光源?? 紫外可見(jiàn)區(qū)的光源主要采用鹵素鎢燈和氘燈或氙燈。鎢鹵素?zé)舻墓ぷ鞑ㄩL(zhǎng)范圍為320 ~2500nm, 氘燈的工作波長(zhǎng)范圍為180~ 375nm, 兩者組合使用。氙燈是新穎的光源, 發(fā)光效率高, 強(qiáng)度大, 而且光譜范圍寬, 包括紫外、可見(jiàn)和近紅外。掃描光柵型大多能在掃描過(guò)程中自動(dòng)地完成光源切換動(dòng)作, 并自動(dòng)轉(zhuǎn)換濾光片, 以消除高級(jí)次譜的干擾。固定光柵型為了保持其高速測(cè)量的優(yōu)點(diǎn), 要避免光源切換, 采用日本濱松光子學(xué)株式會(huì)社的專(zhuān)利產(chǎn)品see??through型氘燈[ 16], 可以方便地將氘燈和鎢燈固定地組合起來(lái)。分光系統(tǒng)?? 掃描光柵型的分光系統(tǒng)常稱(chēng)為單色儀, 固定光柵型的分光系統(tǒng)則接近攝譜儀。單色儀大多布置在樣品室之前, 固定光柵型則必須把分光系統(tǒng)置于樣品室之后。在紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的發(fā)展歷史上, 掃描光柵型出現(xiàn)過(guò)多種光路設(shè)計(jì), 主要如單光束、準(zhǔn)雙光束和雙光束, 還有雙波長(zhǎng)。單光束光路的漂移是主要問(wèn)題, 但現(xiàn)在也可通過(guò)元器件性能的提高、制造工藝的進(jìn)步和軟件校正加以改進(jìn)。準(zhǔn)雙光束和真正雙光束設(shè)計(jì)都是利用參比光路的補(bǔ)償來(lái)減少漂移的影響, 結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。為了進(jìn)一步地提高分辨率或降低雜散光, 還出現(xiàn)了雙單色器分光光度計(jì), 其雜散光等性能的確是單單色器分光光度計(jì)無(wú)法企及的, 但其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和制造工藝的高要求也是顯然的。

光柵?? 光柵是分光系統(tǒng)的核心元件, 有平面光柵和凹面光柵兩種。在制造工藝上, 全息光柵已全面取代了刻劃光柵。為了提高光能量的利用率, 閃耀光柵的使用也很普遍。對(duì)于平面光柵, 全息技術(shù)的長(zhǎng)處在于成品率更高, 雜散光更小, 不產(chǎn)生偽線。而對(duì)凹面光柵來(lái)說(shuō), 其迅速的發(fā)展幾乎全部得益于全息技術(shù)的應(yīng)用。目前, 凹面光柵已發(fā)展出四種類(lèi)型[ 17] 。其中的??型可用于掃描光柵型中。因?yàn)榧婢呱⒑途劢箖身?xiàng)功能, 使用凹面光柵可以幫助簡(jiǎn)化掃描光柵型分光光度計(jì)的結(jié)構(gòu)。??型常稱(chēng)為平場(chǎng)型, 它能使凹面光柵的像面從通常的羅蘭圓變成平面, 還可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)消像散的設(shè)計(jì)。這對(duì)于固定光柵的光路不僅是必需的, 也使固定光柵型分光光度計(jì)的分光系統(tǒng)簡(jiǎn)約到了極致。探測(cè)器?? 探測(cè)器對(duì)分光光度計(jì)的設(shè)計(jì)和性能有著重要的影響[ 18] 。掃描光柵型分光光度計(jì)使用的探測(cè)器主要為光電管、光電二極管和光電倍增管等。近十幾年來(lái), 隨著陣列型光電器件技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,

促使全新結(jié)構(gòu)和性能的固定光柵型分光光度計(jì)的誕生, 尤其使分光光度計(jì)的測(cè)量速度上了一個(gè)新的臺(tái)階。陣列型光電探測(cè)器的典型代表是PDA 和CCD,這類(lèi)探測(cè)器測(cè)量速度快, 多通道同時(shí)曝光, 最短時(shí)間僅在毫秒量級(jí), 也可以累積光照, 積分時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)幾十秒, 可探測(cè)微弱的信號(hào), 動(dòng)態(tài)范圍大。另外, 由于固定光柵型分光光度計(jì)沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件, 簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu), 減小了體積, 提高了工作的穩(wěn)定性, 使分光光度計(jì)能走出實(shí)驗(yàn)室, 進(jìn)入工作現(xiàn)場(chǎng), 進(jìn)行在線測(cè)量。

軟件?? 現(xiàn)代分光光度計(jì)的軟件已不再只是用作數(shù)值運(yùn)算的附屬工具, 而是整臺(tái)儀器的核心, 滲透到分光光度計(jì)的各個(gè)層面。特別是那些使用通用PC 的分光光度計(jì), 用戶的使用感覺(jué)與其說(shuō)是一臺(tái)實(shí)實(shí)在在的儀器, 倒不如說(shuō)是計(jì)算機(jī)上的一個(gè)應(yīng)用程序。儀器網(wǎng)絡(luò)化的趨勢(shì)將進(jìn)一步加深這種印象。軟件技術(shù)也是分析儀器自動(dòng)化、智能化的關(guān)鍵因素。軟件的作用主要有控制、監(jiān)測(cè)與校正、光譜采集與處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析等。分光光度計(jì)的測(cè)量波長(zhǎng)或范圍的設(shè)置、光柵運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)和控制、光源的自動(dòng)切換、濾光片的自動(dòng)選擇、探測(cè)器的驅(qū)動(dòng)、A/ D 轉(zhuǎn)換的同步、數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)、據(jù)寫(xiě)入內(nèi)存、光譜或測(cè)量結(jié)果的顯示, 所有這些功能對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)可能只是按下了一個(gè)按鈕或點(diǎn)擊了一次鼠標(biāo)。軟件完成了所有的幕后工作。為了提高儀器的使用性能, 在軟件中包含了硬件的監(jiān)測(cè)和校正, 如光源的輸出功率、波長(zhǎng)的準(zhǔn)確性、雜散光水平、基線校正等。光譜數(shù)據(jù)的處理和分析更是軟件的特長(zhǎng)。用戶友好的視窗圖形界面和菜單操作, 光譜圖和數(shù)據(jù)作為文件進(jìn)行管理、存儲(chǔ)和讀取, 光譜圖可隨意地移動(dòng)、放大、縮小、重疊, 數(shù)據(jù)可以被平滑、求導(dǎo)、積分、進(jìn)行函數(shù)運(yùn)算, 可以自動(dòng)尋找峰值、濃度分析、多組分分析, 還可以有多種軟件包, 如核酸分析、蛋白質(zhì)分析、動(dòng)力學(xué)分析、水質(zhì)分析和環(huán)保分析等, 用于各專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域。

整機(jī)設(shè)計(jì)?? 紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以分成兩種。一種是將所有的部件, 包括光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、電子學(xué)系統(tǒng)、微機(jī)系統(tǒng)、顯示設(shè)備等都包含在一個(gè)機(jī)殼中。這種設(shè)計(jì)基本無(wú)需配置其它設(shè)備,可獨(dú)立地完成分光光度計(jì)的所有功能。為了給用戶提供一個(gè)方便的操作界面, 這些分光光度計(jì)大量采用了液晶視頻顯示, 有些還使用了觸摸屏。而專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)的光度計(jì)更是盡可能簡(jiǎn)化按鈕操作。不過(guò), 為了有利于數(shù)據(jù)交流及功能擴(kuò)充, 很多產(chǎn)品都備有RS232 接口, 可以外接記錄儀、計(jì)算機(jī)或與光譜數(shù)據(jù)站聯(lián)結(jié), 完成儀器遙控、數(shù)據(jù)傳輸、外存、記錄等功能。配有打印機(jī)接口的也相當(dāng)普遍。另一種的整體結(jié)構(gòu)則是分散式的。最常見(jiàn)的就是將計(jì)算機(jī)分離出來(lái), 使用通用PC 機(jī), 而其它部分仍布置在一個(gè)機(jī)殼中。這種方式的長(zhǎng)處在于可以充分利用通用PC 機(jī)的資源。它的操作系統(tǒng)大多采用Windows 界面, 不論風(fēng)格還是使用習(xí)對(duì)于今天的用戶來(lái)說(shuō)都是很親切的, 大大簡(jiǎn)化了儀

器操作的培訓(xùn)。通過(guò)PC 機(jī), 分光光度計(jì)可以很容易地進(jìn)行數(shù)據(jù)的交流, 不僅是在一個(gè)工作組中, 還可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)。不僅是數(shù)據(jù)的訪問(wèn), 遠(yuǎn)程的設(shè)備操作也是可以實(shí)現(xiàn)的。進(jìn)一步, 在分散式的基礎(chǔ)上還有模塊化的布置。這類(lèi)設(shè)計(jì)中, 各個(gè)具備獨(dú)立功能的系統(tǒng)或部件都可以分離出來(lái), 用光纜和電纜相互連接, 使用十分靈活。當(dāng)然, 這種可以看到的模塊化只是一方面, 更廣泛的含義是模塊化的設(shè)計(jì)和制造思想。此外, 另一項(xiàng)重要的技術(shù)就是光纖, 光纖使分光光度計(jì)的配置更靈活, 使用更方便, 也是在線測(cè)量的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)[ 19~ 20] 。

3 ?? 紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的技術(shù)性能指標(biāo)評(píng)述搜集了國(guó)內(nèi)外37 個(gè)廠家的152 種不同型號(hào)紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)資料, 一部分資料是廠家或經(jīng)銷(xiāo)商提

供的產(chǎn)品技術(shù)性能指標(biāo)文本資料, 絕大部分資料來(lái)源于生產(chǎn)廠家以及經(jīng)銷(xiāo)商的網(wǎng)站。

國(guó)外的廠家及型號(hào)主要有: Perkin Elmer Instru??ments ( PE) 的Lambda 系列, Varian Analytical Instruments( 瓦里安) 的Cary 系列, Beckman Coulter Inc( 貝克曼) 的DU 系列, Hitachi Instruments Inc( 日立) 的U3 系列, Shi??madzu Scientific Instruments ( 島津) 的UV 系列、MS、PharmaSpec 及Bio 系列, Jasco Corp Ltd 的V 系列, Agi??ent Technologies( 安捷倫) 的HP 系列, OceanOptics( 海洋光學(xué)) 的S 系列、USB2000 及PC2000, Amersham Phar??macia Biotech 的Ultrospec pro 系列, Spectronic Unicam( 即Thermo Spectronic) 的Genesys 系列、UV 系列Nicolet Evolut ion 系列, Aurora Instruments Ltd 的UV 系列, GBC Scientific Equipment Ltd 的Cintra 系列, Bio-Tek 的PowerWave 系列, Hach 的DR 列, Cecil Instru??ments Ltd. 的1/ 2/ 3/ 4000 系列、7200、9200 及Aurius、Aquarius 系列, Labomed Inc 的UVS、UVD 系列, Cam??spec Scientific Instruments 的M 系Scinco CO. Ltd 的S系列, Sherwood Scientific Ltd 的320, Spectral InstrumentsInc 的420/ 440, Jenway Techne Inc 的6* 05 系列, Stellar??Net Inc 的EPP2000, 此外, 還包括Turner Designs Inc. 、World Precision Inst . 、Bestech Instruments、Secomam、Molecular Devices Corp 等等。國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品主要有上海分析儀器總廠的75 和76 系列、上海棱光的S51/ 2/ 3/

4、天美科學(xué)儀器有限公司8500、北京普析通用儀器公司TU??系列、北京瑞利分析儀器公司UV1/ 9100 系列、天津光學(xué)儀器廠的WFZ 系列等等。

綜合分析和比較各種型號(hào)紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的技術(shù)性能指標(biāo), 概括如表1。結(jié)合該表, 對(duì)各紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的性能指標(biāo)進(jìn)一步作簡(jiǎn)單評(píng)述。光譜范圍?? 紫外可見(jiàn)光譜區(qū)通常指190nm ~780nm 的波長(zhǎng)范圍, 但實(shí)際的分光光度計(jì)設(shè)計(jì)中, 經(jīng)常將波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向拓展, 進(jìn)入短波近紅外區(qū)。在

120 多種國(guó)外產(chǎn)品中, 有52 種波長(zhǎng)?? 900nm, 其中??800nm 的僅11 種。而> 900nm 的有72 種, 占了多數(shù)。固定光柵型受硅陣列探測(cè)器的限制, 1100nm 是其波長(zhǎng)的上限。掃描光柵型使用分立光電器件, 波長(zhǎng)的擴(kuò)更為靈活。最特殊的是Varian 的Cary6000i ( 175~1800nm)、Shimadzu 的UV3101PC( 190~ 3200nm) 和Jasco 的V??570( 190~ 2500nm) , 通過(guò)切換光柵和探測(cè)元件, 使儀器的光譜范圍覆蓋了紫外、可見(jiàn)和近紅外區(qū), 可滿足一機(jī)多用的需要。

波長(zhǎng)的準(zhǔn)確性?? 僅有16 種偏差超過(guò)1nm, 其余大多在0. 1 ~ 1 之間。其中突出的是Varian 的Cary100/ 300, 它們?cè)?56. 1nm 處的波長(zhǎng)準(zhǔn)確性達(dá)到了0. 02nm 的水平。波長(zhǎng)重復(fù)性大于0. 5nm 的僅7 種,0. 1~ 0. 5nm 之間的占了多數(shù), 共有68 種, 還有相當(dāng)數(shù)量的產(chǎn)品達(dá)到了優(yōu)于0. 1nm 的水平。如Agilent 的8453( 0. 02) 、Beckman 的DU7000series( 0. 05) 、Camspec的M400T/ PC( 0. 05) 、GBC 的Centra10/ 20/ 40( 0. 04) 、

Hitachi 的U3010/ 3310( 0. 05) 、Perkin Elmer 的Lambda系列( 0. 02~ 0. 05) 、Scinco CO 的S- 1100/ 3130/ 3150( 0. 02)、Shimadzu 的MS1500( 0. 01) 和UV1201( 0. 03) 、Varian 的Cary 系列( 0. 008~ 0. 025) 等。雖然從原理上, 固定光柵型的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)固定、簡(jiǎn)單, 易于實(shí)現(xiàn)好的波長(zhǎng)準(zhǔn)確性和重復(fù)性, 但掃描光柵的設(shè)計(jì)制造工藝已十分成熟, 從性能指標(biāo)看, 最突出的Cary 系列、Lambda系列都是掃描光柵型的產(chǎn)品。

分辨率?? 掃描光柵型通過(guò)改變狹縫寬度可選擇分辨率, Varian 的Cary4000 最高做到了0. 05nm, 上海分析儀器總廠的760mc 也可達(dá)到0. 08nm。固定光柵型受到陣列探測(cè)器的長(zhǎng)度和像元數(shù)量限制, 除非光譜范圍很窄, 否則分辨率是很難高于0. 1nm 量級(jí)的。掃描速率?? 大多在100~ 4000nm/ min, Varian 的Cary50 最高實(shí)現(xiàn)了24000nm/ min, Cary4000 也有20000nm/ min。但與固定光柵型最短ms 量級(jí)完成全光譜測(cè)量的速度相比, 仍是較慢的。

吸光度?? 普遍可達(dá)到2~ 3A 的水平, 共有80 種產(chǎn)品最大光度值在2~ 3A 之間, 另有28 種產(chǎn)品可以量測(cè)超過(guò)3A 的樣品。其中, 最高的是Varian 的

Cary4000, 達(dá)到了7A。其余, 如Spectronic Unicam( Ther??mo Spectronic) 的Nicolet Evolution300/ 500 和UV510/ 520( 6A) 、Shimadzu 的UV2401/ 2501/ 310 PC( 5A)、Jasco 的V550/ 560、GBC 的Centra5/ 10/ 20/ 40( 5A) 等也有很高的水平。

雜散光?? 典型值是0. 01~ 0. 05%T, 在國(guó)外的產(chǎn)品中共有65 種產(chǎn)品的雜散光指標(biāo)在這一范圍中。雜散光超過(guò)0. 05%T 的產(chǎn)品有31 種, 小于0. 01%T 的產(chǎn)品有19 種。其中, 最為突出的是Varian 的Cary4000/6000i 和Shimadzu 的UV3101PC, 它們的雜散光水平達(dá)到了令人驚訝的0. 00008%T。從其光學(xué)設(shè)計(jì)看, 都采用了雙單色器。與掃描光柵型產(chǎn)品相比, 固定光柵的分光光度計(jì)少了出射狹縫, 實(shí)現(xiàn)低雜散光的難度更大。從性能指標(biāo)來(lái)看, 范圍是0. 01~ 1% T。26 種固定光柵型產(chǎn)品中雜散光在0. 01~ 0. 05%T 之間的有13 種, 也已達(dá)到半數(shù), 但是能夠低于0. 01%T 的很少。我國(guó)的紫外可見(jiàn)分光光度計(jì), 性能指標(biāo)總體上接近國(guó)外的中等水平, 缺少高檔產(chǎn)品?？疾? 家國(guó)內(nèi)企業(yè)的27 種產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)。波長(zhǎng)準(zhǔn)確性, 國(guó)外的典型水平是0. 1~ 1nm。國(guó)內(nèi)產(chǎn)品中, 處于此范圍的有16 種, 基本達(dá)到同一水平, 但沒(méi)有優(yōu)于0. 1nm 的產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的光度準(zhǔn)確性大多以透過(guò)率表示, 水平比較接近, 均在0. 3~ 0. 5% T 之間。在10% T 處,也就是吸光度為1A 處, 將光度準(zhǔn)確性以吸光度表示,則數(shù)值為0. 013~ 0. 021A。與國(guó)外產(chǎn)品有比較明顯的差距。國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的光度重復(fù)性基本在0. 1~ 0. 3% T范圍, 同樣在吸光度1A 處換算, 數(shù)值為0. 004~ 0. 013A,也存在距離。比較國(guó)外與國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的雜散光的典型值, 兩者幾乎相差了一個(gè)數(shù)量級(jí)。但是已有一些較新研發(fā)的產(chǎn)品, 可以達(dá)到國(guó)外產(chǎn)品的普遍水準(zhǔn)。例如北京瑞利分析儀器公司的UV2100( 0. 05T%) 、北京普析通用儀器有限責(zé)任公司的TU??1901( 0. 02T%) 、上海分析儀器總廠的761crt( 0. 03T%) 。基線穩(wěn)定性方面, 國(guó)產(chǎn)分光光度計(jì)與國(guó)外產(chǎn)品基本持平。但是, 有些國(guó)內(nèi)產(chǎn)品給出此項(xiàng)指標(biāo)時(shí), 標(biāo)明的測(cè)試時(shí)間僅為30 或15分鐘。從這些基本指標(biāo)的比較來(lái)看, 國(guó)產(chǎn)紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性仍然是有待提高的。另一方面, 在儀器的控制、操作, 數(shù)據(jù)的顯示、處理、分析上, 國(guó)內(nèi)產(chǎn)品表現(xiàn)出迅速向國(guó)外產(chǎn)品靠攏的趨勢(shì)。以功能更強(qiáng)的內(nèi)置微機(jī)或外接PC 取代單片機(jī), 利用外接PC 的顯示器或采用大面積LCD 代替簡(jiǎn)單的LED數(shù)字顯示, 提升軟件水平。在此基礎(chǔ)上, 分光光度計(jì)可具有開(kāi)機(jī)自檢、波長(zhǎng)自動(dòng)校正、基線自動(dòng)記憶等功能; 配備有更友好界面的操作軟件, 能夠以文件形式存取光譜, 顯示光譜曲線, 可對(duì)圖形作擴(kuò)展、壓縮、求導(dǎo)、平滑、尋峰等處理; 可完成單波長(zhǎng)或多波長(zhǎng)的定量、動(dòng)力學(xué)等分析。在6 個(gè)國(guó)內(nèi)廠家的產(chǎn)品中都已出現(xiàn)了此類(lèi)分光光度計(jì)。目前, 我國(guó)的紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)至少在以下三個(gè)方面存在比較明顯的滯后。一是高檔的科學(xué)分析型產(chǎn)品。能夠滿足精密的科學(xué)研究和分析的很少, 采用雙單色器, 具有突出性能的國(guó)產(chǎn)分光光度計(jì)基本是空白。二是陣列探測(cè)器的應(yīng)用。我國(guó)的產(chǎn)品仍以掃描光柵型為主, 采用陣列探測(cè)器的固定光柵型分光光度計(jì)雖然已經(jīng)起步[ 21~ 22] , 但進(jìn)入市場(chǎng)的仍然罕見(jiàn)。三是光纖的使用。市場(chǎng)上以光纖探頭取代傳統(tǒng)樣品室的設(shè)計(jì), 或可選擇外接光纖附件的國(guó)產(chǎn)紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)十分缺乏。

4 ?? 結(jié)?? 論

紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)雖然是一類(lèi)有著很長(zhǎng)歷史的分析儀器, 但每一次吸收了新的技術(shù)成果都使它煥發(fā)出新的活力。掃描光柵型分光光度計(jì)依托成熟的設(shè)計(jì)制造工藝, 并結(jié)合計(jì)算機(jī)控制等新的技術(shù)成果,仍有很強(qiáng)的生命力。在很多方面, 掃描型產(chǎn)品仍代表了最高的技術(shù)水平。陣列式探測(cè)器的產(chǎn)生直接促成了固定光柵分光光度計(jì)的設(shè)計(jì), 使得它在測(cè)量地更快、更穩(wěn)定、適應(yīng)性更強(qiáng)的方向邁出了一大步。并且,從今后的發(fā)展來(lái)看, 儀器的小型化、在線化, 測(cè)量的現(xiàn)場(chǎng)化、實(shí)時(shí)化將是一大方向。要使分光光度計(jì)走出實(shí)驗(yàn)室, 成為一種應(yīng)用更廣, 更為普及的測(cè)量分析設(shè)備,陣列式探測(cè)器以及其它的固態(tài)式設(shè)計(jì)可發(fā)揮重要的作用。光纖也將是其中的一項(xiàng)重要技術(shù), 它已使得紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的使用變得更方便, 同時(shí)也使分光光度計(jì)的配置變得更靈活。光纖結(jié)合模塊化設(shè)計(jì), 可能使得分光光度計(jì)可以突破完全固定、靜態(tài)的組成,而變成可以自由搭配, 自助式構(gòu)建的儀器。光纖同時(shí)

也是實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量的重要手段。計(jì)算機(jī)技術(shù)的影響將更為增進(jìn)。分光光度計(jì)的自動(dòng)化、智能化是一個(gè)方面。另一方面, 軟件已經(jīng)在一定程度上使實(shí)在的儀器接近了虛擬的程序, 網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)的結(jié)合可能帶來(lái)進(jìn)一步的影響。除了傳統(tǒng)的空間色散的分光方式, 聲光調(diào)制濾波和傅立葉變換光譜也以其各自的特點(diǎn)表現(xiàn)出了在紫外可見(jiàn)波段的應(yīng)用潛力。