紫外可見分光光度計：儀器構(gòu)造與操作要點

一、儀器構(gòu)造詳解

1. 光源系統(tǒng)

• 紫外光區(qū)光源：氫燈和氘燈是常用的紫外光區(qū)光源。氫燈通過氫氣放電產(chǎn)生紫外光，其光譜范圍較寬，但發(fā)光強(qiáng)度相對較弱。氘燈則是在氫燈的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，內(nèi)部充有氘氣，發(fā)光強(qiáng)度比氫燈高，穩(wěn)定性也更好，因此在現(xiàn)代紫外可見分光光度計中應(yīng)用更為廣泛。例如，在對一些對紫外光吸收較弱的物質(zhì)進(jìn)行分析時，氘燈的高發(fā)光強(qiáng)度能夠提高檢測的靈敏度。

• 可見光區(qū)光源：鎢燈和鹵鎢燈用于產(chǎn)生可見光。鎢燈是最常見的可見光光源，其發(fā)光原理是通過電流加熱鎢絲使其發(fā)光。鹵鎢燈則在鎢燈的基礎(chǔ)上，在燈泡內(nèi)充入少量的鹵族元素（如碘、溴等），通過鹵鎢循環(huán)反應(yīng)，有效地減少了鎢絲的蒸發(fā)，延長了燈泡的使用壽命，同時提高了發(fā)光效率和穩(wěn)定性。在實際應(yīng)用中，如進(jìn)行一些顏色分析實驗時，鹵鎢燈穩(wěn)定的發(fā)光特性能夠保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2. 單色器系統(tǒng)

• 棱鏡單色器：棱鏡利用光的折射原理來實現(xiàn)分光。當(dāng)復(fù)合光進(jìn)入棱鏡時，由于不同波長的光在棱鏡中的折射率不同，它們在棱鏡內(nèi)的傳播路徑會發(fā)生不同程度的偏折，從而在出射端將不同波長的光分開。例如，對于一塊玻璃棱鏡，藍(lán)光的折射率比紅光高，所以藍(lán)光在棱鏡中的偏折程度更大，通過合理設(shè)計棱鏡的形狀和角度，可以將不同波長的光按順序排列輸出。棱鏡單色器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，但它的色散是非線性的，對不同波長的光分辨率不一致，在一些對波長精度要求較高的應(yīng)用中存在一定局限性。

• 光柵單色器：光柵是基于光的衍射原理工作的。光柵表面刻有大量等間距的平行刻線，當(dāng)復(fù)合光照射到光柵上時，會發(fā)生衍射現(xiàn)象，不同波長的光在不同的衍射角度上形成干涉條紋，通過選擇合適的出射狹縫位置，可以獲得所需波長的單色光。光柵單色器具有色散線性好、分辨率高的優(yōu)點，能夠更精確地分離出不同波長的光，適用于對波長精度和分辨率要求較高的分析工作，如光譜研究、痕量分析等領(lǐng)域。

3. 樣品池組件

• 玻璃樣品池：在可見光區(qū)測量時，玻璃樣品池是常用的選擇。玻璃對可見光的透過率較高，且價格相對較低，化學(xué)穩(wěn)定性較好，能夠滿足大多數(shù)可見光區(qū)分析實驗的需求。例如，在對一些有色溶液進(jìn)行濃度測量時，玻璃樣品池能夠很好地保證光的透過和樣品的穩(wěn)定性。但需要注意的是，普通玻璃會吸收紫外光，因此不能用于紫外光區(qū)的測量。

• 石英樣品池：由于石英材料對紫外光和可見光都具有良好的透過性，且在紫外光區(qū)幾乎沒有吸收，所以在紫外光區(qū)測量時必須使用石英樣品池。石英樣品池的制作工藝要求較高，成本也相對較高，但它對于準(zhǔn)確測量物質(zhì)在紫外光區(qū)的吸收特性起著關(guān)鍵作用。例如，在對核酸、蛋白質(zhì)等生物分子進(jìn)行紫外吸收光譜分析時，石英樣品池是的。

4. 檢測器系統(tǒng)

• 光電管：光電管是一種基于光電效應(yīng)的光電器件。當(dāng)光照射到光電管的陰極表面時，陰極會發(fā)射電子，這些電子在電場的作用下向陽極運動，形成光電流。光電流的大小與入射光的強(qiáng)度成正比。光電管結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，但靈敏度相對較低，適用于一些對檢測靈敏度要求不高的場合。

• 光電倍增管：光電倍增管在光電管的基礎(chǔ)上增加了多個倍增極。當(dāng)光照射到陰極產(chǎn)生光電子后，這些光電子在電場的加速下撞擊第一個倍增極，每個光電子可以從倍增極上打出多個二次電子，這些二次電子又繼續(xù)撞擊下一個倍增極，如此逐級倍增，最終在陽極上產(chǎn)生一個放大了很多倍的光電流。光電倍增管具有高的靈敏度，能夠檢測到非常微弱的光信號，廣泛應(yīng)用于對檢測靈敏度要求較高的紫外可見分光光度計中，如在痕量物質(zhì)分析、弱吸收樣品測量等方面發(fā)揮著重要作用。

• 光二極管陣列檢測器：光二極管陣列檢測器由多個光二極管組成陣列。它可以同時檢測多個波長的光信號，大大提高了測量效率。在測量過程中，光經(jīng)過樣品后直接照射到光二極管陣列上，每個光二極管對應(yīng)一個特定的波長范圍，通過對各個光二極管輸出信號的采集和處理，能夠快速獲得樣品在整個測量波長范圍內(nèi)的吸收光譜。這種檢測器常用于需要快速獲取全光譜信息的分析工作，如在化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)研究中，可以實時監(jiān)測反應(yīng)過程中光譜的變化。

5. 信號處理與顯示系統(tǒng)

• 放大器：由于檢測器輸出的電信號通常比較微弱，需要經(jīng)過放大器進(jìn)行放大處理，以便后續(xù)的分析和處理。放大器能夠?qū)⑽⑷醯碾娦盘栐鰪?qiáng)到合適的幅度，同時盡量減少信號的噪聲和失真，保證信號的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

• 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）：放大器輸出的模擬信號需要轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，才能被計算機(jī)等數(shù)字設(shè)備進(jìn)行處理和存儲。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的作用就是將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號，其轉(zhuǎn)換精度和速度會影響到數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和效率。

• 計算機(jī)控制系統(tǒng)：現(xiàn)代紫外可見分光光度計通常配備計算機(jī)控制系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)對整個儀器的運行進(jìn)行控制和管理。操作人員可以通過計算機(jī)軟件設(shè)置測量參數(shù)（如波長范圍、掃描速度、積分時間等），啟動和停止測量過程，實時采集和處理檢測器輸出的數(shù)據(jù)，并將測量結(jié)果以直觀的圖表（如吸收光譜圖）或數(shù)字形式顯示出來。計算機(jī)控制系統(tǒng)還具備數(shù)據(jù)存儲、分析、打印等功能，方便用戶對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理和保存。

二、操作要點

1. 儀器預(yù)熱：在使用紫外可見分光光度計之前，必須對儀器進(jìn)行預(yù)熱。不同類型的光源預(yù)熱時間要求不同，一般氫燈或氘燈需要預(yù)熱 20 - 30 分鐘，鎢燈或鹵鎢燈預(yù)熱 5 - 10 分鐘。預(yù)熱的目的是讓光源達(dá)到穩(wěn)定的發(fā)光狀態(tài)，避免因光源發(fā)光不穩(wěn)定而影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。例如，如果在氘燈未充分預(yù)熱的情況下進(jìn)行測量，可能會導(dǎo)致測量的吸光度值出現(xiàn)波動，無法得到準(zhǔn)確的結(jié)果。

2. 樣品準(zhǔn)備

• 溶液配制：準(zhǔn)確配制樣品溶液是保證測量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵步驟之一。在配制溶液時，要使用合適的溶劑，確保樣品能夠全溶解，并且溶液中不存在渾濁、沉淀等雜質(zhì)。例如，在測量某種有機(jī)化合物的濃度時，應(yīng)選擇對該化合物溶解性好且在測量波長范圍內(nèi)無吸收的溶劑。同時，要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程進(jìn)行溶液的配制，使用精度合適的天平、移液管等儀器，保證溶液濃度的準(zhǔn)確性。

• 樣品池清洗：在使用樣品池之前，必須對其進(jìn)行清洗。先用蒸餾水沖洗樣品池，去除表面的灰塵和雜質(zhì)，然后用待測溶液潤洗 2 - 3 次，以確保樣品池內(nèi)溶液的濃度與待測溶液一致。清洗后的樣品池要擦干外壁，避免殘留的水滴影響光的透過和測量結(jié)果。如果樣品池清洗不全，殘留的雜質(zhì)可能會對測量結(jié)果產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致測量誤差增大。

3. 波長校準(zhǔn)：定期對儀器的波長進(jìn)行校準(zhǔn)是保證測量準(zhǔn)確性的重要措施。可以使用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（如鐠釹濾光片、汞燈等）來校準(zhǔn)波長。將標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)放入樣品池中，按照儀器操作規(guī)程進(jìn)行波長掃描，測量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在特定波長處的吸收峰或發(fā)射峰位置，并與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較。如果測量值與標(biāo)準(zhǔn)值存在偏差，需要根據(jù)儀器說明書進(jìn)行波長校準(zhǔn)操作，調(diào)整儀器的波長精度。例如，對于一臺波長精度要求為 ±0.5nm 的紫外可見分光光度計，如果在校準(zhǔn)過程中發(fā)現(xiàn)某一特征波長的測量值與標(biāo)準(zhǔn)值相差超過 0.5nm，就需要及時進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保后續(xù)測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4. 基線校正：在測量樣品之前，需要進(jìn)行基線校正。基線校正的目的是消除儀器本身的噪聲、樣品池和溶劑對光的吸收和散射等因素對測量結(jié)果的影響。具體操作是將裝有空白溶劑（即與配制樣品溶液相同的溶劑）的樣品池放入樣品池中，按照測量樣品的相同條件進(jìn)行波長掃描，儀器會自動記錄下基線信號。在后續(xù)測量樣品時，儀器會自動扣除基線信號，得到樣品真實的吸收光譜。如果不進(jìn)行基線校正，測量得到的吸收光譜可能會包含儀器和溶劑等因素的干擾，導(dǎo)致對樣品吸收特性的誤判。

5. 測量過程

• 樣品測量：將準(zhǔn)備好的樣品溶液小心地倒入樣品池中，注意不要產(chǎn)生氣泡，以免影響光的透過。將樣品池放入儀器的樣品池中，按照設(shè)定的測量參數(shù)（如波長范圍、掃描速度等）進(jìn)行測量。在測量過程中，要保持儀器周圍環(huán)境的穩(wěn)定，避免震動、強(qiáng)光照射等干擾因素。例如，在進(jìn)行高精度的痕量分析時，環(huán)境的微小震動都可能導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)偏差。

• 數(shù)據(jù)記錄與處理：測量完成后，及時記錄測量數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。現(xiàn)代儀器的計算機(jī)控制系統(tǒng)通常具備多種數(shù)據(jù)處理功能，如平滑曲線、扣除背景、計算吸光度與濃度的關(guān)系等。在處理數(shù)據(jù)時，要根據(jù)實驗?zāi)康暮鸵筮x擇合適的處理方法，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。例如，在進(jìn)行定量分析時，要根據(jù)比爾 - 朗伯定律，通過測量得到的吸光度值計算樣品的濃度，并對計算結(jié)果進(jìn)行合理的誤差分析。

6. 儀器維護(hù)

• 清潔保養(yǎng)：定期對儀器進(jìn)行清潔保養(yǎng)，保持儀器表面的清潔，避免灰塵、污垢等進(jìn)入儀器內(nèi)部。使用干凈的軟布擦拭儀器外殼、樣品池架等部位。對于樣品池，使用后要及時清洗干凈，并晾干保存。同時，要定期檢查儀器的光學(xué)部件，如光源、單色器、檢測器等，確保其表面無灰塵和污染物，如有必要，可以使用專用的光學(xué)清潔劑進(jìn)行清潔。

• 定期校準(zhǔn)：除了波長校準(zhǔn)外，還需要定期對儀器的其他性能指標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)，如吸光度準(zhǔn)確性、雜散光等。校準(zhǔn)的頻率可以根據(jù)儀器的使用頻率和精度要求來確定，一般建議每半年或一年進(jìn)行一次全面