动态光谱学仪器以及化学动力学测试方法技术

本发明专利技术公开了一种动态光谱学仪器以及化学动力学测试方法，该动态光谱学仪器包括标准白光源、样品测量池、分光光路、数据采集和测量电路、计算机和传感器，其中，标准白光源实时产生的标准白色光，经样品测量池中的待测溶液透射后，再经分光光路折射产生吸收光谱照射在传感器上；数据采集和测量电路对传感器输出的信号进行实时采集和测量，并将采集和测量的结果传输到计算机中进行数据处理与显示。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种动态光谱学仪器以及化学动力学测试方法，属于宏观化学动力学仪器领域。
技术介绍
化学动力学是化学领域最重要的研究内容之一。通过分子束、激光等研究手段，目前化学动力学已进展到基元反应层次，能对特定反应的过渡态和共振态进行研究。但对实际的化工生产或实验研究而言，通常不考虑微观的状态，而需要获得具体的动力学方程，因而宏观动力学显得更有实际意义。具体到以分子反应为主体的有机化学反应，目前的动力学研究主要局限于研究反应历程，即通过中间体、同位素等方法研究出反应中的决速步骤等，而对于动力学方程的自动化确定，目前尚未见报道。本专利技术将研制出动态光谱学仪器，以用于对有机反应进行动态测试。将光谱方法运用在化学动力学研究中有以下优点：1.光谱谱数据中同时包含了浓度和波长两种数据，这也是光谱方法的独特优势；2.测量方法对反应过程无任何干扰，避免了由此产生的各种误差；3.光谱的扫描是宽频率的。目前的传感器的工作频率可以达到MHz级，这意味着，根据反应的快慢，在特定的频率域进行扫描，采用“微元法”思想，能够方便地得出反应物浓度随时间的函数关系。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种动态光谱学仪器以及化学动力学测试方法，是一种用于有机反应动力学测试的仪器和方法，通过这种仪器和方法，可以直接获得具有实际意义的动力学方程。本专利技术通过对化学反应体系的反应过程中的吸光度的变化进行实时测量，以获得反应体系中物质浓度随反应时间的函数曲线，进而获得化学动力学方程。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一方面，本专利技术提供一种动态光谱学仪器，该仪器包括标准白光源、样品测量池、分光光路、数据采集和测量电路、计算机和传感器，其中，标准白光源实时产生的标准白色光，经样品测量池中的待测溶液透射后，再经分光光路折射产生吸收光谱照射在传感器上；数据采集和测量电路对传感器输出的信号进行实时采集和测量，并将采集和测量的结果传输到计算机中进行数据处理与显示。作为本专利技术的进一步优化方案，该仪器还包括一个接口，数据采集和测量电路通过该接口向计算机传输数据。另一方面，本专利技术提供一种采用如上所述动态光谱学仪器的化学动力学测试方法，该测试方法具体如下：1）将反应物和生成物按反应进度配成系列标准溶液，分别置于样品测量池中，采用如权利要求1所述的光谱学仪器测定标准溶液的吸光度数值A，从而得到标准溶液浓度CB和吸光度数值A的函数关系，即标准曲线CB=f（A）；2）当反应进行时，连续测试反应体系的吸光度数值A，得出吸光度数值A对应反应时间t的曲线A=g（t）；3）通过1）中的标准曲线得出标准溶液浓度CB随反应时间t的函数关系CB=f（g（t））曲线；在不同时刻，取CB=f（g（t））曲线的切线，即得该时刻的反应速率，从而获得化学动力学信息。作为本专利技术的进一步优化方案，对不同反应的吸收光谱信号进行实时采集和测量的方法具体如下：对于动态进行的化学反应，采用微元法进行数据采集和测量；对于半衰期大于1000秒的化学反应，采用连续扫描的方案进行扫描测试，在每一扫描频率下采样至少210次，为后续的傅立叶变换处理提供足够的数据量；对于半衰期为1～1000秒的化学反应，通过分束镜对吸收光谱进行分光，使用多个传感器同时输出信号，为后续处理提供足够的数据量。作为本专利技术的进一步优化方案，采用微元法进行数据测试，具体为：在 dt 的时间范围内，认为反应体系是静态的，那么在该dt时间内完成至少210次采集和测量。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本专利技术的化学动力学测试的动态光谱学仪器和方法，可以对化学反应的动力学方程进行自动测试。用动态光谱学方法对化学反应进行测试，国内外尚未见报道。附图说明图1是本专利技术的系统结构原理图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明：本专利技术即综合考虑反应速率、光谱扫描的频率、数据采集速率、多路数据采集的同步，专利技术出具有实时动态测试功能的分子动态光谱仪；并针对不同的有机反应，根据“微元法”思想，用所研制的光谱仪测试动态进行的有机分子反应，从而获得具有实际价值的动力学方程。1) 动力学测试方法反应物和生成物按反应进度配成系列标准溶液，采用光谱方法，测定标准溶液的吸光度数值 A，从而得到标准溶液浓度CB和吸光度数值 A的函数关系，即标准曲线CB＝f(A)；反应进行时，连续测试反应体系的吸光度数值 A，得出吸光度数值 A对应反应时间t的曲线A＝g(t)；通过标准曲线CB＝f(A)，得出标准溶液浓度CB随反应时间t的函数关系：CB＝f(g(t))曲线；在不同的时刻，取曲线CB＝f(g(t))的切线，即得这一时刻的反应速率。从动力学方程的形式看，化学反应本身可以分为一级反应、二级反应等，针对不同类型的化学动力学类型开发一套完整的数据处理软件，将上述获取的数据输入计算机，可以直接获得化学反应的动力学方程。2) 动态光谱学仪器包括以下部分 ：如图1所示，标准白光源、样品测量池、分光光路、数据采集和测量电路、接口、计算机以及传感器。标准白光源实时产生标准白色光，透射过样品测量池中的待测溶液后，经分光光路的折射，产生吸收光谱，照射在传感器上；数据采集和测量电路对传感器输出的信号进行实时采集和测量后，再通过接口将采集和测量结果传输到计算机中，最后由计算机进行数据处理与显示。3) 动态数据的实时采集与处理对于动态进行的化学反应，为了得到准确的浓度随反应时间 t 的函数曲线，拟采用微元法的原理进行数据测试，即在 dt 的时间范围内，可以认为反应体系是静态的，这需要在极短的时间内完成上千次测试。对于慢速反应 ( 半衰期大于1000秒 )，可以采用连续扫描的设计方案 ：为测得准确值，每次需以较高频率进行扫描测试，在每一吸收峰处，又需采样上千个点，为后续的傅立叶变换处理提供足够的数据量。对于较快的反应(半衰期为1～1000秒)，对扫描速率要求极高，目前传感器技术上无法实现，因而采用多路采集方式 ( 即并行处理方案 )：用多个传感器进行采集，同时输出采集信号，为后续处理提供足够的数据量。以上所述，仅为本专利技术中的具体实施方式，但本专利技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本专利技术所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本专利技术的包含范围之内，因此，本专利技术的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文档来自技高网...

【技术保护点】
动态光谱学仪器，其特征在于，该仪器包括标准白光源、样品测量池、分光光路、数据采集和测量电路、计算机和传感器，其中，标准白光源实时产生的标准白色光，经样品测量池中的待测溶液透射后，再经分光光路折射产生吸收光谱照射在传感器上；数据采集和测量电路对传感器输出的信号进行实时采集和测量，并将采集和测量的结果传输到计算机中进行数据处理与显示。

【技术特征摘要】
1.动态光谱学仪器，其特征在于，该仪器包括标准白光源、样品测量池、分光光路、数据采集和测量电路、计算机和传感器，其中，标准白光源实时产生的标准白色光，经样品测量池中的待测溶液透射后，再经分光光路折射产生吸收光谱照射在传感器上；数据采集和测量电路对传感器输出的信号进行实时采集和测量，并将采集和测量的结果传输到计算机中进行数据处理与显示。2.根据权利要求1所述的动态光谱学仪器，其特征在于，该仪器还包括一个接口，数据采集和测量电路通过该接口向计算机传输数据。3.采用如权利要求1或2所述的动态光谱学仪器的化学动力学测试方法，其特征在于，该测试方法具体步骤如下：1）将反应物和生成物按反应进度配成系列标准溶液，分别置于样品测量池中，采用如权利要求1所述的光谱学仪器测定标准溶液的吸光度数值A，从而得到标准溶液浓度CB和吸光度数值A的函数关系，即标准曲线CB=f（A）；2）当反应进行时，连续测试反应体系的吸光度数值A，得出吸光度数值A...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘瑞兰，王寒冬，江兵，庞宗强，戎舟，唐超，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32