紫外可见吸收/漫反射的基本原理和测试

一、紫外可见光谱的基本原理

光的本质是一种电磁波，光的波长越短、频率越高，其能量越大。根据光波长的长短，可将光划分为不同区域，如图1。光子是光的能量载体。光谱则是描述某种特定光的波长（单个光子能量）和强度（光子的密度）之间的关系的图谱。

图1 光波区域划分

紫外可见吸收/漫反射光谱，常简称为紫外可见光谱。紫外可见光谱法是利用物质对光的选择性吸收、透射或反射的特性，从而测定、分析、推断物质的组成、含量及结构。

由于远紫外区域的测试条件严苛，仪器复杂，因此一般不用此波段光进行测量。现在主流的仪器基本都可实现波长范围覆盖近紫外、可见、近红外、中红外光区的测试，并尽可能降低在近红外、中红外光区的噪音。在实际应用中，更多的材料还是测试波长200-800 nm范围（包含紫外-可见区域）。

二、紫外可见光谱常见概念和应用

1、透光率（T%）：

一束单色光通过样品后，入射光光强I₀减弱为I，则透光率：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)，吸光度和透过率的转换公式是A = -logT。根据定义，吸光度数值可大于1，且当T趋于0时，A趋于∞，如图2。实际检测器是有响应范围的。

吸光度的表示方法有A、Abs、Absorbance、Absorption。   

图2 透过率和吸光度的转换

3、反射率（R%）：

镜面反射：反射角等于入射角，光不被吸收。镜面反射只发生在表面颗粒的表层，未与样品内部发生作用，因此它没有负载样品内层的结构和组成的信息。

漫反射：光进入样品内部，经过多次反射、折射、散射及吸收后返回样品表面的光。漫反射光是分析与样品内部分子发生作用以后的光，携带有丰富的样品内部结构和组织信息。

总反射：镜面发射+漫反射，粉末样品的镜面反射很低，但在一些特定的，如光学涂层、光学镀膜等材料时就要考虑镜面反射的影响和测定。

图3 镜面反射和漫反射

总体来说，紫外设备通常主要还是测定相对总反射率或漫反射率，表示方法有R、R%、Reflection%。镜面反射可通过适配积分球的镜面反射端口消除，单独的镜面反射通过镜面反射附件也可以测定。

这边提到的相对的概念，除了利用绝对反射率附件测试绝对反射率的情况，紫外设备通常测定的都是相对数值，相对吸光度、相对透过率和相对反射率。如相对反射率，即相对一个标准样品的反射率：R’∞ = R∞(样品)/ R∞(参比物)，参比物质多用聚四氟乙烯标准品或BaSO₄白板。

4、吸收率（A%）：

吸收率反映的是吸收的入射光光强占入射光光强的比例。因此吸收率A%和吸光度A是不同概念，不是简单的百分比换算。一般情形下，吸收率A%可以理解成，等于1-R%-T%的结果。

但是实际应用中，吸收率的换算并不准确。因为无论是R%还是T%，本身测的都是相对的数值，且透过的测试和反射的测试，光打在样品的区域未必是一致的，导致1- R%-T%结果的误差，甚至出现负值。一般测试中，我们也不建议去算吸收率。

三、仪器基本信息

1、扩展反射光谱的测试

在仪器分析中，紫外-可见分光光度法是历史悠久、应用最为广泛的一种光学分析方法。早先的紫外-可见光谱仪只能测试物质的吸收或透过，因此也叫做紫外-可见吸收光谱仪，仅能测试均匀的稀溶液或透明薄膜，对粉末、块体和乳浊液等样品的测试误差较大，测量效果不理想。通过增加积分球附属装置，扩展了反射光谱的测试，有效地解决了这一问题，如图4。

积分球是一个中空的带窗口的球壳，内壁涂覆白色漫反射层，一般为BaSO₄或光学聚四氟乙烯涂层。积分球的作用就是可以将所有的漫反射光收集，聚焦以后达到检测器，通过样品与参比的信号差异，转化为样品的紫外-可见漫反射光谱或吸收光谱。

图4 液体紫外和固体紫外

2、紫外仪器基本部件

紫外-可见光谱仪，也通常叫紫外-可见分光光度计。不同光谱仪的组成复杂程度不同，但它们的基本原理结构是相似的：光源照射样品，光与样品发生作用，探测器接收信号，光电流经处理得到相应数值。

（1）光源：紫外区：氢灯和氘灯；可见区到中红外区：钨灯和卤钨灯。仪器测试中，存在光源转换的过程，从可见到紫外区，光源可以自动进行切换。

（2）单色器：将光源发射的复合光分解成单色光的光学系统。整个构造包含了入射狭缝、准光装置、色散元件（光栅）、聚焦装置、出射狭缝等。

（3）样品室：包含了液体和固体样品支架、吸收池（比色皿）、积分球、粉末样品槽。不同仪器的支架和样品槽会略有差异。

（4）检测器：利用光电效应将吸收池的光信号变成可测的电信号，大多数仪器是双检测器（PMT+PbS），有的采用了三检测器（PMT+InGaAs+PbS）。根据测试模式不同，也可以区分为标准检测器和积分球检测器。一般标准检测器能做的测试范围比积分球检测器大。仪器测试中，也存在检测器转换的过程，从近红外到可见区，探测器可以自动进行切换。

3、常见的仪器

目前比较主流的紫外-可见-近红外光谱仪，或者叫紫外-可见-近红外分光光度计主要还是一些国外厂家的仪器设备。如铂金埃尔默的Lambda系列，岛津的UV-3600、UV-3600Plus，日立的UH4150、U-3900/3900H等，如图5。

图5 一些主流厂家的仪器设备

三、测试基本处理方法

1、液体、透明薄膜

（1）测试模式选择：液体、透明薄膜选择吸收度或透过率。

（2）样品要求：液体样品尽量均一透明、浓度适当，不能有气泡、悬浮物或浑浊；透明的薄膜尽量平整均匀，尺寸可稍大。

（3）测试常规过程：液体样品通常选择空白溶剂作参比，先用参比池调节仪器的吸收零点，再测试被测溶液的吸光度或透过率。透明薄膜就直接空气作参比。

2、粉末、块体、不透明薄膜

（1）测试模式选择：粉末、块体、不透明薄膜选择吸收度或反射率。

（2）样品要求：粉末样品一般需要100mg以上，颗粒尽量细碎、干燥；块体或薄膜样品测试面尺寸≥1*1cm，尽量平整均匀。

3、测试情况说明

（1）实际测试中，液体样品的参比样未必一定选用空白溶剂，可根据需要设置。比色皿最好选用石英比色皿，紫外和可见光区都适用。

（2）粉末样品可以放置在样品槽，用石英皿压紧，或者直接压片测试；如果样品量少或者样品吸收太强，为了分析峰型，也可以用加入BaSO₄和样品混匀，再放置测试。

（3）块体薄膜的测试，只需将测试面对准积分球样品窗口，用夹具固定。在参比窗口一测放参比白板即可测样品的漫反射光谱。

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