分光光度計(jì)

一、原理


1.1 溶液顏色的產(chǎn)生
當(dāng)一束白光通過某一有色溶液時(shí)，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(qū)，不同波長的光呈現(xiàn)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(bǔ)色光，兩種顏色互為補(bǔ)色。
1.1.1 物質(zhì)對光的選擇性吸收
當(dāng)光束照射到物質(zhì)上時(shí)，光與物質(zhì)發(fā)生相互作用，產(chǎn)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(zhì)
當(dāng)一束光照射到某物質(zhì)或其溶液時(shí)，組成該物質(zhì)的分子、原子或離子與光子發(fā)生“碰撞”，光子的能量就轉(zhuǎn)移到分子、原子或離子上，是這些粒子由zui低能態(tài)（基態(tài)）躍遷到較高能太（激發(fā)態(tài)），這個(gè)作用稱為物質(zhì)對光的吸收。
被激發(fā)的粒子約在10-8s后回到基態(tài)，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(xù)的量子化能級，僅當(dāng)照射光光子的能量hυ，與被照射物質(zhì)粒子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)能量之差相當(dāng)時(shí)，才能發(fā)生吸收。
不同物質(zhì)微粒由于結(jié)構(gòu)不同而具有不同的量子化能級，其基態(tài)和激發(fā)態(tài)能量差也不相同。
所以物質(zhì)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(zhì)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(biāo)，以吸光度為縱坐標(biāo)作圖，繪制的曲線即為吸收曲線。
不同濃度的同一物質(zhì)，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(jù)。


1.2 光吸收基本定律
即朗伯-比爾定律：
當(dāng)一束平行單色光通過液層厚度為b的有色溶液時(shí)，溶質(zhì)吸收了光能，光的強(qiáng)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(qiáng)，則光被吸收的越多，光強(qiáng)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(jù)，是由實(shí)驗(yàn)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(zhì)。
A=lg(I/I0)=εbc
A-吸光度；
I0-入射光強(qiáng)度，cd；
I-透射光強(qiáng)度，cd；
ε-吸光系數(shù)，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(dāng)一束平行單色光通過單一均勻、非散射的吸光物質(zhì)溶液時(shí)，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(zhì)在特定波長和溶劑的情況下的一個(gè)特征常數(shù)，數(shù)值上等于濃度為1mol/L的吸光物質(zhì)在1cm光程中的吸光度。
ε是吸光物質(zhì)吸光能力的量度，ε值越大，方法的靈敏度越高。
由實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算ε時(shí)，常以被測物質(zhì)的總濃度代替吸光物質(zhì)的濃度，實(shí)際上時(shí)表觀摩爾吸光系數(shù)。
在多組分體系中，如果各種吸光物質(zhì)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(qiáng)度I與入射光強(qiáng)度I0之比，即：
T=I/I0
因此：A=lg(1/T)


二、主要部件
盡管光度計(jì)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(tǒng)。


2.1 光源
在測量吸光度時(shí)，要求光源發(fā)出所需波長范圍內(nèi)的連續(xù)光譜，要具有足夠的光強(qiáng)度，并在一定時(shí)間內(nèi)能保持穩(wěn)定。
在可見光區(qū)測量時(shí)，通常使用鎢絲燈作為光源。鎢絲加熱到白熾狀態(tài)時(shí)會(huì)發(fā)出波長在320~2500nm之間的連續(xù)光譜。
鎢絲燈工作溫度一般為2600~2870K，熔點(diǎn)為3680K。
鎢絲燈的溫度決定于電源電壓，電源電壓的微小波動(dòng)會(huì)引起鎢燈光強(qiáng)度的很大變化，因此必須使用穩(wěn)壓電源。
在紫外區(qū)測量時(shí)，常采用氫燈或氘燈產(chǎn)生波長在180~375nm之間的連續(xù)光譜作為光源。
其理想光源應(yīng)具有覆蓋整個(gè)紫外可見光區(qū)的連續(xù)輻射，強(qiáng)度應(yīng)比較高，且隨波長變化能量變化不大，但在實(shí)際上難以實(shí)現(xiàn)。
氘燈輻射強(qiáng)度比氫燈高2~3倍，壽命也比較長。氙燈的強(qiáng)度一般高于氫燈，但欠穩(wěn)定，波長范圍180~1000nm，常用作熒光分光光度計(jì)的激發(fā)光源。


2.2 檢測系統(tǒng)
檢測系統(tǒng)包括檢測器和記錄顯示裝置。
檢測器是一種光電轉(zhuǎn)換設(shè)備，將光強(qiáng)度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栵@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(jì)上，疲勞效應(yīng)嚴(yán)重。
光電倍增管利用二次電子發(fā)射來放大光電流，放大倍數(shù)可高達(dá)108倍，應(yīng)用。
光二極管陣列檢測器由于全部波長同時(shí)被檢測，掃描速度快，可在0.1s內(nèi)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(jié)果顯示裝置。
70年代采用數(shù)字讀出裝置。
現(xiàn)代在主機(jī)中裝備有微處理機(jī)或外接微型計(jì)算機(jī)，控制儀器操作和處理測量數(shù)據(jù)，裝有屏幕顯示、打印機(jī)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(gè)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(zhì)對光不是*透明，在做定量分析時(shí)，對吸收池應(yīng)做配套性試驗(yàn)，試驗(yàn)后標(biāo)記出放置方向。
紫外光區(qū)數(shù)值不跳為石英。


2.4 單色器
單色器是將光源發(fā)射的復(fù)合光分解為單色光的裝置。
一般由5部分組成：入光狹縫、準(zhǔn)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(gè)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(qiáng)，但吸收紫外光，只能用于350-820nm波長的分析測定，在紫外區(qū)必須用石英棱鏡。
光柵的特點(diǎn)是：色散均勻，呈線性，光度測量便于自動(dòng)化，工作波段廣。