基于labview的虚拟仪器系统的激光诱导荧光光谱

文摘

我们报告的设计和操作的基于虚拟仪器的虚拟仪器(VI)系统2009激光荧光实验。这个系统达到同步控制的设备和采集数据的实时荧光与一台计算机通过GPIB、USB、RS232和并行端口。报道VI系统也可以实现数据显示、保存和分析,并打印结果。VI系统自动执行的操作序列,该系统已成功应用于获得的激励和色散光谱α甲基萘。研究人员报道VI系统开辟了新的可能性,提高实验的效率和精度。VI系统设计和操作的详细描述,和这个系统可以提供的优势突出。

1。介绍

激光诱导荧光(生活)是一种技术,依赖于测量的激发态荧光光致激发的结果。分子的激发来源生活通常是可调谐染料激光器,可以实现选择性激发和高分辨率。结合超音速喷气扩张技术,生活已经被用于研究分子激发态结构和分子的超快的动态系统1]。生活也已成功应用浓度的定量测定燃烧,等离子体,喷雾,和流动现象,在某些情况下观察到摩尔浓度水平(2]。

不像其他分析光谱技术,随时可用的商业光谱仪对样品检测包一切,实验室通常设计和设置生活实验仪器本身为了满足个人研究的需要。除了硬件安装,生活也需要同步和自动控制软件对激光功能,数据采集和仪器之间的通信3,4]。大多数实验室开发自制程序的实验使用不同的编程语言,例如Visual c++,虚拟仪器,Visual Basic,或Turbo Pascal,但基于文本的语言长期发展周期的缺点和困难在维护和扩张5]。倪虚拟仪器2009(美国国家仪器公司)是一个图形化编程工具,可以用来开发复杂的测量(6- - - - - -8)和控制(9,10使用直观的图形图标)系统和类似流程图的电线而不是写行文本(11- - - - - -16]。

本文开发的基于虚拟仪器的虚拟仪器系统2009年的生活实验。这个系统可以同时控制染料激光器和单色仪的扫描,分子泵的操作和数据采集。此外,它实现了实时数据处理和监控个人工具。应用此程序的生活光谱学检查α甲基萘本文所示。简单的修改这个程序适应不同生活设置也说明。

2。系统硬件配置

生活中有两种不同的光谱光谱,分散光谱和激发光谱。分散光谱得到固定的激发激光波长和荧光光谱进行了分析。在激发光谱,激光波长激动人心的一个更高的能量状态的分子是扫描和总荧光测量。信息可以获得较低的电子态分散光谱,而激发光谱显示参数(能量水平,结构信息,等等)的上层电子状态。

传统实验装置获得激光感应的荧光激发光谱和分散光谱图中描述1。样品蒸汽注入一个真空室,由真空的分子泵、机械泵,通过超音速喷气机。激发激光(探测光束)是由频率两倍Nd:染料激光器泵浦的掺钕钇铝石榴石激光器。探针光束交叉示例10到15毫米超音速喷嘴下游;自由基研究时,泵激光束传播整个示例靠近喷嘴和生成自由基。兴奋的荧光分子收集垂直探测光束的光学和成像在探测设备。激发光谱,总荧光检测到光电倍增管(PMT)和转换成电子信号,实时接收并显示在一个示波器(同步触发的Nd: YAG激光)。通用接口总线(GPIB)卡安装在计算机将示波器的数据传输到计算机通过GPIB接口,数据采集和处理由VI系统执行。同时,VI控制染料激光器扫描发送触发脉冲激光控制器通过计算机的并行端口。分散光谱的采集和控制过程是类似的激发光谱。 For dispersed spectra, the fluorescence signals are transmitted through a monochromator before being collected by the PMT. The VI system communicates with and controls the scan of the monochromator via the USB port in the monochromator. In addition, the VI system also communicates with the vacuum gauge via an RS232 port, and the system displays the in situ values of the vacuum. The VI system also builds up an interface to communicate with the operating program of the individual instruments (e.g., the dye laser and the molecular pump); specific operating programs are usually included with the instruments at the time of purchase.

3所示。编程

图2显示了VI系统的流程图执行生活实验和数据处理任务。它包含几个子vi,其中每一个执行特定的功能,包括数据采集和显示、数据处理,以及生成并保存结果。

有三个图标、激发光谱分散光谱,和数据处理,在首页的虚拟仪器系统,每个专用于一个特定操作或实验技术。当选择一个图标,对应的子vi程序将被激活,它将打开面板,可以执行特定的任务。编程中,一个事件结构对事件反应用于调用相应的子vi (17]。子vi开始时,事件结构等到预编译程序代码和任务执行完成后,然后事件结构返回到等待另一个事件。

3.1。项目激发光谱

来满足生活的需求激发光谱,荧光的激发光谱vi由数据采集、数据显示和保存,真空监测、与其他应用程序模块,通信和同步laser-wavelength-scan vi。

3.1.1。数据采集和处理

在实验中,荧光信号收集的PMT和转移到TDS3032B示波器。TDS3032B示波器支持GPIB接口与计算机通信接口是八位并行总线,提供高速数据传输和multiple-instrument控制(18]。详细的编程左上角所示平的序列结构的图3。我们调用通用接口总线写虚拟仪器的功能I / O工具函数设置示波器的GPIB地址并指定参数的数据转移的示波器,包括波形的一部分,用户想转让,波形来源,数据格式,每个数据点的字节数。然后,我们调用了通用接口总线读功能和相应的示波器的GPIB地址连接到通用接口总线读,也指定了函数从示波器读取的字节数。最后,我们称为函数节点数学模式,字符串子集,毁掉一维数组,和加入数据从示波器接收波形数据并显示在前面板原位波形图。数据从不同的示波器通道(CH1、CH2或双CHs)可以通过线路选择终端(在一个组合框)结构数据采集前。对于终端用户,可以很容易地完成上述过程从下拉列表中选择该频道在前面板(图4),点击获取按钮。

有两个连续的子程序在右上角图的结构3。左边的一个执行分析和处理荧光从TDS3032B示波器获得的数据在一个特定的激光波长。创建四个游标和属性节点将获取光标的水平轴位置波形图和定义门宽度。然后,我们使用了数组子集返回两个部分之间的荧光数据两套游标。前面板,用户可以直接拖动光标到他们想要的,或者他们可以简单地设置在光标传奇选择图上的门。积分数据的盖茨分别计算使用1 d数值Integration.vi,集成方法是梯形法则。两个门之间的差异计算积分为目的的背景减法。最后,荧光强度和当前波长被发送到XY图实时光谱显示。前面板的荧光激发光谱图所示4所示,选择盖茨是上部和光谱显示在下方。

数据处理完成后,尽快发送TTL触发下一步一步的染料激光器的波长。TTL vi,显示在右顺序图在图的结构3称Outport.vi在端口I / O,它指定一个平行端口地址发送触发脉冲,也定义了脉冲宽度。BNC电缆是由核心连接到指定的计算机并行端口TTL脉冲销,和外部屏蔽连接到地面销。因此,TTL信号可以被发送到计算机的染料激光器控制单元并行端口数据收集周期完成时,激光走到下一个扫描波长。设置起始位置,结束位置,激光波长扫描步长必须是相同的在我们的VI程序和激光控制软件。TTL vi是放置在一个比较结构。如果当前位置小于结束位置,比较函数将返回一个假值来初始化程序TTL.vi这将激光波长下开始一个新的数据采集和加工周期。如果当前位置大于或等于结束位置,真正的情况下给出了一个消息对话框显示数据采集(采集)完成。随后,数据可以被采用写表格文件和创建数组和二维数组转置节点。这个任务完成后,单击save按钮面板和荧光数据将根据输入的文件名保存。数据采集过程中可以随时停止再次点击获取按钮(如果用户想中断实验)。一个终止函数也是编程使用停止节点应用程序控制功能,这样用户就可以终止整个VI系统通过点击右上角Abort-Execution按钮(如图4)。为了方便起见,程序的帮助函数可以通过单击帮助按钮显示在前面板上。

3.1.2。真空监控和访问其他应用软件

程序的实时显示真空计左下并行循环图所示3。与真空计,沟通串行虚拟仪器的功能模板I / O工具可以选择。参数如VISA资源名称、波特率、数据位、奇偶校验签证配置串口根据真空计设置通信协议(19,20.]。的签证写函数发送命令字符到真空计和接收真空值作为回报。节点字符串的字节数组,字符串单精度浮点数、和索引数组将真空数据转换为所需的格式和显示面板上的值指标。

为了方便起见,VI系统设计接口与其他已经存在的应用程序为个人工具。激发光谱上的点击Access-Other-Programs按钮面板图4,用户可以选择应用程序通过浏览计算机磁盘。图5显示了子vi访问其他程序的框图。的浏览布尔命令连接到大写结构,其中包括一个文件对话框表达六世。应用程序可以选择当文件路径显示在前面板。当用户确认文件选择时,应用程序是通过激活系统Exec.vi小写的结构如图所示5。

3.2。项目分散光谱

分散光谱的改变程序的同步荧光采集与单色仪的波长扫描而不是染料激光器扫描。300年我单色仪用于我们的分散是一个泛光灯——生活实验λ3008光谱仪(北京Zolix仪器公司)。Omni -之间的沟通λ3008光谱仪和电脑通过USB接口实现在Omni -λ3008光谱仪。Omni -λ3008光谱仪是经营ZolixOmniSpecActiveX (OmniSpec;由厂家提供)。在虚拟仪器VI系统,我们调用一个ActiveX容器并创建了一个ZolixOmniSpecActiveX对象;一个自动化的开放在ActiveX自动化功能面板被调用时,它返回一个引用数量和允许的特定功能编程ZolixOmniSpec要访问的对象。属性节点ActiveX面板用于读取USB端口信息。Omni -λ3008光谱仪USB系列字符串是发现通过调用SearchZolixUSBDevice和GetZolixUSBSerial调用方法,然后字符串连接USBSerials属性节点。调用命令(开放和连接)是用于设置单色仪的连接状态,以及状态显示的布尔在前面板指示器。Omni -的初始状态λ3008单色器组件,如出口、光栅和当前波长,得到采用GetExitPort,GetCurrentGrating,和CurrentWave方法,分别。接下来,设置不同的参数根据实验的要求。这一步涉及到用户的输入的实验参数通过选择从下拉菜单中在前面板上。的SetExitPort和SetCurrentGrating在结构中返回到默认状态(这是设置为什么都不做)尽快给出的命令来避免OmniSpec循环发送控制命令。的提示用户输入功能对话框和用户界面被调用时,它提示用户输入一个特定的波长,波长随后被发送到终端的MoveToWave方法。在使用了MoveToWave方法,一个停止函数需要阻止光栅移动。操作面板和程序数据所示6和7。

类似的比较例结构是应用步骤中使用的单色仪扫描波长的光谱激发生活计划。相同的激发实验,一开始的位置,结束位置,单色仪扫描步长,荧光信号集成的大门将等待用户输入面板。执行前面板,开始数据采集,实时频谱将显示在XY图。使用保存前面板上的图标,实验数据可以存储在计算机通过写表格File.vi。一个自动化密切在VI系统断开USB编程接口Omni -λ3008年和释放系统资源分散光谱vi时关闭。

3.3。项目数据处理

数据处理子vi(图8)可以方便地重新显示和分析之前保存的数据(21,22]。这个vi可以自动完成波长校准、单位转换、峰值和带宽的频谱曲线。使用光标移动用户也可以检查每一个数据集,数据刷新图放大和减弱,图恢复工具。在VI设计,文件对话框函数将提示用户上传数据文件。的从电子表格读取File.vi和索引数组函数将x和y的波长和强度数据转换为数组,分别。波长单位转换实现的结构中,然后将处理过的数据发送到XY图表显示和保存写表格File.vi。谱图打印的实现是通过使用相关的报告生成功能。

4所示。应用程序

这里的VI系统报道已经使用的荧光光谱在我们实验室分子和自由基。a-methylnaphthalene如图的激发光谱4(在波长,海里)和图8(波数厘米⁻¹)。双重CHs是用于数据采集,一个研究荧光信号,另一个用于监控使用光电二极管激光功率波动。高分辨率和信噪比的光谱。获得的激发光谱是与以前报道的结果一致23,24与光谱起源在31767厘米⁻¹(314.80海里)。a-methylnaphthalene分散荧光光谱,如图6,是通过激动人心的最著名的乐队的波长310.70海里。分散光谱利用激励其他的乐队(306.50和314.80 nm)也获得了。光谱分析进行了理论计算和报告将在别处的帮助下(25]。

5。结论

一个VI系统基于虚拟仪器的生活光谱学2009了。VI系统集成了各种实验室设备和控制实验数据采集过程使用一台计算机通过GPIB、USB、RS232和并行端口。实现同步控制的设备和实时荧光数据采集。数据显示、保存和分析也可以使用报道VI系统来完成。此外,个别仪器和的VI系统可以监控运行真空和激光功率的实时变化。因此,用户可以及时判断、分析和处理现场信息,高分辨率和信噪比的分子或自由基光谱可以很容易地实现。我们的方法已经开发VI系统普遍使用的生活实验。本文中使用的工具,比如Nd: YAG激光(SureliteIII连续),染料激光器(NarrowScan,辐射染料),数字延迟发生器(DG535,斯坦福大学),示波器(TDS3032B美国泰克)和PMT (CR110滨松)是常用的在许多实验室。当使用不同的工具在一个实验中,用户只需取代通信方法根据相应的通信协议替代仪器或更改后的文件路径Access-Other-Program VI的指令提供的VI。VI系统用户友好的前面板窗口,操作方便。帮助和指导植入程序将帮助用户熟悉每个应用程序的步骤。

VI系统测试广泛应用于激发光谱的测定和分散的α甲基萘和令人满意的实验结果。VI系统促进和扩大个人仪器的功能,它是一个智能改善现有硬件实验室的来源。许多复杂的功能操作仅仅是完成按钮点击的VI系统。VI系统不仅避免了手动错误在单独的仪器控制、数据采集、数据处理,但保证了实验数据的准确性和可重复性,提高实验的效率。此外,VI系统具有广泛的可扩展性功能,少量修改可应用于不同的生活设置基于自动测量和控制。VI系统将根据要求提供。

确认

作者很高兴承认金融支持这项研究由中国国家自然科学基金(批准号20673013)。作者也承认资助的主要国家基础研究发展计划(批准号2007年为NCET cb815206)和计划。

引用

1. l .祖茂堂葛巴拉克利希南和t·a·米勒”,旋转的电子光谱得到解决$\tilde{\text{B}}-\; -\; -\; -\; -\; -\tilde{\text{X}}$在多个1-butoxy矫形器和过渡1-pentoxy自由基,”物理化学杂志》上,卷107,不。26日,第5201 - 5189页,2003年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. k·h·凯瑟琳“量化激光荧光:一些燃烧诊断的最新进展,“应用物理B Photophysics和激光化学,50卷,不。6,455 - 461年,1990页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. l . Zhang k·m·卡拉汉d·德比郡和t . s .种植“激光荧光光谱4-methylcyclohexoxy激进和perdeuterated cyclohexoxy激进和直接与氧气的反应动力学研究,“物理化学杂志》上,卷109,不。41岁,9232 - 9240年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. j·杨,x, d . j . Clouthier和r . Tarroni重原子硝酰自由基。三世。识别的Cl₂P = S自由基在气相激光光谱学和从头开始计算,”化学物理学报,卷131,不。20日,第204313 - 204307页,2009年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. h·孟、j·李和y . Tang”的设计和应用基于虚拟仪器的虚拟离子计8.0,“审查的科学仪器,卷80,不。8篇文章ID 084101 5页,2009。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. 美国Nuccio和c . Spataro”虚拟仪器测量不确定度的评估。”计算机标准和接口,23卷,不。1,39-46,2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. g . c . y . Chan和通用Hieftje”,虚拟仪器程序确定置信区间的Abel-inverted径向排放资料,”Spectrochimica学报B部分,60卷,不。11日,第1501 - 1486页,2005年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. f·j·吉梅内斯和j . De Frutos”虚拟仪器测量、数据处理和可视化的压电设备的振动模式,”计算机标准和接口,27卷,不。6,653 - 663年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. d·萨利希·m·布兰德,“熔池温度控制中使用虚拟仪器Nd: YAG激光吹粉包覆过程中,“国际先进制造技术杂志》上卷,29号3 - 4、273 - 278年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. g . Cautero g .保鲁西b Brena et al .,“基于labview的控制系统表面科学试验站,”测量科学与技术,5卷,不。8,1002 - 1011年,1994页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. j·h·摩尔”,人工智能和虚拟仪器编程:遗传算法仪表控制和优化,“计算机在生物医学方法和项目卷,47号1,第79 - 73页,1995。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. k·杨和j .黄”开发的远程访问实验室:直流电机控制实验中,“计算机在工业领域,52卷,不。3、305 - 311年,2003页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. r . g . Castrejon和m . Duelk”,使用虚拟仪器先进的非线性光电设备模拟高速光通信、”计算机物理通信,卷174,不。6,431 - 440年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. j . r . y . Wang a . Jarratt p . j . Keay j·j·霍克斯,和w·t·科克利,“开发一个自动化使用流动注射在线分析系统,超声波过滤和CCD检测,”Talanta,52卷,不。1,第139 - 129页,2000。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. k . Brudzewski和j . Ulaczyk”的有效方法,分析动态电子鼻响应,“传感器和执行器B,卷140,不。1,43-50,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. g . Faraco和l . Gabriele”,使用虚拟仪器在代表现象,应用数学模型”计算机和教育卷,49号3、856 - 872年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. “虚拟仪器用户手册”,2009年,美国国家仪器公司。视图:谷歌学术搜索
18. c·瓦格纳,s .阿曼塔和b . Lendl”发展自动化的分析方法对于科学环境使用虚拟仪器,“Talanta,卷80,不。3、1081 - 1087年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. w . b . Wang j.y.李,问:j .吴”化学虚拟仪器的设计基于虚拟仪器确定温度和压力,”自动化方法和管理在化学杂志》上ID 68143条,卷。2007年,7页,2007。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. d . Nacapricha n . Amornthammarong k . Sereenonchai p . Anujarawat和p . Wilairat”低成本和PC声卡遥测化学分析应用程序,”Talanta,卷71,不。2、605 - 609年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. j . Ballesteros j . i . f . Palop m·a . Hernadez r·莫拉莱斯克雷斯波和美国博雷戈德尔皮诺,“虚拟仪器虚拟仪器自动等离子体诊断,”审查的科学仪器,卷75,不。1,第93 - 90页,2004。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. f . Klocke o . Dambon,施耐德,r . Zunke和d Waechter”计算机监控的抛光过程使用虚拟仪器,“材料加工技术杂志》上,卷209,不。20日,第6047 - 6039页,2009年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. j·a·沃伦·j·m·海耶斯和g . j .小,“对称reduction-vibronically诱导模式混合的S1的状态β甲基萘。”《物理化学》杂志上,卷80,不。5,1786 - 1790年,1983页。视图:谷歌学术搜索
24. n . a . Borisevich g . g . D 'yachenko v . a . Petukhov和m . a . Semenov“精细结构光谱2-methylnaphthalene冷却的超音速飞机,”光学和光谱学,卷101,不。5,683 - 690年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
25. 问:吴l . Wang, l .祖茂堂”激光荧光1-Methylnaphthalene的超音速飞机扩张,”光谱光谱分析没有,卷。31日。11日,4页,2011。视图:谷歌学术搜索

版权

版权©2011吴Qijun et al。这是一个开放分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。