王 彤曾 英王云光徐進(jìn)勇

（1.成都理工大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610059；2.礦產(chǎn)資源化學(xué)四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059；3.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059）

基于光纖光譜儀的微型分光光度計(jì)

王 彤1，曾 英1，2，王云光3，徐進(jìn)勇3

（1.成都理工大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610059；2.礦產(chǎn)資源化學(xué)四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059；3.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059）

結(jié)合光纖光源、50μL微量比色皿、微型光纖光譜儀，設(shè)計(jì)一款可用于微量樣品吸光度測(cè)定的微型分光光度計(jì)。并用鄰二氮菲測(cè)鐵的經(jīng)典分光光度分析方法，將該微型光度計(jì)與傳統(tǒng)紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)進(jìn)行比較，結(jié)果表明該微型分光光度計(jì)的精密度、靈敏度、線性范圍和線性相關(guān)性等性能均與傳統(tǒng)紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)一致。最后通過(guò)國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證該微量光度計(jì)能滿足實(shí)際樣品的準(zhǔn)確測(cè)定。

微量分光光度計(jì)；光纖光譜儀；鐵

0 引 言

分光光度計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、操作簡(jiǎn)便、穩(wěn)定可靠，廣泛應(yīng)用于分析化學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域[1-2]。隨著儀器科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，微型化、現(xiàn)場(chǎng)化、在線化已經(jīng)成為當(dāng)今儀器的重要發(fā)展方向[3-4]。微型分光光度計(jì)不僅可滿足野外環(huán)境監(jiān)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)快速分析要求，同時(shí)隨著綠色分析技術(shù)的發(fā)展，減少化學(xué)試劑消耗，降低有毒試劑對(duì)環(huán)境和操作人員健康的危害已成為目前分析化學(xué)發(fā)展的方向之一[5-6]。

微量分光光度法試劑用量少，因而分光光度比色溶液所需體積大大減少，而傳統(tǒng)分光光度計(jì)大體積比色法無(wú)法滿足這種要求[7]；為了解決微量分光光度法的比色技術(shù)問(wèn)題，目前已有各種類(lèi)型的微量比色系統(tǒng)[8-9]。然而，現(xiàn)有的微型分光光度系統(tǒng)對(duì)操作技巧要求高，比色池加載樣品和清洗工作較復(fù)雜，測(cè)試精密度不高。

本文結(jié)合光纖光源、微量比色池以及微型化光纖光譜儀，設(shè)計(jì)了一款滿足微量分光光度法比色要求的微型分光光度計(jì)；并用鄰二氮菲分光光度法測(cè)鐵經(jīng)典分析方法對(duì)該系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)：靈敏度、精密度、線性范圍以及線性相關(guān)系數(shù)等進(jìn)行了測(cè)試。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試 劑

1000μg/mL鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液（國(guó)家鋼鐵材料測(cè)試中心鋼鐵研究總院），并用2%鹽酸稀釋至10μg/mL的鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液；鄰二氮菲（phen）、鹽酸羥胺、醋酸鈉、氫氧化鈉、鹽酸（成都市科龍化學(xué)試劑廠）。

1.2 儀器及軟件

微型光纖光譜儀（型號(hào)：USB4000，具體參數(shù)見(jiàn)表1），光纖（型號(hào)：600 μm，SMA905），便攜式光源（型號(hào)：DT-MINI-2，波長(zhǎng)：200～1 100 nm），比色皿支架（型號(hào)：CUV-ALL-UV 4-WAY），SpectraSuite光譜軟件，以上儀器硬件及軟件均為美國(guó)海洋光學(xué)公司產(chǎn)品；50μL微量比色池（10mm光程，外部尺寸：12.5mm× 12.5 mm×12.5 mm，材質(zhì)：石英，江蘇晶禾光學(xué)儀器有限公司）；紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（型號(hào)：TU-1810，北京譜析通用儀器有限公司）；10 mm標(biāo)準(zhǔn)石英比色皿；50mL容量瓶；銀坩堝；250mL容量瓶；微量移液槍?zhuān)砍蹋?0～200 μL，德國(guó)Brand）；1 mL頂空瓶（美國(guó)Agilent）。

表1 USB4000微型光纖光譜儀參數(shù)

1.3 儀器裝置

自設(shè)計(jì)的微型分光光度計(jì)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，便攜式光纖光源通過(guò)光纖引出，由透鏡1聚焦后進(jìn)入50μL微量比色池；微量比色池固定在三維可調(diào)比色支架中，通過(guò)調(diào)節(jié)比色支架使光纖出射光通過(guò)微量比色池的中心；光通過(guò)微量比色池后再由透鏡2聚焦，然后通過(guò)另一根光纖傳入微型光纖光譜儀入射狹縫。微型光譜儀內(nèi)置的平面光柵對(duì)入射光進(jìn)行分光、準(zhǔn)直后傳輸?shù)? 048像素的CCD線性陣列檢測(cè)器；CCD檢測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后，輸出數(shù)據(jù)通過(guò)USB2.0接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，然后由SpectraSuite光譜軟件對(duì)采集到的光譜信號(hào)進(jìn)行處理。

圖1 微型分光光度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

儀器性能比較實(shí)驗(yàn)：分別吸取0.0，10.0，20.0，40.0，60.0，80.0，100.0，120.0，150.0，200.0 μg的質(zhì)量濃度為10 μg/L鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液加入9個(gè)50mL容量瓶中，向每個(gè)容量瓶分別加入1mL 10%（m/ν）鹽酸羥胺溶液，2mL 0.15%（m/ν）鄰二氮菲溶液，5mL 1mol/L的醋酸鈉溶液，每加入一種試劑后搖勻。然后用蒸餾水定容至刻度，搖勻后放置10min。以試劑溶液作空白，分別用傳統(tǒng)紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)和自研制的微型分光光度計(jì)測(cè)量。

微體積樣品測(cè)試實(shí)驗(yàn)：野外現(xiàn)場(chǎng)分析中，試劑消耗越少越好。為此，將上述傳統(tǒng)鄰二氮菲分光光度法測(cè)鐵方法的顯色總體積和試劑用量減少50倍，相應(yīng)試劑濃度不變。用微量移液槍分別吸取0，20，40，80，120，160，200，240，300，400μL 10μg/mL的鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液放入1 mL頂空瓶中，加入20 μL 10%（m/ν）鹽酸羥胺，40μL 0.15%（m/ν）鄰二氮菲溶液，100 μL 1mol/L的醋酸鈉溶液，每加入一種試劑后搖勻。然后用蒸餾水定容至刻度（1mL），搖勻后放置10min。以試劑溶液作空白，用自研制的微型分光光度計(jì)測(cè)量吸光度。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸收光譜測(cè)試

以含1.6μg/mL的鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液作為測(cè)試對(duì)象，用自研制的微型分光光度計(jì)和傳統(tǒng)紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)分別測(cè)定鐵-鄰二氮菲絡(luò)合物的吸收光譜，結(jié)果如圖2所示。由圖可見(jiàn)：微型分光光度計(jì)所得鐵-鄰二氮菲絡(luò)合物吸收光譜與傳統(tǒng)分光光度計(jì)測(cè)試結(jié)果一致，且都在510nm有最大吸收峰。另一方面，由于本微型分光光度計(jì)的檢測(cè)器是多道檢測(cè)器，所以不需要掃描即可獲得待測(cè)物的吸收光譜圖，屬于全譜光譜儀類(lèi)型，因而比傳統(tǒng)掃描型光譜儀快。

圖2 鐵和鄰二氮菲絡(luò)合物的吸收光譜圖

2.2 儀器性能

精密度：以含2.0μg/mL的鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液作為測(cè)試對(duì)象，用自研制的微型分光光度計(jì)和傳統(tǒng)的紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)對(duì)該溶液進(jìn)行11次重復(fù)測(cè)定，測(cè)試結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為0.17%（n=11）。

靈敏度和線性范圍是分光光度計(jì)的另外兩個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)。為測(cè)試自研微型分光光度計(jì)的這些參數(shù)，分別用本微型分光光度計(jì)和傳統(tǒng)分光光度計(jì)，對(duì)含 0.0，0.2，0.4，0.8，1.2，1.6，2.0，2.4，3.0，4.0 μg/mL鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液的鄰二氮菲絡(luò)合物進(jìn)行測(cè)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：自研微型分光光度計(jì)和傳統(tǒng)分光光度計(jì)具有相同的靈敏度、線性范圍和相當(dāng)?shù)木€性相關(guān)性（r2=0.9999），如圖3所示。

儀器短期穩(wěn)定性：?jiǎn)?dòng)系統(tǒng)后，以蒸餾水為空白，采用儀器自動(dòng)采集模式，對(duì)吸光度進(jìn)行60min短期穩(wěn)定性測(cè)試，結(jié)果表明：15min以后，儀器達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，透過(guò)率（T）波動(dòng)值±0.4%，對(duì)應(yīng)的吸光度（A）波動(dòng)值±0.001。

儀器長(zhǎng)期穩(wěn)定性：24 h為間隔，每次開(kāi)機(jī)預(yù)熱15min以后，對(duì)新配置的標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行測(cè)試，7d重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果表明：每次標(biāo)準(zhǔn)曲線的相關(guān)性、線性范圍和靈敏度一致。

2.3 樣品測(cè)試

圖3 微型光度計(jì)與傳統(tǒng)光度計(jì)性能比較

為了驗(yàn)證該儀器的可靠性，本文以土壤（GBW07401）、水系沉積物 （GBW07301）、巖石（GBW07103）國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)樣作為測(cè)試對(duì)象。各樣品準(zhǔn)確稱取0.200 0 g（±0.000 2 g），分別放入3個(gè)銀坩堝中，加入4～5 g氫氧化鈉，放入750℃馬弗爐熔融分解15min，取出冷卻至100℃，置于250mL燒杯中，加入5mL無(wú)水乙醇，加入沸水提取熔塊（加表面皿防止溶液濺出），然后用30 mL濃鹽酸提取，用10%鹽酸和蒸餾水洗凈銀坩堝。將溶液轉(zhuǎn)入250 mL容量瓶中，用微量移液槍移取50～100 μL樣品溶液轉(zhuǎn)入1 mL頂空瓶中，后續(xù)操作按照1.4中微體積樣品測(cè)試方法測(cè)試鐵的含量。結(jié)果表明：當(dāng)顯色總體積控制在1mL時(shí)，與50mL顯色體積具有完全一致的線性范圍和良好的線性相關(guān)性（r=0.999）。微體積顯色條件下所測(cè)得實(shí)際樣品的結(jié)果如表2所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中全鐵分析結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文自研微型分光光度計(jì)針對(duì)水相的分光光度法，與傳統(tǒng)分光光度法相比較，具有相同的精密度、線性范圍、線性相關(guān)性和靈敏度，而且比色所需體積大大減少，僅僅需要50 μL，完全滿足微量分光光度法要求。該微量分光光度計(jì)與文獻(xiàn)報(bào)道的微量分光光度系統(tǒng)相比較，最大優(yōu)點(diǎn)在于：在保證比色池光程與傳統(tǒng)常用10 mm光程一致的條件下，比色池加載樣品和清洗工作很簡(jiǎn)單；該微型光譜儀另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量物質(zhì)吸收光譜時(shí)，不需要按波長(zhǎng)順序掃描，而是全譜直讀，速度快。該系統(tǒng)既可滿足微量分光光度法的測(cè)定，也可用于傳統(tǒng)分光光度法測(cè)定，是一種通用的分光光度法測(cè)試平臺(tái)。

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Micro spectrophotometer based on fiber spectrophotometer

WANG Tong1，ZENG Ying1，2，WANG Yunguang3，XU Jinyong3
（1.College of Materials and Chemistry&Chemical Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；2.Mineral Resources Chemistry Key Laboratory of Sichuan Higher Education Institutions，Chengdu 610059，China；3.College of Earth Sciences，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

A micro spectrophotometer was developed for determination of micro volume solution based on the fiber light source，50 μL micro volume cuvettea and a minitype-fiber-spectrometer. The performancesofthis micro spectrophotometerwere compared with traditionalUV-Vis spectrophotometer by classical spectrophotometry method of determination of iron phenanthroline（phen）spectrophotometry.The results showed that the micro spectrophotometer was consistent with traditional UV-vis spectrophotometer in the precision，sensitivity，linearity range，correlation coefficient.Finally， The developed system was applied to the determination of national standard reference materials，such as soil，stream sediment an rock.The results verify the reliability of the instrumental setup for determination of real samples.

micro spectrophotometer；fiber spectrophotometer；iron

A

：1674-5124（2015）07-0073-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.07.017

2014-12-06；

：2015-02-24

國(guó)際科技合作計(jì)劃（2013DFA21690）教育部博士點(diǎn)新教師基金（20105122120010）

王 彤（1972-），女，四川成都市人，博士，研究方向?yàn)榈厍蚧瘜W(xué)。