紫外光譜儀的原理及市面上常見(jiàn)的儀器

　　紫外/可見(jiàn)光譜儀，是利用紫外可見(jiàn)光譜法工作的儀器。普通紫外可見(jiàn)光譜儀，主要由光源、單色器、樣品池(吸光池)、檢測器、記錄裝置組成。紫外/可見(jiàn)光譜儀設計一般都盡量避免在光路中使用透鏡，主要使用反射鏡，以防止由儀器帶來(lái)的吸收誤差。

　　一,基本原理

　　利用紫外-可見(jiàn)吸收光譜來(lái)進(jìn)行定量分析由來(lái)已久，可追溯到古代，公元60年古希臘已經(jīng)知道利用五味子浸液來(lái)估計醋中鐵的含量，這一古老的方法由于最初是運用人眼來(lái)進(jìn)行檢測，所以又稱(chēng)比色法。到了16、17世紀，相關(guān)分析理論開(kāi)始蓬勃發(fā)展，1852年，比爾(Beer)參考了布給爾(Bouguer)1729年和朗伯(Lambert)在1760年所發(fā)表的文章，提出了分光光度的基本定律，即液層厚度相等時(shí)，顏色的強度與呈色溶液的濃度成比例，從而奠定了分光光度法的理論基礎，這就是著(zhù)名的朗伯-比爾定律。

　　1.紫外-可見(jiàn)吸收光譜的形成

　　吸光光度法也稱(chēng)做分光光度法，但是分光光度法的概念有些含糊，分光光度是指儀器的功能，即儀器進(jìn)行分光并用光度法測定，這類(lèi)儀器包括了分光光度計與原子吸收光譜儀(AAS)。吸光光度法的本質(zhì)是光的吸收，因此稱(chēng)吸光光度法比較合理，當然，稱(chēng)分子吸光光度法是最確切的。

　　紫外-可見(jiàn)吸收光譜是物質(zhì)中分子吸收200-800nm光譜區內的光而產(chǎn)生的。這種分子吸收光譜產(chǎn)生于價(jià)電子和分子軌道上的電子在電子能級躍遷(原子或分子中的電子，總是處在某一種運動(dòng)狀態(tài)之中。每一種狀態(tài)都具有一定的能量，屬于一定的能級。這些電子由于各種原因(如受光、熱、電的激發(fā))而從一個(gè)能級轉到另一個(gè)能級，稱(chēng)為躍遷。)當這些電子吸收了外來(lái)輻射的能量就從一個(gè)能量較低的能級躍遷到一個(gè)能量較高的能級。因此，每一躍遷都對應著(zhù)吸收一定的能量輻射。具有不同分子結構的各種物質(zhì)，有對電磁輻射顯示選擇吸收的特性。吸光光度法就是基于這種物質(zhì)對電磁輻射的選擇性吸收的特性而建立起來(lái)的，它屬于分子吸收光譜。躍遷所吸收的能量符合波爾條件：

　　二,應用范圍

　　紫外-可見(jiàn)分光光度計可用于物質(zhì)的定量分析、結構分析和定量分析。而且還能測定某些化合物的物理化學(xué)參數，如摩爾質(zhì)量、配合物的配合比例和穩定常熟、酸堿電離常數等。

　　1.定性分析

　　緊外-可見(jiàn)分光光度法對無(wú)機元素的定性分析應用較少，無(wú)機元素的定性分析可用原子發(fā)射光譜法或化學(xué)分析的方法。在有機化合物的定性鑒定和結構分析中，由于紫外-可見(jiàn)光譜較簡(jiǎn)單，特征性不強，因此該法的應用也有一定的局限性。但是它適用于不飽和有機化合物。尤其是共軛體系的鑒定，以此推斷未知物的骨架結構。此外，可配合紅外光譜、核磁共振波譜法和質(zhì)譜法進(jìn)行定性鑒定和結構分析，因此它仍不失為是一種有用的輔助方法。

　　一般有兩種定性分析方法，比較吸收光譜曲線(xiàn)和用經(jīng)驗規則計算最大吸收波長(cháng)λmax，然后與實(shí)測值進(jìn)行比較。

　　2.結構分析

　　結構分析可用來(lái)確定化合物的構型和構象。如辨別順?lè )串悩嬻w和互變異構體。

　　3.定量分析

　　紫外-可見(jiàn)分光光度定量分析的依據是Lambert-Beer定律，即在一定波長(cháng)處被測定物質(zhì)的吸光度與它的溶度呈線(xiàn)性關(guān)系。應此，通過(guò)測定溶液對一定波長(cháng)入射光的吸光度可求出該物質(zhì)在溶液中的濃度和含量。種常用的測定方法有：?jiǎn)谓M分定量法、多組分定量法、雙波長(cháng)法、示差分光光度法和導數光譜法等。

　　4.配合物組成及其穩定常數的測定

　　測量配合物組成的常用方法有兩種：摩爾比法(又稱(chēng)飽和法)和等摩爾連續變化法(又稱(chēng)Job法)。

　　5.酸堿離解常數的測定

　　光度法是測定分析化學(xué)中應用的指示劑或顯色劑離解常數的常用方法，該法特別適用于溶解度較小的弱酸或弱堿。

　　三,儀器結構

　　1.紫外-可見(jiàn)分光光度計的主要部件

　　全世界的紫外-可見(jiàn)分光光度計生產(chǎn)廠(chǎng)家有上百家，產(chǎn)品型號成千上萬(wàn)，但就基本結構來(lái)說(shuō)，都是由五個(gè)部分組成，即光源、單色器(單色儀)、吸收池、檢測器和信號指示系統。

　　光源

　　對光源的基本要求是：應在儀器操作所需的光譜區域內能夠發(fā)射連續輻射;有足夠的輻射強度和良好的穩定性，而且輻射能量隨波長(cháng)的變化應盡可能小。紫外-可見(jiàn)分光光度計中常用的光源有熱輻射光源和氣體放電光源兩類(lèi)。熱輻射光源用于可見(jiàn)光區。如鎢絲燈和鹵鎢燈;氣體放電光掉用于紫外光區，如氫燈和氘燈。

　　鎢燈和碘鎢燈可使用的范圍在340～2500nm，這類(lèi)光源的輻射能量與施加的外加電壓有關(guān)，在可見(jiàn)光區，輻射的能量與工作電壓的4次方成正比。光電流也與燈絲電壓的n次方(n>l)成正比。因此必須嚴格控制燈絲電壓，儀器必須備有穩壓裝置。

　　在近紫外區測定時(shí)常用氫燈和氘燈，它們可在160～375nm范圍內產(chǎn)生連續光源。氘燈的燈管內充有氫的同位素氘，它是紫外光區應用最廣泛的一種光源，其光譜分布與氫燈類(lèi)似，但光強度比相同功率的氫燈要大3～5倍。

　　單色器

　　單色器是能從光源輻射的復合光中分出單色光的光學(xué)裝置，其主要功能應該是能夠產(chǎn)生光譜純度高且波長(cháng)在紫外可見(jiàn)區域內任意可調的單色光。單色器一般由入射狹縫、準直鏡(透鏡或凹面反射鏡使入射光成平行光)、色散元件、聚焦元件和出射狹縫等幾部分組成。其核心部分是色教元件，起分光的作用。單色器的性能直接影響人射光的單色性，從而也影響到測定的靈敏度、選擇性及校準曲線(xiàn)的線(xiàn)性關(guān)系等。

　　能起分光作用的色散元件主要是棱鏡和光柵。棱鏡常用的材料有玻璃和石英兩種。它們的色散原理是依據不同波長(cháng)光通過(guò)棱鏡時(shí)有不同的折射率而將不同波長(cháng)的光分開(kāi)。由于玻璃可吸收紫外光，所以玻璃棱鏡只能用于350～3200nm的波長(cháng)范圍，即只能用于可見(jiàn)光區域內。石英棱鏡適用的波長(cháng)范圍較寬，可從185～4000nm，即可用于紫外、可見(jiàn)、近紅外三個(gè)光域。

　　光柵是利用光的衍射與干涉原理制成的。它可用于紫外、可見(jiàn)及近紅外光域，而且在整個(gè)波長(cháng)區具有良好的、幾乎均勻一致的分辨能力。它具有色散波長(cháng)范圍寬、分辨本領(lǐng)高、成本低、便于保存和易于制備等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是各級光譜會(huì )重疊而產(chǎn)生干擾。

　　入射、出射狹縫，透鏡及準直鏡等光學(xué)元件中狹縫在決定單色器性能上起重要作用。狹縫的大小直接影響單色光純度，但過(guò)小的狹縫又會(huì )減弱光強。

　　吸收池

　　吸收池用于盛放分析試樣，一般有石英和玻璃材料兩種。石英池適用于可見(jiàn)光區及紫外光區，玻璃吸收池只能用于可見(jiàn)光區。為減少光的反射損失，吸收池的光學(xué)面必須完全垂直于光束方向.在高精度的分析測定中(紫外區尤其重要),吸收池要挑選配對。因為吸收池材料的本身吸光特征以及吸收池的光程長(cháng)度的精度等對分析結果都有影響。

　　檢測器

　　檢測器的功能是檢測光信號、測量單色光透過(guò)溶液后光強度變化的一種裝置，常用的檢測器有光電池、光電管和光電倍增管等。它們通過(guò)光電效應將照射到檢測器上的光信號轉變成電信號。對檢測器的要求是：在測定的光譜范圍內具有高的靈敏度;對輻射能量的響應時(shí)間短，線(xiàn)性關(guān)系好;對不同彼長(cháng)的輻射響應均相同，且可靠;噪音低，穩定性好等。

　　硒光電池對光的敏感范圍為300～800nm，其中又以500～600nm最為靈敏。這種光電池的特點(diǎn)是能產(chǎn)生可直接推動(dòng)微安表或檢流計的光電流，但由于容易出現疲勞效應而只能用于低檔的分光光度計中。

　　光電管在紫外-可見(jiàn)分光光度計上應用較為廣泛。它的結構是以一彎成半圓柱形的金屬片為陰極，陰極的內表面涂有光敏層，在圓柱形的中心置一金屬絲為陽(yáng)極.接受陰極釋放出的電子。兩電極密封于玻璃或石英管內并抽成真空。陰極上光敏材料不同，光譜的靈敏區也不同�？煞譃樗{敏和紅敏兩種光電管，前者是在鎳陰極表面上沉積銻和艷，可用于波長(cháng)范困為210～625nm;后者是在陰極表面上沉積了銀和氧化艷�？捎梅秶鸀�625～1000nm。與光電池比較，它有靈敏度高、光敏范圍寬、不易疲勞等優(yōu)點(diǎn)。

　　光電倍增管是檢測微弱光最常用的光電元件，它的靈敏度比一般的光電管要高200倍，因此可使用較窄的單色器狹縫，從而對光譜的精細結構有較好的分辨能力。

　　信號指示系統

　　它的作用是放大信號并以適當方式指示或記錄下來(lái)。早期常用的信號指示裝置有直讀檢流計、電位調節指零裝置以及數字顯示或自動(dòng)紀錄裝置等�，F在很多型號的分光光度計都可配套計算機使用，一方面可對分光光度計進(jìn)行操作控制，另一方面可進(jìn)行數據處埋。

　　2.紫外-可見(jiàn)分光光度計的分類(lèi)

　　紫外-可見(jiàn)分光光度計的類(lèi)型很多，但可歸納為三種類(lèi)型：?jiǎn)喂馐�分光光度計、雙光束分光光度計和雙波長(cháng)分光光度計。

　　單光束分光光度計

　　其光路示意圖如前圖(紫外-可見(jiàn)分光光度計的基本結構圖)所示，經(jīng)單色器分光后的一束平行光，輪流通過(guò)參比溶液和樣品溶掖，以進(jìn)行吸光度的測定。這種類(lèi)型的分光光度計結構簡(jiǎn)單，操作方便，維修容易，適用于常規分析�！　‰p光束分光光度計

　　其光路示意如下圖所示，經(jīng)單色器分光后經(jīng)反射鏡(M1)分解為弧度相等的兩束光，一束通過(guò)參比池，另一束通過(guò)樣品池。光度計能自動(dòng)比較兩束光的強度，此比值即為試樣的透射比，經(jīng)對數變換將它轉換成吸光度并作為波長(cháng)的函數記錄下來(lái)。雙光束分光光度計一般都能自動(dòng)記錄吸收光譜曲線(xiàn)。由于兩束光同時(shí)分別通過(guò)參比池和樣品他，還能自動(dòng)消除光源強度變化所引起的誤差。

　　雙波長(cháng)分光光度計

　　其基本光路如下圖所示。由同一光源發(fā)出的光被分成兩束，分別經(jīng)過(guò)兩個(gè)單色器，得到兩束不同波長(cháng)的單色光;再利用切光器使兩束光以一定的頻率交替照射同一吸收池，然后經(jīng)過(guò)光電倍增管和電子控制系統，最后由顯示器顯示出兩個(gè)波長(cháng)處的吸光度差值ΔA(ΔA=A1-A2)。

　　雙波長(cháng)分光光度計的優(yōu)點(diǎn)：對于多組分混合物、混濁試樣(如生物組織液)的分析，以及存在背景于擾或共存組分吸收干擾的情況下，利用雙波長(cháng)分光光度法，往往能提高方法的靈敏度和選擇性。利用雙波長(cháng)分光光度計，能獲得導數光譜。通過(guò)光學(xué)系統轉換，使雙波長(cháng)分光光度計能很方便地轉化為單波長(cháng)工作方式。如果能在兩波長(cháng)處分別記錄吸光度隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)，還能進(jìn)行化學(xué)反應動(dòng)力學(xué)研究。