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一、前言

分光光度法是现代分析科学中最常用的光谱分析技术之一，它通过测量物质对不同波长光的吸收特性，实现定性识别与定量分析。
赛默飞（Thermo Fisher Scientific）推出的 BioMate 系列分光光度计 采用高精度光学系统与智能化信号处理技术，可在紫外—可见光区域（190–1100 nm）内对溶液、固体或薄膜样品进行光谱分析。

该仪器以朗伯–比尔定律为理论基础，结合精密光栅分光、双光源补偿与数字信号校准，实现高灵敏度与宽动态范围的测量性能。本文将系统阐述 BioMate 的测量原理、光学结构、信号处理机制以及影响测量精度的关键因素。

二、分光光度测量原理基础

1. 光吸收与透射原理

当光线穿过物质时，部分光能被吸收，另一部分透射。
设入射光强为 I0I_0I0，透过样品后的光强为 $I$，则透过率定义为：

T=II0T = \frac{I}{I_0}T=I0I

透过率反映了光线通过样品的相对强度。为便于定量计算，通常将其取对数形式定义吸光度 $A$：

A=−log⁡10T=log⁡10I0IA = -\log_{10} T = \log_{10} \frac{I_0}{I}A=−log10T=log10II0

吸光度与样品浓度及光程呈正比关系，这一关系即 朗伯–比尔定律（Lambert–Beer Law）：

$$A=\epsilon bc$$

其中：

• $A$：吸光度；

• $\epsilon$：摩尔吸光系数（L·mol⁻¹·cm⁻¹）；

• $b$：光程（cm）；

• $c$：溶液浓度（mol/L）。

在一定浓度范围内，$A$ 与 $c$ 呈线性关系，从而可通过吸光度测量实现定量分析。

2. 吸收光谱与波长选择

不同物质在特定波长处具有特征吸收峰，该峰位置与分子结构密切相关。通过扫描样品的吸收光谱，可用于：

• 确认物质种类（定性分析）；

• 选择最佳分析波长（定量测量）；

• 研究电子能级跃迁特性。

BioMate 的光学系统可在 190–1100 nm 范围内连续扫描，通过高精度光栅实现波长分辨率优于 0.3 nm，从而获得清晰、准确的吸收曲线。

三、BioMate 光学系统结构

1. 光源系统

BioMate 采用双光源配置：

• 氘灯（Deuterium Lamp）：用于紫外区（190–350 nm），其发射光连续且能量稳定；

• 钨卤素灯（Tungsten-Halogen Lamp）：用于可见至近红外区（350–1100 nm）。

系统可自动切换光源，实现波段衔接无缝，保证全波段光强均匀性。光源通过稳压电源供电，减少光强波动。

2. 单色器与分光装置

分光系统的核心是 衍射光栅（Diffraction Grating），其作用是将复合光分解为不同波长的单色光。
BioMate 使用凹面光栅设计，使光路紧凑且聚焦性能优异。
步进电机精确控制光栅旋转角度，实现波长扫描与定位，精度可达 ±0.1 nm。

3. 样品舱与比色皿

样品舱位于单色器与检测器之间，用于放置比色皿或样品池。
比色皿光程通常为 10 mm，也可更换为 1 mm 或 50 mm 光程池以适应不同浓度样品。
BioMate 样品舱具备防杂散光设计，部分型号支持恒温控温与多比色皿自动切换。

4. 检测器系统

BioMate 使用 硅光二极管（Si Photodiode）检测器 或 光电倍增管（PMT），其灵敏度高、噪声低、响应速度快。
检测器将透射光转换为电信号，经模数转换器（A/D Converter）转化为数字信号，由中央处理单元进行计算与显示。

四、信号检测与数据处理原理

1. 光电信号转换

透射光到达检测器后，光子能量 $E=h\nu$ 被转换为电流信号。信号强度与光强成正比：

$$I=k\times \Phi$$

其中 $\Phi$ 为入射光通量，$k$ 为光电转换系数。

BioMate 内部放大电路对信号进行放大、滤波与基线修正，确保输出信号线性稳定。

2. 模数转换与计算

模拟电信号经高精度 A/D 转换器数字化后进入微处理系统，进行如下计算：

• 计算透过率 T=I/I0T = I / I_0T=I/I0；

• 取对数得到吸光度 A=−log⁡10TA = -\log_{10}TA=−log10T；

• 若输入标准曲线方程 $A=kC+b$，系统可直接输出浓度 $C$。

所有数据可实时显示、储存或导出至外部设备。

3. 自动基线校正

BioMate 在测量前通过“Blank”功能进行空白校正，将溶剂或参比样品的透过率设为 100%。
校正后，所有测量均以此为基准，消除溶剂与比色皿本身的吸收影响。

4. 数字化信号平滑与噪声抑制

为了提高光谱曲线的平滑性，BioMate 使用数字滤波算法对测得信号进行实时平滑处理，剔除高频噪声。
同时，仪器内置温度补偿电路，以减少电子元件漂移对结果的影响。

五、测量模式与计算机算法

1. 固定波长测量模式

适用于单一波长吸光度或透过率测定。
用户设定目标波长后，系统自动控制光栅调整，记录样品与空白的透射光强并计算吸光度。

2. 波长扫描模式

用于测定样品在指定波段范围内的吸收光谱。
系统在设定的起止波长间连续改变光栅角度，实时采集吸光度数据，并绘制 $A–\lambda$ 曲线。
扫描速度与步长可自由设定，常用于确定最大吸收峰（λmax）。

3. 定量分析模式

基于标准曲线法，通过测定系列标准溶液吸光度并绘制曲线，计算未知样品浓度。
BioMate 软件自动执行线性回归计算，输出方程及相关系数 R2R^2R2，确保分析结果可追溯。

4. 时间扫描模式

用于研究反应动力学过程。仪器固定波长，对样品吸光度随时间变化进行连续记录。
所得 $A–t$ 曲线可用于计算反应速率或反应常数。

5. 多波长测定模式

当样品中含有多种吸收物质时，可在多个特征波长下同时测定吸光度，实现多组分分析。
系统通过矩阵算法分解样品吸光度，计算各组分浓度。

六、影响测量精度的主要因素

1. 光学系统误差

• 波长误差：光栅角度或驱动系统偏差导致测定波长偏移；

• 杂散光误差：非目标波长光进入检测器，使高吸光度测定值偏低；

• 光源不稳定：氘灯或钨灯老化造成能量波动，引起基线漂移。

2. 样品与比色皿因素

• 比色皿光程不一致或表面污染；

• 样品浑浊、含气泡或沉淀；

• 溶剂吸收或温度变化影响吸光度。

3. 操作与环境因素

• 未充分进行空白校正；

• 实验室温湿度波动过大；

• 外界光线或电磁干扰进入光路系统。

通过定期校准、严格操作与恒温控制，可显著减少这些误差对结果的影响。

七、BioMate 测量系统的技术优化

1. 自动波长校准技术

BioMate 内置波长检测模块，可在开机或需要时自动校准光栅角度。
利用标准滤光片的特征吸收峰作为参考点，确保波长精度长期保持稳定。

2. 动态光源控制

系统根据当前波长自动调节光源能量输出，实现能量均衡与信噪比优化。
当光源能量衰减至阈值时，软件会自动提示更换灯泡。

3. 低杂散光光学结构

采用双层光路屏蔽与非反射涂层设计，有效抑制内部散射与杂光反射，提升光谱纯度。

4. 温度补偿与漂移修正

电子模块配备温度传感器，实时修正放大电路漂移。
基线稳定性可达 ±0.0003 A/h，确保长时间测定的稳定性。

5. 智能算法与数据管理

BioMate 的分析软件内置多种算法：

• 峰值识别与积分计算；

• 自动平滑与背景扣除；

• 动力学曲线拟合与统计计算。

所有数据带有时间戳和操作记录，符合 GLP 数据完整性要求。

八、定量测量的数学基础

在实际分析中，通常通过标准曲线法计算样品浓度：

1. 测定一系列标准溶液的吸光度 A1,A2,…,AnA_1, A_2, …, A_nA1,A2,…,An；

2. 以浓度 $C$ 为横坐标，吸光度 $A$ 为纵坐标绘制标准曲线；

3. 回归方程 $A=kC+b$；

4. 代入未知样品吸光度计算浓度：

   C=A−bkC = \frac{A - b}{k}C=kA−b

BioMate 软件自动计算 $k$、$b$ 及 R2R^2R2，同时判断线性范围是否满足要求。
若 R2≥0.999R^2 ≥ 0.999R2≥0.999，说明测定线性良好，结果可靠。

九、测量性能与应用表现

1. 测量精度

得益于高分辨率光栅与数字信号处理系统，BioMate 在吸光度范围 -0.3–3.5 A 内保持优异的线性精度与重复性。
典型重复性误差小于 ±0.001 A。

2. 灵敏度与线性范围

低噪声光电检测器与高能量光源保证在极低浓度样品中仍能准确测定吸光度。
在 0.1–100 mg/L 范围内可保持良好线性。

3. 稳定性与重现性

连续测量 1 小时，基线漂移低于 ±0.0003 A，表明仪器适合长期监测与动力学研究。

4. 应用实例

• 核酸与蛋白质浓度测定（260/280 nm）；

• 药物定量与化学反应速率研究；

• 环境样品中金属离子比色分析；

• 食品中添加剂或色素吸收测定。