干貨 | 紫外可見(jiàn)分光光度計的結構、原理與應用

小析姐說(shuō)過(guò)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(shuō)說(shuō)紫外可見(jiàn)分光光度計的結構、原理與應用。

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一，什么是紫外可見(jiàn)分光光度計

紫外可見(jiàn)分光光度計是一類(lèi)很重要的分析儀器，無(wú)論在物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、醫學(xué)、材料學(xué)、環(huán)境科學(xué)等科學(xué)研究領(lǐng)域，還是在化工、醫藥、環(huán)境檢測、冶金等現代生產(chǎn)與管理部門(mén)，紫外可見(jiàn)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(xué)領(lǐng)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(jiàn)分光光度計。此后，紫外可見(jiàn)分光光度計經(jīng)不斷改進(jìn)，又出現自動(dòng)記錄、自動(dòng)打印、數字顯示、微機控制等各種類(lèi)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(chǎng)上有兩類(lèi)主流產(chǎn)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(jiàn)分光光度計的發(fā)展

在分光元器件方面，經(jīng)歷了棱鏡、機刻光柵和全息光柵的過(guò)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(zhù)單片機、微處理器的出現以及軟硬件技術(shù)的結合，從早期的人工控制進(jìn)步到了自動(dòng)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(lái)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(lái)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(lián)合應用，使儀器的測量速度發(fā)生了質(zhì)的飛躍。

在儀器構型方面，從單光束發(fā)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(zhù)集成電路技術(shù)和光纖技術(shù)的發(fā)展，聯(lián)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(shù)，已經(jīng)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(jiàn)分光光度計。而光電子技術(shù)和MEMS技術(shù)的發(fā)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(zhù)發(fā)光二極管(LED)光源技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的日益成熟，以L(fǎng)ED為光源的小型便攜又低廉的分光光度計已成為研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。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(jiàn)區的應用進(jìn)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(jià)值，現代分光光度計生產(chǎn)廠(chǎng)商都非常重視儀器配套軟件的開(kāi)發(fā)。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(yè)應用開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用分析軟件，給儀器使用者帶來(lái)了極大的便利。

三、紫外可見(jiàn)分光光度計的結構

一般地，紫外可見(jiàn)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(fā)出的復合光通過(guò)單色器被分解成單色光，當單色光通過(guò)樣品室時(shí)，一部分被樣品吸收，其余未被吸收的光到達檢測器，被轉變?yōu)殡娦盘�，�?jīng)電子電路的放大和數據處理后，通過(guò)顯示系統給出測量結果。

圖1 紫外可見(jiàn)分光光度計結構

分光光度計的主要部件如下所述。

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

單色器：將光源發(fā)出的連續光譜分解為單色光的裝置。

棱鏡：依據不同波長(cháng)光通過(guò)棱鏡時(shí)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(guò)光柵時(shí)發(fā)生衍射和干涉現象而分光。

吸收池：用于盛待測及參比溶液�？梢�(jiàn)光區：光學(xué)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(dòng)掃描記錄。

四、紫外可見(jiàn)分光光度計的原理

物質(zhì)的吸收光譜本質(zhì)上就是物質(zhì)中的分子和原子吸收了入射光中的某些特定波長(cháng)的光能量，相應地發(fā)生了分子振動(dòng)能級躍遷和電子能級躍遷的結果。由于各種物質(zhì)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(huì )相同，因此，每種物質(zhì)就有其特有的、固定的吸收光譜曲線(xiàn)，可根據吸收光譜上的某些特征波長(cháng)處的吸光度的高低判別或測定該物質(zhì)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(zhì)的吸收光譜研究物質(zhì)的成分、結構和物質(zhì)間相互作用的有效手段。紫外可見(jiàn)分光光度法的定量分析基礎是朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律。即物質(zhì)在一定濃度的吸光度與它的吸收介質(zhì)的厚度呈正比，其數學(xué)表示式如下

A=abc

A—吸光度；a—摩爾吸光系數；b—吸收介質(zhì)的厚度；c—吸光物質(zhì)的濃度。

光學(xué)系統原理

由光源鎢燈和氘燈發(fā)出的復合光經(jīng)由步進(jìn)電機控制帶動(dòng)反光鏡M1，反射通過(guò)入射狹縫，并進(jìn)入單色器中，光柵衍射出的單色光經(jīng)準直鏡M2調焦，會(huì )聚通過(guò)出射狹縫，光束到達斬光器時(shí)，一段時(shí)間內的光射成為參比光路，另一段時(shí)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(xué)系統原理圖

電器系統原理

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

圖3 電氣原理圖

五、紫外可見(jiàn)分光光度計的特點(diǎn)

分光光度法對于分析人員來(lái)說(shuō)，可以說(shuō)是最常用和有效的工具之一。幾乎每一個(gè)分析實(shí)驗室都離不開(kāi)紫外可見(jiàn)分光光度計。分光光度法具有以下主要特點(diǎn)。

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(jìn)展，使得對元素測定的靈敏度有所推進(jìn)，特別是有關(guān)多元絡(luò )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(lái)的幾萬(wàn)提高到數十萬(wàn)。

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(jìn)行光度法測定，如鈷、鈾、鎳、銅、銀、鐵等元素的測定，已有比較滿(mǎn)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(jìn)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(jīng)預富集后)。

5.分析成本低、操作簡(jiǎn)便、快速、應用廣泛

由于各種各樣的無(wú)機物和有機物在紫外可見(jiàn)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(xué)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(fā)表的有關(guān)分析的論文總數中，光度法約占28%，我國約占所發(fā)表論文總數的33%。

六、紫外可見(jiàn)分光光度計的應用

1.檢定物質(zhì)

根據吸收光譜圖上的一些特征吸收，特別是最大吸收波長(cháng)λ max和摩爾吸收系數ε，是檢定物質(zhì)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(jiàn)吸收光譜。若兩者是同一物質(zhì)，則兩者的光譜圖應完全一致。如果沒(méi)有標樣，也可以和現成的標準譜圖對照進(jìn)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(cháng)吸收系數的一致性

由于紫外吸收光譜只含有2～3個(gè)較寬的吸收帶，而紫外光譜主要是分子內的發(fā)色團在紫外區產(chǎn)生的吸收，與分子和其它部分關(guān)系不大。具有相同發(fā)色團的不同分子結構，在較大分子中不影響發(fā)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(cháng)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(zhì)。

4.反應動(dòng)力學(xué)研究

借助于分光光度法可以得出一些化學(xué)反應速度常數，并從兩個(gè)或兩個(gè)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(zhì)。如果化合物的紫外可見(jiàn)光區沒(méi)有明顯的吸收峰，而它的雜質(zhì)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(zhì)。

6.氫鍵強度的測定

不同的極性溶劑產(chǎn)生氫鍵的強度也不同，這可以利用紫外光譜來(lái)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(luò )合物組成及穩定常數的測定

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