发布时间:2021-01-14 22:25 原文链接: 李昌厚教授:紫外可见分光光度计光度准确度的研究

  摘要

  本文讨论了紫外可见分光光度计(UV-VISS)的光度准确度(Photometric Accuracy;以下简称PA;PA是吸光度理论值A0与实际测量值A之差)的重要性;指出了影响 UV-VISS的PA的主要因素;提出了如何保证或提高UV-VISS的PA的主要途径。

0、前言

  分析仪器是是集光、机、电、计算机四为一体的、技术密集的、高科技产品,分析仪器及其应用的发展速度非常快[1]。UV-VISS是当今世界上历史最悠久、使用最多、覆盖面最广的分析仪器之一;目前,国际上有数百家从事 UV-VISS生产的厂商,但是,在UV-VISS的PA这个最重要、最关键的技术指标的表示方法、给出的数据等方面,绝大多数都存在严重问错误;首先, PA的表示方法方面,目前,国际上一般都用透过率误差(△T)或吸光度误差(△A)表示。有的厂商同时给出△T和△A,但有的厂商只给△T或△A 。作者认为这两种给法都是可以的。

  但作者研究表明:在单独给出△T或△A或同时给出△T和△A 的厂商中,绝大多数都没有搞清△T和△A 的关系,所以给出的数据都是错误的(主要表现在给出的△T和△A是相互矛盾的;△T在仪器整个T 值的范围内都达不到)。目前为止,只有美国 P-E的Lambd9 [2]等少数UV-VISS给出的△T或△A或同时给出的△T和△A是正确的。因此,作者曾将这些错误称之为国际性的错误。

  作者[5]经过认真的、深入的研究,发现Shimadzu、Hitachi、GBC和中国的大多数厂商,都是只要自认为自己生产的UV-VISS属于所谓高档仪器,就在0-100%T的范围内,将△T都千篇一律写为:± 0.3%T。同时,对应的△A都写为:0-0.5Abs内时为±0.002Abs、0.5-1Abs内时为± 0.004Abs。同样,这也是一个国际性的错误。

  作者对这个问题作了深入研究[7] ,从比耳定律出发,推出了一个科学的、复杂的计算公式,并据此计算出七十多张表格。同时据表格作出了一组曲线图。下面是其中的一张表和曲线图(详见:李昌厚等,现代科学仪器,2000年,第一期,第24页):

image.png

  从上述表和图,可以清楚的看出:当△T =0.3%T时,若吸光度为0.5A,△A不是0.002A,而是0.0041A;若吸光度为1.0 A,△A不是0.004A,而是0.0128A。

  △T和△A产生上述错误现象的主要原因有三个:

  第一,未深入研究,不懂得△T和T0 (透过率真值)的关系,不懂得△A和A0(吸光度真值)的关系,不懂得影响△T和△A的主要因素;

  第二,人云亦云,不管对不对,你这样写,我也盲目的这样写;

  第三,商业上的需要,人家给的± 0.3 %T ,我如不这样写,就担心会影响仪器的销售。

  本文将从研发、生产、使用三者的角度,研究、讨论 PA 及其有关问题。

一、UV-VISS的PA的重要性

  什么叫 UV-VISS 的PA?简言之,UV-VISS 对某试样吸光度的实际测量值与该试样吸光度真值(实际测量值)之差就叫 PA 。 它是 UV-VISS 可靠性的核心问题,也是使用者最关心的核心问题。

  什么叫可靠性?长期以来,国际上都很重视可靠性这个问题,研究者很多。综合文献并结合作者的实践,作者提出:可靠性可分为狭义和广义两种[4]、[5];狭义可靠性是指传统的可靠性,主要指仪器的设计、制造方面的故障率(含元器件),但是它没有考虑到使用者的数据准确度、可靠性等这些关键问题;而广义的可靠性则应包括仪器的故障率、准确度、漂移、重复、售后服务等;这样,既考虑了研发、生产者的问题,也考虑到了广大使用者的实际使用要求。

  仪器故障率高、安全性差,当然是不可靠。但测量的数据不准确,出了故障不能及时排除,更是不可靠。对用户来讲,一台UV-VISS,如果分析测试的结果不准确,就是最大的不可靠。所以,任何UV-VISS的设计者、生产者,都希望自己作出的UV-VISS具有很高的PA;任何使用者都希望自己使用的UV-VISS具有很高的PA。

  任何UV-VISS的使用者都要求自己使用的仪器稳定可靠;对用户来讲,所谓稳定,就是漂移小,重复性好。所谓可靠,就是测量结果准确(测量结果误差小)、故障率小,出了故障能及时排除。稳定可靠,是一切UV-VISS使用者选择仪器的宗旨。因此,PA应是UV-VISS的设计者、生产者和使用者们共同最关心、最重要的关键技术指标。

二、影响 PA 最主要的因素:

  作者经过长期实践、反复研究,认为影响PA最主要、最关键的因

  素,可用下述数学表达式描述:

PA=f(SL、N、BF、SBW)

  式中:PA  -光度准确度(Photometric Accuracy)

   SL  -杂散光(Stray Light)

   N  -噪声(Nois)

   BF  -基线平直度(Baisline Flat;表征全波段每个波长上的噪声)

   SBW  -光谱带寛(Spectral Band Width)

  1. SL:

  UV-VISS 的SL非常重要,它产生光噪声、直接限制被分析测试试样浓度的上限。它是目前国际上所有用户最关心的问题之一。目前,国际上有许多专家学者都在研究SL。下面是 Owen[12] 的研究结果(见图1):从图1可明显看出,不同的SL,偏离比耳定律的程度不同(产生的误差不同)。

image.png   

图1 不同SL偏离比耳定律

  作者[6]和Shape[5]的研究表明:在试样浓度为2Abs时测试,若UV-VISS仪器有0.1%的SL,则可产生5%的相对误差(△A/A0);若在 0.434Abs 处测试,仪器的 SL为0.5% ,则分析结果的相对误差(△A/A0)就会超过1% ,就不能满足某些药物分析工作的要求.

  作者发现:在SL问题上,国外有些厂商对此很不负责任的乱宣传。如日本的岛津,它的2501PC[8] UV-VISS曾经自称是世界上最高级的 UV-VISS,他们在样本上写着:分析测试的试样的浓度可达 9Abs。而当时美国P-E公司推出的Lambda 900、美国Varia公司的Cary500的SL都为8x10-7,,但比较实在的给出测试的吸光度上限为5-6Abs(经作者测试,认为5.5Abs基本可靠)。

  作者从理论上和实践上对2501PC进行了认真的研究,发现2501PC 样本上[8]提供的 SL为3ⅹ10-6,根据比耳定律和杂散光理论,作者计算的结果,在9Abs时,该仪器的分析测试的绝对误差△A在 3Abs以上。这种分析测试结果的可靠性极差,毫无实用价值。所以,2501PC 提供的所谓可测到9Abs是不实用的虚指标,是无意义的。

  作者对SL进行了深入研究;从比耳定律出发,推出了一个很科学、很复杂的计算公式[7],并据此计算出七十几张表,同时据表作出一组曲线图(见图2)。

image.png

图2 SL对△A/A影响 的研究

  从图2也可简明的看出:在试样为2Abs处测试,若仪器有0.1% 的 SL,则可产生5% 的相对误差(△A/A0);若在 0.434 Abs 处测试,仪器的SL为0.5% ,则分析结果的相对误差(△A/A0)就会超过1% ,就不能满足某些药物分析工作的要求。

  2 .N :

   UV-VISS的N[9],包括光N和电N;光N由光源的发光强度分布因子所产生,电N由光电倍增管(PMT)、各类电源、放大器等电子学部分所引起。N是UV-VISS 的最重要的关键技术指标之一,它直接限制 UV-VISS 的检测下限(灵敏度)。因此,必须重视对N的研究。

  作者[11]的研究表明:若要满足药典的要求(某些药物分析测试的相对误差要求为1%),则在试样的吸光度为0.05Abs时,仪器在测试波长处的N必须达到±0.0005 Abs。而目前,日本和中国的许多UV-VISS 的生产厂家并未重视这个问题。许多厂商的样本不给出仪器的N(如Shimadzu 的2401PC、2501PC等),这就意味着他们生产的 UV-VISS 的检测下限是未知的。有的厂商给出了仪器的 N,但是太大,不能满足药典的要求。这些问题是使用者挑选UV-VISS仪器时必须重视的问题。

   作者认为,只要认真研究 N,真正认识了N的重要性,并在实践

  中重视降低N,我国的UV-VISS就会上一个新的台阶。例如:我国的北京普析通用公司,由于重视了对N的研究,他们的 UV-VISS( TU-1901、T10等)的N达到了±0.0004Abs,与目前国际上最高级的UV-VISS之一的美国P-E公司的Lambda900[3]处在同一个数量级上(Lambda900的N为±0.0002Abs)。

  综上所述,UV-VISS的研发者、设计者、制造者在生产仪器时、使用者在挑选仪器时,都必须特别重视仪器的N这个非常重要的技术指标。

  作者对N进行了深入研究,研究的结果见图3。

image.png

图3 N对△A/A影响的研究

  3.BF

  BF是指UV-VISS仪器全波段内,每个波长上的N[11],它直接影响UV-VISS的灵敏度或检测下限和使用范围,是一个非常重要的技术指 标。是使用者挑选和使用UV-VISS时,特别要重视的技术指标之一。它也是目前国内外有关的科技工作者,还未引起足够重视的技术指标之一。

  因为整机的N是在500nm处测试的,它只能表示500nm处的N;而用户在使用仪器时,一般都不只是用在在500nm,并且,大多数用在紫外区。所以,每个波长上的N,特别是紫外区的各个波长上的N,就显得特别重要。我国有好多厂商给出的BF为±0.004Abs;作者认为BF为±0.004Abs的UV-VISS仪器,远不能满足我国药典要求相对误差为1%的药物分析工作要求。作者作DNA分析测试时,要求相对误差为1%,但试样的吸光度常在0.08-0.1Abs。开始,曾想用某某仪器,因其BF为±0.004Abs,分析相对误差为1.5%,不能满足相对误差为1%的要求,故改用±0.001Abs的仪器(TU-1901),完全能满足相对误差为1%的要求,效果很好。

  4. SBW:

   UV-VISS 的SBW非常重要,它是影响 UV-VISS的PA的主要因素之一。T.Owen 的研究结果[12]见图4,它能清楚的说明这个问题;用1nm的SBW,能分出两个很好的峰。用20nm的SBW,两个峰就变为马鞍形,如用50 nm的SBW,则两个峰变为一个峰。由此可知,SBW多么重要。

image.png

图4 SBW对PA的影响

  SBW对PA的影响,还可从下面的例子看出:作者曾经在5nm的SBW时,测试细胞色素C,结果产生30%左右的误差。作者还发现:在SBW=2nm时,测试细胞色素C,会产生10%左右的误差。只有SBW为0.3nm时,测试结果才能真正反映出细胞色素C的实际的吸光度值(1%以内的误差)。

   又如:青霉素钠、青霉素钾也是如此;我国药典曾经规定:作青霉素钠、青霉素钾时,要求SBW=1nm。其实这也是不对的;作者的实践表明:在药典规定的条件下,SBW为2nm时,测试值为0.805Abs;在SBW为1.0nm时,测试值为0.825Abs和 SBW为0.3nm时,测试值为0.865Abs。SBW为0.2nm时,测试值为0.845Abs .0.3nm和1.0nm相差0.04Abs相对误差为4.7%。这足以说明SBW的重要性。所以,必须要非常重视对 UV-VISS 的SBW的选择。特别是药检工作者,在挑选 UV-VISS 时,更要注意 SBW。一般来讲,固定 SBW的UV-VISS,不宜用在药检和科研工作中,否则,会产生很大的分析误差。因此,制造者、使用者都必须高度重视SBW 的问题。

  目前,我国还有不少药厂用 SBW=5nm或 更大的、固定SBW的 UV-VISS(如752、753、754等)作为质量控制仪器,这是不对的,应该改用 SBW ≤2nm 的UV-VISS才对。云南保山地区药检系统某某单位曾经买岛津的UV-1206UV-VISS作质检,该仪器的SBW=5nm;所以UV-1206根本不能用作药检。药典为何要规定用2nm的SBW?这是有科学根据的;因为A.Owen[11]的研究表明:若SBW/NBW(即光谱带宽/自然带宽)= 0.1时,则能满足世界上99%以上的试样的分析,其分析准确度可达到99.5%。而地球上有机试样的自然带宽一般都在20nm 左右。所以,如果 UV-VISS的SBW=2nm,则此时SBW)/20(NBW=0.1,基本上能满足99%的药品分析检验工作的要求。并且,分析测试的准确度为99.5% [11]。所以,中国和许多国家的药典都规定用于药品质控的 UV-VISS,必须要求SBW≤2nm,就是这个道理。

三、如何保证或提高 UV-VISS 的 PA

  1. UV-VISS仪器的研发者(设计者)必须做到五个认真:

  ① 认真开展有关 PA 的基本理论研究;重视仪器学理论[13] 、真正搞清 △A 、△T的关系,必须给出正确的PA值。

  ②认真开展对PA、SL、N、BF 、 SBW 等相互关系的研究,真正搞清其相互关系和对分析误差的影响,正确给出这些技术指标。

  ③认真开展影响 PA 的主要因素的研究;并在实践中用来指导生产和使用工作。

  ④认真开展 PA 测试方法的研究;准确的测出 PA。

  ⑤认真与使用者沟通,不断了解用户对 PA 的要求。

  2 .生产者应该做到五个必须:

  ① 必须对元器件进行严格筛选(含光源、光栅等光学元件和PMT、集成块等电子元器件),以保证整机质量、保证PA准确可靠。

  ② 必须有严格的生产工艺。特别是装校工艺和质量检验工艺。

  ③ 必须对仪器的性能指标进行全面测试(含、SL、N、SBW、BF、PA、比色皿配对等)。

  ④ 必须对元部件作全面测试;含各类电源、放大器、电光源系统等的性能指标测试。

  ⑤ 必须与用户保持联系,加强售后服务。

  3 .使用者做到五个认真:

  ① 认真学习仪器学理论[13],了解仪器指标与分析误差的关系,了解仪器基本结构,掌握主要技术指标的基本测试方法,经常自己检测仪器,工作中认真选择仪器条件,力争把仪器用在最佳狀态。

  ② 认真按说明书的要求操作仪器,切不可违反说明书进行操作。

  ③ 认真进行仪器的日常维护,保持室内清洁,注意控制室内温度和湿度。

  ④ 认真作好试样的前处理,减少因试样的前处理而带来的比耳定律偏离。(如防止试样光解、污染等)

  ⑤ 认真总结使用仪器的经验。经常与生产厂保持联系。经常参加分析仪器行业的学术交流会。

四、结束语:

   PA是UV-VISS 最重要的关键技术指标之一;SL、N、BF 和 SBW 是影响 PA的最主要的因素。所以,重视 UV-VISS 的PA的研究,首先就应特别重视 UV-VISS 的 SL、N、BF 和 SBW 的研究。只有研发者、设计者、生产者、使用者共同努力,认真研究SL、N、BF 和 SBW,才能真正保证提高我国 UV-VISS的PA。

  参考文献

  [1]李昌厚,我国分析仪器及其应用的发展现状和最新进展,仪器信息网,2019/6/6

  [2]李昌厚,透光度误差与吸光度误差关系的研究,现代科学仪器,25,1,2000

  [3]P-E, Lambada9UV/VIS/NIR Spectrophotometer,Order No.B-457

  [4]李昌厚,提高可靠性,迈上新台阶,科学时报(科学装备B1版2000年11月

  [5]李昌厚,论中国分析仪器的十大关系,科学时报(科学装备B1版),2001年5月

  [6]M.R.Shape,Stray Light of UV/VISS, Analytical Chemistry, Vol.56, No.2,p339A,1984

  [7]李昌厚,杂散光与吸光度相对误差关系的研究,中国仪器仪表学报,53,1,2001.

  [8] Shimadzu,2401PC/2501PC 紫外可见分光光度计(样本)

  [9]李昌厚,略论比耳定律及其有关问题,光学仪器,4,20,1984。

  [10]Tony Owen, Fundamentals of UV-Visible Spectroscopy, Printed in Germany 09/96, (HP puplication number 12-5965-5123E), P106, 1996

  [11] LI chang hou,’99 Industrial instrumentation and automation conference,Internationalinstrumentation and automation(specialsupplement) ,p257,1999.

  [12] A. Owen ,The diode-array advantage in UV/VISS,Hewllet Packrd,PrinnTED in Germany,03/88,p15.

  [13]李昌厚,仪器学理论与实践,北京:科学出版社,2008。

  作者简介

  李昌厚,男,中国科学院上海生物工程研究中心原仪器分析室主任、兼生命科学仪器及其应用研究室主任、教授、博士生导师、华东理工大学兼职教授,终身享受国务院政府特殊津贴。

  主要研究方向:长期从事分析仪器研究开发和分析仪器应用研究。主要从事光谱仪器(紫外吸收光谱、原子吸收光谱、旋光光谱、分子荧光光谱、原子荧光、拉曼光谱等)、色谱仪器(液相色谱、气相色谱等)及其应用研究;特别对《仪器学理论》和分析仪器指标检测等方面有精深研究;以第一完成者身份,完成科研成果15项。由中科院组织专家鉴定,其中13项达到鉴定时国际上同类仪器的先进水平,2项填补国内空白;以第一完成者身份获得国家级和省部级科技成果奖5项(含国家发明奖1项);发表论文183篇,出版专著5本;现任中国仪器仪表学会理事、《生命科学仪器》付主编;曾任中国仪器仪表学会分析仪器分会第五届、第六届付理事长;国家认监委计量认证/审查认可国家级常任评审员、国家科技部“十五”、“十一五”、“十二五”和“十三五”重大仪器及其应用专项的技术专家组成员或组长、上海市科学仪器专家组成员、《光学仪器》副主编、《光谱仪器与分析》副主编、上海化工研究院院士专家工作站成员等十多个学术团体和专家委员会成员等职。

相关文章

李昌厚教授:紫外可见分光光度计光度准确度的研究

摘要:本文讨论了紫外可见分光光度计(UV-VISS)的光度准确度(PhotometricAccuracy;以下简称PA;PA是吸光度理论值A0与实际测量值A之差)的重要性;指出了影响UV-VISS的P......

李昌厚教授:紫外可见分光光度计光度准确度的研究

摘要:本文讨论了紫外可见分光光度计(UV-VISS)的光度准确度(PhotometricAccuracy;以下简称PA;PA是吸光度理论值A0与实际测量值A之差)的重要性;指出了影响UV-VISS的P......

李昌厚教授:紫外可见分光光度计光度准确度的研究

摘要:本文讨论了紫外可见分光光度计(UV-VISS)的光度准确度(PhotometricAccuracy;以下简称PA;PA是吸光度理论值A0与实际测量值A之差)的重要性;指出了影响UV-VISS的P......

李昌厚教授:紫外可见分光光度计光度准确度的研究

摘要:本文讨论了紫外可见分光光度计(UV-VISS)的光度准确度(PhotometricAccuracy;以下简称PA;PA是吸光度理论值A0与实际测量值A之差)的重要性;指出了影响UV-VISS的P......

李昌厚教授:略论分析测试工作中的一些关键问题

本文讨论了分析测试工作者应该重视的五个必须:必须不忘初心、牢记使命;必须掌握一些仪器学理论知识;必须认真做好样品的前处理;必须了解有关仪器的性能指标和认真选择仪器条件;必须学会判断分析测试数据可靠性的......

紫外分光光度计可以测什么

每种物质就有其特有的、固定的吸收光谱曲线,可根据吸收光谱上的某些特征波长处的吸光度的高低判别或测定该物质的含量,这就是分光光度定性和定量分析的基础。因此可以适用这个原理、并在紫外可见光分光光度计光谱检......

李昌厚教授:用好AAS的几个关键问题

原子吸收分光光度计是分析化学领域中一种极其重要的光谱分析仪器,已广泛用于冶金工业、食品安全、环境监测等领域。原子光谱法具有检出限低,准确度高,选择性好,分析速度快,稳定性良好等优点。然而,要想使用好这......

EEM®View是什么?搭载CMOS系统的荧光分光光度计有何意义?

荧光分光光度计是一种用棱镜、衍射光栅或类似工具分离白光产生的单色光照射样品,然后将产生的荧光发射再次分离为单色成分,并进行检测以测量浓度和荧光物质的性质的仪器。近年来,LED照明和显示设备等应用的荧光......

紫外可见分光光度计减小误差的方法有哪些

杂散光是紫外可见分光光度计非常重要的关键技术指标。它是紫外可见分光光度计分析误差的主要来源,它直接限制被分析测试样品浓度的上限。当一台紫外可见分光光度计的杂散光一定时,被分析的试样浓度越大,其分析误差......

原子荧光光度计操作步骤是什么

原子荧光光度计是利用硼氢化钾或硼氢化钠作为还原剂,将样品溶液中的待分析元素还原为挥发性共价气态氢化物(或原子蒸汽),然后借助载气将其导入原子化器,在氩—氢火焰中原子化而形成基态原子。基态原子吸收光源的......