阵列式与扫描式紫外可见分光光度计对比

可根据光学系统中光谱记录组件的几何结构对紫外可见分光光度计进行分类。 紫外可见光谱中通常使用以下配置

• 扫描式分光光度计

• 阵列分光光度计

紫外/可见分光光度计的性能取决于仪器的设计，这些性能包括光学和波长分辨率、测量速度等参数。 阵列式与扫描式白皮书对两种成熟的分光光度计装置进行了比较，并对各自的性能以及光源的性能进行了评测。

1.

简介

除化学分析外，纯物质和混合物的表征分析还可以通过物理方法进行。紫外光和可见光

(UV/VIS)

中的光谱技

术广泛应用于几乎所有市场行业和工作场所的研发、生产和质量控制领域。通常情况下，紫外可见光谱分析基

于样品对光的吸收，从而获取有价值的信息，如样品的特性、纯度、浓度和分子结构相关信息。

紫外可见分光光度计的性能取决于仪器的设计，这些性能包括光学和波长分辨率、测量速度等参数。下文对

两种成熟的分光光度计进行了比较，并对各自的性能以及光源的性能进行了评测。

2.

分光光度计的设计

分光光度计通常包含四个组件：

1.合适的光源，覆盖所关注的紫外可见光谱。通常是包含气体（如氙气）的灯，也可以使用两个灯的组合（如钨/氘）。

2.合适的样品比色皿，用于放置样品。

•液体样品放在石英、硼硅玻璃或亚克力塑料制成的比色皿中。但是玻璃和亚克力塑料无法透过紫外线，

仅应用于可见光测量。固体样品可装在合适的支架上，并置于分光光度计的光路径中以测量透过的光。

3.分光元件，用于将光分散成不同波长的单色光。可以是石英棱镜或衍射光栅，即一种带有能够衍射光线的周期结构的光学组件。

4.最后是一个用于记录透光强度的合适检测器，如光电倍增管、多通道阵列（如光电二极管阵列，即PDA），或电荷耦合器件(CCD)，类似于 数码 相机。PDA和CCD检测器使用一种光敏半导体材料将光转化为电子信号，然后由该 仪器进 行 记 录。

3.

设计比较

可根据光学系统中光谱记录组件的几何结构对紫外可见分光光度计进行分类。紫外可见光谱分析中通常使

用以下两种配置：•扫描分光光度计•阵列分光光度计

3.1

扫描分光光度计

传统扫描分光光度计的工作原理基于连续测量每个波长下的透光率值。首先使用光栅将光分散为各个不同的波长。旋转光栅或其他光学元件，以便通过狭缝分别选择每个波长，然后通过比色皿发出。记录该特定波长下的透光率。通过旋转光栅，不断变化投射到样品溶液上的光线波长（即扫描）即可获取整个光谱。

3.2

阵列分光光度计

在此结构中，比色皿中的样品经由涵盖紫外光可见光范围的所有光组分的光束（即连续光谱）照射。换句话说，比色皿中的样品同时吸收不同波长的光。然后透过的光被位于比色皿后面的反射光栅衍射，如下图

所示。

4.

光学结构比较

下面的性能评估除对光学结构进行比较之外，还包括了对市售分光光度计中最常见光源的评测，即氙灯和钨/氘灯组合。

在扫描分光光度计中，进行一次完整的光谱扫描需要花些时间，因为必须要由马达对光栅进行机械旋转。该扫描过程还可能导致波长选择准确度和重复性的降低，具体取决于分光光度计的扫描速度。在有些双光束分光光度计结构中，会使用镜子和分光器将光束分为具有相同强度的参比光束和样品光束。在另一些双光束分光光度计中会使用带有扇形缺口镜面的斩光器，将光线周期性的交替传送至样品侧与参比侧。但是如何确保两束光线一致是个难题。这是由于参考光束和样品光束的路径必须在光学上完全相同，具有同样有效的光学组分。为了避免光学路径的偏差，需要避免镜面灰尘，镜子的更换也总是应成对完成。这些要求导致维护和维修工作相对增加，这样才能确保仪器整个生命周期的性能。

在阵列分光光度计中，测量整个紫外可见光谱通常比使用传统的扫描分光光度计速度要快，因为所有波长的光谱是同时记录的。阵列分光光度计是一种创新的方法，可基于反向光学技术加快一次完整光谱扫描的速度。这种没有任何移动光学元件的强大设计可确保绝佳的光学性能，且维护成本相对较低。因此这种仪器也

更简单一些，零件损坏或失效的几率降低。在梅特勒-托利多的全新阵列分光光度计中，光源由一个氙闪烁灯组成，可生成紫外光、可见光和部分近红外光波长，涵盖了从190到1100 nm的光学范围。闪烁灯聚焦于一根玻璃纤维中，其将光束引至装有样品溶液的比色皿上。光束穿过样品，样品组分吸收特定的波长。其余的光被比色皿后面的一根玻璃纤维收集，然后引

至光谱仪中。该光谱仪包含一个衍射光栅和一个CCD传感器，前者将光分为不同的波长，后者记录光谱。因此整个光谱是同时测量的，可实现快速记录。梅特勒-托利多将这种由氙灯、石英玻璃纤维和阵列式检测器组成的整个结构以及其所带来的优势与小巧紧凑的外观称之为FastTrack™技术。这种结构使得设备规格能够

符合严格的药典规范；且超过了杂散光和分辨率要求。

5.光源比较

分光光度计中光源的功能是提供强度高，光谱波长范围宽的多色光。需要在整个使用寿命中提供稳定的光强 度，且 成本合理。

钨卤灯是分光光度计中最常见的光源。这种灯采用钨做灯丝，密封在玻璃灯泡中。用于灯丝材料的钨在高温时挥发。灯中包含的卤素成分会将挥发的钨返回到灯丝，从而延长其使用寿命。这种灯提供了可见光到近红外区从330到1100 nm的 有用 波 长 范 围，使 用 寿 命 大 概 为3000小时。氘灯是一种灯泡中密封有气态氘的发射光源。氘灯涵盖了从190到450 nm的紫外区，具有稳定的光强分

布，使 用 寿 命 大 约 为1000小时。这种灯通常与钨卤灯一起使用，以便涵盖紫外光到可见光整个范围。

氙灯是一种石英灯泡中密封了氙气的发射光源。氙灯与太阳光的光学分布相似，会产生从紫外光到近红外，190到1100 nm的高强度连续光谱。

氙灯烁灯通过脉冲点火生成光，检测后其在一个指定时间段内聚集以达到一次完整的光谱扫描。这种脉冲光生成几乎不会产生热，使用寿命相对较长，在常态操作条件下50 Hz频率闪烁时为5500小时

6.仪器结构和性能

在分光光度计中，仪器控制主要由小巧的微电子元件实现，不需要很多空间。光学系统占据了大部分空间，包括灯、光导系统和光谱仪。如此小巧的系统布局具有如下三个主要特点：

•

小巧的氙灯和玻璃纤维组合让光能够通过石英玻璃纤维引导。它们可进行较大幅度的弯曲，不会影响光

导系统和光输出。

•与钨/氘组合不同，氙灯不需要附加的笨重冷却装置。

•为了不牺牲重要光学参数的技术指标，如分辨率、准确度和杂散光等，对光谱仪的空间要求进行了优化。

超越系列紫外可见分光光度计中使用的基于阵列式的FastTrack技术，结合上述三个特点实现了各组件的优化使用。因此该仪器具有非常小巧的布局，相当于一个笔记本的大小，同时在符合药典规范（光度准确性）、分辨率方面可保持非常好的光学性能，且这样一台小巧的仪器可实现3A（吸 光度单位）的可用线性范围。

7.总结

与扫描分光光度计相比，阵列分光光度计结构更强大，因为其光学路径不包括移动部件，不需要定期维护。另外，氙闪烁灯的使用寿命更长，可进一步降低维护成本。获取完整的可用波长范围加快了测量工作流程的速度。此外，将基于阵列式的光谱仪、氙灯和玻璃纤维光导系统相结合，可以实现非常小巧的仪器布局，同时不会牺牲光学性能。