3.4　紫外-可見分光光度計

紫外-可見分光光度計是在紫外-可見光區可任意選擇不同波長的光測定吸光度的儀器。一般由五個主要部件構成，即光源、單色器、吸收池、檢測器和信號顯示系統，如圖3-11所示。

3.4.1　主要部件

（1）光源

紫外-可見分光光度計對光源的基本要求是在儀器操作所需要的光譜范圍內能夠發射強度足夠而且穩定的連續光源。

可見光區的光源是鎢燈或鹵鎢燈，發射350nm以上的連續光譜。紫外光區的光源是氫燈或氘燈，發射150～400nm的連續光譜。

①鎢燈和鹵鎢燈　鎢燈是固體熾熱發光的光源，又稱白熾燈。鹵鎢燈的燈泡內含碘和溴的低壓蒸氣，可延長鎢絲的壽命，且發光強度比鎢燈高。白熾燈的發光強度與供電電壓的3～4次方成正比，所以供電電壓要穩定。

②氫燈和氘燈　氫燈是一種氣體放電發光的光源，發射150～400nm范圍內的連續光譜。氘燈比氫燈昂貴，但發光強度和燈的使用壽命比氫燈增加2～3倍，現在儀器多用氘燈。氣體放電發光需先激發，同時應控制穩定的電流，所以都配有專用的電源裝置。

（2）單色器

單色器的作用是從來自光源的連續光譜中分離出所需要的單色光。通常由進光狹縫、準直鏡、色散元件、聚焦鏡和出光狹縫組成。簡單原理見圖3-12。聚焦于進光狹縫的光，經準直鏡變成平行光，投射于色散元件。色散元件的作用是將復色光分解為單色光。再經與準直鏡相同的聚焦鏡將色散后的平行光聚焦于出光狹縫上，形成按波長排列的光譜。轉動色散元件或準直鏡方位可在一個很寬的范圍內，任意選擇所需波長的光從出光狹縫分出。

①色散元件　在單色器中，最重要的是色散元件。常用的色散元件有棱鏡和光柵。

a.棱鏡　早期生產的儀器多用棱鏡，棱鏡的色散作用是依據棱鏡材料對不同的光有不同的折射率，因此可將混合光中所包含的各個波長從長波到短波依次分散成為一個連續光譜。折射率差別愈大，色散作用（色散率）愈大。由棱鏡分光得到的光譜的光距與各條波長是非線性的，按波長排列，長波長區密，短波長區疏。棱鏡材料有玻璃和石英，因玻璃吸收紫外光，故只可用于可見光的色散。

棱鏡的色散作用是基于構成棱鏡的光學材料對不同波長的光具有不同的折射率，常用的棱鏡有考紐棱鏡和立特魯棱鏡，如圖3-13所示。前者是一個頂角為60°的棱鏡，為了防止生成雙像，該60°棱鏡是由兩個30°棱鏡組成。一邊為左旋石英，另一邊為右旋石英。后者由左旋或右旋石英做成30°棱鏡，在其縱軸表面上鍍上鋁或銀。

b.光柵　光柵是利用光的衍射與干涉作用，使不同波長的光有不同的方向，從而達到將連續光譜的光進行色散的目的。光柵色散后的光譜與棱鏡不同，其光譜是由紫到紅，各譜線間距離相等且均勻分布的連續光譜。

光柵分為平面透射光柵和反射光柵，反射光柵應用更廣泛。反射光柵又可分為平面反射光柵（或稱閃耀光柵）和凹面反射光柵。

②準直鏡　準直鏡是以狹縫為焦點的聚光鏡。其作用是將進入單色器的發散光變成平行光，也常用作聚焦鏡，將色散后的平行單色光聚集于出光狹縫。在紫外-可見分光光度計中一般用鍍鋁的拋物柱面反射鏡作為準直鏡。鋁面對紫外光反射率比其他金屬高，可以減少光強的損失，但鋁易受腐蝕，應注意保護。

③狹縫　狹縫分進光狹縫和出光狹縫兩種。進光狹縫的作用是將光源發出的光形成一束整齊的細光束照射到準直鏡上；出光狹縫的作用是選擇色散后的“單色光”。但實際上，從出光狹縫射出的并不是嚴格意義上的單色光，而是有一定的波長范圍的光譜。因此狹縫寬度直接影響分光質量，狹縫過寬，單色光不純，可引起對Beer定律的偏離。狹縫太窄，光通量小，靈敏度降低，此時若單純依靠增大放大器放大倍數來提高靈敏度，則會使噪聲同步增大，影響準確度。所以狹縫寬度要恰當，通常用于定量分析時，主要考慮光通量，宜采用較大的狹縫寬度，但以誤差小為前提；用于定性分析時，更多地考慮光的單色性，宜采用較小的狹縫寬度。

（3）吸收池

可見光區使用的吸收池為玻璃吸收池，紫外光區的吸收池為石英吸收池，該吸收池既適用于紫外光區，也適用于可見光區。但在可見光區使用，應首選玻璃吸收池。在分析測定中，用于盛放試液和空白液的吸收池，除應具有相同厚度外，兩只吸收池的透光率之差應小于0.5%，否則應進行校正。

（4）檢測器

紫外-可見光區的檢測器，一般常用光電效應檢測器，它是將接收到的輻射功率變成電流的轉換器，如光電池、光電管和光電倍增管。近年來采用了光多道檢測器，在光譜分析檢測器技術中，出現了重大革新。

光二極管陣列檢測器（photodiode array detector）是在晶體硅上緊密排列一系列光二極管檢測管， 如圖3-14所示。陣列的每一單元中有一只光敏二極管和一只與之并聯的電容器。它們通過場效應開關接入一條公共輸出線。開關由移位寄存器掃描電路控制，使之順序地開與關。在一次掃描的整個周期中，每個單元的場效應開關只開、關一次；每一時刻又只有一個單元的場效應開關是開著的。在場效應開關關著的時候，一定強度的光照射在單元表面形成光電流，使電容器放電。電容器上電荷的失落相當于照在單元上光的總量。在場效應開關開著的時候，單元與電源接通，使電容器重新充電至標準電位，相應于給電容器重新充電所需電流的信號，被送入公共輸出線，得到脈沖信號。隨著具有N個單元的陣列中的N個場效應開關順序地開、關N次，在掃描中就得到N個脈沖信號。每個脈沖與相應的二極管所接收到的光強值成正比。二極管陣列中，每一個二極管，可在1/10s的極短時間內獲得190～820nm范圍內的全光光譜。

（5）信號顯示系統

檢測器輸出的電信號很弱，需經過放大才能將測量結果以某種方式顯示出來。信號處理過程同時也包含如對數函數、濃度因素等運算乃至微分、積分等處理。現代的分光光度計多具有熒屏顯示、結果打印及吸收曲線掃描等功能。顯示方式通常都有透光率與吸光度可供選擇，有的還可轉換成濃度、吸收系數等。

3.4.2　分光光度計的類型

紫外-可見分光光度計的光路系統，目前一般可分為單光束、雙光束和二極管陣列等幾種。

（1）單光束分光光度計

在單光束光學系統中，采用一個單色器，獲得可以任意調節的一束單色光，通過改變參比池和樣品池位置，使其進入光路，進行參比溶液和樣品溶液的交替測量，在空白溶液進入光路時，將吸光度調零，然后移動吸收池架的拉桿，使樣品溶液進入光路，就可在讀數裝置上讀出樣品溶液的吸光度，其光路圖如圖3-15所示。

單光束紫外-可見分光光度計的波段范圍為190（210）～850（1000）nm，鎢燈和氫燈兩種光源互換使用，大多數儀器用光電倍增管作檢測器，也有的用光電管作檢測器，用棱鏡或光柵作色散元件，采用數字顯示或儀表讀出。

單光束紫外-可見分光光度計的優點是具有較高的信噪比，光學、機械及電子線路結構都比較簡單，價格比較便宜，適合于在給定波長處測量吸光度或透光率，但不能做全波段的光譜掃描（與計算機聯用的儀器除外）。欲繪制一個全波段的吸收光譜，需要在一系列波長處分別測量吸光度，費時較長。這種儀器由于光源強度的波動和檢測系統的不穩定性易引起測量誤差。因此，必須配備一個很好的穩壓電源以利儀器的穩定工作。

國產的751型、752型等屬于這類儀器。目前，國內普遍應用的72系列可見分光光度計也屬于這類光路。

（2）雙光束分光光度計

雙光束分光光度計是將單色器分光后的單色光分成兩束，一束通過參比池，一束通過樣品池，一次測量即可得到樣品溶液的吸光度（或透光率），其光路圖如圖3-16所示。

雙光束分光光度計通常采用固定狹縫寬度，使光電倍增管接收器的電壓隨波長掃描而改變，這樣既可使參比光束在不同波長處有恒定的光電流信號，同時也有利于差示光度和差示光譜的測定。近年來，大多數高精度雙光束分光光度計均采用雙單色器設計，即利用兩個光柵或一個棱鏡加一個光柵，中間串聯一個狹縫。因所使用的兩個色散元件的色散特性非常接近，所以這種裝置能有效地提高分辨率并降低雜散光。采用計算機控制的雙光束分光光度計，不僅操作簡便，具有數據處理功能，而且儀器的性能指標也有很大改善。

雙光束分光光度計的特點是便于進行自動記錄，可在較短的時間內（0.5～2min）獲得全波段的掃描吸收光譜。由于樣品和參比信號進行反復比較，因而消除了光源不穩定、放大器增益變化以及光學、電子學元件對兩條光路的影響。國產730型分光光度計即是采用澤尼特（Czerny-Turne）式色散系統和對稱式雙光束光路的儀器。

（3）雙波長分光光度計

就測量波長而言，單光束和雙光束分光光度計都屬單波長檢測。而雙波長分光光度計則是將同一光源發出的光分為兩束，分別經過兩個單色器，從而可以同時得到兩個波長（λ1和λ2）的單色光，這兩個波長的單色光交替地照射同一溶液，然后經過光電倍增管和電子控制系統檢測信號，其簡化光路圖如圖3-17所示。

雙波長分光光度計的特點是不僅能測定高濃度試樣、多組分混合試樣，而且能測定一般分光光度計不宜測定的渾濁試樣。用雙波長法測量時，兩個波長的光通過同一吸收池，這樣可以消除因吸收池的參數不同、位置不同、污垢及制備參比溶液等帶來的誤差，使測定的準確度顯著提高，而且操作簡便。另外，雙波長分光光度計是用同一光源得到的兩束單色光，故可以減小因光源電壓變化產生的影響，得到高靈敏度和低噪聲的信號。

（4）二極管陣列檢測的分光光度計

二極管陣列檢測的分光光度計是一種具有全新光路系統的儀器，其光路原理如圖3-18所示。由光源發出并經消色差聚光鏡聚焦后的復色光通過樣品池，聚焦于入光狹縫，其透射光經全息光柵表面色散并投射到二極管陣列檢測器上，從而得到樣品的紫外-可見光譜信息。