摘　要　綜述了紫外可見分光光度計及各模塊單元的技術(shù)發(fā)展、現(xiàn)狀和研究動態(tài)。通過對國內(nèi)外30 多個廠家的150 多種不同型號紫外可見分光光度計有關(guān)技術(shù)和性能資料的整理和分析, 對紫外可見分光光度計的各項技術(shù)性能指標進行了評述。

關(guān)鍵詞　紫外可見分光光度計;發(fā)展;現(xiàn)狀;技術(shù)指標

1 　引　言

紫外可見分光光度計是一類很重要的分析儀器,無論在物理學、化學、生物學、醫(yī)學、材料學、環(huán)境科學等科學研究領(lǐng)域, 還是在化工、醫(yī)藥、環(huán)境檢測、冶金等現(xiàn)代生產(chǎn)與管理部門, 紫外可見分光光度計督有廣泛而重要的應(yīng)用。紫外可見分光光度計有著較長的歷史, 其主要理論框架早已建立, 制作技術(shù)相對成熟。但構(gòu)成紫外可見分光光度計的光、機、電、算等任何一方面的新技術(shù)都可能再推動紫外可見分光光度計整體性能的進步。在追求準確、快速、可靠的同時, 小型化、智能化、在線化、網(wǎng)絡(luò)化成為了現(xiàn)代紫外可見分光光度計新的增長點[ 1 ～ 2] 。紫外可見分光光度計作為一項產(chǎn)業(yè), 用戶的需求是其發(fā)展的根本動力, 面向客戶、以人為本是設(shè)計和制造紫外可見分光光度計應(yīng)該遵循的法則。

本文通過對國內(nèi)外37 個廠家的152 種不同型號紫外可見分光光度計有關(guān)技術(shù)和性能資料的整理和分析, 綜述了紫外可見分光光度計各模塊單元的技術(shù)及整體性能的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。重點對目前市場上的兩類主流產(chǎn)品:掃描光柵式分光光度計和固定光柵式分光光度計進行了比較和分析, 概述了紫外可見分光光度計的研究動態(tài)和最新研究成果。對于光譜分析儀器設(shè)計制造企業(yè)和研究院所, 尤其對廣大儀器用戶深入了解和選購紫外可見分光光度計具有參考價值。

2 　紫外可見分光光度計的發(fā)展

分光光度法在分析領(lǐng)域中的應(yīng)用已經(jīng)有數(shù)十年的歷史, 至今仍是應(yīng)用最廣泛的分析方法之一。隨著分光元器件及分光技術(shù)、檢測器件與檢測技術(shù)、大規(guī)模集成制造技術(shù)等的發(fā)展, 以及單片機、微處理器、計算機和DSP 技術(shù)的廣泛應(yīng)用, 分光光度計的性能指標不斷提高, 并向自動化、智能化、高速化和小型化等方向發(fā)展。在分光元器件方面, 經(jīng)歷了棱鏡、機刻光柵和全息光柵的過程, 商品化的全息閃耀光柵已迅速取代一般刻劃光柵。在儀器控制方面, 隨著單片機、微處理器的出現(xiàn)以及軟硬件技術(shù)的結(jié)合, 從早期的人工控制進步到了自動控制。在顯示、記錄與繪圖方面, 早期采用表頭(電位計)指示、繪圖儀繪圖, 后來用數(shù)字電壓表數(shù)字顯示, 如今更多地采用液晶屏幕或計算機屏幕顯示。在檢測器方面, 早期使用光電池、光電管, 后來更普遍地使用光電倍增管甚至光電二極管陣列。陣列型檢測器和凹面光柵的聯(lián)合應(yīng)用, 使儀器的測量速度發(fā)生了質(zhì)的飛躍, 且性能更加穩(wěn)定可靠, 受到儀器用戶的青睞, 最具有代表性的當數(shù)安捷倫的HP8452/8453[ 3] 。在儀器構(gòu)型方面, 從單光束發(fā)展為雙光束, 現(xiàn)在幾乎所有高級分光光度計都是雙光束的, 有些高精度的儀器采用雙單色器, 使得儀器在分辨率和雜散光等方面的性能大大提高, 如Varian (瓦里安)的Cary1/3/400 。隨著集成電路技術(shù)和光纖技術(shù)的發(fā)展, 聯(lián)合采用小型凹面全息光柵和陣列探測器以及USB 接口等新技術(shù), 已經(jīng)出現(xiàn)了一些攜帶方便、用途廣泛的小型化甚至是掌上型的紫外可見分光光度計, 如OceanOptics(海洋光學)的S 系列、USB2000 及PC2000

[ 4] 。而光電子技術(shù)和MEMS 技術(shù)的發(fā)展, 使得有可能將分光元件和探測器集成在一塊基片上, 制作微型分光光度計[ 5～ 7] 。我國重慶大學在型多通道光譜儀方面開展了卓有成效的研究工作[ 8～ 10] , 承擔的國家自然科學基金項目“微型多道光譜分析系統(tǒng)集成化技術(shù)研究” 已經(jīng)通過了技術(shù)鑒定。隨著發(fā)光二極管(LED)光源技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的日益成熟, 以LED 為光源的小型便攜又低廉的分光光度計已成為研究開發(fā)的熱點[ 11] 。除了空間色散的分光方式, 也有人對聲光調(diào)制濾光[ 12～ 14] 和傅立葉變換光譜[ 15] 在紫外可見區(qū)的應(yīng)用進行了研究。儀器的軟件功能可以極大地提升儀器的使用性能和價值, 現(xiàn)代分光光度計生產(chǎn)廠商都非常重視儀器配套軟件的開發(fā)。除了儀器控制軟件和通用數(shù)據(jù)分析處理軟件外, 很多儀器針對不同行業(yè)應(yīng)用開發(fā)了專用分析軟件, 給儀器使用者帶來了極大的便利。目前, 市場上的紫外可見分光光度計主要有兩類:掃描光柵型和固定光柵型。后者也常常被稱為CCD(PDA)光譜儀或多通道光度計。它們的主要構(gòu)成:光源、分光系統(tǒng)、探測器和軟件系統(tǒng), 以及它們的整體設(shè)計, 將分述如下(這里不涉及電子和控制系統(tǒng))。光源　紫外可見區(qū)的光源主要采用鹵素鎢燈和氘燈或氙燈。鎢鹵素燈的工作波長范圍為320 ～2500nm , 氘燈的工作波長范圍為180 ～ 375nm , 兩者組合使用。氙燈是新穎的光源, 發(fā)光效率高, 強度大, 而且光譜范圍寬, 包括紫外、可見和近紅外。掃描光柵型大多能在掃描過程中自動地完成光源切換動作, 并自動轉(zhuǎn)換濾光片, 以消除高級次譜的干擾。固定光柵型為了保持其高速測量的優(yōu)點, 要避免光源切換, 采用日本濱松光子學株式會社的專利產(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。分光系統(tǒng)　掃描光柵型的分光系統(tǒng)常稱為單色儀, 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。在紫外可見分光光度計的發(fā)展歷史上, 掃描光柵型出現(xiàn)過多種光路設(shè)計, 主要如單光束、準雙光束和雙光束, 還有雙波長。單光束光路的漂移是主要問題, 但現(xiàn)在也可通過元器件性能的提高、制造工藝的進步和軟件校正加以改進。準雙光束和真正雙光束設(shè)計都是利用參比光路的補償來減少漂移的影響, 結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。為了進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, 其雜散光等性能的確是單單色器分光光度計無法企及的, 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。對于平面光柵, 全息技術(shù)的長處在于成品率更高, 雜散光更小, 不產(chǎn)生偽線。而對凹面光柵來說, 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)展出四種類型[ 17] 。其中的Ⅳ型可用于掃描光柵型中。因為兼具色散和聚焦兩項功能, 使用凹面光柵可以幫助簡化掃描光柵型分光光度計的結(jié)構(gòu)。Ⅲ型常稱為平場型, 它能使凹面光柵的像面從通常的羅蘭圓變成平面, 還可以同時實現(xiàn)消像散的設(shè)計。這對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的分光系統(tǒng)簡約到了極致。

探測器　探測器對分光光度計的設(shè)計和性能有著重要的影響[ 18] 。掃描光柵型分光光度計使用的探測器主要為光電管、光電二極管和光電倍增管等。近十幾年來, 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的誕生, 尤其使分光光度計的測量速度上了一個新的臺階。陣列型光電探測器的典型代表是PDA 和CCD ,這類探測器測量速度快, 多通道同時曝光, 最短時間僅在毫秒量級, 也可以累積光照, 積分時間最長可達幾十秒, 可探測微弱的信號, 動態(tài)范圍大。另外, 由于固定光柵型分光光度計沒有機械運動部件, 簡化了結(jié)構(gòu), 減小了體積, 提高了工作的穩(wěn)定性, 使分光光度計能走出實驗室, 進入工作現(xiàn)場, 進行在線測量。軟件　現(xiàn)代分光光度計的軟件已不再只是用作數(shù)值運算的附屬工具, 而是整臺儀器的核心, 滲透到分光光度計的各個層面。特別是那些使用通用PC 的分光光度計, 用戶的使用感覺與其說是一臺實實在在的儀器, 倒不如說是計算機上的一個應(yīng)用程序。儀器網(wǎng)絡(luò)化的趨勢將進一步加深這種印象。軟件技術(shù)也是分析儀器自動化、智能化的關(guān)鍵因素。

軟件的作用主要有控制、監(jiān)測與校正、光譜采集與處理、數(shù)據(jù)存儲與分析等。分光光度計的測量波長或范圍的設(shè)置、光柵運動的驅(qū)動和控制、光源的自動切換、濾光片的自動選擇、探測器的驅(qū)動、A/D 轉(zhuǎn)換的同步、數(shù)據(jù)傳輸至計算機、數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存、光譜或測量結(jié)果的顯示, 所有這些功能對于使用者來說可能只是按下了一個按鈕或點擊了一次鼠標。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)測和校正, 如光源的輸出功率、波長的準確性、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。用戶友好的視窗圖形界面和菜單操作, 光譜圖和數(shù)據(jù)作為文件進行管理、存儲和讀取, 光譜圖可隨意地移動、放大、縮小、重疊, 數(shù)據(jù)可以被平滑、求導(dǎo)、積分、進行函數(shù)運算, 可以自動尋找峰值、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、動力學分析、水質(zhì)分析和環(huán)保分析等, 用于各專業(yè)領(lǐng)域。

整機設(shè)計　紫外可見分光光度計的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計可以分成兩種。一種是將所有的部件, 包括光學系統(tǒng)、探測器、電子學系統(tǒng)、微機系統(tǒng)、顯示設(shè)備等都包含在一個機殼中。這種設(shè)計基本無需配置其它設(shè)備,可獨立地完成分光光度計的所有功能。為了給用戶提供一個方便的操作界面, 這些分光光度計大量采用了液晶視頻顯示, 有些還使用了觸摸屏。而專業(yè)性強的光度計更是盡可能簡化按鈕操作。不過, 為了有利于數(shù)據(jù)交流及功能擴充, 很多產(chǎn)品都備有RS232 接口, 可以外接記錄儀、計算機或與光譜數(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。配有打印機接口的也相當普遍。另一種的整體結(jié)構(gòu)則是分散式的。最常見的就是將計算機分離出來, 使用通用PC 機, 而其它部分仍布置在一個機殼中。這種方式的長處在于可以充分利用通用PC 機的資源。它的操作系統(tǒng)大多采用Windows 界面, 不論風格還是使用習慣對于今天的用戶來說都是很親切的, 大大簡化了儀

器操作的培訓(xùn)。通過PC 機, 分光光度計可以很容易地進行數(shù)據(jù)的交流, 不僅是在一個工作組中, 還可以通過互聯(lián)網(wǎng)。不僅是數(shù)據(jù)的訪問, 遠程的設(shè)備操作也是可以實現(xiàn)的。進一步, 在分散式的基礎(chǔ)上還有模塊化的布置。這類設(shè)計中, 各個具備獨立功能的系統(tǒng)或部件都可以分離出來, 用光纜和電纜相互連接, 使用十分靈活。當然, 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)計和制造思想。此外, 另一項重要的技術(shù)就是光纖, 光纖使分光光度計的配置更靈活, 使用更方便, 也是在線測量的實現(xiàn)基礎(chǔ)。