摘　要　综述了紫外可见分光光度计及各模块单元的技术发展、现状和研究动态。通过对国内外30 多个厂家的150 多种不同型号紫外可见分光光度计有关技术和性能资料的整理和分析, 对紫外可见分光光度计的各项技术性能指标进行了评述。

关键词　紫外可见分光光度计;发展;现状;技术指标

1 　引　言

紫外可见分光光度计是一类很重要的分析仪器,无论在物理学、化学、生物学、医学、材料学、环境科学等科学研究领域, 还是在化工、医药、环境检测、冶金等现代生产与管理部门, 紫外可见分光光度计督有广泛而重要的应用。紫外可见分光光度计有着较长的历史, 其主要理论框架早已建立, 制作技术相对成熟。但构成紫外可见分光光度计的光、机、电、算等任何一方面的新技术都可能再推动紫外可见分光光度计整体性能的进步。在追求准确、快速、可靠的同时, 小型化、智能化、在线化、网络化成为了现代紫外可见分光光度计新的增长点[ 1 ～ 2] 。紫外可见分光光度计作为一项产业, 用户的需求是其发展的根本动力, 面向客户、以人为本是设计和制造紫外可见分光光度计应该遵循的法则。

本文通过对国内外37 个厂家的152 种不同型号紫外可见分光光度计有关技术和性能资料的整理和分析, 综述了紫外可见分光光度计各模块单元的技术及整体性能的现状和发展趋势。重点对目前市场上的两类主流产品:扫描光栅式分光光度计和固定光栅式分光光度计进行了比较和分析, 概述了紫外可见分光光度计的研究动态和最新研究成果。对于光谱分析仪器设计制造企业和研究院所, 尤其对广大仪器用户深入了解和选购紫外可见分光光度计具有参考价值。

2 　紫外可见分光光度计的发展

分光光度法在分析领域中的应用已经有数十年的历史, 至今仍是应用最广泛的分析方法之一。随着分光元器件及分光技术、检测器件与检测技术、大规模集成制造技术等的发展, 以及单片机、微处理器、计算机和DSP 技术的广泛应用, 分光光度计的性能指标不断提高, 并向自动化、智能化、高速化和小型化等方向发展。在分光元器件方面, 经历了棱镜、机刻光栅和全息光栅的过程, 商品化的全息闪耀光栅已迅速取代一般刻划光栅。在仪器控制方面, 随着单片机、微处理器的出现以及软硬件技术的结合, 从早期的人工控制进步到了自动控制。在显示、记录与绘图方面, 早期采用表头(电位计)指示、绘图仪绘图, 后来用数字电压表数字显示, 如今更多地采用液晶屏幕或计算机屏幕显示。在检测器方面, 早期使用光电池、光电管, 后来更普遍地使用光电倍增管甚至光电二极管阵列。阵列型检测器和凹面光栅的联合应用, 使仪器的测量速度发生了质的飞跃, 且性能更加稳定可靠, 受到仪器用户的青睐, 最具有代表性的当数安捷伦的HP8452/8453[ 3] 。在仪器构型方面, 从单光束发展为双光束, 现在几乎所有高级分光光度计都是双光束的, 有些高精度的仪器采用双单色器, 使得仪器在分辨率和杂散光等方面的性能大大提高, 如Varian (瓦里安)的Cary1/3/400 。随着集成电路技术和光纤技术的发展, 联合采用小型凹面全息光栅和阵列探测器以及USB 接口等新技术, 已经出现了一些携带方便、用途广泛的小型化甚至是掌上型的紫外可见分光光度计, 如OceanOptics(海洋光学)的S 系列、USB2000 及PC2000

[ 4] 。而光电子技术和MEMS 技术的发展, 使得有可能将分光元件和探测器集成在一块基片上, 制作微型分光光度计[ 5～ 7] 。我国重庆大学在型多通道光谱仪方面开展了卓有成效的研究工作[ 8～ 10] , 承担的国家自然科学基金项目“微型多道光谱分析系统集成化技术研究” 已经通过了技术鉴定。随着发光二极管(LED)光源技术及产业的日益成熟, 以LED 为光源的小型便携又低廉的分光光度计已成为研究开发的热点[ 11] 。除了空间色散的分光方式, 也有人对声光调制滤光[ 12～ 14] 和傅立叶变换光谱[ 15] 在紫外可见区的应用进行了研究。仪器的软件功能可以极大地提升仪器的使用性能和价值, 现代分光光度计生产厂商都非常重视仪器配套软件的开发。除了仪器控制软件和通用数据分析处理软件外, 很多仪器针对不同行业应用开发了专用分析软件, 给仪器使用者带来了极大的便利。目前, 市场上的紫外可见分光光度计主要有两类:扫描光栅型和固定光栅型。后者也常常被称为CCD(PDA)光谱仪或多通道光度计。它们的主要构成:光源、分光系统、探测器和软件系统, 以及它们的整体设计, 将分述如下(这里不涉及电子和控制系统)。光源　紫外可见区的光源主要采用卤素钨灯和氘灯或氙灯。钨卤素灯的工作波长范围为320 ～2500nm , 氘灯的工作波长范围为180 ～ 375nm , 两者组合使用。氙灯是新颖的光源, 发光效率高, 强度大, 而且光谱范围宽, 包括紫外、可见和近红外。扫描光栅型大多能在扫描过程中自动地完成光源切换动作, 并自动转换滤光片, 以消除高级次谱的干扰。固定光栅型为了保持其高速测量的优点, 要避免光源切换, 采用日本滨松光子学株式会社的专利产品see-through型氘灯[ 16] , 可以方便地将氘灯和钨灯固定地组合起来。分光系统　扫描光栅型的分光系统常称为单色仪, 固定光栅型的分光系统则接近摄谱仪。单色仪大多布置在样品室之前, 固定光栅型则必须把分光系统置于样品室之后。在紫外可见分光光度计的发展历史上, 扫描光栅型出现过多种光路设计, 主要如单光束、准双光束和双光束, 还有双波长。单光束光路的漂移是主要问题, 但现在也可通过元器件性能的提高、制造工艺的进步和软件校正加以改进。准双光束和真正双光束设计都是利用参比光路的补偿来减少漂移的影响, 结构更为复杂。为了进一步地提高分辨率或降低杂散光, 还出现了双单色器分光光度计, 其杂散光等性能的确是单单色器分光光度计无法企及的, 但其结构的

复杂性和制造工艺的高要求也是显然的。

光栅　光栅是分光系统的核心元件, 有平面光栅和凹面光栅两种。在制造工艺上, 全息光栅已全面取代了刻划光栅。为了提高光能量的利用率, 闪耀光栅的使用也很普遍。对于平面光栅, 全息技术的长处在于成品率更高, 杂散光更小, 不产生伪线。而对凹面光栅来说, 其迅速的发展几乎全部得益于全息技术的应用。目前, 凹面光栅已发展出四种类型[ 17] 。其中的Ⅳ型可用于扫描光栅型中。因为兼具色散和聚焦两项功能, 使用凹面光栅可以帮助简化扫描光栅型分光光度计的结构。Ⅲ型常称为平场型, 它能使凹面光栅的像面从通常的罗兰圆变成平面, 还可以同时实现消像散的设计。这对于固定光栅的光路不仅是必需的, 也使固定光栅型分光光度计的分光系统简约到了极致。

探测器　探测器对分光光度计的设计和性能有着重要的影响[ 18] 。扫描光栅型分光光度计使用的探测器主要为光电管、光电二极管和光电倍增管等。近十几年来, 随着阵列型光电器件技术的发展和应用,促使全新结构和性能的固定光栅型分光光度计的诞生, 尤其使分光光度计的测量速度上了一个新的台阶。阵列型光电探测器的典型代表是PDA 和CCD ,这类探测器测量速度快, 多通道同时曝光, 最短时间仅在毫秒量级, 也可以累积光照, 积分时间最长可达几十秒, 可探测微弱的信号, 动态范围大。另外, 由于固定光栅型分光光度计没有机械运动部件, 简化了结构, 减小了体积, 提高了工作的稳定性, 使分光光度计能走出实验室, 进入工作现场, 进行在线测量。软件　现代分光光度计的软件已不再只是用作数值运算的附属工具, 而是整台仪器的核心, 渗透到分光光度计的各个层面。特别是那些使用通用PC 的分光光度计, 用户的使用感觉与其说是一台实实在在的仪器, 倒不如说是计算机上的一个应用程序。仪器网络化的趋势将进一步加深这种印象。软件技术也是分析仪器自动化、智能化的关键因素。

软件的作用主要有控制、监测与校正、光谱采集与处理、数据存储与分析等。分光光度计的测量波长或范围的设置、光栅运动的驱动和控制、光源的自动切换、滤光片的自动选择、探测器的驱动、A/D 转换的同步、数据传输至计算机、数据写入内存、光谱或测量结果的显示, 所有这些功能对于使用者来说可能只是按下了一个按钮或点击了一次鼠标。软件完成了所有的幕后工作。为了提高仪器的使用性能, 在软件中包含了硬件的监测和校正, 如光源的输出功率、波长的准确性、杂散光水平、基线校正等。光谱数据的处理和分析更是软件的特长。用户友好的视窗图形界面和菜单操作, 光谱图和数据作为文件进行管理、存储和读取, 光谱图可随意地移动、放大、缩小、重叠, 数据可以被平滑、求导、积分、进行函数运算, 可以自动寻找峰值、浓度分析、多组分分析, 还可以有多种软件包, 如核酸分析、蛋白质分析、动力学分析、水质分析和环保分析等, 用于各专业领域。

整机设计　紫外可见分光光度计的整体结构设计可以分成两种。一种是将所有的部件, 包括光学系统、探测器、电子学系统、微机系统、显示设备等都包含在一个机壳中。这种设计基本无需配置其它设备,可独立地完成分光光度计的所有功能。为了给用户提供一个方便的操作界面, 这些分光光度计大量采用了液晶视频显示, 有些还使用了触摸屏。而专业性强的光度计更是尽可能简化按钮操作。不过, 为了有利于数据交流及功能扩充, 很多产品都备有RS232 接口, 可以外接记录仪、计算机或与光谱数据站联结, 完成仪器遥控、数据传输、外存、记录等功能。配有打印机接口的也相当普遍。另一种的整体结构则是分散式的。最常见的就是将计算机分离出来, 使用通用PC 机, 而其它部分仍布置在一个机壳中。这种方式的长处在于可以充分利用通用PC 机的资源。它的操作系统大多采用Windows 界面, 不论风格还是使用习惯对于今天的用户来说都是很亲切的, 大大简化了仪

器操作的培训。通过PC 机, 分光光度计可以很容易地进行数据的交流, 不仅是在一个工作组中, 还可以通过互联网。不仅是数据的访问, 远程的设备操作也是可以实现的。进一步, 在分散式的基础上还有模块化的布置。这类设计中, 各个具备独立功能的系统或部件都可以分离出来, 用光缆和电缆相互连接, 使用十分灵活。当然, 这种可以看到的模块化只是一方面, 更广泛的含义是模块化的设计和制造思想。此外, 另一项重要的技术就是光纤, 光纤使分光光度计的配置更灵活, 使用更方便, 也是在线测量的实现基础。