

• 氘灯：在 190–350 nm 区域发射连续谱，紫外强度高、稳定性好。

• 钨灯：发射范围 350–1100 nm，适合可见与近红外测定。

• 氙灯系统：无需切换，寿命长达 2000–5000 小时，热量低，噪声小。

3.3 光源设计优势

BioMate 的光源安装于独立密封腔体内，防尘防潮；
采用恒流稳压供电系统，确保光强输出均匀；
光源光束经透镜聚焦后入射分光腔，保证能量集中与方向稳定。

四、入射与准直系统

光源发出的光线经聚光镜、狭缝与准直透镜组后形成平行光。
此过程的作用包括：

1. 限定光束宽度与方向；

2. 减少散射与反射损失；

3. 提高光线的单色性与能量密度。

4.1 入射狭缝

入射狭缝宽度一般为 0.5–2.0 mm，可调节光谱分辨率与光强。

• 狭缝越窄，分辨率越高但光强降低；

• 狭缝越宽，光通量增加但分辨率下降。

BioMate 通过步进电机微控狭缝宽度，在不同测定模式下自动优化光通量。

4.2 准直镜组

采用镀铝或增强反射膜反射镜，反射率超过 90%。
镜面经精密镀膜处理，抗氧化性能优良，可长期保持反射效率。

五、分光系统

分光系统是光学核心，用于将复合光分解为单色光。BioMate 使用**全息光栅单色器（Holographic Grating Monochromator）**结构。

5.1 光栅原理

光栅通过规则刻线对入射光进行衍射，使不同波长的光以不同角度反射，从而实现波长分离。
BioMate 光栅刻线密度一般为 1200–1800 线/mm。
其反射式全息光栅刻线由激光干涉技术制成，表面无机械划痕，杂散光极低。

5.2 波长扫描机制

波长选择通过步进电机精密控制光栅旋转角度完成：

λ=2dsin⁡θ\lambda = 2d \sin \thetaλ=2dsinθ

其中，d 为刻线间距，θ 为衍射角。
角度变化引起波长变化，实现连续扫描。

5.3 光栅控制精度

• 步进分辨率可达 0.01 nm；

• 波长重复性优于 ±0.1 nm；

• 机械驱动系统采用反馈编码器，防止漂移。

5.4 双光束结构中的分光

分光后的一部分光线进入样品通道，另一部分进入参比通道。
双通道同步检测大幅提升基线稳定性，消除光源波动和电子噪声影响。

六、光路结构与双光束原理

BioMate 采用双光束（Double Beam）光学系统。

6.1 单光束与双光束对比

• 单光束：一次仅测样品光路，空白与样品需分开测定；

• 双光束：样品与参比同时测量，信号比值反映吸光度，实时抵消光强波动。

6.2 光路结构

光束经分光镜分成两路：

1. 一路经样品池（Sample Beam）；

2. 另一路经参比池（Reference Beam）。

两束光通过不同路径后同时到达检测器，电子系统实时计算比值：

A=log⁡10(I0I)A = \log_{10} \left( \frac{I_0}{I} \right)A=log10(II0)

其中 I0I_0I0 为参比光强，III 为样品光强。

6.3 优势

• 减少外界干扰；

• 改善信噪比；

• 长时间扫描时保持基线稳定；

• 实现多波长与连续动力学分析。

七、样品室与光通路径

7.1 样品舱结构

样品舱为光路中间环节，用于放置比色皿。
BioMate 样品舱具有以下特点：

• 模块化设计，可更换单比色皿架、多池位架或温控池；

• 光学窗材质为石英玻璃，透光范围 190–1100 nm；

• 内壁采用黑色防反射涂层，减少杂散光。

7.2 比色皿与光程

标准光程为 10 mm，也可选用 5 mm、20 mm 等规格。
光束从比色皿前窗入射，穿过样品后到达检测器，透射光强反映样品吸收程度。

7.3 自动池位切换

部分型号配有自动旋转比色皿架，支持多样品连续测定，系统可自动识别位置并记录编号。

八、检测器系统

8.1 检测器类型

BioMate 主要使用以下检测器：

• 硅光二极管（Silicon Photodiode）：响应速度快、稳定性高；

• 光电倍增管（PMT）（高端型号）：灵敏度更高，适合低浓度检测。

8.2 工作原理

当光线照射检测器表面时，产生光电流信号，其强度与入射光成正比。
信号经放大、模数转换（A/D）后输入主控单元，由软件计算吸光度或浓度。

8.3 性能指标

• 光度范围：0–3 A（部分型号可达 4 A）；

• 噪声水平：≤0.0003 A；

• 稳定性漂移：≤0.001 A/h。

九、电子与反馈控制系统

光学系统与电子控制系统协同工作。
光源电流、光栅位置、检测器信号均由中央处理器实时监控。

9.1 自动优化功能

• Auto-Balance：自动平衡样品光束与参比光束强度；

• Auto-Gain：自动调整检测器放大倍数，确保信号在线性范围内；

• Auto-Lamp Control：自动判断光源状态并执行切换或亮度补偿。

9.2 校准与稳定控制

系统内置波长与光度标准程序，可定期校正光学参数；
光源电流、环境温度、信号漂移均由算法自动补偿。

十、光学性能指标

这些指标综合反映了 BioMate 光学系统的高灵敏度与长期稳定性。

十一、光学系统的影响因素

11.1 光源老化

随着使用时间增加，灯丝衰减导致光强降低，应定期检测与更换。

11.2 光学元件污染

镜面、狭缝或光窗的污迹会造成散射光增加，需保持清洁。

11.3 光路偏移

由于震动或机械应力，光学元件位置偏移会引起信号不对称或波长误差。

11.4 环境条件

温湿度波动会导致光学材料膨胀收缩，引起微小漂移。
建议保持恒温恒湿环境。

十二、光学系统维护与校准

12.1 日常维护

• 每次测定后关闭光源，减少老化；

• 定期清洁样品舱与光学窗；

• 禁止用手直接触摸镜片或光栅表面。

12.2 校准流程

1. 使用钕玻璃或钬氧化物滤光片检测波长准确度；

2. 使用标准中性密度滤片验证光度准确度；

3. 执行系统内置的“Wavelength Calibration”与“Photometric Calibration”；

4. 记录校准日期与结果。

12.3 预防性维护

• 每 6 个月检查光源输出；

• 每年进行一次光学对准；

• 若环境湿度高，建议使用干燥剂防潮。

十三、BioMate 光学系统的技术优势

1. 全光谱覆盖：单灯系统实现 190–1100 nm 宽波段检测。

2. 低杂散光设计：全息光栅与防反射通道减少背景干扰。

3. 高分辨率控制：步进电机与反馈编码器确保波长精度。

4. 双光束补偿：实时修正光强波动与电子噪声。

5. 自动化算法：光源平衡、信号放大与基线调整均智能完成。

6. 紧凑模块化结构：光学元件布局紧密，抗震性强。

这些设计使 BioMate 在日常定量检测、动力学实验、光谱分析及生物样品测定中表现出优异的可靠性。

十四、典型应用实例

14.1 核酸与蛋白质分析

高精度紫外区光学系统保证 A260/A280 比值的准确测定，可精确计算核酸纯度与浓度。

14.2 化学比色反应

在可见光区（400–700 nm），光谱稳定性确保显色反应的线性检测。

14.3 酶动力学与反应监测

光通量高、信噪比优，适合微量酶活性测定及反应速率曲线绘制。

14.4 材料吸收特性研究

光谱分辨率高，能准确描绘溶液或薄膜的吸收峰形态。

十五、未来优化方向

随着光电子技术的发展，BioMate 光学系统仍在持续升级，未来改进方向包括：

• 引入固态光源（LED 阵列）以延长寿命、降低能耗；

• 使用非球面透镜与低色散玻璃提高聚焦性能；

• 应用智能自校正算法实现实时波长漂移补偿；

• 通过光纤传输技术实现远程采样与微量检测。

这些创新将进一步提升光学系统的智能化与灵敏度，使分光光度技术向更高层次发展。