分光光度計

一、原理


1.1 溶液顏色的產生
當一束白光通過某一有色溶液時，一些波長的光被溶液吸收，另一些波長的光則透過溶液。
透射光或反射光刺激人眼使人感到顏色的存在。
人把自身能感覺到的光定義為可見光。
在可見光區，不同波長的光呈現不同的顏色，因此溶液的顏色由透射光的波長所決定。
透射光與吸收光可組成白光，故稱這兩種光互為補色光，兩種顏色互為補色。
1.1.1 物質對光的選擇性吸收
當光束照射到物質上時，光與物質發生相互作用，產生反射、散射、吸收或透射。
若被照射的是均勻溶液，光的散射可以忽略。



1.1.2 光吸收的本質
當一束光照射到某物質或其溶液時，組成該物質的分子、原子或離子與光子發生“碰撞”，光子的能量就轉移到分子、原子或離子上，是這些粒子由zui低能態（基態）躍遷到較高能太（激發態），這個作用稱為物質對光的吸收。
被激發的粒子約在10-8s后回到基態，并以熱或熒光等形式釋放出能量。
分子、原子或離子具有不連續的量子化能級，僅當照射光光子的能量hυ，與被照射物質粒子的基態和激發態能量之差相當時，才能發生吸收。
不同物質微粒由于結構不同而具有不同的量子化能級，其基態和激發態能量差也不相同。
所以物質對光的吸收具有選擇性。



1.1.3 吸收曲線
吸收曲線，也稱為吸收光譜，描述了物質對不同波長的光的吸收能力。
將不同波長的光透過某一固定濃度和厚度的有色溶液，測量每一波長下有色溶液對光的吸收程度（即吸光度），然后以波長為橫坐標，以吸光度為縱坐標作圖，繪制的曲線即為吸收曲線。
不同濃度的同一物質，在吸收峰附近的吸光度隨著濃度增加而增大，但zui大吸收波長不變。
若在zui大吸收波長處測定吸光度，則靈敏度zui高。
因此，吸收曲線是分光光度法中選擇測定波長的重要依據。


1.2 光吸收基本定律
即朗伯-比爾定律：
當一束平行單色光通過液層厚度為b的有色溶液時，溶質吸收了光能，光的強度就要減弱。
溶液的濃度越大，通過的液層厚度越大，入射光越強，則光被吸收的越多，光強度的減弱也越顯著。
該定律是紫外可見分光光度法等各類吸光光度法定量分析的依據，是由實驗觀察得到的，不僅適用于溶液，也適用于其他均勻非散射的吸光物質。
A=lg(I/I0)=εbc
A-吸光度；
I0-入射光強度，cd；
I-透射光強度，cd；
ε-吸光系數，L/(mol·cm)；
b-液層厚度（光程長度），cm；
c-有色溶液的濃度，mol/L。
其物理意義為：當一束平行單色光通過單一均勻、非散射的吸光物質溶液時，溶液的吸光度與溶液濃度和液層厚度的乘積成正比。
式中ε是吸光物質在特定波長和溶劑的情況下的一個特征常數，數值上等于濃度為1mol/L的吸光物質在1cm光程中的吸光度。
ε是吸光物質吸光能力的量度，ε值越大，方法的靈敏度越高。
由實驗結果計算ε時，常以被測物質的總濃度代替吸光物質的濃度，實際上時表觀摩爾吸光系數。
在多組分體系中，如果各種吸光物質之間沒有相互作用，體系的總吸光度等于各組分吸光度之和，即吸光度具有加和性。
透光度T是透射光強度I與入射光強度I0之比，即：
T=I/I0
因此：A=lg(1/T)


二、主要部件
盡管光度計種類型號繁多，但它們都是由相同的基本部件組成的，包括光源、單色器、吸收池和檢測系統。


2.1 光源
在測量吸光度時，要求光源發出所需波長范圍內的連續光譜，要具有足夠的光強度，并在一定時間內能保持穩定。
在可見光區測量時，通常使用鎢絲燈作為光源。鎢絲加熱到白熾狀態時會發出波長在320~2500nm之間的連續光譜。
鎢絲燈工作溫度一般為2600~2870K，熔點為3680K。
鎢絲燈的溫度決定于電源電壓，電源電壓的微小波動會引起鎢燈光強度的很大變化，因此必須使用穩壓電源。
在紫外區測量時，常采用氫燈或氘燈產生波長在180~375nm之間的連續光譜作為光源。
其理想光源應具有覆蓋整個紫外可見光區的連續輻射，強度應比較高，且隨波長變化能量變化不大，但在實際上難以實現。
氘燈輻射強度比氫燈高2~3倍，壽命也比較長。氙燈的強度一般高于氫燈，但欠穩定，波長范圍180~1000nm，常用作熒光分光光度計的激發光源。


2.2 檢測系統
檢測系統包括檢測器和記錄顯示裝置。
檢測器是一種光電轉換設備，將光強度轉變為電信號顯示出來。
常用的檢測器有光電池、光電倍增管和光二極管陣列檢測器等。
光電池的光電流較大，不用放大，用于初級的分光光度計上，疲勞效應嚴重。
光電倍增管利用二次電子發射來放大光電流，放大倍數可高達108倍，應用。
光二極管陣列檢測器由于全部波長同時被檢測，掃描速度快，可在0.1s內完成對190-800nm波長范圍的掃描。
記錄顯示裝置包括放大器和結果顯示裝置。
70年代采用數字讀出裝置。
現代在主機中裝備有微處理機或外接微型計算機，控制儀器操作和處理測量數據，裝有屏幕顯示、打印機和繪圖儀等。


2.3 吸收池
也稱為比色皿，是盛放樣品溶液的容器，具有兩個互相平行、透光且具有精確厚度的平面。
玻璃吸收池光程長度一般為1cm，也有0.1-10cm的。
由于吸收池厚度存在一定誤差，其材質對光不是*透明，在做定量分析時，對吸收池應做配套性試驗，試驗后標記出放置方向。
紫外光區數值不跳為石英。


2.4 單色器
單色器是將光源發射的復合光分解為單色光的裝置。
一般由5部分組成：入光狹縫、準光氣（一般由透鏡或凹面反光鏡使入射光成為平行光束）、色散器、投影器（一般由一個透鏡或凹面鏡將分光后的單色光投影至出光狹縫）、出光狹縫。
色散器是單色器的核心部分，常用的色散元件是棱鏡或光柵。
棱鏡由玻璃或石英制成，玻璃棱鏡色散能力強，但吸收紫外光，只能用于350-820nm波長的分析測定，在紫外區必須用石英棱鏡。
光柵的特點是：色散均勻，呈線性，光度測量便于自動化，工作波段廣。