摘　要:紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的導(dǎo)數(shù)光譜法由于相移的存在, 導(dǎo)致導(dǎo)數(shù)光譜中峰值、峰谷對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)位置與其真實(shí)的波長(zhǎng)位置存在偏差以及復(fù)雜頻率分量的物質(zhì)吸收曲線發(fā)生群時(shí)延?；诹阆嘁茷V波器原理, 雙向?qū)?shù)光譜法能夠有效地消除相移。實(shí)驗(yàn)采用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)掃描水楊酸溶液, 并用導(dǎo)數(shù)光譜法和雙向?qū)?shù)光譜法分析吸光度數(shù)據(jù)。結(jié)果表明, 雙向?qū)?shù)光譜法能克服相移, 提供無(wú)群時(shí)延的更精確的吸收細(xì)節(jié), 從而提高紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的分析精度。

關(guān)鍵詞:雙向?qū)?shù)光譜法;零相移濾波器;紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)

紫外可見(jiàn)分光光度法(UV-Visspectrophotometry)是根據(jù)被測(cè)物質(zhì)分子對(duì)紫外可見(jiàn)波段范圍(150 ～800 nm)單色輻射的吸收或反射強(qiáng)度進(jìn)行物質(zhì)的定性、定量或結(jié)構(gòu)分析的一種方法[ 1] 。該方法由于具有靈敏度高、準(zhǔn)確性及選擇性好、成本低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[ 2] , 而被廣泛應(yīng)用于制藥[ 3] 、醫(yī)療衛(wèi)生[ 4] 、化學(xué)及化學(xué)工程[ 5] 、食品[ 6] 、環(huán)境監(jiān)測(cè)[ 7]和生物等領(lǐng)域。然而, 紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)直接掃描得到的吸收光譜波形相對(duì)簡(jiǎn)單、缺乏細(xì)節(jié)、分辨率低, 且對(duì)復(fù)雜化合物的定性分析有一定的困難。復(fù)雜物質(zhì)的吸收光譜還可能存在波形重疊, 因此, 紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)不能直接區(qū)分復(fù)雜物質(zhì)的各種組分。差分法[ 8] 、等吸收波長(zhǎng)法[ 9]和導(dǎo)數(shù)光譜法[ 10]可以解決這一難題。

導(dǎo)數(shù)光譜(Derivativespectrophotometry)亦稱(chēng)為微分光譜, 是吸收光譜關(guān)于波長(zhǎng)的微分系數(shù)對(duì)波長(zhǎng)的函數(shù)圖, 屬于紫外吸收光譜派生的一個(gè)分支。導(dǎo)數(shù)光譜法是將紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的吸收光譜進(jìn)行數(shù)學(xué)變換, 得到一階或更高階的導(dǎo)數(shù)光譜[ 10] , 可對(duì)復(fù)雜多組分物質(zhì)不經(jīng)分離而直接檢測(cè), 方法簡(jiǎn)便、快速、準(zhǔn)確, 近年來(lái)得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用[ 11] 。導(dǎo)數(shù)光譜法中的吸收強(qiáng)度隨波長(zhǎng)的變化非常敏感, 靈敏度高, 對(duì)重疊譜帶及平坦譜帶的分辨率高、噪聲低。目前, 導(dǎo)數(shù)光譜法已作為紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的分析方法, 廣泛應(yīng)用于化學(xué)分析領(lǐng)域。導(dǎo)數(shù)光譜法在對(duì)吸收光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行理時(shí), 相當(dāng)于一個(gè)高通濾波器。所以, 導(dǎo)數(shù)光譜法的致命缺點(diǎn)是相頻特性不理想。由于相移的存在, 使得吸收光譜的原始細(xì)節(jié)在導(dǎo)數(shù)光譜上產(chǎn)生平移以及群時(shí)延帶來(lái)的波形畸變。因此, 導(dǎo)數(shù)光譜法不能準(zhǔn)確地反映被測(cè)物質(zhì)的吸收特性。

為消除導(dǎo)數(shù)光譜法的相移, 本文提出了紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的雙向?qū)?shù)光譜法。雙向?qū)?shù)光譜法基于信號(hào)處理的零相移濾波原理[ 12] , 采用雙向?yàn)V波實(shí)現(xiàn)相頻特性的零相移。零相移濾波的主要思想是使用當(dāng)前信號(hào)點(diǎn)前面和后面的信號(hào)點(diǎn)所包含的信息, 即使用“未來(lái)的信息” 來(lái)消除相位的失真[ 13] 。雙向?yàn)V波是實(shí)現(xiàn)零相移的方法之一, 雙向是指前向和后向兩次求導(dǎo), 解決了零相移濾波器物理上無(wú)法實(shí)現(xiàn)的難題。由雙向?yàn)V波得到的雙向?qū)?shù)光譜法能夠消除傳統(tǒng)導(dǎo)數(shù)光譜法的相移, 有助于為紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)提供更準(zhǔn)確的吸收細(xì)節(jié), 提高定性分析能力, 確保紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)具有更高的精確度?；谶@些優(yōu)點(diǎn), 雙向?qū)?shù)光譜法有促進(jìn)紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)進(jìn)一步發(fā)展的潛力。

1　雙向?qū)?shù)光譜法

1.1　導(dǎo)數(shù)光譜法的相移

假設(shè)f(xi)是紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的吸收曲線, n為正整數(shù), i是波長(zhǎng)吸收點(diǎn)式中, Δλ表示儀器掃描吸收光譜時(shí)所設(shè)置的掃描波長(zhǎng)間隔, ω表示信號(hào)在頻域的頻譜分量,H(ejw)為系統(tǒng)對(duì)各頻譜分量的響應(yīng), Z表示對(duì)吸收光譜進(jìn)行Z變換, z為Z變換中的z變量。由公式(6)可得, n階導(dǎo)數(shù)光譜的相頻特性為-nω/2 +nπ/2, 不為零, 因此導(dǎo)數(shù)光譜法在頻域內(nèi)存在相移。相移由角頻率與時(shí)間的乘積得到, 各頻率成分的相移相同, 則其時(shí)間軸上的延遲不同。導(dǎo)數(shù)光譜法的相移由兩部分組成, 其中-nω/2導(dǎo)致了群時(shí)延效應(yīng), 使得導(dǎo)數(shù)光譜中峰值、峰谷對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)位置與其真實(shí)的波長(zhǎng)位置之間存在偏差, nπ/2則導(dǎo)致導(dǎo)數(shù)光譜的導(dǎo)數(shù)值發(fā)生正負(fù)反向。群時(shí)延表示某個(gè)頻率上相位特性斜率的負(fù)值, 表示在此頻率上受到的有效公共延時(shí)[ 14] 。群時(shí)延的影響可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的分析結(jié)果, 如分子的錯(cuò)誤檢測(cè)。此外, 群時(shí)延可使導(dǎo)數(shù)光譜波形畸變和位置偏移, 因此必須消除相移。

1.2　雙向?qū)?shù)光譜法

為消除公式(6)中的相移, 同時(shí)保持與公式(5)具有相同或成比例的幅值, 則需要了解零相移濾波的原理。零相移濾波器是指一個(gè)信號(hào)序列經(jīng)過(guò)該濾波器濾波后, 信號(hào)序列的相位不發(fā)生變化, 即該濾波器系統(tǒng)函數(shù)的相頻響應(yīng)為零[ 13] 。對(duì)于一個(gè)因果系統(tǒng)來(lái)說(shuō), 零相移濾波器在物理上是不可能實(shí)現(xiàn)的,因?yàn)槠漭敵鲋蹬c過(guò)去的輸入值有關(guān), 那么輸出結(jié)果必定會(huì)相對(duì)于原輸入信號(hào)有一定的延遲, 即系統(tǒng)的相位響應(yīng)會(huì)給信號(hào)加入延遲的成分, 即負(fù)的相位響應(yīng)。所以零相移濾波器只對(duì)非因果的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)。在處理實(shí)時(shí)信號(hào)的場(chǎng)合中, 非因果的系統(tǒng)是不存在、不現(xiàn)實(shí)的, 因?yàn)椴豢赡苤牢磥?lái)時(shí)間的信號(hào)值, 所以非因果的系統(tǒng)只可以處理非實(shí)時(shí)處理的場(chǎng)合。在紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)掃描譜的處理中, 原掃描譜的信號(hào)序列是已知的信號(hào)序列, 所有的吸光度值已知, 且信號(hào)點(diǎn)的先后順序不表示時(shí)間的先后,只表示不同波長(zhǎng)處的吸光度。所以此情況下, 任何一個(gè)信號(hào)點(diǎn)之前的信號(hào)點(diǎn)和之后的信號(hào)點(diǎn)的值均已知, 因此可以使用非因果的雙向?yàn)V波器系統(tǒng)進(jìn)行處理, 實(shí)現(xiàn)零相移濾波。圖1　雙向?yàn)V波的原理圖Fig.1　Schematicofbidirectionalfiltering為實(shí)現(xiàn)對(duì)紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)掃描譜的零相移濾波, 有效避免波形畸變的影響, 本文提出雙向?qū)?shù)光譜法。雙向?qū)?

數(shù)光譜法采用雙向?yàn)V波的思想, 先將一列信號(hào)數(shù)據(jù)正向求導(dǎo),再將所得結(jié)果逆序后做一次求導(dǎo), 最后將所得結(jié)果再逆序回來(lái), 即可實(shí)現(xiàn)零相移濾波。雙向?qū)?shù)光譜法解決了零相移濾波器物理上無(wú)法實(shí)現(xiàn)的難題。圖1是雙向?yàn)V波的原理圖