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一、什么是紫外可見分光光度計(jì)
紫外可見分光光度計(jì)是一類很重要的分析儀器，無論在物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)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(yī)藥、環(huán)境檢測、冶金等現(xiàn)代生產(chǎn)與管理部門，紫外可見分光光度計(jì)都有廣泛而重要的應(yīng)用。
分光光度計(jì)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(yīng)用于定量分析化學(xué)領(lǐng)域，并且設(shè)計(jì)了臺(tái)比色計(jì)。到1918年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)局制成了臺(tái)紫外可見分光光度計(jì)。此后，紫外可見分光光度計(jì)經(jīng)不斷改進(jìn)，又出現(xiàn)自動(dòng)記錄、自動(dòng)打印、數(shù)字顯示、微機(jī)控制等各種類型的儀器，使光度法的靈敏度和準(zhǔn)確度也不斷提高，其應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大。目前市場上有兩類主流產(chǎn)品:掃描光柵式分光光度計(jì)和固定光柵式分光光度計(jì)。
二、紫外可見分光光度計(jì)的發(fā)展
在分光元器件方面，經(jīng)歷了棱鏡、機(jī)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(jī)、微處理器的出現(xiàn)以及軟硬件技術(shù)的結(jié)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(jì))指示、繪圖儀繪圖，后來用數(shù)字電壓表數(shù)字顯示，如今更多地采用液晶屏幕或計(jì)算機(jī)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(lián)合應(yīng)用，使儀器的測量速度發(fā)生了質(zhì)的飛躍。
在儀器構(gòu)型方面，從單光束發(fā)展為雙光束，現(xiàn)在幾乎所有分光光度計(jì)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(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(xiàn)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(jì)。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(jì)。隨著發(fā)光二極管(LED)光源技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的日益成熟，以LED為光源的小型便攜又低廉的分光光度計(jì)已成為研究開發(fā)的熱點(diǎn)。除了空間色散的分光方式，也有人對(duì)聲光調(diào)制濾光和傅立葉變換光譜在紫外可見區(qū)的應(yīng)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(xiàn)代分光光度計(jì)生產(chǎn)廠商都非常重視儀器配套軟件的開發(fā)。除了儀器控制軟件和通用數(shù)據(jù)分析處理軟件外，很多儀器針對(duì)不同行業(yè)應(yīng)用開發(fā)了分析軟件，給儀器使用者帶來了極大的便利。
三、紫外可見分光光度計(jì)的結(jié)構(gòu)
一般地，紫外可見分光光度計(jì)主要由光源系統(tǒng)、單色器系統(tǒng)、樣品室、檢測系統(tǒng)組成，如圖1所示。光源發(fā)出的復(fù)合光通過單色器被分解成單色光，當(dāng)單色光通過樣品室時(shí)，一部分被樣品吸收，其余未被吸收的光到達(dá)檢測器，被轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)電子電路的放大和數(shù)據(jù)處理后，通過顯示系統(tǒng)給出測量結(jié)果。
分光光度計(jì)的主要部件如下所述。
光源：發(fā)出所需波長范圍內(nèi)的連續(xù)光譜，有足夠的光強(qiáng)度，穩(wěn)定?？梢姽鈪^(qū)：鎢燈，碘鎢燈(320～2500nm)紫外區(qū)：氫燈，氘燈(180～375nm);氙燈：紫外、可見光區(qū)均可用作光源。
單色器：將光源發(fā)出的連續(xù)光譜分解為單色光的裝置。
棱鏡：依據(jù)不同波長光通過棱鏡時(shí)折射率不同。
光柵：在鍍鋁的玻璃表面刻有數(shù)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(shí)發(fā)生衍射和干涉現(xiàn)象而分光。
吸收池：用于盛待測及參比溶液。可見光區(qū)：光學(xué)玻璃池;紫外區(qū)：石英池。
檢測器：利用光電效應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)換成電流訊號(hào)。光電池，光電管，光電倍增管。
檢流計(jì)(指示器)：刻度顯示或數(shù)字顯示、自動(dòng)掃描記錄。
四、紫外可見分光光度計(jì)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的光能量，相應(yīng)地發(fā)生了分子振動(dòng)能級(jí)躍遷和電子能級(jí)躍遷的結(jié)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(jié)構(gòu)，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*的、固定的吸收光譜曲線，可根據(jù)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(zhì)的含量，這就是分光光度定性和定量分析的基礎(chǔ)。
分光光度分析就是根據(jù)物質(zhì)的吸收光譜研究物質(zhì)的成分、結(jié)構(gòu)和物質(zhì)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(chǔ)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(shù)學(xué)表示式如下
A=abc
A—吸光度;a—摩爾吸光系數(shù);b—吸收介質(zhì)的厚度;c—吸光物質(zhì)的濃度。
光學(xué)系統(tǒng)原理
由光源鎢燈和氘燈發(fā)出的復(fù)合光經(jīng)由步進(jìn)電機(jī)控制帶動(dòng)反光鏡M1，反射通過入射狹縫，并進(jìn)入單色器中，光柵衍射出的單色光經(jīng)準(zhǔn)直鏡M2調(diào)焦，會(huì)聚通過出射狹縫，光束到達(dá)斬光器時(shí)，一段時(shí)間內(nèi)的光射成為參比光路，另一段時(shí)間內(nèi)的光透射成為樣品光路。后兩光交替地照射在檢測器(光電倍增管)，如圖2所示。
電器系統(tǒng)原理
光電倍增管檢測出的信號(hào)經(jīng)由前置放大器，驅(qū)動(dòng)卡傳遞給微機(jī)控制器，由微機(jī)控制器推動(dòng)驅(qū)動(dòng)卡居中協(xié)調(diào)各部分，如圖3所示。
五、紫外可見分光光度計(jì)的特點(diǎn)
分光光度法對(duì)于分析人員來說，可以說是常用和有效的工具之一。幾乎每一個(gè)分析實(shí)驗(yàn)室都離不開紫外可見分光光度計(jì)。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(yīng)用研究方面取得了可喜的進(jìn)展，使得對(duì)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(yīng)用研究，使許多元素的摩爾吸光系數(shù)由原來的幾萬提高到數(shù)十萬。
2.選擇性好
目前已有些元素只要利用控制適當(dāng)?shù)娘@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，已有比較滿意的方法了。
3.準(zhǔn)確度高
對(duì)于一般的分光光度法，其濃度測量的相對(duì)誤差在1～3%范圍內(nèi)，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(yù)富集后)。
5.分析成本低、操作簡便、快速、應(yīng)用廣泛
由于各種各樣的無機(jī)物和有機(jī)物在紫外可見區(qū)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(shù)放射性元素和惰性元素之外)均可采用此法。在上發(fā)表的有關(guān)分析的論文總數(shù)中，光度法約占28%，我國約占所發(fā)表論文總數(shù)的33%。
六、紫外可見分光光度計(jì)的應(yīng)用
1.檢定物質(zhì)
根據(jù)吸收光譜圖上的一些特征吸收，特別是大吸收波長λ max和摩爾吸收系數(shù)ε，是檢定物質(zhì)的常用物理參數(shù)。
2.與標(biāo)準(zhǔn)物及標(biāo)準(zhǔn)圖譜對(duì)照
將分析樣品和標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)，則兩者的光譜圖應(yīng)*一致。如果沒有標(biāo)樣，也可以和現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)譜圖對(duì)照進(jìn)行比較。這種方法要求儀器準(zhǔn)確，精密度高，且測定條件要相同。
3.比較大吸收波長吸收系數(shù)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(nèi)的發(fā)色團(tuán)在紫外區(qū)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(tuán)的不同分子結(jié)構(gòu)，在較大分子中不影響發(fā)色團(tuán)的紫外吸收光譜，不同的分子結(jié)構(gòu)有可能有相同的紫外吸收光譜，但它們的吸收系數(shù)是有差別的。如果分析樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品的吸收波長相同，吸收系數(shù)也相同，則可認(rèn)為分析樣品與標(biāo)準(zhǔn)樣品為同一物質(zhì)。
4.反應(yīng)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(yīng)速度常數(shù)，并從兩個(gè)或兩個(gè)以上溫度條件下得到的速度數(shù)據(jù)，得出反應(yīng)活化能。
5.純度檢驗(yàn)
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光區(qū)沒有明顯的吸收峰，而它的雜質(zhì)在紫外區(qū)內(nèi)有較強(qiáng)的吸收峰，就可以檢測出化合物中的雜質(zhì)。
6.氫鍵強(qiáng)度的測定
不同的極性溶劑產(chǎn)生氫鍵的強(qiáng)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(qiáng)度，以確定選擇哪一種溶劑。
7.絡(luò)合物組成及穩(wěn)定常數(shù)的測定
金屬離子常與有機(jī)物形成絡(luò)合物，多數(shù)絡(luò)合物在紫外可見區(qū)是有吸收的，我們可以利用分光光度法來研究其組成。
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