紫外可见分光光度计：从基本定律到实验室必备仪器的发展历程

紫外可见分光光度计：从基本定律到实验室必备仪器的发展历程

物质与光吸收之间的定量关系早已引起科学家的重视并开始研究。19世纪50年代，光吸收的基本定律——朗伯-比尔定律被应用于定量分析化学领域，并于1918年生产出第一台紫外可见分光光度计。随着光学设计和电子技术的发展，研究人员不断设计新的软件。紫外可见分光光度计不断改进，不仅增加了快速扫描等功能，还降低了仪器的使用难度。其灵敏度、准确度以及相关软硬件设施的性能不断提高，应用范围不断扩大，已成为实验室必不可少的仪器之一。

紫外可见分光光度计具有灵敏度高、选择性好、操作简便等特点，可分析大样品和固体样品，广泛应用于制药、化工、食品、环境检测等行业。

随着对紫外可见分光光度计的精密度和准确度要求越来越高，相关工作人员需要规范操作，减少测试各个环节的误差，以保证测量数据的准确性，从而保证科研的严谨性。为提高仪器设备的可靠性，仪器操作人员需要了解仪器的日常维护和主要技术指标的简单测试方法，定期对仪器进行检查、维护和实施误差控制，以保证测量数据的有效性和仪器状态的稳定性。

作者介绍了紫外可见分光光度计的基本结构、工作原理，分析了常见故障的来源及解决方法，并结合工作经验给出了常见周期检定方法及使用注意事项。该方法对保证仪器的最佳性能、延长仪器的使用寿命，降低实验室维修率，提高仪器管理水平，具有很大的应用价值。

1.仪器基本性能分析

1.1 仪器结构

常用的紫外可见分光光度计主要由光源、单色器、吸收室、检测器、信号处理系统等组成，如图1所示。

光源的作用是提供具有足够强度和稳定性的连续光谱。在紫外光区常用氢灯、氘灯，在可见光区常用钨灯、卤钨灯。单色器是用来分解光源发出的合成光，从中分离出所需的高纯度单色光的装置，其主要部件有入射狭缝、色散元件、透镜等。吸收室由玻璃和石英两种材料制成，在可见光区均可使用，但在紫外光区必须使用石英吸收室。检测器又称光电转换器，利用光电转换元件可检测透射光的强度，将光信号转换成电信号。常用的光电转换元件有光电管、光电倍增管、光电二极管阵列检测器等。

紫外可见光度计的工作过程是：光源通过狭缝投射到单色器上，光在单色器中被分解成连续的色带，并经狭缝滤光成一定宽度的单色光；然后光经过吸收池和检测器，将光信号转换成电信号，经放大，最后显示在显示器上。

1.2 仪器主要特点

紫外可见分光光度计的种类很多，按光路系统可分为单光束和双光束分光光度计；按测量方法可分为单波长和双波长分光光度计；按绘制光谱的检测方法可分为光谱扫描检测和二极管阵列全光谱检测。

操作人员在使用仪器前，应首先了解仪器的结构、工作原理，以及各选件的作用。接通电源前，应检查仪器的安全性能，确保电源连接牢固，供电良好，各调节旋钮起始位置正确。影响稳定性的因素主要有仪器本身、供电电源和环境条件。结合JJG 178-2007《紫外、可见、近红外分光光度计检定规程》及日常操作经验，一般要求加装稳压电源，保证仪器电压为（220±22）V，电源频率为（50±1）Hz。

另外，仪器应放置在清洁、防尘、无强电磁场、无强震动干扰、无强光直射的环境中。温度应保持在10～35℃之间，相对湿度不大于85%。仪器在使用过程中，如果测试波长变化较大，应等待一段时间，待灯热平衡后，重新校准“0”和“100%”点，然后再次测量。

2. 仪器故障处理及周期验证

2.1 常见仪器故障及解决方法

一般来说，紫外可见分光光度计的故障大多是由于光路问题引起的，当遇到仪器故障时，可先检查以下几项进行初步排除故障：

（1）钨灯不亮，一般原因是灯丝烧坏或没有灯电压，可用万用表的电阻、电压档检查钨灯灯丝是否通断、有无灯电压（灯电压一般在10V左右）。

（2）氘灯不亮。采用全波长扫描，如果此时紫外光谱剖面上出现很多毛刺，可以判断灯寿命已到；如果新的氘灯仍不亮，则可能是电路问题。此时可以用万用表检测氘灯的灯丝电压，正常情况下点火前灯丝电压为10V，阳极电压为350V，点火后灯丝电压为7V，阳极电压为90V。也可通过点火后氘灯的辉光颜色来判断。随着灯使用时间越长，辉光颜色会逐渐由蓝—粉—白变化，灯周围的臭氧气味也会逐渐减弱。一般当辉光达到粉红时，灯基本可以报废了。

（3）全波段基线噪声大。全波段基线噪声大的主要原因是光源镜的退化。这是因为光源镜距离光源灯最近，长期暴露在灯下会损坏镜面镀膜的光滑度，使光源镜的反射率减弱，导致仪器信噪比下降。光源镜表面可以用肉眼检查，好的光源镜呈黑色，而退化的光源镜呈白色，并有光灼伤的痕迹。另外，还应检查石英窗是否有污染，如发现污染，可用乙醇擦拭干净。

（4）部分区域基线噪声较大。可见光区噪声多为钨灯老化引起，可通过检查钨灯能量来判断；紫外区噪声多为氘灯老化引起，可参考全波长扫描或氘灯点燃后辉光颜色来判断；也可能是一些长年暴露在空气中的光学元件的问题，如透镜、石英窗等，可用乙醇擦拭。

（5）吸光度结果为负值。吸光度结果为负值通常说明没有配制空白参比溶液。样品吸光度小于空白参比溶液。可以尝试将参比溶液与样品溶液互换。如果吸光度不小于0，则可以肯定是这种情况。重新设置参比溶液和样品溶液，做新的空白记忆，或者用参比溶液配制样品溶液。

（6）无检测信号输出。多数情况下，无检测信号输出是由于照射到样品室的光束不足造成的。可以将波长设置为530nm，将狭缝调到最宽位置。在黑暗环境下，在样品室出光口处放置一张白纸，观察白纸上是否有光点成像。如果没有光点，则需要进一步检查光源镜是否转至位，双光束仪的光切电机是否转动（可以听到电机转动的声音）。

（7）仪器无法调整到“0”或“100%”。若仪器无法调整到“0”或“100%”，请检查光门是否完全关闭；检查仪器是否长时间未使用，如受潮严重，应及时更换或烘烤干燥剂；检查光能是否充足；检查比色皿架是否安装到位、稳定；检查比色皿在比色皿架中的位置是否一致，表面是否清洁。

（8）测定数据重现性差。若比色皿支架为推拉式，考虑底部滑轨及轴承是否因溶液腐蚀而生锈，造成支架定位偏移，使测试光束每次照射到比色皿上的位置不同，影响测定结果的重现性；若排除仪器本身原因，最可能的原因为样品溶液不均匀。可更换稳定的测试样品进行验证。

2.2 仪器检查与维护

期中检查的目的是为了确保仪器校准状态的可信度，是在两次校准之间进行的检查，在两次校准之间，分析仪器操作人员应根据使用情况对仪器至少进行一次期中检查，以了解仪器的运行状态，消除仪器不稳定对测试结果的影响。

仪器操作过程主要受光源、波长、吸收池及相应方法的影响，因此期间的验证可以从波长准确度、测量重复性、杂散光、光源、单色器、检测器、吸收池、吸收曲线、溶剂等方面入手（以紫外可见分光光度计210 Plus为例）。

2.2.1 波长准确度

波长准确度是指仪器显示的波长值与单色光实际波长值之间的误差。由于硫酸镍溶液在460和550nm的读数是相关的，如果一个增大，另一个就会减小。硫酸镍溶液（硫酸镍溶液的配制：将硫酸镍溶解在0.1%硫酸中，用量以在510nm处测得的透过率达到80%T为准）常用于监测紫外可见分光光度计的日常工作状态。

方法为：在不同时刻，测量400~700nm波长处硫酸镍溶液的吸光度，记录并保存数值，比较两次数据的相对误差，即可知道仪器波长的准确度。硫酸镍溶液监测仪器的工作状态如图2所示。

图2中实线表示波长正确时的吸收光谱，虚线表示波长不正确时的吸收光谱。图2（a）中，460nm处测量值减小时，550nm处测量值增大，说明样品通过比色皿的实际波长小于指示波长。

图2（b）则相反，说明实际透过比色皿样品的波长要大于指示的波长，箭头1、2、3分别代表波长510、460、550nm处的吸光度，波长过大或过小，510nm处的吸光度值都会下降；

当实际波长小于标示波长时，图2（a）中460nm处的吸光度值减小，图2（b）中550nm处的吸光度值增大；当实际波长大于标示波长时，图2（a）中460nm处的吸光度值增大，图2（b）中550nm处的吸光度值减小。

2.2.2 测量重复性

测量重复性关系到测量数据的有效性，应定期进行重复性检验。重复性检验的前提是波长、工作状态、电源电压、吸收池匹配等均合格。分析纯重铬酸钾在150℃烘箱中放置2h，取出，放入干燥器中冷却。准确称取0.6006g重铬酸钾于容量瓶中，用0.1mol/L硫酸溶液溶解稀释，分别在235和440nm波长处连续测定溶液3～5次，计算测量结果的最大误差，小于1%T即为合格。选择每季度监测一次紫外可见光区域，确保仪器在有效期内处于可靠状态。仪器重复性测定结果如表1所示。

2.2.3 杂散光

杂散光是非信号波长光辐射照射到探测器像素上产生的误差信号，是紫外可见分光光度计分析误差的主要来源，杂散光的高低直接影响测量浓度的上限。杂散光的产生与光学元件的老化、脏污、错位、损坏等有关，也与整机感光部件密封不良有直接关系。

定期检查杂散光，有利于及时发现仪器问题，防患于未然。方法是：在紫外区220nm处监测杂散光波长，先用蒸馏水调零，再向石英吸收池中倒入适量（10±0.1）g/L NaI溶液，若NaI吸光度大于2.00则为正常；在紫外区360nm处监测杂散光波长，先用蒸馏水调零，再向石英吸收池中倒入适量（50±0.1）g/L NaNO2溶液，若NaNO2吸光度大于2.00则为正常。

2.2.4 光源、单色仪、检测器

紫外可见分光光度计的光学系统（光源、单色器、检测器）在其常用的波长区域（190~）内有不同的响应值。如果仪器没有进行基线校准，即使不放置样品，在此范围内的吸光度值或透过率也不会形成一条直线。为了保证测试的准确性，必须对仪器进行基线校准。

方法如下：仪器充分预热后，在样品和参比光路中分别放置两个装有空白溶液的比色皿，选择合适的分析波长，调节校正波长范围使其略大于分析波长范围。例如，分析波长设定范围为220~500nm，则校正波长应设定为210~510nm。待校准完成后再将波长设定为220~500nm，然后选择基线校正。

2.2.5 吸收池

测试前，应将所用的吸收池进行比较。具体方法是：在待测吸收池中注入蒸馏水，将仪器置于某一波长处，一般石英吸收池为220nm，玻璃吸收池为440nm，调节一个吸收池的透过率至100%，测量其它吸收池的透过率，若二者透过率之差在±0.5%范围内，则可并用；若超出此范围，则应考虑吸收池对测试结果的影响。每次使用后，应及时清洗吸收池和石英窗，防止比色溶液腐蚀和污染吸收池，破坏表面光洁度，影响光信号强度。

2.2.6 吸收曲线

用仪器测定溶液时，首先要选定适当的测定波长。绘制吸收曲线是正确选择波长的有效方法。一般选择最大吸收波长作为测定波长，可以提高灵敏度。但有些情况下，最大吸收峰比较尖锐，吸收太大，或附近有干扰，不能选定最大吸收波长。此时，可以在保证一定灵敏度的情况下，选择吸收曲线中的其他波长进行测定（曲线较平坦部分对应的波长），以消除干扰。

2.2.7 溶剂

选择合适的溶剂对提高分析的准确性也有着重要的作用，其原则如下：

（1）选择高纯度的溶剂，减少溶剂中杂质对测定结果的影响。

（2）溶剂不与被测物质发生化学反应。

（3）分析物在溶剂中必须具有一定的溶解度。

（4）在测量波长范围内，溶剂本身应无吸收。

（5）使用挥发性较高的溶剂时，测定过程中应盖住吸收池。

3. 结论

分析了紫外可见分光光度计的常见故障及定期检查方法，该检查维护方法简便、方便，检查结果准确。在日常工作中做好仪器的维护与检查，可以保证测试数据的准确性，最大限度减少仪器故障的发生。提出的故障处理方法，可以保证仪器的高效运行，提高工作效率，降低仪器的维护成本，有效延长仪器的使用寿命，更好地服务于科研创新和人才培养。