分光光度计光谱带宽对重铬酸钾吸光特性的影响研究

本文研究了紫外分光光度计在不同的光谱带宽条件下，重铬酸钾溶液吸收波长和吸光度值的变化情况。

单色器系统是分光光度计类仪器的核心部分，仪器的主要光学特性和工作特性基本由单色器决定。单色器通常由入射狭缝、准直镜、色散元件、聚焦装置和出射狭缝构成，光源发出的光首先通过入射狭缝，初步调节进入单色器的光的纯度和强度并限制杂散光进入；准直镜（透镜或反射镜）将入射光形成光束，经色散原件（光栅或棱镜）转变成单色光，再经聚焦装置（透镜或凹面反射镜）将所得单色光聚焦至出射狭缝。从出射狭缝导出的光实际上并不是具有单一波长的单色光，而是具有一定波长范围（光谱带宽）的复合光，其结构原理如图1和图2所示。

越来越多的研究发现真正的单色光不可能得到，而且想要分离得到更纯的单色光损失的是光谱能量，光谱能量的损失导致检测器检测到的光强减弱甚至检测不到信号，从而使测量误差变大。因此，在实际工作中即使很高级的吸收光谱分光光度计采用很小的光谱带宽，也会导致朗伯比尔定律的偏离，即吸光度测量误差。

图1 Czerny-Turner型（C-T型）光栅单色器

图2 Bunsen棱镜单色器

本文以重铬酸钾硫酸溶液为被测液，着重考察紫外可见分光光度计不同光谱带宽在相同测量光程条件以及不同测量光程下的吸收谱线和吸光度值的变化。测试用重铬酸钾溶液使用重铬酸钾固体标准物质在实验室配制，测量仪器为Lambda850紫外可见分光光度计，比色皿光程分别为5mm、2mm、1mm、0.5mm、0.2mm，实验室恒温条件为（25±0.5）℃。

在不同光程和不同光谱带宽的条件下，测试溶液浓度为300mg/L重铬酸钾的吸收谱线，主要观察吸收光谱图中吸收波峰和波谷对应的吸收波长的变化。吸光度测量谱图如图3所示，其中B和D为吸收波峰对应的吸收波长，A和C为波谷对应的吸收波长。

重铬酸钾溶液在不同光程，不同光谱带宽1nm、2nm、3nm、4nm、5nm条件下测得吸收谱图对应的A、B、C、D吸收波长数据如表1所示。以表1中数据分析不同光程不同光谱带宽条件下A、B、C、D吸收波长的变化，并以5mm光程数据为代表做折线图，结合所有光程条件下数据和折线图分析得到以下结论：

(1）随着光谱带宽的增加，在所有光程下测得的A、B、C、D四点对应的吸收波长的波动值（最大值-最小值）分别为：A点波动最大值1.74nm，出现在0.5mm光程下；B点波动最大值1.94nm，出现在5mm光程下；C点波动最大值1.82nm，出现在0.5 mm光程下；D点波动最大值2.24nm，出现在0.2mm光程下。

图3 重铬酸钾溶液吸收谱线

(2）从测得的数据分析，在光程为0.5mm时，光谱带宽的变化引起的A、B、C、D四点波动值的平均值最大，达到1.65nm。在光程为2mm时，光谱带宽的变化引起的A、B、C、D四点波动值的平均值最小，波动平均值为0.61nm。光程在5mm、1mm和0.2mm时，分别为0.99nm、0.68nm和1.11nm。

表1 不同光程下不同光谱带宽吸收峰/谷的波长

在不同光程和不同光谱带宽的条件下，测试溶液浓度为400mg/L重铬酸钾的特定波长（235nm、257nm、313nm、350nm）下的吸光度值的变化，测得数据如表2所示。分析表2中各光程下不同光谱带宽条件测得的数据，可得以下结论：

(1）随着光谱带宽的增加，在所有光程下测得的235nm、257nm、313nm、350nm波长对应的吸光度值的相对变化量（吸光度最大值-吸光度最小值）/吸光度平均值分别为：235nm对应的相对变化量最大值为2.58%，出现在1mm光程下；257 nm对应的相对变化量最大值为2.47%，出现在0.5mm光程下；313nm对应的相对变化量最大值为3.85%，出现在1mm光程下；350nm对应的相对变化量最大值为2.80%，出现在0.2mm光程下。

表2 特定吸收波长下不同光谱带宽吸光度

(2）从测得的数据分析，在光程为1mm时，光谱带宽的变化引起235nm、257nm、313nm、350nm波长对应的吸光度值相对变化量的平均值最大，达到2.41%。在光程为0.5mm时，光谱带宽的变化引起的四点吸光度值相对变化量的平均值最小，为0.95%。光程在5mm、2mm和0.2mm时分别为1.11%、1.06%和1.37%。

文中设定了仪器光谱带宽的变化范围是1nm、2nm、3nm、4nm、5nm，也是通常选择较多的测试条件。在此条件下，从大量的试验数据发现，仪器的光谱带宽变化对溶液吸收波长和吸光度值的影响并未产生有规律的变化。同时，不同的测量光程和不同的测量波长，各点的吸光度值也无规律性变化。在实际工作中，尤其是对测量误差要求严格的测试，需要通过不同光谱带宽条件的测试，从而选择最佳的光谱带宽或选择靠近最佳光谱带宽的分析条件。最佳的光谱带宽通常可以使仪器的光谱能量和分辨率达到最佳匹配，减小信噪比的影响，达到最佳测试效果。