3.4　紫外-可见分光光度计

紫外-可见分光光度计是在紫外-可见光区可任意选择不同波长的光测定吸光度的仪器。一般由五个主要部件构成，即光源、单色器、吸收池、检测器和信号显示系统，如图3-11所示。

3.4.1　主要部件

（1）光源

紫外-可见分光光度计对光源的基本要求是在仪器操作所需要的光谱范围内能够发射强度足够而且稳定的连续光源。

可见光区的光源是钨灯或卤钨灯，发射350nm以上的连续光谱。紫外光区的光源是氢灯或氘灯，发射150～400nm的连续光谱。

①钨灯和卤钨灯　钨灯是固体炽热发光的光源，又称白炽灯。卤钨灯的灯泡内含碘和溴的低压蒸气，可延长钨丝的寿命，且发光强度比钨灯高。白炽灯的发光强度与供电电压的3～4次方成正比，所以供电电压要稳定。

②氢灯和氘灯　氢灯是一种气体放电发光的光源，发射150～400nm范围内的连续光谱。氘灯比氢灯昂贵，但发光强度和灯的使用寿命比氢灯增加2～3倍，现在仪器多用氘灯。气体放电发光需先激发，同时应控制稳定的电流，所以都配有专用的电源装置。

（2）单色器

单色器的作用是从来自光源的连续光谱中分离出所需要的单色光。通常由进光狭缝、准直镜、色散元件、聚焦镜和出光狭缝组成。简单原理见图3-12。聚焦于进光狭缝的光，经准直镜变成平行光，投射于色散元件。色散元件的作用是将复色光分解为单色光。再经与准直镜相同的聚焦镜将色散后的平行光聚焦于出光狭缝上，形成按波长排列的光谱。转动色散元件或准直镜方位可在一个很宽的范围内，任意选择所需波长的光从出光狭缝分出。

①色散元件　在单色器中，最重要的是色散元件。常用的色散元件有棱镜和光栅。

a.棱镜　早期生产的仪器多用棱镜，棱镜的色散作用是依据棱镜材料对不同的光有不同的折射率，因此可将混合光中所包含的各个波长从长波到短波依次分散成为一个连续光谱。折射率差别愈大，色散作用（色散率）愈大。由棱镜分光得到的光谱的光距与各条波长是非线性的，按波长排列，长波长区密，短波长区疏。棱镜材料有玻璃和石英，因玻璃吸收紫外光，故只可用于可见光的色散。

棱镜的色散作用是基于构成棱镜的光学材料对不同波长的光具有不同的折射率，常用的棱镜有考纽棱镜和立特鲁棱镜，如图3-13所示。前者是一个顶角为60°的棱镜，为了防止生成双像，该60°棱镜是由两个30°棱镜组成。一边为左旋石英，另一边为右旋石英。后者由左旋或右旋石英做成30°棱镜，在其纵轴表面上镀上铝或银。

b.光栅　光栅是利用光的衍射与干涉作用，使不同波长的光有不同的方向，从而达到将连续光谱的光进行色散的目的。光栅色散后的光谱与棱镜不同，其光谱是由紫到红，各谱线间距离相等且均匀分布的连续光谱。

光栅分为平面透射光栅和反射光栅，反射光栅应用更广泛。反射光栅又可分为平面反射光栅（或称闪耀光栅）和凹面反射光栅。

②准直镜　准直镜是以狭缝为焦点的聚光镜。其作用是将进入单色器的发散光变成平行光，也常用作聚焦镜，将色散后的平行单色光聚集于出光狭缝。在紫外-可见分光光度计中一般用镀铝的抛物柱面反射镜作为准直镜。铝面对紫外光反射率比其他金属高，可以减少光强的损失，但铝易受腐蚀，应注意保护。

③狭缝　狭缝分进光狭缝和出光狭缝两种。进光狭缝的作用是将光源发出的光形成一束整齐的细光束照射到准直镜上；出光狭缝的作用是选择色散后的“单色光”。但实际上，从出光狭缝射出的并不是严格意义上的单色光，而是有一定的波长范围的光谱。因此狭缝宽度直接影响分光质量，狭缝过宽，单色光不纯，可引起对Beer定律的偏离。狭缝太窄，光通量小，灵敏度降低，此时若单纯依靠增大放大器放大倍数来提高灵敏度，则会使噪声同步增大，影响准确度。所以狭缝宽度要恰当，通常用于定量分析时，主要考虑光通量，宜采用较大的狭缝宽度，但以误差小为前提；用于定性分析时，更多地考虑光的单色性，宜采用较小的狭缝宽度。

（3）吸收池

可见光区使用的吸收池为玻璃吸收池，紫外光区的吸收池为石英吸收池，该吸收池既适用于紫外光区，也适用于可见光区。但在可见光区使用，应首选玻璃吸收池。在分析测定中，用于盛放试液和空白液的吸收池，除应具有相同厚度外，两只吸收池的透光率之差应小于0.5%，否则应进行校正。

（4）检测器

紫外-可见光区的检测器，一般常用光电效应检测器，它是将接收到的辐射功率变成电流的转换器，如光电池、光电管和光电倍增管。近年来采用了光多道检测器，在光谱分析检测器技术中，出现了重大革新。

光二极管阵列检测器（photodiode array detector）是在晶体硅上紧密排列一系列光二极管检测管， 如图3-14所示。阵列的每一单元中有一只光敏二极管和一只与之并联的电容器。它们通过场效应开关接入一条公共输出线。开关由移位寄存器扫描电路控制，使之顺序地开与关。在一次扫描的整个周期中，每个单元的场效应开关只开、关一次；每一时刻又只有一个单元的场效应开关是开着的。在场效应开关关着的时候，一定强度的光照射在单元表面形成光电流，使电容器放电。电容器上电荷的失落相当于照在单元上光的总量。在场效应开关开着的时候，单元与电源接通，使电容器重新充电至标准电位，相应于给电容器重新充电所需电流的信号，被送入公共输出线，得到脉冲信号。随着具有N个单元的阵列中的N个场效应开关顺序地开、关N次，在扫描中就得到N个脉冲信号。每个脉冲与相应的二极管所接收到的光强值成正比。二极管阵列中，每一个二极管，可在1/10s的极短时间内获得190～820nm范围内的全光光谱。

（5）信号显示系统

检测器输出的电信号很弱，需经过放大才能将测量结果以某种方式显示出来。信号处理过程同时也包含如对数函数、浓度因素等运算乃至微分、积分等处理。现代的分光光度计多具有荧屏显示、结果打印及吸收曲线扫描等功能。显示方式通常都有透光率与吸光度可供选择，有的还可转换成浓度、吸收系数等。

3.4.2　分光光度计的类型

紫外-可见分光光度计的光路系统，目前一般可分为单光束、双光束和二极管阵列等几种。

（1）单光束分光光度计

在单光束光学系统中，采用一个单色器，获得可以任意调节的一束单色光，通过改变参比池和样品池位置，使其进入光路，进行参比溶液和样品溶液的交替测量，在空白溶液进入光路时，将吸光度调零，然后移动吸收池架的拉杆，使样品溶液进入光路，就可在读数装置上读出样品溶液的吸光度，其光路图如图3-15所示。

单光束紫外-可见分光光度计的波段范围为190（210）～850（1000）nm，钨灯和氢灯两种光源互换使用，大多数仪器用光电倍增管作检测器，也有的用光电管作检测器，用棱镜或光栅作色散元件，采用数字显示或仪表读出。

单光束紫外-可见分光光度计的优点是具有较高的信噪比，光学、机械及电子线路结构都比较简单，价格比较便宜，适合于在给定波长处测量吸光度或透光率，但不能做全波段的光谱扫描（与计算机联用的仪器除外）。欲绘制一个全波段的吸收光谱，需要在一系列波长处分别测量吸光度，费时较长。这种仪器由于光源强度的波动和检测系统的不稳定性易引起测量误差。因此，必须配备一个很好的稳压电源以利仪器的稳定工作。

国产的751型、752型等属于这类仪器。目前，国内普遍应用的72系列可见分光光度计也属于这类光路。

（2）双光束分光光度计

双光束分光光度计是将单色器分光后的单色光分成两束，一束通过参比池，一束通过样品池，一次测量即可得到样品溶液的吸光度（或透光率），其光路图如图3-16所示。

双光束分光光度计通常采用固定狭缝宽度，使光电倍增管接收器的电压随波长扫描而改变，这样既可使参比光束在不同波长处有恒定的光电流信号，同时也有利于差示光度和差示光谱的测定。近年来，大多数高精度双光束分光光度计均采用双单色器设计，即利用两个光栅或一个棱镜加一个光栅，中间串联一个狭缝。因所使用的两个色散元件的色散特性非常接近，所以这种装置能有效地提高分辨率并降低杂散光。采用计算机控制的双光束分光光度计，不仅操作简便，具有数据处理功能，而且仪器的性能指标也有很大改善。

双光束分光光度计的特点是便于进行自动记录，可在较短的时间内（0.5～2min）获得全波段的扫描吸收光谱。由于样品和参比信号进行反复比较，因而消除了光源不稳定、放大器增益变化以及光学、电子学元件对两条光路的影响。国产730型分光光度计即是采用泽尼特（Czerny-Turne）式色散系统和对称式双光束光路的仪器。

（3）双波长分光光度计

就测量波长而言，单光束和双光束分光光度计都属单波长检测。而双波长分光光度计则是将同一光源发出的光分为两束，分别经过两个单色器，从而可以同时得到两个波长（λ1和λ2）的单色光，这两个波长的单色光交替地照射同一溶液，然后经过光电倍增管和电子控制系统检测信号，其简化光路图如图3-17所示。

双波长分光光度计的特点是不仅能测定高浓度试样、多组分混合试样，而且能测定一般分光光度计不宜测定的浑浊试样。用双波长法测量时，两个波长的光通过同一吸收池，这样可以消除因吸收池的参数不同、位置不同、污垢及制备参比溶液等带来的误差，使测定的准确度显著提高，而且操作简便。另外，双波长分光光度计是用同一光源得到的两束单色光，故可以减小因光源电压变化产生的影响，得到高灵敏度和低噪声的信号。

（4）二极管阵列检测的分光光度计

二极管阵列检测的分光光度计是一种具有全新光路系统的仪器，其光路原理如图3-18所示。由光源发出并经消色差聚光镜聚焦后的复色光通过样品池，聚焦于入光狭缝，其透射光经全息光栅表面色散并投射到二极管阵列检测器上，从而得到样品的紫外-可见光谱信息。