基于光纖光譜儀的微型分光光度計

王 彤曾 英王云光徐進勇

（1.成都理工大學材料與化學化工學院，四川 成都 610059；2.礦產資源化學四川省高校重點實驗室，四川 成都 610059；3.成都理工大學地球科學學院，四川 成都 610059）

基于光纖光譜儀的微型分光光度計

王 彤1，曾 英1，2，王云光3，徐進勇3

（1.成都理工大學材料與化學化工學院，四川 成都 610059；2.礦產資源化學四川省高校重點實驗室，四川 成都 610059；3.成都理工大學地球科學學院，四川 成都 610059）

結合光纖光源、50μL微量比色皿、微型光纖光譜儀，設計一款可用于微量樣品吸光度測定的微型分光光度計。并用鄰二氮菲測鐵的經典分光光度分析方法，將該微型光度計與傳統紫外可見分光光度計進行比較，結果表明該微型分光光度計的精密度、靈敏度、線性范圍和線性相關性等性能均與傳統紫外可見分光光度計一致。最后通過國家一級標準物質測試結果，驗證該微量光度計能滿足實際樣品的準確測定。

微量分光光度計；光纖光譜儀；鐵

0 引 言

分光光度計結構簡單、成本低、操作簡便、穩定可靠，廣泛應用于分析化學的各個領域[1-2]。隨著儀器科學技術的進步，微型化、現場化、在線化已經成為當今儀器的重要發展方向[3-4]。微型分光光度計不僅可滿足野外環境監測和現場快速分析要求，同時隨著綠色分析技術的發展，減少化學試劑消耗，降低有毒試劑對環境和操作人員健康的危害已成為目前分析化學發展的方向之一[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，而傳統分光光度計大體積比色法無法滿足這種要求[7]；為了解決微量分光光度法的比色技術問題，目前已有各種類型的微量比色系統[8-9]。然而，現有的微型分光光度系統對操作技巧要求高，比色池加載樣品和清洗工作較復雜，測試精密度不高。

本文結合光纖光源、微量比色池以及微型化光纖光譜儀，設計了一款滿足微量分光光度法比色要求的微型分光光度計；并用鄰二氮菲分光光度法測鐵經典分析方法對該系統的關鍵性能指標：靈敏度、精密度、線性范圍以及線性相關系數等進行了測試。

1 實驗部分

1.1 試 劑

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

1.2 儀器及軟件

微型光纖光譜儀（型號：USB4000，具體參數見表1），光纖（型號：600 μm，SMA905），便攜式光源（型號：DT-MINI-2，波長：200～1 100 nm），比色皿支架（型號：CUV-ALL-UV 4-WAY），SpectraSuite光譜軟件，以上儀器硬件及軟件均為美國海洋光學公司產品；50μL微量比色池（10mm光程，外部尺寸：12.5mm× 12.5 mm×12.5 mm，材質：石英，江蘇晶禾光學儀器有限公司）；紫外可見分光光度計（型號：TU-1810，北京譜析通用儀器有限公司）；10 mm標準石英比色皿；50mL容量瓶；銀坩堝；250mL容量瓶；微量移液槍（量程：20～200 μL，德國Brand）；1 mL頂空瓶（美國Agilent）。

表1 USB4000微型光纖光譜儀參數

1.3 儀器裝置

自設計的微型分光光度計裝置結構如圖1所示，便攜式光纖光源通過光纖引出，由透鏡1聚焦后進入50μL微量比色池；微量比色池固定在三維可調比色支架中，通過調節比色支架使光纖出射光通過微量比色池的中心；光通過微量比色池后再由透鏡2聚焦，然后通過另一根光纖傳入微型光纖光譜儀入射狹縫。微型光譜儀內置的平面光柵對入射光進行分光、準直后傳輸到2 048像素的CCD線性陣列檢測器；CCD檢測器進行光電轉換后，輸出數據通過USB2.0接口傳輸到計算機，然后由SpectraSuite光譜軟件對采集到的光譜信號進行處理。

圖1 微型分光光度計結構示意圖

1.4 實驗方法

儀器性能比較實驗：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的質量濃度為10 μg/L鐵標準溶液加入9個50mL容量瓶中，向每個容量瓶分別加入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，分別用傳統紫外可見分光光度計和自研制的微型分光光度計測量。

微體積樣品測試實驗：野外現場分析中，試劑消耗越少越好。為此，將上述傳統鄰二氮菲分光光度法測鐵方法的顯色總體積和試劑用量減少50倍，相應試劑濃度不變。用微量移液槍分別吸取0，20，40，80，120，160，200，240，300，400μL 10μg/mL的鐵標準溶液放入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測量吸光度。

2 結果與討論

2.1 吸收光譜測試

以含1.6μg/mL的鐵標準溶液作為測試對象，用自研制的微型分光光度計和傳統紫外可見分光光度計分別測定鐵-鄰二氮菲絡合物的吸收光譜，結果如圖2所示。由圖可見：微型分光光度計所得鐵-鄰二氮菲絡合物吸收光譜與傳統分光光度計測試結果一致，且都在510nm有最大吸收峰。另一方面，由于本微型分光光度計的檢測器是多道檢測器，所以不需要掃描即可獲得待測物的吸收光譜圖，屬于全譜光譜儀類型，因而比傳統掃描型光譜儀快。

圖2 鐵和鄰二氮菲絡合物的吸收光譜圖

2.2 儀器性能

精密度：以含2.0μg/mL的鐵標準溶液作為測試對象，用自研制的微型分光光度計和傳統的紫外可見分光光度計對該溶液進行11次重復測定，測試結果的相對標準偏差（RSD）為0.17%（n=11）。

靈敏度和線性范圍是分光光度計的另外兩個關鍵性能指標。為測試自研微型分光光度計的這些參數，分別用本微型分光光度計和傳統分光光度計，對含 0.0，0.2，0.4，0.8，1.2，1.6，2.0，2.4，3.0，4.0 μg/mL鐵標準溶液的鄰二氮菲絡合物進行測定。實驗結果表明：自研微型分光光度計和傳統分光光度計具有相同的靈敏度、線性范圍和相當的線性相關性（r2=0.9999），如圖3所示。

儀器短期穩定性：啟動系統后，以蒸餾水為空白，采用儀器自動采集模式，對吸光度進行60min短期穩定性測試，結果表明：15min以后，儀器達到穩定狀態，透過率（T）波動值±0.4%，對應的吸光度（A）波動值±0.001。

儀器長期穩定性：24 h為間隔，每次開機預熱15min以后，對新配置的標準曲線進行測試，7d重復試驗結果表明：每次標準曲線的相關性、線性范圍和靈敏度一致。

2.3 樣品測試

圖3 微型光度計與傳統光度計性能比較

為了驗證該儀器的可靠性，本文以土壤（GBW07401）、水系沉積物 （GBW07301）、巖石（GBW07103）國家一級標準標樣作為測試對象。各樣品準確稱取0.200 0 g（±0.000 2 g），分別放入3個銀坩堝中，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。將溶液轉入250 mL容量瓶中，用微量移液槍移取50～100 μL樣品溶液轉入1 mL頂空瓶中，后續操作按照1.4中微體積樣品測試方法測試鐵的含量。結果表明：當顯色總體積控制在1mL時，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性（r=0.999）。微體積顯色條件下所測得實際樣品的結果如表2所示。

表2 標準物質中全鐵分析結果

3 結束語

本文自研微型分光光度計針對水相的分光光度法，與傳統分光光度法相比較，具有相同的精密度、線性范圍、線性相關性和靈敏度，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。該微量分光光度計與文獻報道的微量分光光度系統相比較，最大優點在于：在保證比色池光程與傳統常用10 mm光程一致的條件下，比色池加載樣品和清洗工作很簡單；該微型光譜儀另一個優點是測量物質吸收光譜時，不需要按波長順序掃描，而是全譜直讀，速度快。該系統既可滿足微量分光光度法的測定，也可用于傳統分光光度法測定，是一種通用的分光光度法測試平臺。

[1]郭敬，楊小秋.微波消解-納氏試劑比色-分光光度法測定煙葉中的總氮含量[J].中國測試，2013（S2）：54-56.

[2]胡曉榮，劉健，周莉.紫甘藍花青素分光光度法同時測定微量鋁和鐵[J].中國測試，2013（3）：38-41.

[3]Ríos A，Escarpa A，González M C，et al.Challenges of analytical microsystems[J].TrAC Trends in Analytical Chemistry，2006，25（5）：467-479.

[4]Lavilla I，Romero V，Costas I，et al.Greener derivatization in analytical chemistry[J].TrAC Trends in Analytical Chemistry，2014（61）：1-10.

[5]Armenta S，Garrigues S，Guardia M.Green analytical chemistry[J].TrAC Trends in Analytical Chemistry，2008，27（6）：497-511.

[6]Kokosa J M.Advances in solvent-microextraction techniques[J].TrAC Trends in Analytical Chemistry，2013（43）：2-13.

[7]Wen X， He L， Shi C， et al.Application of rapid cloud point extraction method for trace cobalt analysis coupled with spectrophotometric determination[J].Spectrochimica Acta PartA：Molecularand Biomolecular Spectroscopy，2013（115）：452-456.

[8]Pena-Pereira F，Costas-Mora I，Romero V，et al.Advances in miniaturized UV-Vis spectrometric systems[J]. TrAC Trends in AnalyticalChemistry，2011，30（10）：1637-1648.

[9]Shokoufi N，Shemirani F，Memarzadeh F.Fiber opticlinear array detection spectrophotometry in combination with cloud point extraction for simultaneous preconcentration and determination of cobalt and nickel[J].Analytica Chimica Acta，2007，601（2）：204-211.

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

國際科技合作計劃（2013DFA21690）教育部博士點新教師基金（20105122120010）

王 彤（1972-），女，四川成都市人，博士，研究方向為地球化學。