| 发布日期：2024-12-19 |
光谱仪是一种用于测量和分析光谱信息的仪器，广泛应用于科研、医疗、环境监测等领域。紫外-可见吸收光谱是研究物质在紫外-可见光区域（波长范围约为190-800 nm）吸收特性的一种技术。光谱仪基于光谱分布的光强测量原理，通过光纤将待测样品发出的光或通过样品的光引入光谱仪，然后通过光谱仪内部的光学系统分光，将不同波长的光分离并检测，最终得到样品的光谱信息。
一、测试原理
紫外吸收光谱和可见光吸收光谱都属于分子光谱，他们都是由于价电子的跃迁产生的。紫外-可见吸收光谱分析技术是利用物质的分子或离子对紫外和可见光的吸收所产生的紫外可见光谱，对吸收物质的组成、含量和结构进行分析、测定和推断的技术。
在有机或分子化合物中存在σ电子、π电子以及孤对n电子，当分子吸收辐射能时，这些电子就会跃迁到较高的能级，跃迁形式包括σ→σ*、n→σ*、π→π*和n→π*四种类型，各种跃迁类型所需要的能量依下列次序减小：σ→σ*>n→σ*>π→π*>n→π*，这种跃迁同分子内部的结构有密切的关系，这就是紫外-可见吸收光谱能够用于有机或分子化合物分析的理论基础。
在无机化合物中，紫外-可见吸收光谱主要是由电荷转移跃迁和配位场跃迁产生的。电荷转移跃迁是指分子中的原子在辐射下原定于在金属M轨道上的电荷转移到配位体L的轨道上，或按相反的方向转移的跃迁形式。这种跃迁所产生的吸收光谱也称为荷移光谱。配位跃迁包括d-d配位场跃迁、f-f配位场跃迁，以及金属离子影响下的配位体内π→π*跃迁。d-d跃迁是指在配体的作用下过渡金属离子的d轨道吸收辐射后产生的跃迁；f-f跃迁是镧系、锕系的f轨道裂分吸收辐射后产生的跃迁；配位体内π→π*跃迁是指由于金属离子的微扰引起的配位跃迁，这种跃迁与成键性质有关，若由共价键和配位键结合，这种变化则会非常明显。
二、应用优势
光谱仪在测量紫外-可见吸收光谱方面具有显著的应用优势，这些优势使得它成为多个领域中不可或缺的分析工具。
（1）高精度与准确性：光谱仪在测量紫外-可见吸收光谱时，能够提供高精度的数据。这得益于其先进的光学系统和电子控制系统，这些系统经过精心设计和优化，能够最大限度地减小误差，提高数据的重复性。因此，光谱仪在定量分析和定性分析中都能提供准确可靠的结果。
（2）高灵敏度与低检测限：光谱仪具有高灵敏度和低检测限的特点，能够检测出低浓度的物质。在紫外-可见吸收光谱测量中，即使是微量物质也能被准确测定。这一特性使得光谱仪在痕量分析中具有很大的应用潜力，如环境监测中的污染物检测、药物分析中的杂质检测等。
（3）良好的选择性：光谱仪在测量紫外-可见吸收光谱时，能够有效地分辨和鉴别不同的物质。这是因为不同的物质在特定的波长范围内对光的吸收具有独特的特征。通过测量和分析这些特征，可以确定样品的成分和性质。这种良好的选择性使得光谱仪在复杂样品的分析中具有很高的准确性和可靠性。
（4）快速分析：光谱仪能够迅速提供紫外-可见吸收光谱的测量结果，这使得它在快速分析方面具有优势。在工业生产、环境监测等领域，快速获取数据对于及时做出决策和调整至关重要。光谱仪的快速分析能力使得这些领域中的工作效率得到了显著提升。
（5）非破坏性测试：光谱仪在测量紫外-可见吸收光谱时，通常采用非接触式的测量方式，不会对样品造成破坏。这一特性使得光谱仪在文物保护、生物医学等领域中具有广泛的应用前景。在这些领域中，对样品的完整性要求极高，非破坏性测试是必不可少的。
（6）多领域应用：光谱仪在测量紫外-可见吸收光谱方面的应用非常广泛，涵盖了化学、材料科学、生物医学、环境监测等多个领域。在化学行业中，光谱仪可以用于测定反应中产物的浓度、配合物的稳定性和含水率等；在制药行业中，光谱仪可以用于药品生产过程中的质量控制；在环境监测中，光谱仪可以测定空气、水和土壤中污染物的浓度；在生物医学领域，光谱仪可以用于测定生物分子的浓度和纯度，研究生物分子结构变化等。
（7）易于操作与维护：光谱仪的操作相对简单，用户界面友好，易于上手。这使得非专业人员也能够快速掌握其使用方法，进行准确的测量和分析。此外，光谱仪的维护也相对简单，通常只需要进行定期的校准和清洁即可保持其良好的工作状态。
综上所述，光谱仪在测量紫外-可见吸收光谱方面具有高精度与准确性、高灵敏度与低检测限、良好的选择性、快速分析、非破坏性测试、多领域应用以及易于操作与维护等优势。这些优势使得光谱仪成为多个领域中不可或缺的分析工具。
三、应用领域
光谱仪在测量紫外-可见吸收光谱的应用领域非常广泛，因为它具有快速分析、高灵敏度、多用途以及无损检测等特点。它已成为各个领域中不可或缺的分析工具，为科学研究和技术进步提供了有力的支持。
（1）化工行业：紫外-可见光谱可以用于测定反应中产物的浓度、配合物的稳定性和含水率等，确保生产过程的稳定性和产品质量。
（2）制药行业：紫外-可见光谱在药品生产过程中的质量控制中起着关键作用，如原料检测、中间产物分析、成品检验等，确保药物的质量和安全性。
（3）环境监测：紫外-可见光谱可以测定空气、水和土壤中污染物的浓度，如有机气体、氯化物、重金属等，为环境保护和污染治理提供科学依据。
（4）食品安全检测：紫外-可见光谱可用于检测食品中的添加剂、农药残留、色素等有害物质，确保食品的安全性和质量。
（5）生物分子研究：紫外-可见光谱用于测定DNA、RNA和蛋白质的浓度和纯度，研究生物分子结构变化，如蛋白质的构象变化、核酸的二级结构等。
（6）医疗卫生：紫外-可见光谱在临床检验中用于检测血液、尿液等生物样本中的特定成分，为疾病诊断和治疗提供依据。
（7）农业和林业：紫外-可见光谱可用于土壤养分分析、农产品质量检测、林木中化学成分分析等。
（8）法医分析：紫外光谱用于检测体液或组织中的毒物和药物成分，分析现场提取的化学物质。
此外，紫外-可见光谱仪在有机化学研究中也得到了广泛的应用，通常用作物质鉴定、纯度检查以及有机分子结构的研究。在定量方面，它可以测定结构比较复杂的化合物和混合物中各组分的含量，还可以测定物质的离解常数、络合物的稳定常数等。
四、解决方案
4.1 测量系统组成
紫外-可见光吸收光谱仪由如下4个部件组成：
（1）光源：选择具有稳定的、有足够输出功率的、能提供仪器使用波段的连续光谱，可根据待测样品的特征吸收峰的光谱范围选择合适波段的光源。如海光电可提供氘钨灯（200-2500nm）、卤钨灯（350-2500nm）或氙灯（185-2000nm）来作为光源。
（2）采样附件：针对液体样品，可选择样品池用于盛放待测液体，样品池的的测量光程一般为0.5～10 cm，常见的样品池有石英池和玻璃池两种，前者适用于紫外到可见光区，后者只适用于可见光区，这是因为玻璃在紫外区具有较强的吸收，这会对紫外吸收的检测结果造成较大的干扰；针对气体样品，可搭配气体流通池使用，光程一般为80 cm，可用于分析烟气、汽车尾气、工业废气等大气污染物。
（3）光谱仪：光谱仪是核心角色，其主要作用是通过分析物质对不同波长或频率的紫外-可见光的吸收情况，来确定物质的成分、组成以及结构信息，具有高精度、高分辨率以及宽波长范围覆盖等优点，能够实现对样品中微量成分的准确检测。
（4）光纤：光纤在紫外-可见吸收光谱测量系统中作为高效、稳定的光信号传输媒介，显著提升了测量的精度与可靠性。
4.2 系统搭建
图1 液体测量系统搭建
图2 气体测量系统搭建
4.3 推荐配置
五、实验案例
5.1 实验原理
本实验以苯酚为实验对象，展示紫外-吸收光谱设备的搭建方法，和紫外-可见吸收光谱的定量分析方法。
由于具有环状共轭结构的分子如苯、苯酚等，易产生π→π*跃迁，因此具有这种环状共轭结构的分子在紫外光谱均有较强的特征吸收峰。例如，苯在紫外光区会产生三个特征吸收带，分别出现在180nm、204nm左右、以及255nm处，而苯酚在270nm处有特征吸收峰。由于苯酚在紫外光区的吸光度与含量成正比关系，符合Lambert-Beer定律，因此可以利用紫外-可见吸收光谱法绘制苯酚含量的标准曲线。
5.2 实验仪器和试剂
本实验所需的仪器和试剂如下表所示：
5.3 实验过程
5.3.1 苯酚溶液的配制
配制浓度分别为5、10、16、25、35、40、45、50（mg/L）的苯酚溶液，其中25 mg/L的溶液作为未知浓度的待测样品。
5.3.2 紫外-可见吸收光谱仪的搭建
用一根抗紫外石英光纤连接氘卤二合一光源与四通液体测量池，用另一根光纤连接四通液体光谱测量池与光纤光谱仪；给光谱仪及光源接上电源；再用一根USB数据线连接光谱仪与电脑；打开UspectralPlus软件，这就完成了整个实验设备的搭建。搭建设备如下图所示：
图3 吸光度实验装置搭建示意图
5.3.3 光谱的采集
（1）打开氘钨灯的总开关，再打开氘灯与钨灯的分控开关，先预热3至5分钟；
（2）打开UspectralPlus软件，选择透射模式；
（3）保存暗背景光谱：关闭光源的总闸开关，采集一条光谱，该光谱即为暗光谱，再点击“保存暗光谱”；
（4）保存参比光谱：本次实验以纯水为参比，在比色皿中注入纯水，将比色皿放入四通液体测量池，盖上测量池的遮光盖，打开总闸开关，采集一条光谱，再点击“保存明光谱”；
（5）样品光谱的测量：依次用移液枪将苯酚样品注于石英比色皿中，将石英比色皿放入四通液体光谱测量池中，点击“透射率”按钮，再点击“透反辐”，选择显示模式为“吸光度”，点击“保存数据”，此时就保存了全谱段的吸光度数据。
5.3.4 标准曲线的绘制
选择苯酚的最大吸收波长，即276nm处的吸光度填入表中，再做出吸光度-浓度标准曲线。
5.4 实验结果
紫外-可见吸收光谱仪所采集到的不同浓度苯酚溶液的吸收光谱如图4所示：
图4 不同浓度苯酚溶液的吸收光谱
从图4中可以看到，苯酚在紫外光区有3个较强的吸收峰，分别为194 nm、219 nm，以及276 nm，并随着浓度的增加，样品的特征峰强度也随之增强。经查阅文献，得知常选用276nm处的特征峰作为定量分析的依据。将276nm处的吸光度填写在表1。
表1 苯酚在276 nm处的吸光度
绘制苯酚定量分析的标准曲线，如下图5所示。
图5 不同浓度苯酚溶液特定峰强处的吸光度与浓度关系线性拟合曲线
由图得知苯酚溶液的吸光度与其浓度具有较大的线性相关关系，线性拟合系数为0.9961，标准曲线的方程式是：C=84.74A-14.40
将未知样品的吸光度0.4196代入标准曲线的方程式中，得出未知苯酚样品的浓度为24.97 mg/L，而真实的浓度为25.00 mg/L，实验的测量误差△=-0.03 mg/L。
5.5 实验结论
使用如海光电的紫外-可见吸收光谱测量方案可有效测出苯酚在紫外区的吸收峰，标准曲线较小，测量结果准确。
六、产品推荐
