紫外可見分光光度計的結構、原理與應用

　　一、什么是紫外可見分光光度計?紫外可見分光光度計是一類很重要的分析儀器，無論在物理學、化學、生物學、醫學、材料學、環境科學等科學研究領域，還是在化工、醫藥、環境檢測、冶金等現代生產與管理部門，紫外可見分光光度計都有廣泛而重要的應用。

　　分光光度計是杜包斯克(Duboscq)和奈斯勒(Nessler)等人在1854年將朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律應用于定量分析化學領域，并且設計了第一臺比色計。到1918年，美國國家標準局制成了第一臺紫外可見分光光度計。此后，紫外可見分光光度計經不斷改進，又出現自動記錄、自動打印、數字顯示、微機控制等各種類型的儀器，使光度法的靈敏度和準確度也不斷提高，其應用范圍也不斷擴大。紫外可見分光光度法從問世以來，在應用方面有了很大的發展，尤其是在相關學科發展的基礎上，促使分光光度計儀器的不斷創新，功能更加齊全，使得光度法的應用更拓寬了范圍。目前，分光光度法已為工農業各個部門和科學研究的各個領域所廣泛采用，成為人們從事生產和科研的有力測試手段。目前市場上有兩類主流產品:掃描光柵式分光光度計和固定光柵式分光光度計。

　　紫外可見分光光度計有著較長的歷史，其主要理論框架早已建立，制作技術相對成熟。但構成紫外可見分光光度計的光、機、電、算等任何一方面的新技術都可能再推動紫外可見分光光度計整體性能的進步。在追求準確、快速、可靠的同時，小型化、智能化、在線化、網絡化成為了現代紫外可見分光光度計新的增長點。

　　二、紫外可見分光光度計的發展分光光度法在分析領域中的應用已經有數十年的歷史，至今仍是應用最廣泛的分析方法之一。隨著分光元器件及分光技術、檢測器件與檢測技術、大規模集成制造技術等的發展，以及單片機、微處理器、計算機和DSP技術的廣泛應用，分光光度計的性能指標不斷提高，并向自動化、智能化、高速化和小型化等方向發展。

　　在分光元器件方面，經歷了棱鏡、機刻光柵和全息光柵的過程，商品化的全息閃耀光柵已迅速取代一般刻劃光柵。在儀器控制方面，隨著單片機、微處理器的出現以及軟硬件技術的結合，從早期的人工控制進步到了自動控制。在顯示、記錄與繪圖方面，早期采用表頭(電位計)指示、繪圖儀繪圖，后來用數字電壓表數字顯示，如今更多地采用液晶屏幕或計算機屏幕顯示。在檢測器方面，早期使用光電池、光電管，后來更普遍地使用光電倍增管甚至光電二極管陣列。陣列型檢測器和凹面光柵的聯合應用，使儀器的測量速度發生了質的飛躍，且性能更加穩定可靠，受到儀器用戶的青睞，最具有代表性的當數安捷倫的HP8452/8453。在儀器構型方面，從單光束發展為雙光束，現在幾乎所有高級分光光度計都是雙光束的，有些高精度的儀器采用雙單色器，使得儀器在分辨率和雜散光等方面的性能大大提高，如Varian(瓦里安)的Cary1/3/400。隨著集成電路技術和光纖技術的發展，聯合采用小型凹面全息光柵和陣列探測器以及USB接口等新技術，已經出現了一些攜帶方便、用途廣泛的小型化甚至是掌上型的紫外可見分光光度計，如OceanOptics(海洋光學)的S系列、USB2000及PC2000。而光電子技術和MEMS技術的發展，使得有可能將分光元件和探測器集成在一塊基片上，制作微型分光光度計。我國重慶大學在微型多通道光譜儀方面開展了卓有成效的研究工作，承擔的國家自然科學基金項目“微型多道光譜分析系統集成化技術研究”已經通過了技術鑒定。隨著發光二極管(LED)光源技術及產業的日益成熟，以LED為光源的小型便攜又低廉的分光光度計已成為研究開發的熱點。除了空間色散的分光方式，也有人對聲光調制濾光和傅立葉變換光譜在紫外可見區的應用進行了研究。

　　儀器的軟件功能可以極大地提升儀器的使用性能和價值，現代分光光度計生產廠商都非常重視儀器配套軟件的開發。除了儀器控制軟件和通用數據分析處理軟件外，很多儀器針對不同行業應用開發了專用分析軟件，給儀器使用者帶來了極大的便利。

　　三、紫外可見分光光度計的結構一般地，紫外可見分光光度計主要由光源系統、單色器系統、樣品室、檢測系統組成，如圖1所示。光源發出的復合光通過單色器被分解成單色光，當單色光通過樣品室時，一部分被樣品吸收，其余未被吸收的光到達檢測器，被轉變為電信號，經電子電路的放大和數據處理后，通過顯示系統給出測量結果。

　　圖1.紫外可見分光光度計結構

　　分光光度計的主要部件如下所述。

　　光源：發出所需波長范圍內的連續光譜，有足夠的光強度，穩定。可見光區：鎢燈，碘鎢燈(320～2500nm)紫外區：氫燈，氘燈(180～375nm);氙燈：紫外、可見光區均可用作光源。

　　單色器：將光源發出的連續光譜分解為單色光的裝置。

　　棱鏡：依據不同波長光通過棱鏡時折射率不同。

　　光柵：在鍍鋁的玻璃表面刻有數量很大的等寬度等間距條痕(600、1200、2400條/mm)。利用光通過光柵時發生衍射和干涉現象而分光。

　　吸收池：用于盛待測及參比溶液。可見光區：光學玻璃池;紫外區：石英池。

　　檢測器：利用光電效應，將光能轉換成電流訊號。光電池，光電管，光電倍增管。

　　檢流計(指示器)：刻度顯示或數字顯示、自動掃描記錄。

　　四、紫外可見分光光度計的原理物質的吸收光譜本質上就是物質中的分子和原子吸收了入射光中的某些特定波長的光能量，相應地發生了分子振動能級躍遷和電子能級躍遷的結果。由于各種物質具有各自不同的分子、原子和不同的分子空間結構，其吸收光能量的情況也就不會相同，因此，每種物質就有其特有的、固定的吸收光譜曲線，可根據吸收光譜上的某些特征波長處的吸光度的高低判別或測定該物質的含量，這就是分光光度定性和定量分析的基礎。分光光度分析就是根據物質的吸收光譜研究物質的成分、結構和物質間相互作用的有效手段。紫外可見分光光度法的定量分析基礎是朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律。即物質在一定濃度的吸光度與它的吸收介質的厚度呈正比，其數學表示式如下

　　A=abc

　　A—吸光度;a—摩爾吸光系數;b—吸收介質的厚度;c—吸光物質的濃度。

　　4.1光學系統原理

　　由光源鎢燈和氘燈發出的復合光經由步進電機控制帶動反光鏡M1，反射通過入射狹縫，并進入單色器中，光柵衍射出的單色光經準直鏡M2調焦，會聚通過出射狹縫，光束到達斬光器時，一段時間內的光射成為參比光路，另一段時間內的光透射成為樣品光路。最后兩光交替地照射在檢測器(光電倍增管)，如圖2所示。

　　圖2.光學系統原理圖

　　4.2電器系統原理

　　光電倍增管檢測出的信號經由前置放大器，驅動卡傳遞給微機控制器，由微機控制器推動驅動卡居中協調各部分，如圖3所示。

　　圖3.電氣原理圖

　　五、紫外可見分光光度計的特點分光光度法對于分析人員來說，可以說是最常用和有效的工具之一。幾乎每一個分析實驗室都離不開紫外可見分光光度計。分光光度法具有以下主要特點。

　　5.1 靈敏度高

　　由于新的顯色劑的大量合成，并在應用研究方面取得了可喜的進展，使得對元素測定的靈敏度有所推進，特別是有關多元絡合物和各種表面活性劑的應用研究，使許多元素的摩爾吸光系數由原來的幾萬提高到數十萬。

　　5.2 選擇性好

　　目前已有些元素只要利用控制適當的顯色條件就可直接進行光度法測定，如鈷、鈾、鎳、銅、銀、鐵等元素的測定，已有比較滿意的方法了。

　　5.3 準確度高

　　對于一般的分光光度法，其濃度測量的相對誤差在1～3%范圍內，如采用示差分光光度法進行測量，則誤差可減少到0.X%。

　　5.4 適用濃度范圍廣

　　可從常量(1%～50%)(尤其使用示差法)到痕量(10-8～10-6%)(經預富集后)。

　　5.5 分析成本低、操作簡便、快速、應用廣泛

　　由于各種各樣的無機物和有機物在紫外可見區都有吸收，因此均可借此法加以測定。到目前為止，幾乎化學元素周期表上的所有元素(除少數放射性元素和惰性元素之外)均可采用此法。在國際上發表的有關分析的論文總數中，光度法約占28%，我國約占所發表論文總數的33%。

　　六、紫外可見分光光度計的技術性能指標評述光譜范圍　紫外可見光譜區通常指190nm～780nm的波長范圍，但實際的分光光度計設計中，經常將波長向長波方向拓展，進入短波近紅外區。在120多種國外產品中，有52種波長≤900nm，其中≤800nm的僅11種。而>900nm的有72種，占了多數。固定光柵型受硅陣列探測器的限制，1100nm是其波長的上限。掃描光柵型使用分立光電器件，波長的擴展更為靈活。最特殊的是Varian的Cary6000i(175～1800nm)、Shimadzu的UV3101PC(190～3200nm)和Jasco的V-570(190～2500nm)，通過切換光柵和探測元件，使儀器的光譜范圍覆蓋了紫外、可見和近紅外區，可滿足一機多用的需要。

　　波長的準確性：僅有16種偏差超過1nm，其余大多在01～1之間。其中突出的是Varian的Cary100/300，它們在6561nm處的波長準確性達到了002nm的水平。波長重復性大于05nm的僅7種，01～05nm之間的占了多數，共有68種，還有相當數量的產品達到了優于01nm的水平。如Agilent的8453(002)、Beckman的DU7000series(005)、Camspec的M400T/PC(005)、GBC的Centra10/20/40(004)、Hitachi的U3010/3310(005)、PerkinElmer的Lambda系列(002～005)、ScincoCO的S-1100/3130/3150(002)、Shimadzu的MS1500(001)和UV1201(003)、Varian的Cary系列(0008～0025)等。雖然從原理上，固定光柵型的設計結構固定、簡單，易于實現好的波長準確性和重復性，但掃描光柵的設計制造工藝已十分成熟，從性能指標看，最突出的Cary系列、Lambda系列都是掃描光柵型的產品。

　　分辨率：掃描光柵型通過改變狹縫寬度可選擇分辨率，Varian的Cary4000最高做到了005nm，上海分析儀器總廠的760mc也可達到008nm。固定光柵型受到陣列探測器的長度和像元數量限制，除非光譜范圍很窄，否則分辨率是很難高于0.1nm量級的。

　　掃描速率：大多在100～4000nm/min，Varian的Cary50最高實現了24000nm/min，Cary4000也有20000nm/min。但與固定光柵型最短ms量級完成全光譜測量的速度相比，仍是較慢的。

　　吸光度：普遍可達到2～3A的水平，共有80種產品最大光度值在2～3A之間，另有28種產品可以量測超過3A的樣品。其中，最高的是Varian的Cary4000，達到了7A。其余，如SpectronicUnicam(Ther-moSpectronic)的NicoletEvolution300/500和UV510/520(6A)、Shimadzu的UV2401/2501/310PC(5A)、Jasco的V550/560、GBC的Centra5/10/20/40(5A)等也有很高的水平。

　　雜散光：典型值是0.01～0.05%T，在國外的產品中共有65種產品的雜散光指標在這一范圍中。雜散光超過0.05%T的產品有31種，小于0.01%T的產品有19種。其中，最為突出的是Varian的Cary4000/6000i和Shimadzu的UV3101PC，它們的雜散光水平達到了令人驚訝的0.00008%T。從其光學設計看，都采用了雙單色器。與掃描光柵型產品相比，固定光柵的分光光度計少了出射狹縫，實現低雜散光的難度更大。從性能指標來看，范圍是0.01～1%T。26種固定光柵型產品中雜散光在0.01～0.05%T之間的有13種，也已達到半數，但是能夠低于0.01%T的很少。

　　我國的紫外可見分光光度計，性能指標總體上接近國外的中等水平，缺少高檔產品。考察6家國內企業的27種產品的主要技術指標。波長準確性，國外的典型水平是0.1～1nm。國內產品中，處于此范圍的有16種，基本達到同一水平，但沒有優于0.1nm的產品。國內產品的光度準確性大多以透過率表示，水平比較接近，均在0.3～0.5%T之間。在10%T處，也就是吸光度為1A處，將光度準確性以吸光度表示，則數值為0.013～0.021A。與國外產品有比較明顯的差距。國內產品的光度重復性基本在0.1～0.3%T范圍，同樣在吸光度1A處換算，數值為0.004～0.013A，也存在距離。比較國外與國內產品的雜散光的典型值，兩者幾乎相差了一個數量級。但是已有一些較新研發的產品，可以達到國外產品的普遍水準。例如北京瑞利分析儀器公司的UV2100(0.05T%)、北京普析通用儀器有限責任公司的TU-1901(0.02T%)、上海分析儀器總廠的761crt(0.03T%)。基線穩定性方面，國產分光光度計與國外產品基本持平。但是，有些國內產品給出此項指標時，標明的測試時間僅為30或15分鐘。從這些基本指標的比較來看，國產紫外可見分光光度計的準確性和可靠性仍然是有待提高的。另一方面，在儀器的控制、操作，數據的顯示、處理、分析上，國內產品表現出迅速向國外產品靠攏的趨勢。以功能更強的內置微機或外接PC取代單片機，利用外接PC的顯示器或采用大面積LCD代替簡單的LED數字顯示，提升軟件水平。在此基礎上，分光光度計可具有開機自檢、波長自動校正、基線自動記憶等功能;配備有更友好界面的操作軟件，能夠以文件形式存取光譜，顯示光譜曲線，可對圖形作擴展、壓縮、求導、平滑、尋峰等處理;可完成單波長或多波長的定量、動力學等分析。在6個國內廠家的產品中都已出現了此類分光光度計。目前，我國的紫外可見分光光度計至少在以下三個方面存在比較明顯的滯后。一是高檔的科學分析型產品。能夠滿足精密的科學研究和分析的很少，采用雙單色器，具有突出性能的國產分光光度計基本是空白。二是陣列探測器的應用。我國的產品仍以掃描光柵型為主，采用陣列探測器的固定光柵型分光光度計雖然已經起步，但進入市場的仍然罕見。三是光纖的使用。市場上以光纖探頭取代傳統樣品室的設計，或可選擇外接光纖附件的國產紫外可見分光光度計十分缺乏。

　　七、紫外可見分光光度計的應用7.1 檢定物質

　　根據吸收光譜圖上的一些特征吸收，特別是最大吸收波長λ max和摩爾吸收系數ε，是檢定物質的常用物理參數。

　　7.2 與標準物及標準圖譜對照

　　將分析樣品和標準樣品以相同濃度配制在同一溶劑中，在同一條件下分別測定紫外可見吸收光譜。若兩者是同一物質，則兩者的光譜圖應完全一致。如果沒有標樣，也可以和現成的標準譜圖對照進行比較。這種方法要求儀器準確，精密度高，且測定條件要相同。

　　7.3 比較最大吸收波長吸收系數的一致性

　　由于紫外吸收光譜只含有2～3個較寬的吸收帶，而紫外光譜主要是分子內的發色團在紫外區產生的吸收，與分子和其它部分關系不大。具有相同發色團的不同分子結構，在較大分子中不影響發色團的紫外吸收光譜，不同的分子結構有可能有相同的紫外吸收光譜，但它們的吸收系數是有差別的。如果分析樣品和標準樣品的吸收波長相同，吸收系數也相同，則可認為分析樣品與標準樣品為同一物質。

　　7.4 反應動力學研究

　　借助于分光光度法可以得出一些化學反應速度常數，并從兩個或兩個以上溫度條件下得到的速度數據，得出反應活化能。

　　7.5 純度檢驗

　　紫外吸收光譜能測定化合物中含有微量的具有紫外吸收的雜質。如果化合物的紫外可見光區沒有明顯的吸收峰，而它的雜質在紫外區內有較強的吸收峰，就可以檢測出化合物中的雜質。

　　7.6 氫鍵強度的測定

　　不同的極性溶劑產生氫鍵的強度也不同，這可以利用紫外光譜來判斷化合物在不同溶劑中氫鍵強度，以確定選擇哪一種溶劑。

　　7.7 絡合物組成及穩定常數的測定

　　金屬離子常與有機物形成絡合物，多數絡合物在紫外可見區是有吸收的，我們可以利用分光光度法來研究其組成。

　　八、紫外可見分光光度計的展望紫外可見分光光度計雖然是一類有著很長歷史的分析儀器，但每一次吸收了新的技術成果都使它煥發出新的活力。掃描光柵型分光光度計依托成熟的設計制造工藝，并結合計算機控制等新的技術成果，仍有很強的生命力。在很多方面，掃描型產品仍代表了最高的技術水平。陣列式探測器的產生直接促成了固定光柵分光光度計的設計，使得它在測量地更快、更穩定、適應性更強的方向邁出了一大步。并且，從今后的發展來看，儀器的小型化、在線化，測量的現場化、實時化將是一大方向。要使分光光度計走出實驗室，成為一種應用更廣，更為普及的測量分析設備，陣列式探測器以及其它的固態式設計可發揮重要的作用。光纖也將是其中的一項重要技術，它已使得紫外可見分光光度計的使用變得更方便，同時也使分光光度計的配置變得更靈活。光纖結合模塊化設計，可能使得分光光度計可以突破完全固定、靜態的組成，而變成可以自由搭配，自助式構建的儀器。光纖同時也是實現在線測量的重要手段。計算機技術的影響將更為增進。分光光度計的自動化、智能化是一個方面。另一方面，軟件已經在一定程度上使實在的儀器接近了虛擬的程序，網絡和信息技術的結合可能帶來進一步的影響。除了傳統的空間色散的分光方式，聲光調制濾波和傅立葉變換光譜也以其各自的特點表現出了在紫外可見波段的應用潛力。