分光光度计

一、概述
分光光度计是利用物质对光的选择吸收现象，进行物质的定性和定量分析的光电式分析仪器，也是一种光谱仪器。根据电磁辐射原理，不同的物质具有不同的选择吸收，也即具有不同的吸收光谱。通过对吸收光谱的分析可方便的判断物质的内部结构和化学组成。随着工业生产和科学技术的不断发展，以及人们对物质认识的不断深化，，迫切要求发展新的先进的分析技术和仪器，分光光度计就是在这种历史条件下问世和发展的。
分光光度计是分光仪器和光度计的一种组合。按工作光谱原理的不同，分光光度计可分为研究物质分子吸收光谱的分光光度计、研究物质中原子吸收的原子吸收分光光度计、研究物质分子荧光发射的荧光分光光度计和研究物质原子荧光发射的原子荧光分光光度汁、研究分子喇曼散射光谱的喇曼光谱仪等。由于分光光度法具有分析精度高、测量范围广、分析速度快、样品用量少等优点，分光光度计已成为探索自然、改造自然、发展科学技术和生产的强有力的工具，是现代化分析实验室必备的常规仪器之一。
二、分光光度计的基本组成
分光光度计主要构成部分有光源部分、光度计部分、单色器和接受记录部分。分光光度计的主要组成部分可以用图1表示：
光源
单色仪
样品池
接受放大系统
显示记录系统

图1 分光光度计框图
下面分别叙述这几个部分的光学系统的特性。
1光源系统
分光光度计的光源系统由光源和照明系统组成。
1.1光源
分光光度计中对光源有一定要求，理想的辐射光源应具备以下一些特性：
(1)在所使用的被长范围内提供连续辐射，即光源应发射连
(2)辐射能量随波长的变化尽可能小，且有足够的强度。
(3)使用寿命较长。
(4)要有良好的稳定性，特别是对单光束仪器。
在190一360nm波长范围紫外波段，常用的光源是氢弧灯和氘弧灯，氘灯的紫外光发射强度比氢灯强。
在360一2500nm波长范围可见和进红外波段，常用白炽钨灯作为光源。图2为氢灯、钨灯的光谱能量分布图。
在2—50µm波长的中远红外波段内，常用的光源是能斯脱和硅碳棒，其光谱能量分布如图3所示。另外，对于要求较低的仪器，灼热的金属丝(如镍铬丝)可以作为红外光源；而在远红外区高压汞灯也是一种常用的光源。
图2 光源能量分布图3 红外辐射光源
A－氢灯，B一钨灯，C一不同温度T的黑体辐射 A－能斯脱，B－硅碳棒
1.2照明系统
光源系统的照明系统一般有两中：单光束照明系统和双光束照明系统。光源系统中的反射镜的作用是把光源发出的光线集中在单色
器的入缝上，使整个狭缝照明均匀并充满单色器的孔径。
在照明系统为单光束的仪器，只要求光源反射镜引入一个高通量的光束即可，对光源的成像质量要求不高。图4为一种单光束照明系统光路图。
在双光束照明系统的分光光度计中，光源系统并不直接照明单色仪的狭缝，如图5所示。光度系统处于单色器和光源之间，而在光度系统中，有一个梳形减光楔，光源必须首先成像在减光楔上。减光楔通过光度系统要求清晰地成像在单色器的入缝上。

图4单光束照明系统图5双光束照明系统
2单色器系统
单色器是分光光度计的核心部分，仪器的主要光学特性和工作特性基本上由单色器决定。它的作用是将光源发出的白光色散成各种波长的单色光，从出射狭缝中导出，照于样品上。分光光度计中的单色器是一个完整的色散系统，除了色散元件——棱镜或光栅外，还有入射和出射狭缝以及一组反射镜。根据工作光谱范围、色散率、分辨串等性能指标的要求，可分别选用棱镜或光栅分光的单色器，双联单色器，也可采用滤色片分光的单色器等。
2.1虑光片
滤光片是最简单、最廉价的单色装置。由于它的单色性不好，使测定精度大大受到限制。它的特性可以用最大透光波长(或称中心波长)和谱带半宽度(有效带宽)来表征。最大透光波长是指在此波长光源的辐射最强。有效带宽是指最大透光度值的一半处的谱带宽度。在分光光度计中，滤光片一般用来消除单色器的杂散光。滤光片可分为五种：中性滤光片，截止滤光片，通带滤光片，干涉滤光片以及校正滤光片(标准滤光片)。
2.2单色器
从波长范围宽广的光源辐射中分出波长单一的单色光的光学装置称为单色器。单色器是由入射狭绕、准直元件、色散元件(常用核能或光栅)、和出射狭绕组成。
棱镜可以作为从紫外到中红外区的合适的色散元件。在紫外范围，常用的材料是硅、矾土和人造蓝宝石。矾土和人造蓝宝石能用于200到4000nm，但昂贵，所以常用熔融石英作棱镜材料。在可见范围，硅的色散次于光学玻璃，所以可见分光光度计常用廉价的光学玻璃作棱镜材科。玻璃和石英棱镜担色器的色散特性模式图见图6。为了便于比较，将显示线性色散的光栅单色器的色散特性也列在一起．
图6 三种材料单色器的色散特性
棱镜单色器的光谱纯度主要决定于棱镜的色散特性和光学设计。通常使用两种形式的棱镜单色器——本生(Bunsen)单色器和利特罗(Littrow)单色器。
光栅是一种十分重要、应用范围很广的色散元件，可以用于紫外、可见、近红外范围的色散。光栅分透射光栅和反射光栅。透射光栅是在一块玻璃上或其它透明材料上刻一系列平行的和紧紧相靠的凹槽。生产这样的母光栅需要精密的装置，比较昂贵。复制光栅比较便宜，虽在性能上次于母光栅，但能满足应用。反射光栅是在复制光栅的表面上喷涂铝的薄膜制成的。也可在抛光的玻璃表面或金属表面镀铝，然后在铝表面上刻大量的平行线制成的。光栅的刻线越多，分辨率越高，每单位长度的刻线越多，它的色散就越大。闪耀波长是闪耀光栅的另一个重要的参数，在闪耀波长，光栅有最大能量输出。光栅的主要缺点是有次级光谱干扰分析，且杂散光的影响比棱镜更大，故常配虑光片以去除杂散光。棱镜的主要缺点是色散波长的非线性分布。
光栅单色器有几种排列方式，通常用的一种是埃伯特（Ebert)式（图7），是埃伯特1889年发明的。它用一个球面镜准直和聚焦，并对称地放置两个狭缝，波长选择是通过旋转光栅实现的。后来采尼(Czerny)和特纳(Turner)对其进行了改进，用两个小的球面镜来代替大而昂贵的埃伯特球面镜（如图8），使得结构紧凑，后为现代仪器所常采用。
图7 埃伯特衍射光栅单色器图8采尼和特纳衍射光栅单色器
入射和出射狭缝
狭缝是单色器的重要组成部分之一，关系到分辨率的优劣。它是由具有很锐刀口的两片金属片精密加工制成的。刀口相互之间是严格平行的，并且是在相同的平面上。狭缝宽度有两种表示方法，一是用狭缝的两刀口之间的实际宽度表示，单位是毫米（mm）；另一是用从单色器出来的有效带宽表示，单位是纳米（nm），通常用后者表示。
3光度系统
紫外可见和近红外分光光度计的光度系统分为单光束和双光束两种。
3.1单光束的光度系统
单光束的光度系统简单，如图9所示。此系统在采用比较法测量样品的光谱透过率或反射率时，通常有两种方式：
图9 单光束的光度系统
方式1：在整个工作波段测定完标准后，再测样品，得出的结果进行比较。此方式的缺点：波长的重复性不高，这是由于两次测量标被及样品的时间间隔长，光源的不稳定，波长的重复性、接收系统的不稳定等因素造成的。
方式2：在待测的每一波长处标准和样品依次快速地替换，分别进行测量，进行比较。此方式的优点是严格保持标准和样品完全相同的照明及测试条件，但却使样品和标准不断地处于运动状态，因此采用较小。现代的自动分光光度计多采用双光束法来实现比较测量。
3.2双光束的光度系统
双光束光度系统的显著的特点和最基本要求是保持光路对称。即两光路中的反射次数和相应的反射角、透射次数和相应透射面的曲率以及射入接收器的角度和照射面积等，尽量要求做到对称，并且光路应尽量缩短，光学零件也应尽量减少。
图10所示是在紫外——可见和近红外分光光度计中常用的双光束光度系统。
图10 紫外—可见和近红外分光光度计中常用的双光束光度系统
红外分光光度计中光学系统的基本要求与紫外一可见分光光度计相同。但在光学平衡法测定中，应用减光器Wl改变参考光束的强度来实现零点平衡。为了校正仪器的100％透过率，在样品光路中设有减光器W2。图11为红外分光光度计的光度系统图。
图11 对称式红外分光光度计光度系统