一、雜散光的重要性
雜散光是紫外可見分光光度計非常重要的關鍵技術指標。它是紫外可見分光光度計分析誤差的主要來源, 它直接限制被分析測試樣品濃度的上限。當一臺紫外可見分光光度計的雜散光一定時, 被分析的試樣濃度越大, 其分析誤差就越大。ASTM 認為: “雜散光可能是光譜測量中主要誤差的來源。尤其對高濃度的分析測試時, 雜散光更加重要”。有文獻報道, 在紫外可見光區的吸收光譜分析中, 若儀器有1%的雜散光, 則對2. 0A 的樣品測試時, 會引起2%的分析誤差。雜散光對高濃度試樣的影響如下圖 所示。
二、雜散光的定義及理論推導
(一) 雜散光的定義
目前, 國際上對雜散光的定義各異。下面介紹幾種比較簡潔的雜散光的定義。
1. ASTM 的定義
美國的ASTM 對雜散光定義是: 雜散光既難給出確切的定義, 又難進行準確的測量。人們常將雜散光定義為在單色器額定通帶之外的透射輻射能量與總的透射能量之比。
2. Richard 的定義
日本的Richard 等對雜散光的定義是: 雜散光通常定義為假輻射( Spurious Radiation) 和所需要的輻射(Desired Radiation ) 之比。
3. Winstead的定義
美國的Winstead 對雜散光的定義是: 如果波長出現與儀器刻度盤(或顯示) 上的示值不同, 那么這個外界的能量就叫做雜散光。
4. M. R. Sharpe的定義
美國的M. R. Sharpe 把雜散光定義為: 光譜帶寬以外 “不要的” 光通量的成分叫雜散光。
上述四者的定義都是對的。但太繁瑣, 概念上不容易被人理解。筆者認為,應該從概念出發, 從雜散光測試的角度出發, 從便于建立雜散光測量方法的角度出發, 可以更簡單的對雜散光下定義為: “不應該有光的地方有光, 這就是雜散光”。這種定義, 便于從概念或定義出發, 直觀的建立簡單可靠的測試設備。
( 二) 雜散光的理論推導
筆者導出了雜散光與吸光度誤差和吸光度真值之間關系的理論計算公式。該理論計算公式具有普遍指導意義。
式( 4-19) 表示
① AA (或ΔA) 與S 和A 成對數關系。
② 當A 一定時, 對不同的S 值可計算出造成的AA (或ΔA) 值。
③ 當S 一定時, 不同的A 有不同的AA (或ΔA) 。
作者根據式(4-19) 算出了14 種雜散光下, 吸光度相對誤差ΔA/ A 和吸光度真值A 之間的關系(部分數據見表4-1)。繪制了12 條誤差曲線( 見圖4-5)。這些關系和曲線, 可覆蓋目前世界上所有的紫外可見分光光度計, 具有普遍的參考應用價值。
三、雜散光對儀器分析測試誤差的影響
雜散光對紫外可見分光光度計分析測試誤差的影響可分成兩種形式: 第一種形式是雜散光的波長與測試波長相同。它是由于測試波長因為某些原因而偏離正常光路, 在不通過試樣的情況下, 直接照射到光電轉換器上。這種雜散光大多數是由于光學元件、機械零件的反射和漫射所引起, 可以通過一個對測試波長不透明的樣品來檢查。當發現放在比色皿中的不透明樣品的透射比不為零時, 說明儀器中有這種雜散光存在。但必須注意, 當儀器存在零點誤差時, 有可能造成混淆。如果在不透明的樣品上涂上白色, 則可增加樣品本身反射和散射的效果, 可以提高測量靈敏度。第二種形式是指測試波長以外的、偏離正常光路而到達光電轉換器的光線。它通常是由光學系統的某些缺陷所引起的。如光學元件的表面被擦傷、儀器的光學系統設計不好、機械零部件加工不良, 使光路位置錯移等。
圖4-5 雜散光S與吸光度相對誤差ΔA/ A0 和吸光度真值A0 的關系
通常情況下所講的雜散光, 是指包括上述兩種雜散光在內的雜散光。假設Is 為雜散光的總和, It 為光電轉換器檢測到的總能量, 它包括測試波長的能量I 和雜散光的能量Is , 即It = I + Is 。在實際分析測試工作中, 需要知道的是雜散光能量Is 相對于總能量It 的比值。常稱之為雜散光的量S = Is/ It 。由于Im Is , 因此, 可以近似的認為It = I , 近而可以認為S = Is/ I。
S = Is/ I 表示當測試波長的能量降低時, 雜散光比例就會相應增加。對紫外可見分光光度計的邊緣波長來說, 光源的強度、光電轉換器的靈敏度和單色器的透過率都是比較低的, 這時雜散光的影響就會更加明顯。所以, 在紫外可見分光光度計中, 應該首先檢查200～220nm 處的雜散光。
眾所周知, 雜散光對參考光束和樣品光束的影響是相同的。因此, 根據比耳朗博定律, 可得到
由此可見, 當樣品的透射比為10%時(即吸光度為1 時) , 1%的雜散光,可使其吸光度從1. 000 降到0. 9629。同理, 透射比為10% 時, 0. 1% 的雜散光, 將使吸光度從1. 000 降到0. 996。當雜散光為0. 05% 時, 對吸光度為1. 00 A 的試樣進行分析測試, 其結果為0. 998 A, 相對誤差為ΔA/ A = 0. 002/ 1 =0. 002 (即0. 2% ) , 基本能滿足所有常規分析測試和質檢工作的要求。如果雜散光為0. 01% 時, 雜散光對分析測試的結果就基本上沒有影響了。目前,國際上許多高檔紫外可見分光光度計的雜散光都在0. 01% 以下。從使用者角度講, 過低的雜散光是沒有必要的, 但可惜的是, 我國的高檔紫外可見分光光度計中, 還只有北京普析通用公司一家的TU-1901 的雜散光為0. 01% 。其余廠商生產的紫外可見分光光度計, 雜散光都在0. 01% 以上。所以, 我國的紫外可見分光光度計要趕超國際先進水平還需繼續努力。
雜散光對分析測試結果的誤差影響是隨著吸光度值增大而增大的。因此,吸光度值越大, 對誤差的影響也越大。如果吸光度A = 3 ( 即T = 0. 001 ) , 則雜散光為1%時, 分析測試的結果將由A = 3 變成A = 1. 963 [ A = - lg(0. 001 +0. 01) + lg1. 01 = 1. 9568 + 0. 0043 = 1. 963 ]。由此可見, 吸光度A = 3 時, 1%的雜散光可使分析測試的結果將由A 從3 降到2 以下。
雜散光的影響, 會使分析測試的結果偏離比耳定律; 當雜散光被試樣吸收時, 偏離是正值( 測量值大于真實值)。當雜散光不被試樣吸收時, 偏離是負值( 測量值小于真實值)。其差值ΔA 可由下式計算
