紫外可見漫反射光譜圖解析

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發(fā)表時間：2024-01-10 13:28

一、紫外可見光譜的基本原理

光的本質(zhì)是一種電磁波，光的波長越短、頻率越高，其能量越大。根據(jù)光波長的長短，可將光劃分為不同區(qū)域，如圖1。

光子是光的能量載體。光譜則是描述某種特定光的波長（單個光子能量）和強度（光子的密度）之間的關(guān)系的圖譜。

圖1光波區(qū)域劃分

紫外可見吸收/漫反射光譜，常簡稱為紫外可見光譜。紫外可見光譜法是利用物質(zhì)對光的選擇性吸收、透射或反射的特性，從而測定、分析、推斷物質(zhì)的組成、含量及結(jié)構(gòu)。由于遠紫外區(qū)域的測試條件嚴苛，儀器復(fù)雜，因此一般不用此波段光進行測量?，F(xiàn)在主流的儀器基本都可實現(xiàn)波長范圍覆蓋近紫外、可見、近紅外、中紅外光區(qū)的測試，并盡可能降低在近紅外、中紅外光區(qū)的噪音。在實際應(yīng)用中，更多的材料還是測試波長200-800 nm范圍（包含紫外-可見區(qū)域）。

二、紫外可見光譜常見概念和應(yīng)用

1、透光率（T%）：

一束單色光通過樣品后，入射光光強I0減弱為I，則透光率：T = I/I0，或用百分透光率表示：T% = I/I0 x 100%。

透光率的表示方法有T%、Transmittance%、Transmission%。

2、吸光度（A）

A = log (I0/I)，吸光度和透過率的轉(zhuǎn)換公式是A = -logT。根據(jù)定義，吸光度數(shù)值可大于1，且當(dāng)T趨于0時，A趨于∞，如圖2。實際檢測器是有響應(yīng)范圍的。

吸光度的表示方法有A、Abs、Absorbance、Absorption。

圖2 透過率和吸光度的轉(zhuǎn)換

3、反射率（R%）：

鏡面反射：反射角等于入射角，光不被吸收。鏡面反射只發(fā)生在表面顆粒的表層，未與樣品內(nèi)部發(fā)生作用，因此它沒有負載樣品內(nèi)層的結(jié)構(gòu)和組成的信息。

漫反射：光進入樣品內(nèi)部，經(jīng)過多次反射、折射、散射及吸收后返回樣品表面的光。漫反射光是分析與樣品內(nèi)部分子發(fā)生作用以后的光，攜帶有豐富的樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組織信息。

總反射：鏡面發(fā)射+漫反射，粉末樣品的鏡面反射很低，但在一些特定的，如光學(xué)涂層、光學(xué)鍍膜等材料時就要考慮鏡面反射的影響和測定。

圖3 鏡面反射和漫反射

總體來說，紫外設(shè)備通常主要還是測定相對總反射率或漫反射率，表示方法有R、R%、Reflection%。鏡面反射可通過適配積分球的鏡面反射端口消除，單獨的鏡面反射通過鏡面反射附件也可以測定。

這邊提到的相對的概念，除了利用絕對反射率附件測試絕對反射率的情況，紫外設(shè)備通常測定的都是相對數(shù)值，相對吸光度、相對透過率和相對反射率。如相對反射率，即相對一個標(biāo)準(zhǔn)樣品的反射率：R’∞ = R∞(樣品)/ R∞(參比物)，參比物質(zhì)多用聚四氟乙烯標(biāo)準(zhǔn)品或BaSO4白板。

4、吸收率（A%）：

吸收率反映的是吸收的入射光光強占入射光光強的比例。因此吸收率A%和吸光度A是不同概念，不是簡單的百分比換算。一般情形下，吸收率A%可以理解成，等于1-R%-T%的結(jié)果。

但是實際應(yīng)用中，吸收率的換算并不準(zhǔn)確。因為無論是R%還是T%，本身測的都是相對的數(shù)值，且透過的測試和反射的測試，光打在樣品的區(qū)域未必是一致的，導(dǎo)致1- R%-T%結(jié)果的誤差，甚至出現(xiàn)負值。一般測試中，我們也不建議去算吸收率。

三、儀器基本信息

1、擴展反射光譜的測試

在儀器分析中，紫外-可見分光光度法是歷史悠久、應(yīng)用最為廣泛的一種光學(xué)分析方法。早先的紫外-可見光譜儀只能測試物質(zhì)的吸收或透過，因此也叫做紫外-可見吸收光譜儀，僅能測試均勻的稀溶液或透明薄膜，對粉末、塊體和乳濁液等樣品的測試誤差較大，測量效果不理想。通過增加積分球附屬裝置，擴展了反射光譜的測試，有效地解決了這一問題，如圖4。

積分球是一個中空的帶窗口的球殼，內(nèi)壁涂覆白色漫反射層，一般為BaSO4或光學(xué)聚四氟乙烯涂層。積分球的作用就是可以將所有的漫反射光收集，聚焦以后達到檢測器，通過樣品與參比的信號差異，轉(zhuǎn)化為樣品的紫外-可見漫反射光譜或吸收光譜。

圖4 液體紫外和固體紫外

2、紫外儀器基本部件

紫外-可見光譜儀，也通常叫紫外-可見分光光度計。不同光譜儀的組成復(fù)雜程度不同，但它們的基本原理結(jié)構(gòu)是相似的：光源照射樣品，光與樣品發(fā)生作用，探測器接收信號，光電流經(jīng)處理得到相應(yīng)數(shù)值。

（1）光源：紫外區(qū)：氫燈和氘燈；可見區(qū)到中紅外區(qū)：鎢燈和鹵鎢燈。儀器測試中，存在光源轉(zhuǎn)換的過程，從可見到紫外區(qū)，光源可以自動進行切換。

（2）單色器：將光源發(fā)射的復(fù)合光分解成單色光的光學(xué)系統(tǒng)。整個構(gòu)造包含了入射狹縫、準(zhǔn)光裝置、色散元件（光柵）、聚焦裝置、出射狹縫等。

（3）樣品室：包含了液體和固體樣品支架、吸收池（比色皿）、積分球、粉末樣品槽。不同儀器的支架和樣品槽會略有差異。

（4）檢測器：利用光電效應(yīng)將吸收池的光信號變成可測的電信號，大多數(shù)儀器是雙檢測器（PMT+PbS），有的采用了三檢測器（PMT+InGaAs+PbS）。根據(jù)測試模式不同，也可以區(qū)分為標(biāo)準(zhǔn)檢測器和積分球檢測器。一般標(biāo)準(zhǔn)檢測器能做的測試范圍比積分球檢測器大。儀器測試中，也存在檢測器轉(zhuǎn)換的過程，從近紅外到可見區(qū)，探測器可以自動進行切換。

順便給大家介紹一下紫外可見光譜測試處理方法

1、液體、透明薄膜

（1）測試模式選擇：液體、透明薄膜選擇吸收度或透過率。（2）樣品要求：液體樣品盡量均一透明、濃度適當(dāng)，不能有氣泡、懸浮物或渾濁；透明的薄膜盡量平整均勻，尺寸可稍大。（3）測試常規(guī)過程：液體樣品通常選擇空白溶劑作參比，先用參比池調(diào)節(jié)儀器的吸收零點，再測試被測溶液的吸光度或透過率。透明薄膜就直接空氣作參比。

2、粉末、塊體、不透明薄膜

（1）測試模式選擇：粉末、塊體、不透明薄膜選擇吸收度或反射率。

（2）樣品要求：粉末樣品一般需要100mg以上，顆粒盡量細碎、干燥；塊體或薄膜樣品測試面尺寸≥1*1cm，盡量平整均勻。

3、測試情況說明

（1）實際測試中，液體樣品的參比樣未必一定選用空白溶劑，可根據(jù)需要設(shè)置。比色皿最好選用石英比色皿，紫外和可見光區(qū)都適用。

（2）粉末樣品可以放置在樣品槽，用石英皿壓緊，或者直接壓片測試；如果樣品量少或者樣品吸收太強，為了分析峰型，也可以用加入BaSO4和樣品混勻，再放置測試。

（3）塊體薄膜的測試，只需將測試面對準(zhǔn)積分球樣品窗口，用夾具固定。在參比窗口一測放參比白板即可測樣品的漫反射光譜。

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