陣列式與掃描式紫外可見分光光度計對比

可根據光學系統中光譜記錄組件的幾何結構對紫外可見分光光度計進行分類。 紫外可見光譜中通常使用以下配置

• 掃描式分光光度計

• 陣列分光光度計

紫外/可見分光光度計的性能取決于儀器的設計，這些性能包括光學和波長分辨率、測量速度等參數。 陣列式與掃描式白皮書對兩種成熟的分光光度計裝置進行了比較，并對各自的性能以及光源的性能進行了評測。

1.

簡介

除化學分析外，純物質和混合物的表征分析還可以通過物理方法進行。紫外光和可見光

(UV/VIS)

中的光譜技

術廣泛應用于幾乎所有市場行業和工作場所的研發、生產和質量控制領域。通常情況下，紫外可見光譜分析基

于樣品對光的吸收，從而獲取有價值的信息，如樣品的特性、純度、濃度和分子結構相關信息。

紫外可見分光光度計的性能取決于儀器的設計，這些性能包括光學和波長分辨率、測量速度等參數。下文對

兩種成熟的分光光度計進行了比較，并對各自的性能以及光源的性能進行了評測。

2.

分光光度計的設計

分光光度計通常包含四個組件：

1.合適的光源，覆蓋所關注的紫外可見光譜。通常是包含氣體（如氙氣）的燈，也可以使用兩個燈的組合（如鎢/氘）。

2.合適的樣品比色皿，用于放置樣品。

?液體樣品放在石英、硼硅玻璃或亞克力塑料制成的比色皿中。但是玻璃和亞克力塑料無法透過紫外線，

僅應用于可見光測量。固體樣品可裝在合適的支架上，并置于分光光度計的光路徑中以測量透過的光。

3.分光元件，用于將光分散成不同波長的單色光。可以是石英棱鏡或衍射光柵，即一種帶有能夠衍射光線的周期結構的光學組件。

4.最后是一個用于記錄透光強度的合適檢測器，如光電倍增管、多通道陣列（如光電二極管陣列，即PDA），或電荷耦合器件(CCD)，類似于 數碼 相機。PDA和CCD檢測器使用一種光敏半導體材料將光轉化為電子信號，然后由該 儀器進 行 記 錄。

3.

設計比較

可根據光學系統中光譜記錄組件的幾何結構對紫外可見分光光度計進行分類。紫外可見光譜分析中通常使

用以下兩種配置：?掃描分光光度計?陣列分光光度計

3.1

掃描分光光度計

傳統掃描分光光度計的工作原理基于連續測量每個波長下的透光率值。首先使用光柵將光分散為各個不同的波長。旋轉光柵或其他光學元件，以便通過狹縫分別選擇每個波長，然后通過比色皿發出。記錄該特定波長下的透光率。通過旋轉光柵，不斷變化投射到樣品溶液上的光線波長（即掃描）即可獲取整個光譜。

3.2

陣列分光光度計

在此結構中，比色皿中的樣品經由涵蓋紫外光可見光范圍的所有光組分的光束（即連續光譜）照射。換句話說，比色皿中的樣品同時吸收不同波長的光。然后透過的光被位于比色皿后面的反射光柵衍射，如下圖

所示。

4.

光學結構比較

下面的性能評估除對光學結構進行比較之外，還包括了對市售分光光度計中最常見光源的評測，即氙燈和鎢/氘燈組合。

在掃描分光光度計中，進行一次完整的光譜掃描需要花些時間，因為必須要由馬達對光柵進行機械旋轉。該掃描過程還可能導致波長選擇準確度和重復性的降低，具體取決于分光光度計的掃描速度。在有些雙光束分光光度計結構中，會使用鏡子和分光器將光束分為具有相同強度的參比光束和樣品光束。在另一些雙光束分光光度計中會使用帶有扇形缺口鏡面的斬光器，將光線周期性的交替傳送至樣品側與參比側。但是如何確保兩束光線一致是個難題。這是由于參考光束和樣品光束的路徑必須在光學上完全相同，具有同樣有效的光學組分。為了避免光學路徑的偏差，需要避免鏡面灰塵，鏡子的更換也總是應成對完成。這些要求導致維護和維修工作相對增加，這樣才能確保儀器整個生命周期的性能。

在陣列分光光度計中，測量整個紫外可見光譜通常比使用傳統的掃描分光光度計速度要快，因為所有波長的光譜是同時記錄的。陣列分光光度計是一種創新的方法，可基于反向光學技術加快一次完整光譜掃描的速度。這種沒有任何移動光學元件的強大設計可確保絕佳的光學性能，且維護成本相對較低。因此這種儀器也

更簡單一些，零件損壞或失效的幾率降低。在梅特勒-托利多的全新陣列分光光度計中，光源由一個氙閃爍燈組成，可生成紫外光、可見光和部分近紅外光波長，涵蓋了從190到1100 nm的光學范圍。閃爍燈聚焦于一根玻璃纖維中，其將光束引至裝有樣品溶液的比色皿上。光束穿過樣品，樣品組分吸收特定的波長。其余的光被比色皿后面的一根玻璃纖維收集，然后引

至光譜儀中。該光譜儀包含一個衍射光柵和一個CCD傳感器，前者將光分為不同的波長，后者記錄光譜。因此整個光譜是同時測量的，可實現快速記錄。梅特勒-托利多將這種由氙燈、石英玻璃纖維和陣列式檢測器組成的整個結構以及其所帶來的優勢與小巧緊湊的外觀稱之為FastTrack?技術。這種結構使得設備規格能夠

符合嚴格的藥典規范；且超過了雜散光和分辨率要求。

5.光源比較

分光光度計中光源的功能是提供強度高，光譜波長范圍寬的多色光。需要在整個使用壽命中提供穩定的光強 度，且 成本合理。

鎢鹵燈是分光光度計中最常見的光源。這種燈采用鎢做燈絲，密封在玻璃燈泡中。用于燈絲材料的鎢在高溫時揮發。燈中包含的鹵素成分會將揮發的鎢返回到燈絲，從而延長其使用壽命。這種燈提供了可見光到近紅外區從330到1100 nm的 有用 波 長 范 圍，使 用 壽 命 大 概 為3000小時。氘燈是一種燈泡中密封有氣態氘的發射光源。氘燈涵蓋了從190到450 nm的紫外區，具有穩定的光強分

布，使 用 壽 命 大 約 為1000小時。這種燈通常與鎢鹵燈一起使用，以便涵蓋紫外光到可見光整個范圍。

氙燈是一種石英燈泡中密封了氙氣的發射光源。氙燈與太陽光的光學分布相似，會產生從紫外光到近紅外，190到1100 nm的高強度連續光譜。

氙燈爍燈通過脈沖點火生成光，檢測后其在一個指定時間段內聚集以達到一次完整的光譜掃描。這種脈沖光生成幾乎不會產生熱，使用壽命相對較長，在常態操作條件下50 Hz頻率閃爍時為5500小時

6.儀器結構和性能

在分光光度計中，儀器控制主要由小巧的微電子元件實現，不需要很多空間。光學系統占據了大部分空間，包括燈、光導系統和光譜儀。如此小巧的系統布局具有如下三個主要特點：

?

小巧的氙燈和玻璃纖維組合讓光能夠通過石英玻璃纖維引導。它們可進行較大幅度的彎曲，不會影響光

導系統和光輸出。

?與鎢/氘組合不同，氙燈不需要附加的笨重冷卻裝置。

?為了不犧牲重要光學參數的技術指標，如分辨率、準確度和雜散光等，對光譜儀的空間要求進行了優化。

超越系列紫外可見分光光度計中使用的基于陣列式的FastTrack技術，結合上述三個特點實現了各組件的優化使用。因此該儀器具有非常小巧的布局，相當于一個筆記本的大小，同時在符合藥典規范（光度準確性）、分辨率方面可保持非常好的光學性能，且這樣一臺小巧的儀器可實現3A（吸 光度單位）的可用線性范圍。

7.總結

與掃描分光光度計相比，陣列分光光度計結構更強大，因為其光學路徑不包括移動部件，不需要定期維護。另外，氙閃爍燈的使用壽命更長，可進一步降低維護成本。獲取完整的可用波長范圍加快了測量工作流程的速度。此外，將基于陣列式的光譜儀、氙燈和玻璃纖維光導系統相結合，可以實現非常小巧的儀器布局，同時不會犧牲光學性能。