紫外光谱分析仪基础知识.docx

紫外－可见光谱法及相关仪器

UV-VIS Spectrometry & Instrument

紫外－可见光谱法及相关仪器

一． 紫外－可见吸收光谱概述

二． 紫外－可见分光光度计

1． 紫外－可见分光光度计的主要部件

2． 紫外－可见分光光度计的分类

3． 紫外－可见分光光度计的各项指标含义

4．紫外－可见分光光度计的校正

三． 紫外－可见分光光度计的应用

四．紫外－可见分光光度计的进展

一．紫外－可见吸收光谱概述
利用紫外－可见吸收光谱来进行定量分析由来已久，可追溯到古代，公元60年古希腊已经知道利用五味子浸液来估计醋中铁的含量，这一古老的方法由于最初是运用人眼来进行检测，所以又称比色法。到了16、17世纪，相关分析理论开始蓬勃发展，1852年，比尔(Beer)参考了布给尔(Bouguer)1729年和朗伯(Lambert)在1760年所发表的文章，提出了分光光度的基本定律，即液层厚度相等时，颜色的强度与呈色溶液的浓度成比例，从而奠定了分光光度法的理论基础，这就是著名的朗伯－比尔定律。
1．紫外－可见吸收光谱的形成
吸光光度法也称做分光光度法，但是分光光度法的概念有些含糊，分光光度是指仪器的功能，即仪器进行分光并用光度法测定，这类仪器包括了分光光度计与原子吸收光谱仪（AAS）。吸光光度法的本质是光的吸收，因此称吸光光度法比较合理，当然，称分子吸光光度法是最确切的。
紫外－可见吸收光谱是物质中分子吸收200-800nm光谱区内的光而产生的。这种分子吸收光谱产生于价电子和分子轨道上的电子在电子能级跃迁（原子或分子中的电子，总是处在某一种运动状态之中。每一种状态都具有一定的能量，属于一定的能级。这些电子由于各种原因（如受光、热、电的激发）而从一个能级转到另一个能级，称为跃迁。）当这些电子吸收了外来辐射的能量就从一个能量较低的能级跃迁到一个能量较高的能级。因此，每一跃迁都对应着吸收一定的能量辐射。具有不同分子结构的各种物质，有对电磁辐射显示选择吸收的特性。吸光光度法就是基于这种物质对电磁辐射的选择性吸收的特性而建立起来的，它属于分子吸收光谱。跃迁所吸收的能量符合波尔条件：

二．紫外－可见分光光度计
1854年，杜包斯克(Duboscq)和奈斯勒(Nessler)等人将此理论应用于定量分析化学领域，并且设计了第一台比色计。到1918年，美国国家标准局制成了第一台紫外可见分光光度计。此后，紫外－可见分光光度计经不断改进，又出现自动记录、自动打印、数字显示、微机控制等各种类型的仪器，仪器的灵敏度和准确度也不断提高，其应用范围也不断扩大。
1．紫外－可见分光光度计的主要部件
光源
单色器
吸收池
检测器
信号指示系统
全世界的紫外－可见分光光度计生产厂家有上百家，产品型号成千上万，但就基本结构来说，都是由五个部分组成，即光源、单色器（单色仪）、吸收池、检测器和信号指示系统。如下图所示：

光源
对光源的基本要求是：应在仪器操作所需的光谱区域内能够发射连续辐射；有足够的辐射强度和良好的稳定性，而且辐射能量随波长的变化应尽可能小。紫外－可见分光光度计中常用的光源有热辐射光源和气体放电光源两类。热辐射光源用于可见光区。如钨丝灯和卤钨灯；气体放电光掉用于紫外光区，如氢灯和氘灯。
钨灯和碘钨灯可使用的范围在340～2500nm，这类光源的辐射能量与施加的外加电压有关，在可见光区，辐射的能量与工作电压的4 次方成正比。光电流也与灯丝电压的n次方（n>l）成正比。因此必须严格控制灯丝电压，仪器必须备有稳压装置。
在近紫外区测定时常用氢灯和氘灯，它们可在160～375nm 范围内产生连续光源。氘灯的灯管内充有氢的同位素氘，它是紫外光区应用最广泛的一种光源，其光谱分布与氢灯类似，但光强度比相同功率的氢灯要大3～5 倍。
单色器
单色器是能从光源辐射的复合光中分出单色光的光学装置，其主要功能应该是能够产生光谱纯度高且波长在紫外可见区域内任意可调的单色光。单色器一般由入射狭缝、准直镜（透镜或凹面反射镜使入射光成平行光）、色散元件、聚焦元件和出射狭缝等几部分组成。其核心部分是色教元件，起分光的作用。单色器的性能直接影响人射光的单色性，从而也影响到测定的灵敏度、选择性及校准曲线的线性关系等。
能起分光作用的色散元件主要是棱镜和光栅。棱镜常用的材料有玻璃和石英两种。它们的色散原理是依据不同波长光通过棱镜时有不同的折射率而将不同波长的光分开。由于玻璃可吸收紫外光，所以玻璃棱镜只能用于350～3200 nm 的波长范围，即只能用于可见光区域内。石英棱镜适用的波长范围较宽，可从185～4000nm，即可用于紫外、可见、近红外三个光域。
光栅是利用光的衍射与干涉原理制成的。它可用于紫外、可见及近红外光域，而且在整个波长区具有良好的、几乎均匀一致的分辨能力。它具有色散波长范围宽、分辨本领高、成本低、便于保存和易于制备等优点。缺点是各级光谱会重叠而产生干扰。
入射、出射狭缝，透镜及准直镜等光学元件中狭缝在决定单色器性能上起重要作用。狭缝的大小直接影响单色光纯度，但过小的狭缝又会减弱光强。
吸收池
吸收池用于盛放分析试样，一般有石英和玻璃材料两种。石英池适用于可见光区及紫外光区，玻璃吸收池只能用于可见光区。为减少光的反射损失，吸收池的光学面必须完全垂直于光束方向．在高精度的分析测定中（紫外区尤其重要）,吸收池要挑选配对。因为吸收池材料的本身吸光特征以及吸收池的光程长度的精度等对分析结果都有影响。
检测器
检测器的功能是检测光信号、测量单色光透过溶液后光强度变化的一种装置，常用的检测器有光电池、光电管和光电倍增管等。它们通过光电效应将照射到检测器上的光信号转变成电信号。对检测器的要求是：在测定的光谱范围内具有高的灵敏度；对辐射能量的响应时间短，线性关系好；对不同彼长的辐射响应均相同，且可靠；噪音低，稳定性好等。
硒光电池对光的敏感范围为300～800nm ，其中又以500～600nm 最为灵敏。这种光电池的特点是能产生可直接推动微安表或检流计的光电流，但由于容易出现疲劳效应而只能用于低档的分光光度计中。
光电管在紫外－可见分光光度计上应用较为广泛。它的结构是以一弯成半圆柱形的金属片为阴极，阴极的内表面涂有光敏层，在圆柱形的中心置一金属丝为阳极．接受阴极释放出的电子。两电极密封于玻璃或石英管内并抽成真空。阴极上光敏材料不同，光谱的灵敏区也不同。可分为蓝敏和红敏两种光电管，前者是在镍阴极表面上沉积锑和艳，可用于波长范困为210～625 nm；后者是在阴极表面上沉积了银和氧化艳。可用范围为625～1000nm。与光电池比较，它有灵敏度高、光敏范围宽、不易疲劳等优点。
光电倍增管是检测微弱光最常用的光电元件，它的灵敏度比一般的光电管要高200 倍，因此可使用较窄的单色器狭缝，从而对光谱的精细结构有较好的分辨能力。
信号指示系统
它的作用是放大信号并以适当方式指示或记录下来。早期常用的信号指示装置有直读检流计、电位调节指零装置以及数字显示或自动纪录装置等。现在很多型号的分光光度计都可配套计算机使用，一方面可对分光光度计进行操作控制，另一方面可进行数据处埋。
2．紫外－可见分光光度计的分类
紫外－可见分光光度计的类型很多，但可归纳为三种类型：单光束分光光度计、双光束分光光度计和双波长分光光度计。
a．单光束分光光度计
其光路示意图如前图（紫外－可见分光光度计的基本结构图）所示，经单色器分光后的一束平行光，轮流通过参比溶液和样品溶掖，以进行吸光度的测定。这种类型的分光光度计结构简单，操作方便，维修容易，适用于常规分析。国产722型，751型、724型、英国SP500型以及Backman DU－8 型等均属于此类光度计。
b．双光束分光光度计
其光路示意如下图所示，经单色器分光后经反射镜（M1）分解为弧度相等的两束光，一束通过参比池，另一束通过样品池。光度计能自动比较两束光的强度，此比值即为试样的透射比，经对数变换将它转换成吸光度并作为波长的函数记录下来。双光束分光光度计一般都能自动记录吸收光谱曲线。由于两束光同时分别通过参比池和样品他，还能自动消除光源强度变化所引起的误差。这类仪器有国产710 型、730型和740型，日立220系列，岛津－210，英国UNICAM SP－700等等。

单波长双光束分光光度计原理图
c．双波长分光光度计
其基本光路如下图所示。由同一光源发出的光被分成两束，分别经过两个单色器，得到两束不同波长的单色光；再利用切光器使两束光以一定的频率交替照射同一吸收池，然后经过光电倍增管和电子控制系统，最后由显示器显示出两个波长处的吸光度差值ΔA (ΔA = A1-A2)。
双波长分光光度计的优点：对于多组分混合物、混浊试样（如生物组织液）的分析，以及存在背景于扰或共存组分吸收干扰的情况下，利用双波长分光光度法，往往能提高方法的灵敏度和选择性。利用双波长分光光度计，能获得导数光谱。通过光学系统转换，使双波长分光光度计能很方便地转化为单波长工作方式。如果能在两波长处分别记录吸光度随时间变化的曲线，还能进行化学反应动力学研究。

双波长分光光度计光路示意圈
3．紫外－可见分光光度计的各项指标含义
a. 波长准确度与准确性（一般在0.1-0.8nm之间）
单色光的最大强度波长值于波长指示值之差。是仪器最重要的指标之一，仪器测定的每个值都是在指定的波长下得到的，如果所示的波长和实际波长偏差很大，那么测出的结构就毫无意义了。
b. 狭缝宽准确度（一般在0.01-0.1nm之间）
狭缝是指由一对隔板在光通路上形成的缝隙，用来调节入射单色光的纯度和强度，也直接影响分辩力。因此，狭缝的准确度越高越好。狭缝可在0.1－10nm宽度内调节。
c. 噪音（一般在0.0008-0.008之间）
表征仪器做稀溶液的能力。这个指标越小越好。
d. 吸光度准确性（一般在0.1%-2.0%之间 ）
吸光度的仪器读数与标准溶液的标准值之差。标定应在紫外光区和可见光区两个部分进行。
e. 高读数准确度（一般在0.2%-5.0%之间）
吸光度范围一般在0-8之间，在比较大的吸光度时测定的准确度反映了仪器的线性范围的好坏。
f. 杂散光（一般在0.02%-0.3%T之间）
检测器在给定的标称波长处（220nm，NaI；340nm,NaNO2）接收的光线中夹杂的不属于入射光束的其它光线。这个值越小越好。
g. 分辨率（一般在0.03-0.3之间）
是指仪器分开相邻的两条谱线的能力。如：在狭缝为0.2nm时，365.02、365.48、366.33nm三条谱线应能明显分清。
h. 能量（一般在0.5-1之间）
是读数方式的一种，一般仪器都有几种测量光度的方式如：透过率，吸光度，反射率，能量。能量的大小反映了光源、检测器等仪器的整体性能。
此外还有其它指标：如仪器的波长范围（190-1100nm）、基线漂移、稳定性、吸光度范围等，这些指标都容易理解，就不一一说明了。
4．紫外－可见分光光度计的校正
通常在实验室工作中，验收新仪器或仪器使用过一段时间后都要进行波长校正和吸光度校正。一般要在紫外区和可见区分别校正。常采用下述的方法来进行校正。
镨钕玻璃或钬玻璃都有若干特征的吸收峰，可用来校正分光光度计的波长标尺，前者用于可见光区，后者则对紫外和可见光区都适用。
可用K2CrO4标准溶液来校正吸光度标度。将0.04克K2CrO4溶解于1dm3的0.05 mol/dm3的KOH溶液中，在1cm 光程的吸收池中，在25℃ 时用不同波长测得的吸光度值如下表：

铬酸钾溶液的吸光度

三．紫外－可见分光光度计的应用
紫外－可见分光光度计可用于物质的定量分析、结构分析和定量分析。而且还能测定某些化合物的物理化学参数，如摩尔质量、配合物的配合比例和稳定常熟、酸碱电离常数等。
1．定性分析
紧外－可见分光光度法对无机元素的定性分析应用较少，无机元素的定性分析可用原子发射光谱法或化学分析的方法。在有机化合物的定性鉴定和结构分析中，由于紫外－可见光谱较简单，特征性不强，因此该法的应用也有一定的局限性。但是它适用于不饱和有机化合物。尤其是共轭体系的鉴定，以此推断未知物的骨架结构。此外，可配合红外光谱、核磁共振波谱法和质谱法进行定性鉴定和结构分析，因此它仍不失为是一种有用的辅助方法。
一般有两种定性分析方法，比较吸收光谱曲线和用经验规则计算最大吸收波长λmax，然后与实测值进行比较。
2．结构分析
结构分析可用来确定化合物的构型和构象。如辨别顺反异构体和互变异构体。
3．定量分析
紫外－可见分光光度定量分析的依据是Lambert-Beer定律，即在一定波长处被测定物质的吸光度与它的溶度呈线性关系。应此，通过测定溶液对一定波长入射光的吸光度可求出该物质在溶液中的浓度和含量。种常用的测定方法有：单组分定量法、多组分定量法、双波长法、示差分光光度法和导数光谱法等。
4．配合物组成及其稳定常数的测定
测量配合物组成的常用方法有两种：摩尔比法（又称饱和法）和等摩尔连续变化法（又称Job法）。
5．酸碱离解常数的测定
光度法是测定分析化学中应用的指示剂或显色剂离解常数的常用方法，该法特别适用于溶解度较小的弱酸或弱碱。
6.UV-VIS的一些应用领域举例
紫外－可见分光光度计的应用范围很广，在有机化学、生物制药、药品分析、食品检测、环保、生命科学等领域都广泛的应用。
比如紫外－可见分光光度计在环保行业应用于有机污染物的检测：可以测定水中的油分、黄腐酸、木素磺酸、木质素、五氯酚、COD等，可以测定土壤和水中的酚类、苯胺类等等。
紫外－可见分光光度计在农药制剂、添加剂、防腐剂和作物提取物测定等方面有着广泛的应用：可以用来测量水稻小麦中多均灵残留量，可用于灭鼠灵、除草剂的测定，可测定饲料添加剂中皮蝇磷、灰黄霉素、磺胺类药物等，可测定作物提取物中的烟碱、辣椒素、香草醛、苯甲醛、咖啡碱等，可测定食品防腐剂中的苯甲酸盐和山梨酸盐，饮料中的各种有机成分等。
此外，紫外－可见分光光度计在制药行业有着更广泛的应用。可用于、滴眼液、安定药、镇咳剂、解热药、利尿药、降压药、抗疟药、抗肿瘤、抗结核等药物的测定，测定去痛片、安痛定注射液和小儿感敏冲剂中各组分的含量，
紫外－可见分光光度计在无机物的测定中也有许多应用。

四．紫外－可见分光光度计的进展
1．仪器的自动化程度大大提高
世界上第一台紫外可见分光光度计仪器，是由美国的Beckman公司于1945年推出，随着科学技术的发展，紫外可见分光光度计仪器得到了飞速发展。自动化程度大大提高。特别是计算机及其计算机软件更是日新月异。许多高档紫外可见分光光度计，如美国的Cary6000、Lambda900、国产的TU-1901等紫外可见分光光度计，一开机仪器就进行全方位的自检。如果自检时发现何处有故障，则会在显示屏上，一目了然地告诉使用者。使用者也能通过计算机查寻排除故障。
有些仪器带有数据处理软件包，可自动进行数据处理并大大增加了使用者所需要的信息量。有些仪器备有自诊断软件，使用者可以通过计算机方便地解决使用中出现的各种故障。
2．重视适用附件的开发
紫外可见分光光度计附件的发展已成为紫外可见分光光度计发展的主要内容之一，如Perkin Elmer公司的Lambda系列、Varian公司的Cary系列、岛津公司的UV-2550系列，北京普析通用公司的TU-19系列等紫外可见分光光度计，都带有15种以上的附件，如积分球、蠕动泵进样、长样品池架、试管架、镜面反射附件、微量样品池架、帕尔贴恒温附件、短光程样品池架、长样品池架、恒温池架、超微量样品池架、固体样品池架、浸人式光纤探测装置、反射式光纤探测装置、品种繁多的微量池等，这些附件大大方便了用户。
3．仪器向小型化（微型化）、数字化、便携式的方向发展
由于环境、野外、海洋深水现场分析测试等的需要，开发小型化、便携式仪器是一个趋势。目前，国际上已有好多制造商正在研究开发适合于各种不同使用对象的小型紫外可见分光光度计。其中比较典型的代表有：美国的海洋公司（OceanOptics）前几年推出了PC2000型卡式光度计可插入PC机内工作。2001午又推出了USB接口的USB2000微型光度计，只有200g，采用2048位元的CCD检测器，最快积分时间只有0.003s。最近又推出HR2000型高分辨率光纤光度计，将最高分辨率提高到了0.035nm。但美国的海洋公司卡式光度计等只适用于可见光区域使用