常用紫外-可见分光光度计的原理和应用

（一）紫外－可见分光光度计

分光光度计又称光谱仪（Spectrometer），是将成分复杂的光分解为光谱线的仪器，也是应用最普及的检测设备。测量范围一般包括波长范围为380~780nm的可见光区和波长范围为200~380nm的紫外光区。测量过程中，光源通过系列分光装置，产生特定波长的光，光线透过测试的样品后，部分光线被样品吸收，得到样品的吸光值，进而转化成样品的浓度，实现样品含量的计算。图2－1是常见的721型分光光度计。

图2－1 某品牌的721型分光光度计

1. 检测原理

紫外－可见分光光度法是根据物质分子对电磁波的吸收特性所建立起来的一种定性、定量和结构分析方法。分光光度测量是关于物质分子对不同波长和特定波长处的辐射吸收程度的测量。描述物质分子对辐射吸收的程度随波长而变的函数关系曲线，称为吸收光谱或吸收曲线。紫外－可见吸收光谱通常由一个或几个宽吸收谱带组成。最大吸收波长λ_max表示物质对辐射的特征吸收或选择吸收，它与分子中外层电子或价电子的结构（或成键、非键和反键电子）有关。

朗伯－比尔定律是分光光度法和比色法的基础。该定律表示：当一束具有I₀强度的单色辐射照射到吸收层厚度为b、浓度为c的吸光物质时，辐射能的吸收依赖于该物质的浓度与吸收层的厚度。其数学表达式为：

式中： A——吸光度；

I₀——入射辐射强度；

I——透过吸收层的辐射强度；

（I/I₀）——透射率T；

ε——常数，又称摩尔吸光系数。 ε值越大表明分光光度计的灵敏度越高。

上式表明，当已知某纯物质在一定条件下的吸收系数ε，可用同样条件将该供试品配成溶液，测定其吸光度A，即计算出供试品中该物质的含量。

在可见光区，除某些物质对光有吸收外，很多物质本身并没有吸收，但可在一定条件下加入显色试剂或经过处理使其显色后再测定，如本书中的游离甲醛、六价铬的测定，均采用该方法。由于显色时影响呈色深浅的因素较多，且常使用单色光纯度较差的仪器，故测定时应用标准品或对照品同时操作。

2. 仪器结构

紫外－可见分光光度计通常由5个部件组成：

（1）辐射源

辐射源是具有稳定的、有足够输出功率的、能提供仪器使用波段的连续光谱的光源，如钨灯、卤钨灯、氘灯或氢灯，或可调谐染料激光光源等；其中钨灯光源所发出的400~760 nm波长的光谱光通过三棱镜折射后，可得到由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫组成的连续色谱，该色谱常作为可见光分光光度计的光源；氘灯能发出185~400 nm波长的光谱，常作为紫外分光光度计的光源。

（2）单色器

单色器由入射狭缝、出射狭缝、透镜系统和色散元件（棱镜或光栅）组成，是用以产生高纯度单色光束的装置，其功能包括将光源产生的复合光分解为单色光和分出所需的单色光束。

（3）吸收池

吸收池又称试样容器、比色皿，供盛放试液进行吸光度测量使用，分为石英池和玻璃池两种，前者适用于紫外到可见光区，后者只适用于可见光区。

（4）检测器

检测器又称光电转换器，常用的有光电管、光电倍增管，近年来还使用光导摄像管或光电二极管矩阵作检测器，具有快速扫描的特点。

（5）显示装置

显示装置即荧光屏显示、记录仪、微处理机（计算机）等，可将图谱、数据和操作条件显示出来。

仪器类型有单波长单光束分光光度计、单波长双光束分光光度计和双波长双光束分光光度计。图2－2是单波长单光束分光光度计的结构示意图。

图2－2 单波长单光束分光光度计结构示意图

（二）原子吸收分光光度计

原子吸收分光光度计（Atomic Absorption Spectrometer）简称AAS，是根据物质基态原子蒸气对特征辐射吸收的作用来进行金属元素分析的，能够灵敏可靠地测定微量或痕量金属元素。由于其灵敏度高、抗干扰强、分析方法简单快速，而且价格适中，现已广泛地应用于工业、农业、生化、地质、冶金、食品、环保等各个领域，成为金属元素分析的强有力工具之一，在许多领域已作为标准分析方法。目前AAS已用来测定地质样品中的70多种元素，并且大部分能够达到足够的灵敏度和很好的精密度。图2－3是目前使用较为普及的一款国产原子吸收分光光度计。

图2－3 原子吸收分光光度计

1. 检测原理

AAS是利用光源发出被测的特征光谱辐射，被经过原子化器后的样品蒸气中待测元素的基态原子所吸收，通过测定特征辐射被吸收的程度，从而求出被测元素的含量。其工作过程可描述如下：光源（空心阴极灯）发出特征光谱辐射，经过原子化器室后，由分光系统（单色仪）得到单色光经过光电倍增管后到达检测器，终端电脑从检测器得到信号，进一步转化为数据进行处理。

没有进样时，由于光通过原子化器时没有被吸收，则透光率为100%。当原子化器进样时，光通过原子化器时将有一部分被吸收，透光率减小。而且，在一定浓度范围内，该吸光度与样品浓度之间的关系符合朗伯－比尔定律，因此参照标准，容易根据吸光度可得出样品的浓度。

2. 仪器结构

AAS一般由四大部分组成，即光源（空心阴极灯）、原子化器、单色仪/检测器和数据处理系统，结构示意图如图2－4所示。

图2－4 AAS结构示意图（火焰原子化器）(www.xing528.com)

原子化器是仪器的核心部件，主要有两大类，即火焰原子化器和电热原子化器。因而AAS又分为火焰原子吸收分光光度计和带石墨炉的原子吸收分光光度计两种型号。

火焰原子化器中，目前普遍应用的是空气－乙炔火焰，原子化的温度在2100~2400℃，利用该火焰测定的元素可达30多种。若使用氧化亚氮－乙炔火焰，测定的元素可达70多种。但氧化亚氮－乙炔火焰的安全性较差，应用不普遍。国产的火焰原子吸收分光光度计，都可配备各种型号的氢化物发生器（属电加热原子化器），利用氢化物发生器，可测定砷（As）、锑（Sb）、锗（Ge）、碲（Te）等元素。由于汞（Hg）具有挥发性，需要采用冷原子吸收法测定。

电热原子化器为非火焰原子化器，普遍应用的是石墨炉原子化器。其利用大电流通过高阻值的石墨器皿（石墨管）时所产生的高温，使置于其中的试样蒸发和原子化，原子化的温度在2900~3000℃。由于原子化效率高，其相对灵敏度远高于火焰原子化器，适合痕量分析。

比较而言，火焰原子化法的操作简便、重现性好、有效光程大，对大多数元素有较高灵敏度，因此应用广泛。但其原子化效率低、灵敏度不够高，而且一般不能直接分析固体样品。石墨炉原子化器的原子化效率高，在可调的高温下试样利用率达100%，灵敏度高、试样用量少、适用于难熔元素的测定。但其测定精密度较低，共存化合物的干扰比火焰原子化法大，干扰背景比较严重。

目前最新的电子技术已经在AAS中广泛应用，完全实现了仪器的显示数字化、进样自动化，计算机数据处理系统也使结果处理更加快捷、准确。

（三）电感耦合等离子发射光谱仪

电感耦合等离子发射光谱仪（Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry）简称ICP－AES，作为一种大型精密无机分析仪器，广泛应用于元素（尤其是金属元素）的分析检测。其名称来源于原子化的高温激发时，采用了电感耦合等离子体的技术。该等离子体由高频电流经感应线圈产生高频电磁场，使工作气体（氩气）形成等离子体，并呈现火焰状放电（等离子体焰炬），达到约10000℃的高温，该温度高于任何火焰或电弧火花的温度，是原子、离子的最佳激发温度。图2－5是一款ICP－AES仪器。

1. ICP－AES工作原理

ICP－AES是以等离子体为激发光源的原子发射光谱分析方法。样品由载气（氩气）引入雾化系统进行雾化后，以气溶胶形式进入等离子体的轴向通道，在高温和惰性气氛中被充分蒸发、原子化、电离和激发，发射出所含元素的特征谱线。根据特征谱线的存在与否，鉴别样品中是否含有某种元素；根据特征谱线的强度，确定样品中相应元素的含量。

图2－5 某款ICP－AES仪器

2. ICP－AES的仪器结构

ICP－AES主体通常由样品引入系统、ICP光源、分光系统、检测系统等构成，另外还有冷却系统、气体控制系统以及电脑控制数据处理系统，如图2－6所示。

图2－6 ICP－AES的仪器结构示意图

（1）进样系统

按样品状态不同可以分为以液体、气体或固体进样，通常采用液体进样方式。样品引入系统由两个主要部分组成：样品提升部分和雾化部分。样品提升部分一般为蠕动泵，雾化部分包括雾化器和雾化室。样品以泵入方式或自提升方式进入雾化器后，在载气作用下形成小雾滴并进入雾化室，只有小雾滴可进入等离子体源。

（2）ICP光源

ICP光源的 “点燃”，需具备持续稳定的高纯氩气流、炬管、感应圈、高频发生器、冷却系统等条件。样品气溶胶被引入等离子体源后，在6000~10000℃的高温下，发生去溶剂、蒸发、离解、激发、电离、发射谱线。根据光路采光方向，可分为水平观察ICP源和垂直观察ICP源。双向观察ICP光源可实现垂直/水平双向观察。实际应用中可根据样品基质、待测元素、波长、灵敏度等因素选择合适的观察方式。

（3）分光系统

ICP－AES的分光系统通常采用棱镜或光栅分光，光源发出的复合光经色散系统分解成按波长顺序排列的谱线，形成光谱。

（4）检测系统

ICP－AES的检测系统为光电转换器，它是利用光电效应将不同波长光的辐射能转化成电信号。常见的光电转换器有光电倍增管和固态成像系统两类。固态成像系统是一类以半导体硅片为基材的光敏元件制成的多元阵列集成电路式的焦平面检测器，如电荷注入器件（CID）、电荷耦合器件（CCD）等，具有多谱线同时检测能力，检测速度快，动态线性范围宽，灵敏度高等特点。检测系统应保持性能稳定，具有良好的灵敏度、分辨率和光谱响应范围。

（5）冷却和气体控制系统

冷却系统包括排风系统和循环水系统，其功能主要是有效地排出仪器内部的热量。循环水温度和排风口温度应控制在仪器要求范围内。气体控制系统须稳定正常地运行，氩气的纯度应不小于99.99%。

3. ICP－AES工作性能特点

（1）多元素同时测定

由于只要将待测原子处于激发状态，便可发射出各自特征谱线同时进行测定，因此对于ICP－AES仪器，不论是多道直读还是单道扫描仪器，均可以在同一试样溶液中同时测定多个元素（30~50个）。除氦（He）、氖（Ne）、氩（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）惰性气体外，自然界存在的所有元素，都已有用ICP－AES法测定的报道。当然实际应用中，并非所有元素都能方便地使用ICP－AES法进行测定，仍有些元素用ICP－AES法测定并不如采用其它分析方法更为有效。尽管如此，ICP－AES法仍是多元素分析时最为有效的方法。

（2）宽的线性范围

ICP光源是一种光薄的光源，自吸现象小，所以ICP－AES法校正曲线的线性范围可达5~6个数量级，有的仪器甚至可以达到7~8个数量级。多数情况下，元素浓度与测量信号呈简单的线性。因此ICP－AES既可测低浓度成分（低于1mg/L），又可同时测高浓度成分（几百或数千毫克每升）。这也是充分发挥ICP－AES多元素同时测定的一个突出优势。

（3）无电极污染、基质干扰小

ICP－AES法具有较高的蒸发、原子化和激发能力，且系无电极放电，无电极沾污。由于等离子体光源的异常高温（样品区在6000℃以上），可以避免一般分析方法的化学干扰和基体干扰。因此与其它光谱分析方法相比，干扰水平比较低。另外，金属元素在Ar气氛中不易生成难熔的金属氧化物，从而使基体效应和共存元素的影响变得不明显。很多元素可直接测定，使分析操作变得简单。

（4）测量重复性好、精度高

ICP－AES法具有溶液进样分析方法的稳定性和测量精度，检出限低，一般低于1mg/L，同时测定精密度（RSD）在1%以下，而且ICP溶液分析方法可以采用标准物质进行校正，具有可溯源性，已经被很多标准物质的定值所采用，被ISO列为标准分析方法。

（5）适配能力强

ICP－AES具有多样化的适配能力，可根据实际工作需要选择不同的配置，例如在同一台仪器上可实现垂直观测、水平观测及双向观测，可以采用全波段覆盖或分段扫描的模式对无机、有机样品进行分析。配置了自动进样器、超声雾化器、氢化物发生器、流动注射进样、固体进样等多种形式的附件，并可根据需求随时升级，容易做到一机多能、高效易用。使用者无须在仪器的调整上耗费时间和精力，有效地提高了检测工作效率。

尽管与AAS相比，ICP －AES在金属元素分析过程中表现出了优越的性能，但ICP－AES并不能完全取代AAS作为金属元素的分析工具。一方面在于ICP－AES价格偏高，普通实验室或企业难以接受，另一方面ICP－AES的灵敏度介于AAS火焰与AAS石墨炉之间，对于痕量元素的检测，其灵敏度不及AAS石墨炉。因此在今后的一段时间内，仍会出现AAS与ICP－AES并存的局面。