紫外可見分光光度計儀器組成及作用

　　小析姐說過要做一期光譜分析法中分子光譜法的知識分享，所以整理了分子光譜法中常用的幾種儀器，今天怎們就先說說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。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。

　　二、紫外可見分光光度計的發展

　　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。

　　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。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。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。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。

　　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

　　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。

　　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。

　　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。

　　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%。

　　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.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應用

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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.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。