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一、概述

赛默飞（Thermo Scientific）BioMate 系列分光光度计是一款集紫外与可见光检测功能于一体的高性能光学分析仪器。
其中，“光谱扫描（Spectrum Scan）”是其最具代表性的功能之一，能够对样品在不同波长下的吸光度或透射率进行连续测量，从而获得完整的吸收光谱曲线。

光谱扫描不仅可以确定吸收峰（λmax）的位置，还可用于评估样品的纯度、分子结构特征、反应过程及组分变化，是光谱分析中最基础且最常用的实验方法。
BioMate 通过高精度光栅、双光束光路与自动化控制系统，实现了从 190 nm 到 1100 nm 的全谱扫描，具有速度快、重复性好、噪声低、数据精度高等优点。

二、光谱扫描的基本原理

光谱扫描是指仪器在设定的波长范围内，连续改变光栅角度，依次测量样品在各波长下的透射率或吸光度。
其理论基础为 Lambert–Beer 定律：

A=εclA = \varepsilon c lA=εcl

其中，A 为吸光度，ε 为摩尔吸收系数，c 为浓度，l 为光程。

样品对光的吸收随波长而变化，通过对每个波长点测量透射光强 III 与入射光强 I0I_0I0 的比值，可以绘制吸收光谱曲线。吸收峰出现的位置与分子能级结构有关，是化合物的“光谱指纹”。

在 BioMate 系统中，光源发出的复合光经分光器分解为单色光，依次照射样品与参比通道。检测器记录透射光强，软件自动计算吸光度并在屏幕上实时绘制光谱曲线。

三、BioMate 光谱扫描系统组成

3.1 光源系统

采用氙灯或氘/钨复合光源，覆盖 190–1100 nm 光谱区。
氙灯光谱连续且能量稳定，特别适合快速扫描。

3.2 分光系统

内置高精度全息光栅（1200 线/mm），配合步进电机与角度编码器，实现 0.1 nm 级波长步进。

3.3 光路结构

双光束设计，样品与参比光束同步检测，可自动抵消光源波动与基线漂移，保证曲线稳定。

3.4 检测系统

采用高灵敏度硅光二极管或光电倍增管（PMT），信号噪声低，响应速度快。

3.5 软件系统

内置 Spectrum 模块，可完成波长扫描设置、数据采集、平滑处理、峰值识别与结果导出。

四、光谱扫描的主要目的

1. 确定吸收峰位置（λmax）
   用于选择定量测定波长。

2. 分析分子吸收特征
   不同官能团吸收峰不同，可辅助结构判定。

3. 检测样品纯度与成分变化
   纯物质应呈现典型单峰或特征峰比值。

4. 反应监测与动力学分析
   通过时间分辨扫描追踪反应进程。

5. 比较不同样品差异
   评估产品一致性、批间稳定性等。

五、光谱扫描的检测流程

5.1 仪器开机与预热

1. 打开电源，仪器自动自检光源、光栅、检测器状态；

2. 显示“System Ready”后预热 10–15 分钟；

3. 检查样品舱干净、比色皿完好；

4. 准备空白溶液与待测样品。

5.2 样品与空白准备

• 空白液：实验溶剂或反应体系不含分析物；

• 样品液：溶液应澄清、无悬浮颗粒、无气泡；

• 比色皿：石英材质，光程一致（10 mm）。

5.3 模式选择

在主界面中选择 “Spectrum / 光谱扫描” 模式，进入扫描参数设置界面。

5.4 参数设置

设置完毕后，点击“Confirm”保存并返回主界面。

5.5 空白校正

1. 将空白比色皿置入样品架；

2. 点击“Blank”进行基线校正；

3. 屏幕显示“Blank Done”；

4. 取出空白液，放入样品。

5.6 执行扫描

1. 放入样品比色皿并关闭舱门；

2. 点击“Start Scan”；

3. 系统自动从起始波长开始连续扫描；

4. 进度条显示扫描进度，实时绘制光谱曲线；

5. 扫描完成后，仪器显示完整光谱并标识吸收峰。

5.7 保存与分析

扫描完成后可立即保存结果，或使用“Analyze”功能进行峰值、谷值及面积计算。

六、光谱数据分析

6.1 吸收峰与波长定位

仪器自动检测曲线中的极值点，并输出对应波长与吸光度。
可人工标注 λmax，用于后续定量测定。

6.2 曲线形状分析

• 单峰光谱：常见于纯化合物或单一溶液；

• 双峰或多峰：表示存在混合组分或电子跃迁差异；

• 肩峰现象：可能为分子间相互作用或杂质引起。

6.3 峰面积积分

BioMate 支持选定波长范围进行积分计算，可用于反应速率或组分定量比较。

6.4 背景校正与平滑处理

可在软件中启用 “Baseline Correction” 功能，扣除背景吸收；
通过“Smooth”功能滤除高频噪声，使曲线更平滑但不失真。

6.5 比较与叠加

可导入多组扫描结果叠加显示，用于不同样品或不同时间点的光谱比较。

七、光谱扫描的参数优化

7.1 波长范围选择

根据实验需求确定：

• 紫外区（200–350 nm）：适用于核酸、蛋白、芳香族化合物；

• 可见区（400–700 nm）：适用于染料、显色剂、化学比色反应；

• 近红外区（700–1100 nm）：用于材料与薄膜透射研究。

7.2 步长选择

步长越小，数据点越多，光谱越平滑；但扫描时间也更长。
推荐设置：

• 高精度研究：0.5 nm；

• 常规分析：1.0 nm；

• 快速检测：2–5 nm。

7.3 扫描速度

速度越快，噪声略增；速度越慢，数据更平稳。
BioMate 默认 Normal 模式已兼顾速度与精度。

7.4 光度范围调整

若吸光度超过 3.0 A，应稀释样品或更换短光程比色皿。

八、数据输出与保存

8.1 文件保存

测定完成后可选择：

• Save Spectrum：保存为内部数据文件；

• Export Data：导出至 USB（格式：CSV、TXT、PDF）。

8.2 图形打印

连接打印机后可直接打印光谱图，含标题、峰值波长与吸光度表格。

8.3 数据导入与分析

导出的数据可在 Excel、Origin、GraphPad Prism 等软件中进行二次绘图与计算。

8.4 报告生成

BioMate 可自动生成标准报告，包括：

• 样品信息；

• 扫描参数；

• 峰值表；

• 吸收曲线图。

九、误差来源与控制

9.1 光源波动

光强不稳定会造成基线起伏，应预热 15 分钟并定期更换光源。

9.2 杂散光干扰

光学窗污染或比色皿划痕会增加杂散光，可定期清洁与校正。

9.3 样品因素

浑浊、颜色太深或气泡存在会影响透射光强，应充分混匀并排气泡。

9.4 操作误差

比色皿放置方向不一致或位置偏移会导致测定误差，应保持固定方向。

9.5 环境影响

温度波动和震动会引起检测信号漂移，应在恒温、静稳环境下测量。

十、光谱扫描的重复性与稳定性

10.1 重复性验证

同一样品重复扫描三次，波长偏差应 ≤0.2 nm，吸光度偏差 ≤0.003 A。

10.2 稳定性测试

连续扫描空白 1 小时，基线漂移 ≤0.001 A/h，说明系统稳定。

10.3 线性验证

不同浓度标准溶液的 λmax 吸光度应与浓度呈线性关系（R²≥0.999）。

十一、光谱扫描的典型应用

11.1 核酸与蛋白质分析

• DNA、RNA：扫描 220–320 nm，可见 260 nm 吸收峰；

• 蛋白质：280 nm 吸收峰反映芳香族氨基酸含量。

11.2 化学比色反应

• 比如 Fe³⁺–SCN⁻ 络合物在 480 nm 有最大吸收峰；

• 可通过扫描确定显色体系的 λmax 并用于定量测定。

11.3 药物与材料研究

• 药物降解监测：扫描前后吸收峰变化；

• 纳米颗粒吸收峰用于尺寸分布与电子特性研究。

11.4 环境监测

• 检测水样中有机污染物的紫外吸收特征；

• COD、氨氮、总磷等分析均需确定特征波长。

11.5 教学实验

光谱扫描可直观展示物质吸收特性，常用于物理化学与生物化学实验教学。

十二、光谱数据处理与高级功能

12.1 差谱法

通过扫描反应前后光谱差值，分析化学反应变化。

12.2 光谱平滑与导数光谱

软件可计算一阶或二阶导数光谱，用于分辨重叠峰。

12.3 自动峰值搜索

系统可自动标出主峰、次峰、谷点及半峰宽参数。

12.4 叠加比较

支持多光谱叠加，用于样品间对比分析。

12.5 光谱归一化

不同样品的最大吸收峰归一化到 1.0，用于比较吸收形态差异。

十三、光谱扫描实验实例

实验示例：核酸纯度分析

1. 模式选择：Spectrum；

2. 波长范围：220–320 nm；

3. 步长：1.0 nm；

4. 校正空白后扫描 DNA 溶液；

5. λmax 出现在 260 nm；

6. 读取 A260 和 A280；

7. 计算比值 A260/A280 判断纯度（理想值约为 1.8）。

实验示例：染料显色峰测定

1. 选择光谱扫描模式；

2. 扫描范围：400–700 nm；

3. 执行空白校正；

4. 记录吸收峰 λmax；

5. 用于后续浓度定量测定。

十四、光谱扫描的维护与保养

1. 定期检查光源亮度与稳定性；

2. 保持样品舱清洁与干燥；

3. 使用结束后关闭光源，延长寿命；

4. 每半年进行波长与光度校准；

5. 长期不用时盖上防尘罩并定期通电防潮。

十五、性能指标参考（以 BioMate 8 为例）

这些性能指标保证了 BioMate 在全谱扫描中的高分辨率和高可靠性。