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紫外光譜儀原理、結構及市面上常見的儀器

來源:http://juhua744464.cn/news/11.html

發布時間 : 2018-01-25

一,基本原理

利用紫外-可見吸收光譜來進行定量分析由來已久,可追溯到古代,公元60年古希臘已經知道利用五味子浸液來估計醋中鐵的含量,這一古老的方法由于最初是運用人眼來進行檢測,所以又稱比色法。到了16、17世紀,相關分析理論開始蓬勃發展,1852年,比爾(Beer)參考了布給爾(Bouguer)1729年和朗伯(Lambert)在1760年所發表的文章,提出了分光光度的基本定律,即液層厚度相等時,顔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,這就是著名的朗伯-比爾定律。

1.紫外-可見吸收光譜的形成

吸光光度法也稱做分光光度法,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,即儀器進行分光并用光度法測定,這類儀器包括了分光光度計與原子吸收光譜儀(AAS)。吸光光度法的本質是光的吸收,因此稱吸光光度法比較合理,當然,稱分子吸光光度法是最确切的。

紫外-可見吸收光譜是物質中分子吸收200-800nm光譜區内的光而産生的。這種分子吸收光譜産生于價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狀态之中。每一種狀态都具有一定的能量,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)而從一個能級轉到另一個能級,稱為躍遷。)當這些電子吸收了外來輻射的能量就從一個能量較低的能級躍遷到一個能量較高的能級。因此,每一躍遷都對應着吸收一定的能量輻射。具有不同分子結構的各種物質,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對電磁輻射的選擇性吸收的特性而建立起來的,它屬于分子吸收光譜。躍遷所吸收的能量符合波爾條件:

二,應用範圍

紫外-可見分光光度計可用于物質的定量分析、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參數,如摩爾質量、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-可見分光光度法對無機元素的定性分析應用較少,無機元素的定性分析可用原子發射光譜法或化學分析的方法。在有機化合物的定性鑒定和結構分析中,由于紫外-可見光譜較簡單,特征性不強,因此該法的應用也有一定的局限性。但是它适用于不飽和有機化合物。尤其是共轭體系的鑒定,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譜法進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,比較吸收光譜曲線和用經驗規則計算最大吸收波長λmax,然後與實測值進行比較。

2.結構分析

結構分析可用來确定化合物的構型和構象。如辨别順反異構體和互變異構體。

3.定量分析

紫外-可見分光光度定量分析的依據是Lambert-Beer定律,即在一定波長處被測定物質的吸光度與它的溶度呈線性關系。應此,通過測定溶液對一定波長入射光的吸光度可求出該物質在溶液中的濃度和含量。種常用的測定方法有:單組分定量法、多組分定量法、雙波長法、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(又稱飽和法)和等摩爾連續變化法(又稱Job法)。

5.酸堿離解常數的測定

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

三,儀器結構

1.紫外-可見分光光度計的主要部件

全世界的紫外-可見分光光度計生産廠家有上百家,産品型号成千上萬,但就基本結構來說,都是由五個部分組成,即光源、單色器(單色儀)、吸收池、檢測器和信号指示系統。如下圖所示:

光源

對光源的基本要求是:應在儀器操作所需的光譜區域内能夠發射連續輻射;有足夠的輻射強度和良好的穩定性,而且輻射能量随波長的變化應盡可能小。紫外-可見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。熱輻射光源用于可見光區。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範圍在340~2500nm,這類光源的輻射能量與施加的外加電壓有關,在可見光區,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。

在近紫外區測定時常用氫燈和氘燈,它們可在160~375nm範圍内産生連續光源。氘燈的燈管内充有氫的同位素氘,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複合光中分出單色光的光學裝置,其主要功能應該是能夠産生光譜純度高且波長在紫外可見區域内任意可調的單色光。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、選擇性及校準曲線的線性關系等。

能起分光作用的色散元件主要是棱鏡和光栅。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光通過棱鏡時有不同的折射率而将不同波長的光分開。由于玻璃可吸收紫外光,所以玻璃棱鏡隻能用于350~3200nm的波長範圍,即隻能用于可見光區域内。石英棱鏡适用的波長範圍較寬,可從185~4000nm,即可用于紫外、可見、近紅外三個光域。

光栅是利用光的衍射與幹涉原理制成的。它可用于紫外、可見及近紅外光域,而且在整個波長區具有良好的、幾乎均勻一緻的分辨能力。它具有色散波長範圍寬、分辨本領高、成本低、便于保存和易于制備等優點。缺點是各級光譜會重疊而産生幹擾。

入射、出射狹縫,透鏡及準直鏡等光學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,但過小的狹縫又會減弱光強。

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。石英池适用于可見光區及紫外光區,玻璃吸收池隻能用于可見光區。為減少光的反射損失,吸收池的光學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号、測量單色光透過溶液後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。它們通過光電效應将照射到檢測器上的光信号轉變成電信号。對檢測器的要求是:在測定的光譜範圍内具有高的靈敏度;對輻射能量的響應時間短,線性關系好;對不同彼長的輻射響應均相同,且可靠;噪音低,穩定性好等。

硒光電池對光的敏感範圍為300~800nm,其中又以500~600nm最為靈敏。這種光電池的特點是能産生可直接推動微安表或檢流計的光電流,但由于容易出現疲勞效應而隻能用于低檔的分光光度計中。

光電管在紫外-可見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,陰極的内表面塗有光敏層,在圓柱形的中心置一金屬絲為陽極.接受陰極釋放出的電子。兩電極密封于玻璃或石英管内并抽成真空。陰極上光敏材料不同,光譜的靈敏區也不同。可分為藍敏和紅敏兩種光電管,前者是在鎳陰極表面上沉積銻和豔,可用于波長範困為210~625nm;後者是在陰極表面上沉積了銀和氧化豔。可用範圍為625~1000nm。與光電池比較,它有靈敏度高、光敏範圍寬、不易疲勞等優點。

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。

信号指示系統

它的作用是放大信号并以适當方式指示或記錄下來。早期常用的信号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紀錄裝置等。現在很多型号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行操作控制,另一方面可進行數據處埋。

2.紫外-可見分光光度計的分類

紫外-可見分光光度計的類型很多,但可歸納為三種類型:單光束分光光度計、雙光束分光光度計和雙波長分光光度計。

單光束分光光度計

其光路示意圖如前圖(紫外-可見分光光度計的基本結構圖)所示,經單色器分光後的一束平行光,輪流通過參比溶液和樣品溶掖,以進行吸光度的測定。這種類型的分光光度計結構簡單,操作方便,維修容易,适用于常規分析。國産722型,751型、724型、英國SP500型以及 BackmanDU-8型等均屬于此類光度計。

雙光束分光光度計

其光路示意如下圖所示,經單色器分光後經反射鏡(M1)分解為弧度相等的兩束光,一束通過參比池,另一束通過樣品池。光度計能自動比較兩束光的強度,此比值即為試樣的透射比,經對數變換将它轉換成吸光度并作為波長的函數記錄下來。雙光束分光光度計一般都能自動記錄吸收光譜曲線。由于兩束光同時分别通過參比池和樣品他,還能自動消除光源強度變化所引起的誤差。這類儀器有國産710型、730型和740型,日立220系列,島津-210,英國UNICAMSP-700等等。

雙波長分光光度計

其基本光路如下圖所示。由同一光源發出的光被分成兩束,分别經過兩個單色器,得到兩束不同波長的單色光;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,然後經過光電倍增管和電子控制系統,最後由顯示器顯示出兩個波長處的吸光度差值ΔA(ΔA=A1-A2)。

雙波長分光光度計的優點: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幹擾的情況下,利用雙波長分光光度法,往往能提高方法的靈敏度和選擇性。利用雙波長分光光度計,能獲得導數光譜。通過光學系統轉換,使雙波長分光光度計能很方便地轉化為單波長工作方式。如果能在兩波長處分别記錄吸光度随時間變化的曲線,還能進行化學反應動力學研究。

四,市面上的幾種紫外儀器

1,島津UV-2450/2550

主要技術指标

UV-2450/2550島津紫外分光光度計技術指标項目:

内容設置波長範圍:190~1100nm

測試波長範圍:190~900nm(使用特殊檢測器時,可達1100nm)

波長确定性:±0.3nm内裝有自動波長校正功能

波長重複精度:±0.1nm

掃描速度

波長移動時:約3200nm/min;

波長掃描時:約900~160nm/min;

監控掃描時:約2500nm/min

波長設置:掃描開始波長和掃描結束波長能夠以1nm單位設置,其它為0.1nm單位光源切換波長和波長同步自動切換,切換波長可在 282~393nm範圍任意設定(0.1nm單位)譜帶寬度0.1/0.2/0.5/1/2/5nm6段轉換響應對應于譜帶寬度自動設置最佳的響應速度,最小值為0.1秒分辨率0.1nm雜散光UV-24500.015%以下(220nm,Nal10g/L溶液)0.015%以下(340nm,UV-39 濾光片)UV-25500.0003%以下(220nm,Nal10g/L溶液)0.0003%以下(340nm,UV-39濾光片)

測光方式雙光束方式(負反饋直接比例方式)

測光類型吸光度(Abs),透射率(%),反射率(%),能量(E)吸光度-4~5Abs,透射率、反射率:0.0-999.9%

測光範圍吸光度-9.999~9.999Abs

記錄範圍透射率、反射率:-999.9~999.9%

測光準确度±0.002Abs(0~0.5Abs);±0.004Abs(0.5~1.0Abs)±0.3%T(0~100%T)

以上由NIST930D标準濾光鏡測試。重複測量精度±0.001Abs(0~0.5Abs)±0.002Abs(0.5~1.0Abs),±0.1%T基線平坦度±0.001Abs以内(除去幹擾,狹縫2nm,波長掃描速度低時)

基線校正計算機自動校正(電源啟動時,自動存儲備份的基線,可以再校正)漂移0.0004Abs/h(電源啟動2小時後)

使用溫度、濕度15~35℃,45~80%(不結露,30℃以上為70%以下)光源50W鹵素燈(長壽命2000H型);

燈(插座型),内裝光源位置自動調整機構

分光器

UV-2450:單單色器,使用高性能閃耀全息光栅,象差校正型卻爾尼特爾納裝置。

UV-2550衍射光栅:衍射光栅型雙單色色器;前級單色器:雙波長閃耀全息光栅。

主單色器:高性能閃耀全息光欄,象差校正型卻爾尼特爾納裝置。

檢測器光電子倍增管,R-928樣品室

室内尺寸:寬150×長260×深120mm.

光束間距離:100mm,能夠使用最大池程:100mm

電源内裝AC100,120,220,240V切換器。50/60Hz共用250VA尺寸

尺寸:寬570×深660×高275mm

重量約36kg檢測器變換為近紅外靈敏度型光電倍增管時,不能滿足上述主機标準的光學指标。(不含計算機、打印機)

2安捷倫PH8453

Agilent8453分光光度計作為适用于日常用戶和臨時用戶的強大而高效的系統的核心部件,易于使用,且能方便地無縫集成到現代化實驗室中。該分光光度計具有二極管陣列的所有優點:快速的掃描、極佳的靈敏度、近乎完美的波長重現性、優越的耐用性和可靠性、極少的保養工作,以及開放的樣品區和顯著改進的光學性能。其分辨率小于2納米,波長範圍為190-1100納米,并且标準雜散光強度低于0.03%。

易于使用-内置的按鈕可測定樣品、标樣和空白樣,小巧的實驗室工作台節省了占用空間,預校準的氘燈和鎢燈光源更換方便,并且可以使用個人電腦磁盤對固件進行升級。

靈活的附件-内置接口可與各種附件互相連接,如安捷倫公司的多樣品池傳送器、Peltier恒溫樣品池架、吸液系統或自動進樣系統,以及Gilson自動進樣器、Labsphere漫反射組件,或CustomSensors&Technology公司的光纖耦合器。開放的樣品區更便于拿取和更換樣品。

穩定的光學系統-熱穩定的陶瓷光譜儀的狹縫寬度為1納米,波長範圍為190-1100納米。陶瓷機殼由CarlZeiss公司特許制造。

内置GLP-序列号和固件版本号内置于固件當中。自檢程序将仔細檢查燈光強度、波長準确度和噪音,以确保各次校驗的一緻性。内置的日志會給出自檢結果以及有關儀器保養方面的注意事項。

3優尼科2102PC

由美國UNICO母公司設計。産品已通過ISO9001質量體系認證、國内的計量合格認證和英國dBTechnology測試中心CE認證。

軟件功能強大,如:光譜掃描、動力學測試、多波長測試、建立标準曲線、定量測試、DNA/Protein測試

其它功能:A:可将測試結果調到Excel或Word裡進行數據處理B:氘燈、鎢燈的自動開關等其它系列功能。

技術參數

1.波長範圍:190-1000nm波長重複性:0.1nm

2.波長精度:±0.2nm波長顯示:LCD2×20bit;精确至0.05nm

3.光譜帶寬:1.8nm

4.雜散光:≤0.03%T@220nm和340nm處

5.穩定性:±0.001A/h,500nm處

主要特點

1.采用低雜散光,高分辨率的單光束單色器,保證了波長準确度、波長重複性和更高的分辨率。

2.自動調0%T和100%T,自動調波長及多種方法的數據處理功能。

3.高分辨率,寬大的樣品槽,可容納100mm光徑吸收池和相應的反射附件。

4.儀器配有标準的RS-232雙向通訊接口,可外接打印機,打印相應的實驗數據。

5.個性化的外形設計、輕觸式按鍵使操作更為方便。