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浪潮中。從世界各地的實驗室里出現(xiàn)的原理型樣機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。
實驗室使用數(shù)字示波器必須注意的要點
從1986年我**次聽說微型氣相 色譜儀 并看到相關(guān)文章,就認定它是色譜發(fā)展的未來。1987年底我在荷蘭**次看到它時,就下決心今生一定研究微型色譜,因為它從觀念上、認識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、國家自然科學基金委、中國科學院、前國家教委、遼寧省科委和本單位對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)課題驗收。目前在國家自然科學基金委儀器研制專項基金的支持下,正在進行陣列式微型液相色譜/電色譜的研究工作。10年多的科學實踐使我認識到:要進行色譜儀器的微型化,首先要對色譜儀器和色譜原理有十分深入的認識,不僅從化學上,更要從基本的物理知識、統(tǒng)計熱力學、材料學、力學、數(shù)學、機械和 電子 器件制造 技術(shù) 上**認識;要對色譜儀器的每一個部件和零件的原理、材料、設(shè)計、尺寸等因素對部件或器件性能的影響有深入的定量的研究,以及它們對 整機 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)中被分配的分子個數(shù)是否大于106,因為只有大于106才能得到符合統(tǒng)計結(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低于常規(guī)儀器;(3)對于質(zhì)量敏感型檢測器,經(jīng)過分離柱后單位時間內(nèi)到達檢測器的分子個數(shù)是否滿足檢測原理所要求的*小數(shù)目;(4)對于濃度型檢測器,到達檢測池的分子數(shù)目是否能滿足符合統(tǒng)計規(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)的差異來達到分離的目的。這是一個宏觀參數(shù)。當分子數(shù)目低于這個數(shù)目時,就會偏離統(tǒng)計規(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)象越嚴重。當分子數(shù)目低于103個時,已沒有準確的色譜保留規(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)計規(guī)律的分子數(shù)目是106個。
例如內(nèi)徑30μm的填充毛細管液相色譜(μ2HPLC)柱或毛細管電泳柱,若分別保持10萬/m和40萬/m的分離柱效,直接進樣時不過載的進樣量分別為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μ2HPLC)或低至20～0.2μL/L(對CE)的組分就不能滿足106個分子的數(shù)目要求,分離過程中就會出現(xiàn)上述問題。所以,上述分離系統(tǒng)對濃度高于這個指標的樣品分離時可以有重復的保留時間。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、顯示、測量、波形數(shù)據(jù)分析處理等獨特優(yōu)點，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，會產(chǎn)生較大的測量誤差，從而影響測試任務。
區(qū)分模擬帶寬和數(shù)字實時帶寬
帶寬是示波器*重要的指標之一。模擬示波器的帶寬是一個固定的值，而數(shù)字示波器的帶寬有模擬帶寬和數(shù)字實時帶寬兩種。數(shù)字示波器對重復信號采用順序采樣或隨機采樣技術(shù)所能達到的*高帶寬為示波器的數(shù)字實時帶寬，數(shù)字實時帶寬與*高數(shù)字化頻率和波形重建技術(shù)因子K相關(guān)(數(shù)字實時帶寬=*高數(shù)字化速率/K)，一般并不作為一項指標直接給出。從兩種帶寬的定義可以看出，模擬帶寬只適合重復周期信號的測量，而數(shù)字實時帶寬則同時適合重復信號和單次信號的測量。廠家聲稱示波器的帶寬能達到多少兆，實際上指的是模擬帶寬，數(shù)字實時帶寬是要低于這個值的。例如說TEK公司的TES520B的帶寬為500MHz，實際上是指其模擬帶寬為500MHz，而*高數(shù)字實時帶寬只能達到400MHz遠低于模擬帶寬。所以在測量單次信號時，一定要參考數(shù)字示波器的數(shù)字實時帶寬，否則會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，是指單位時間內(nèi)，對模擬輸入信號的采樣次數(shù)，常以MS/s表示。采樣速率是數(shù)字示波器的一項重要指標。
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為一個100KHz的正弦信號，示波器顯示的信號頻率卻是50KHz，這是怎么回事呢?這是因為示波器的采樣速率太慢，產(chǎn)生了混迭現(xiàn)象。混迭就是屏幕上顯示的波形頻率低于信號的實際頻率，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?；斓漠a(chǎn)生如圖1所示。那么，對于一個未知頻率的波形，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;或者晃動的波形在某個較快的時基檔穩(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高頻成分的2倍才不會發(fā)生混迭，如一個500MHz的信號，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，因為包絡(luò)方式是在多個收集記錄中尋找極值，而峰值檢測方式則是在單個收集記錄中尋找*大*小值，這兩種方法都能檢測到較快的信號變化。
·如果示波器有InstaVu采集方式，可以選用，因為這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
每臺數(shù)字示波器的*大采樣速率是一個定值。但是，在任意一個掃描時間t/div，采樣速率fs由下式給出：
fs=N/(t/div)N為每格采樣點
當采樣點數(shù)N為一定值時，fs與t/div成反比，掃速越大，采樣速率越低。
公安機關(guān)備案號：
