光譜儀是一種用于測量和分析光譜信息的儀器，廣泛應(yīng)用于科研、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。紫外-可見吸收光譜是研究物質(zhì)在紫外-可見光區(qū)域（波長范圍約為190-800 nm）吸收特性的一種技術(shù)。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(fā)出的光或通過樣品的光引入光譜儀，然后通過光譜儀內(nèi)部的光學(xué)系統(tǒng)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(chǎn)生的。紫外-可見吸收光譜分析技術(shù)是利用物質(zhì)的分子或離子對紫外和可見光的吸收所產(chǎn)生的紫外可見光譜，對吸收物質(zhì)的組成、含量和結(jié)構(gòu)進行分析、測定和推斷的技術(shù)。

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(nèi)部的結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)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(chǔ)。

在無機化合物中，紫外-可見吸收光譜主要是由電荷轉(zhuǎn)移躍遷和配位場躍遷產(chǎn)生的。電荷轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移到配位體L的軌道上，或按相反的方向轉(zhuǎn)移的躍遷形式。這種躍遷所產(chǎn)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(nèi)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(chǎn)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(chǎn)生的躍遷；配位體內(nèi)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(zhì)有關(guān)，若由共價鍵和配位鍵結(jié)合，這種變化則會非常明顯。

二、應(yīng)用優(yōu)勢

光譜儀在測量紫外-可見吸收光譜方面具有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢，這些優(yōu)勢使得它成為多個領(lǐng)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(shù)據(jù)。這得益于其先進的光學(xué)系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)，這些系統(tǒng)經(jīng)過精心設(shè)計和優(yōu)化，能夠最大限度地減小誤差，提高數(shù)據(jù)的重復(fù)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(jié)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(zhì)。在紫外-可見吸收光譜測量中，即使是微量物質(zhì)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(yīng)用潛力，如環(huán)境監(jiān)測中的污染物檢測、藥物分析中的雜質(zhì)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(zhì)。這是因為不同的物質(zhì)在特定的波長范圍內(nèi)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(zhì)。這種良好的選擇性使得光譜儀在復(fù)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(jié)果，這使得它在快速分析方面具有優(yōu)勢。在工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，快速獲取數(shù)據(jù)對于及時做出決策和調(diào)整至關(guān)重要。光譜儀的快速分析能力使得這些領(lǐng)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(yī)學(xué)等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。在這些領(lǐng)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(lǐng)域應(yīng)用：光譜儀在測量紫外-可見吸收光譜方面的應(yīng)用非常廣泛，涵蓋了化學(xué)、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測等多個領(lǐng)域。在化學(xué)行業(yè)中，光譜儀可以用于測定反應(yīng)中產(chǎn)物的濃度、配合物的穩(wěn)定性和含水率等；在制藥行業(yè)中，光譜儀可以用于藥品生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制；在環(huán)境監(jiān)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(yī)學(xué)領(lǐng)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(jié)構(gòu)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(yè)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(tài)。

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(lǐng)域應(yīng)用以及易于操作與維護等優(yōu)勢。這些優(yōu)勢使得光譜儀成為多個領(lǐng)域中不可或缺的分析工具。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

光譜儀在測量紫外-可見吸收光譜的應(yīng)用領(lǐng)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(lǐng)域中不可或缺的分析工具，為科學(xué)研究和技術(shù)進步提供了有力的支持。

（1）化工行業(yè)：紫外-可見光譜可以用于測定反應(yīng)中產(chǎn)物的濃度、配合物的穩(wěn)定性和含水率等，確保生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量。

（2）制藥行業(yè)：紫外-可見光譜在藥品生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制中起著關(guān)鍵作用，如原料檢測、中間產(chǎn)物分析、成品檢驗等，確保藥物的質(zhì)量和安全性。

（3）環(huán)境監(jiān)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(huán)境保護和污染治理提供科學(xué)依據(jù)。

（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(nóng)藥殘留、色素等有害物質(zhì)，確保食品的安全性和質(zhì)量。

（5）生物分子研究：紫外-可見光譜用于測定DNA、RNA和蛋白質(zhì)的濃度和純度，研究生物分子結(jié)構(gòu)變化，如蛋白質(zhì)的構(gòu)象變化、核酸的二級結(jié)構(gòu)等。

（6）醫(yī)療衛(wèi)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(jù)。

（7）農(nóng)業(yè)和林業(yè)：紫外-可見光譜可用于土壤養(yǎng)分分析、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測、林木中化學(xué)成分分析等。

（8）法醫(yī)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(xiàn)場提取的化學(xué)物質(zhì)。

此外，紫外-可見光譜儀在有機化學(xué)研究中也得到了廣泛的應(yīng)用，通常用作物質(zhì)鑒定、純度檢查以及有機分子結(jié)構(gòu)的研究。在定量方面，它可以測定結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的化合物和混合物中各組分的含量，還可以測定物質(zhì)的離解常數(shù)、絡(luò)合物的穩(wěn)定常數(shù)等。

四、解決方案

4.1 測量系統(tǒng)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(wěn)定的、有足夠輸出功率的、能提供儀器使用波段的連續(xù)光譜，可根據(jù)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(qū)，后者只適用于可見光區(qū)，這是因為玻璃在紫外區(qū)具有較強的吸收，這會對紫外吸收的檢測結(jié)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(yè)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(zhì)對不同波長或頻率的紫外-可見光的吸收情況，來確定物質(zhì)的成分、組成以及結(jié)構(gòu)信息，具有高精度、高分辨率以及寬波長范圍覆蓋等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)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(tǒng)中作為高效、穩(wěn)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(tǒng)搭建

圖1 液體測量系統(tǒng)搭建

圖2 氣體測量系統(tǒng)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(shè)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(huán)狀共軛結(jié)構(gòu)的分子如苯、苯酚等，易產(chǎn)生π→π*躍遷，因此具有這種環(huán)狀共軛結(jié)構(gòu)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(qū)會產(chǎn)生三個特征吸收帶，分別出現(xiàn)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(qū)的吸光度與含量成正比關(guān)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(shù)據(jù)線連接光譜儀與電腦；打開UspectralPlus軟件，這就完成了整個實驗設(shè)備的搭建。搭建設(shè)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(guān)，再打開氘燈與鎢燈的分控開關(guān)，先預(yù)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(guān)閉光源的總閘開關(guān)，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(guān)，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(shù)據(jù)”，此時就保存了全譜段的吸光度數(shù)據(jù)。

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(jié)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(qū)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(jīng)查閱文獻，得知常選用276nm處的特征峰作為定量分析的依據(jù)。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(guān)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(guān)關(guān)系，線性擬合系數(shù)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(jié)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(qū)的吸收峰，標準曲線較小，測量結(jié)果準確。

六、產(chǎn)品推薦