| 發布日期：2024-12-19 |
光譜儀是一種用于測量和分析光譜信息的儀器，廣泛應用于科研、醫療、環境監測等領域。紫外-可見吸收光譜是研究物質在紫外-可見光區域（波長范圍約為190-800 nm）吸收特性的一種技術。光譜儀基于光譜分布的光強測量原理，通過光纖將待測樣品發出的光或通過樣品的光引入光譜儀，然后通過光譜儀內部的光學系統分光，將不同波長的光分離并檢測，最終得到樣品的光譜信息。
一、測試原理
紫外吸收光譜和可見光吸收光譜都屬于分子光譜，他們都是由于價電子的躍遷產生的。紫外-可見吸收光譜分析技術是利用物質的分子或離子對紫外和可見光的吸收所產生的紫外可見光譜，對吸收物質的組成、含量和結構進行分析、測定和推斷的技術。
在有機或分子化合物中存在σ電子、π電子以及孤對n電子，當分子吸收輻射能時，這些電子就會躍遷到較高的能級，躍遷形式包括σ→σ*、n→σ*、π→π*和n→π*四種類型，各種躍遷類型所需要的能量依下列次序減小：σ→σ*>n→σ*>π→π*>n→π*，這種躍遷同分子內部的結構有密切的關系，這就是紫外-可見吸收光譜能夠用于有機或分子化合物分析的理論基礎。
在無機化合物中，紫外-可見吸收光譜主要是由電荷轉移躍遷和配位場躍遷產生的。電荷轉移躍遷是指分子中的原子在輻射下原定于在金屬M軌道上的電荷轉移到配位體L的軌道上，或按相反的方向轉移的躍遷形式。這種躍遷所產生的吸收光譜也稱為荷移光譜。配位躍遷包括d-d配位場躍遷、f-f配位場躍遷，以及金屬離子影響下的配位體內π→π*躍遷。d-d躍遷是指在配體的作用下過渡金屬離子的d軌道吸收輻射后產生的躍遷；f-f躍遷是鑭系、錒系的f軌道裂分吸收輻射后產生的躍遷；配位體內π→π*躍遷是指由于金屬離子的微擾引起的配位躍遷，這種躍遷與成鍵性質有關，若由共價鍵和配位鍵結合，這種變化則會非常明顯。
二、應用優勢
光譜儀在測量紫外-可見吸收光譜方面具有顯著的應用優勢，這些優勢使得它成為多個領域中不可或缺的分析工具。
（1）高精度與準確性：光譜儀在測量紫外-可見吸收光譜時，能夠提供高精度的數據。這得益于其先進的光學系統和電子控制系統，這些系統經過精心設計和優化，能夠最大限度地減小誤差，提高數據的重復性。因此，光譜儀在定量分析和定性分析中都能提供準確可靠的結果。
（2）高靈敏度與低檢測限：光譜儀具有高靈敏度和低檢測限的特點，能夠檢測出低濃度的物質。在紫外-可見吸收光譜測量中，即使是微量物質也能被準確測定。這一特性使得光譜儀在痕量分析中具有很大的應用潛力，如環境監測中的污染物檢測、藥物分析中的雜質檢測等。
（3）良好的選擇性：光譜儀在測量紫外-可見吸收光譜時，能夠有效地分辨和鑒別不同的物質。這是因為不同的物質在特定的波長范圍內對光的吸收具有獨特的特征。通過測量和分析這些特征，可以確定樣品的成分和性質。這種良好的選擇性使得光譜儀在復雜樣品的分析中具有很高的準確性和可靠性。
（4）快速分析：光譜儀能夠迅速提供紫外-可見吸收光譜的測量結果，這使得它在快速分析方面具有優勢。在工業生產、環境監測等領域，快速獲取數據對于及時做出決策和調整至關重要。光譜儀的快速分析能力使得這些領域中的工作效率得到了顯著提升。
（5）非破壞性測試：光譜儀在測量紫外-可見吸收光譜時，通常采用非接觸式的測量方式，不會對樣品造成破壞。這一特性使得光譜儀在文物保護、生物醫學等領域中具有廣泛的應用前景。在這些領域中，對樣品的完整性要求極高，非破壞性測試是必不可少的。
（6）多領域應用：光譜儀在測量紫外-可見吸收光譜方面的應用非常廣泛，涵蓋了化學、材料科學、生物醫學、環境監測等多個領域。在化學行業中，光譜儀可以用于測定反應中產物的濃度、配合物的穩定性和含水率等；在制藥行業中，光譜儀可以用于藥品生產過程中的質量控制；在環境監測中，光譜儀可以測定空氣、水和土壤中污染物的濃度；在生物醫學領域，光譜儀可以用于測定生物分子的濃度和純度，研究生物分子結構變化等。
（7）易于操作與維護：光譜儀的操作相對簡單，用戶界面友好，易于上手。這使得非專業人員也能夠快速掌握其使用方法，進行準確的測量和分析。此外，光譜儀的維護也相對簡單，通常只需要進行定期的校準和清潔即可保持其良好的工作狀態。
綜上所述，光譜儀在測量紫外-可見吸收光譜方面具有高精度與準確性、高靈敏度與低檢測限、良好的選擇性、快速分析、非破壞性測試、多領域應用以及易于操作與維護等優勢。這些優勢使得光譜儀成為多個領域中不可或缺的分析工具。
三、應用領域
光譜儀在測量紫外-可見吸收光譜的應用領域非常廣泛，因為它具有快速分析、高靈敏度、多用途以及無損檢測等特點。它已成為各個領域中不可或缺的分析工具，為科學研究和技術進步提供了有力的支持。
（1）化工行業：紫外-可見光譜可以用于測定反應中產物的濃度、配合物的穩定性和含水率等，確保生產過程的穩定性和產品質量。
（2）制藥行業：紫外-可見光譜在藥品生產過程中的質量控制中起著關鍵作用，如原料檢測、中間產物分析、成品檢驗等，確保藥物的質量和安全性。
（3）環境監測：紫外-可見光譜可以測定空氣、水和土壤中污染物的濃度，如有機氣體、氯化物、重金屬等，為環境保護和污染治理提供科學依據。
（4）食品安全檢測：紫外-可見光譜可用于檢測食品中的添加劑、農藥殘留、色素等有害物質，確保食品的安全性和質量。
（5）生物分子研究：紫外-可見光譜用于測定DNA、RNA和蛋白質的濃度和純度，研究生物分子結構變化，如蛋白質的構象變化、核酸的二級結構等。
（6）醫療衛生：紫外-可見光譜在臨床檢驗中用于檢測血液、尿液等生物樣本中的特定成分，為疾病診斷和治療提供依據。
（7）農業和林業：紫外-可見光譜可用于土壤養分分析、農產品質量檢測、林木中化學成分分析等。
（8）法醫分析：紫外光譜用于檢測體液或組織中的毒物和藥物成分，分析現場提取的化學物質。
此外，紫外-可見光譜儀在有機化學研究中也得到了廣泛的應用，通常用作物質鑒定、純度檢查以及有機分子結構的研究。在定量方面，它可以測定結構比較復雜的化合物和混合物中各組分的含量，還可以測定物質的離解常數、絡合物的穩定常數等。
四、解決方案
4.1 測量系統組成
紫外-可見光吸收光譜儀由如下4個部件組成：
（1）光源：選擇具有穩定的、有足夠輸出功率的、能提供儀器使用波段的連續光譜，可根據待測樣品的特征吸收峰的光譜范圍選擇合適波段的光源。如海光電可提供氘鎢燈（200-2500nm）、鹵鎢燈（350-2500nm）或氙燈（185-2000nm）來作為光源。
（2）采樣附件：針對液體樣品，可選擇樣品池用于盛放待測液體，樣品池的的測量光程一般為0.5～10 cm，常見的樣品池有石英池和玻璃池兩種，前者適用于紫外到可見光區，后者只適用于可見光區，這是因為玻璃在紫外區具有較強的吸收，這會對紫外吸收的檢測結果造成較大的干擾；針對氣體樣品，可搭配氣體流通池使用，光程一般為80 cm，可用于分析煙氣、汽車尾氣、工業廢氣等大氣污染物。
（3）光譜儀：光譜儀是核心角色，其主要作用是通過分析物質對不同波長或頻率的紫外-可見光的吸收情況，來確定物質的成分、組成以及結構信息，具有高精度、高分辨率以及寬波長范圍覆蓋等優點，能夠實現對樣品中微量成分的準確檢測。
（4）光纖：光纖在紫外-可見吸收光譜測量系統中作為高效、穩定的光信號傳輸媒介，顯著提升了測量的精度與可靠性。
4.2 系統搭建
圖1 液體測量系統搭建
圖2 氣體測量系統搭建
4.3 推薦配置
五、實驗案例
5.1 實驗原理
本實驗以苯酚為實驗對象，展示紫外-吸收光譜設備的搭建方法，和紫外-可見吸收光譜的定量分析方法。
由于具有環狀共軛結構的分子如苯、苯酚等，易產生π→π*躍遷，因此具有這種環狀共軛結構的分子在紫外光譜均有較強的特征吸收峰。例如，苯在紫外光區會產生三個特征吸收帶，分別出現在180nm、204nm左右、以及255nm處，而苯酚在270nm處有特征吸收峰。由于苯酚在紫外光區的吸光度與含量成正比關系，符合Lambert-Beer定律，因此可以利用紫外-可見吸收光譜法繪制苯酚含量的標準曲線。
5.2 實驗儀器和試劑
本實驗所需的儀器和試劑如下表所示：
5.3 實驗過程
5.3.1 苯酚溶液的配制
配制濃度分別為5、10、16、25、35、40、45、50（mg/L）的苯酚溶液，其中25 mg/L的溶液作為未知濃度的待測樣品。
5.3.2 紫外-可見吸收光譜儀的搭建
用一根抗紫外石英光纖連接氘鹵二合一光源與四通液體測量池，用另一根光纖連接四通液體光譜測量池與光纖光譜儀；給光譜儀及光源接上電源；再用一根USB數據線連接光譜儀與電腦；打開UspectralPlus軟件，這就完成了整個實驗設備的搭建。搭建設備如下圖所示：
圖3 吸光度實驗裝置搭建示意圖
5.3.3 光譜的采集
（1）打開氘鎢燈的總開關，再打開氘燈與鎢燈的分控開關，先預熱3至5分鐘；
（2）打開UspectralPlus軟件，選擇透射模式；
（3）保存暗背景光譜：關閉光源的總閘開關，采集一條光譜，該光譜即為暗光譜，再點擊“保存暗光譜”；
（4）保存參比光譜：本次實驗以純水為參比，在比色皿中注入純水，將比色皿放入四通液體測量池，蓋上測量池的遮光蓋，打開總閘開關，采集一條光譜，再點擊“保存明光譜”；
（5）樣品光譜的測量：依次用移液槍將苯酚樣品注于石英比色皿中，將石英比色皿放入四通液體光譜測量池中，點擊“透射率”按鈕，再點擊“透反輻”，選擇顯示模式為“吸光度”，點擊“保存數據”，此時就保存了全譜段的吸光度數據。
5.3.4 標準曲線的繪制
選擇苯酚的最大吸收波長，即276nm處的吸光度填入表中，再做出吸光度-濃度標準曲線。
5.4 實驗結果
紫外-可見吸收光譜儀所采集到的不同濃度苯酚溶液的吸收光譜如圖4所示：
圖4 不同濃度苯酚溶液的吸收光譜
從圖4中可以看到，苯酚在紫外光區有3個較強的吸收峰，分別為194 nm、219 nm，以及276 nm，并隨著濃度的增加，樣品的特征峰強度也隨之增強。經查閱文獻，得知常選用276nm處的特征峰作為定量分析的依據。將276nm處的吸光度填寫在表1。
表1 苯酚在276 nm處的吸光度
繪制苯酚定量分析的標準曲線，如下圖5所示。
圖5 不同濃度苯酚溶液特定峰強處的吸光度與濃度關系線性擬合曲線
由圖得知苯酚溶液的吸光度與其濃度具有較大的線性相關關系，線性擬合系數為0.9961，標準曲線的方程式是：C=84.74A-14.40
將未知樣品的吸光度0.4196代入標準曲線的方程式中，得出未知苯酚樣品的濃度為24.97 mg/L，而真實的濃度為25.00 mg/L，實驗的測量誤差△=-0.03 mg/L。
5.5 實驗結論
使用如海光電的紫外-可見吸收光譜測量方案可有效測出苯酚在紫外區的吸收峰，標準曲線較小，測量結果準確。
六、產品推薦
