分光光度计与光谱仪

第 1 部分：了解基本原理

在科学分析中，分光仪和分光光度计是研究光和物质如何相互作用的重要工具。虽然经常被混淆，但它们的作用却截然不同。要了解它们，我们必须首先澄清关键术语。

• 光谱学是关于物质如何与光等电磁辐射相互作用或产生电磁辐射的理论研究。它提供了这些相互作用背后的 “原因”，但本身并不产生可测量的结果。
• 光谱学是对辐射进行实际测量，以获得有关样品的信息。它是光谱学的应用，以获得可量化的数据。
• 光谱仪是用于进行光谱分析的物理仪器。它是一个广义的术语，用于将物理属性（如光或质量）分离成各个组成部分并测量其强度的设备。
• 分光光度计是一种特定类型的分光计，其主要任务是测量物质吸收或透过的光量。

这些技术的核心是光谱指纹的概念。当光线穿过一种物质时，会根据该物质独特的原子和分子结构吸收或发射特定的波长。科学家可以通过这种模式来识别和分析物质。

第 2 部分：光谱仪–用途广泛的探索工具

光谱仪是一种探索性仪器，旨在回答以下问题：”光的波长和强度如何？它接收入射光，将其分离成各种颜色（光谱），并测量每个波长的强度。

核心部件和功能

1. 入口狭缝：一个狭窄的开口，用于控制进入仪器的光量。狭缝越窄，光谱分辨率（区分近似波长的能力）越高，但信号强度越低；狭缝越宽，信号强度越高。
2. 色散元件（衍射光栅）：这是光谱仪的核心。它是一个带有数千个微小凹槽的表面，通过衍射将光线分成不同的光谱。不同的波长以不同的角度散开，就像棱镜一样，但精度更高。
3. 探测器：多像素探测器，如电荷耦合器件（CCD），可一次性捕捉整个光谱。每个像素测量特定波长的强度，可进行快速同步分析。

常见应用

光谱仪的多功能性使其在许多领域都发挥着重要作用：

• 天文学：分析来自恒星和星系的光线，以确定其化学成分、温度和速度。
• 材料科学：在光学发射光谱（OES）中用于验证金属的元素组成，以进行质量控制。
• 环境科学：通过检测微量化学物质来监测空气和水中的污染物。

第 3 部分：分光光度计–定量专家

分光光度计是一种专门用于精确定量的仪器。它能回答以下问题”该样品中已知物质的含量是多少？它通过测量特定预选波长的光吸收来实现这一目的。

比尔-朗伯定律：定量的基础

分光光度计的功能受比尔-朗伯定律支配，该定律指出物质的吸光度与其浓度成正比。该定律表示为：
$$A=ϵbc$$

• $A$是吸光度（仪器测量的值）。
• $ϵ$是摩尔吸收率（物质在特定波长下的常数）。
• $b$是路径长度（样品容器或比色皿的宽度，通常为 1 厘米）。
• $c$是物质浓度。

由于$A$与$c$ 呈线性关系，因此研究人员可以通过测量未知样品的吸光度来准确确定其浓度。

核心部件和功能

1. 光源：提供稳定的紫外线和/或可见光，通常使用氘灯和卤钨灯。
2. 单色仪：这是与一般光谱仪的主要区别。它使用可旋转的衍射光栅来隔离穿过样品的非常窄的波长带。这可确保只在分析所需的精确波长上进行测量。
3. 探测器：通常使用高灵敏度的单点探测器，如光电倍增管（PMT），专为精确测量某一波长的光强而优化。

常见应用

分光光度计是生物和化学实验室的基石：

• 生物化学：通过测量特定波长（如 260 纳米和 280 纳米）的吸光度，量化 DNA、RNA 和蛋白质的浓度和纯度。
• 临床诊断：用于无数血液和尿液的常规检测，测量葡萄糖和胆固醇等分析物。
• 制药：质量控制的关键，确保药物纯度和活性成分的正确浓度。

第 4 部分：关键差异总结

分光光度计和分光光度计的根本区别在于它们的主要用途：分光光度计用于定性探索，而分光光度计用于定量测量。

第 5 部分：精确测量的最佳实践

仪器的准确性取决于操作员的技术。要获得可靠的分光光度计结果，请遵循以下基本步骤。

测量协议

1. 预热：打开仪器并让其稳定 15-30 分钟，以防止漂移。
2. 设置波长：选择分析所需的精确波长。
3. 空白校准：使用装有 “空白”（不含被分析物的溶剂）的比色皿，将吸光度设为 0.000。这样可以减去溶剂和比色皿中的信号，确保只测量感兴趣的物质。
4. 测量样品：用样品比色皿替换空白比色皿，记录吸光度读数。

比色皿处理

比色皿是一个关键的光学元件。处理不当是造成误差的主要原因。

• 务必戴上手套。握住比色皿的磨砂面或不透明面，切勿握住透明的光学窗口，以免留下指纹。
• 保持清洁。使用后用适当的溶剂彻底冲洗比色皿。划痕和残留物会散射光线，导致读数不准确。
• 正确填充。将比色皿装满约 3/4，确保光路中没有气泡。
• 正确对准。将比色皿放入支架中，使透明窗口位于仪器的光路中。每次测量前用不起毛的纸巾擦拭窗口。