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一、前言

光谱分析技术是现代分析科学中最重要的手段之一，通过研究物质对不同波长光的吸收、透射或反射特征，揭示其化学组成和物理特性。
赛默飞 Evolution 系列分光光度计是紫外—可见光区域（UV–Vis）光谱分析领域的代表性仪器，能够在 190–1100 nm 范围内精确获取样品的吸收光谱并实现定性、定量与动力学研究。

该系列仪器广泛应用于生命科学、药物分析、环境监测、化学反应研究、材料检测及食品检验等领域。
其光谱分析性能依托高精度光学系统、智能化控制算法和完善的数据处理平台，能够实现从基础吸收测量到复杂光谱建模的多层次分析。

二、光谱分析的理论基础

1. 光吸收原理

当一束光线穿过溶液时，部分光能被溶质分子吸收，另一部分透过样品继续传播。
设入射光强为 I0I_0I0，透过光强为 $I$，则透过率定义为：

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

为方便定量分析，通常采用吸光度（Absorbance）表示吸收程度：

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

吸光度与物质浓度及光程的关系由 朗伯–比尔定律（Lambert–Beer Law） 描述：

$$A=\epsilon bC$$

其中：

• $\epsilon$：摩尔吸光系数（L·mol⁻¹·cm⁻¹）；

• $b$：光程长度（cm）；

• $C$：溶液浓度（mol/L）。

当浓度较低时，吸光度与浓度成线性关系，可实现精确定量分析。

2. 吸收光谱的意义

不同化合物在特定波长处具有特征吸收峰，这些峰对应于分子轨道能级间的跃迁。
通过测量吸收光谱，可以确定物质的类型、结构特征、电子能级变化及浓度分布。

Evolution 系列分光光度计能够记录完整的 吸收光谱曲线（A–λ 图），并通过数据分析模块提取关键光谱参数，用于定性识别和定量计算。

三、Evolution 光谱系统结构

1. 光学设计

Evolution 系列采用高精度光学系统，由光源、单色器、样品舱和检测器组成。

• 光源系统：

• 氘灯（D₂ Lamp）提供 190–350 nm 的紫外光；

• 钨卤素灯（W Lamp）提供 350–1100 nm 的可见光与近红外光。
  双光源自动切换确保光谱能量连续稳定。

• 单色器系统：
  采用凹面光栅分光原理，步进电机控制光栅旋转，实现波长扫描精度 ±0.3 nm，重复性 ±0.1 nm。

• 样品舱：
  设计有防杂散光通道，可兼容 10 mm 标准比色皿、流通池或恒温架，部分型号具备温控功能。

• 检测器：
  使用高灵敏度硅光二极管或光电倍增管（PMT），将光信号转换为电信号并送入数据处理模块。

2. 光路原理

光源发出的复合光经准直透镜汇聚后进入单色器，经光栅分解为单一波长的光束。
该光束穿过样品溶液后，其透射光强被检测器接收。
系统比较空白溶液与样品溶液的透射强度差异，计算出吸光度，并在全波段范围内形成光谱曲线。

四、光谱分析的操作流程

1. 仪器启动与预热

• 开机后执行自动自检程序；

• 氘灯与钨灯预热 15–20 分钟以稳定光强；

• 运行“Baseline”校正以建立基准光谱。

2. 样品准备与空白校正

• 使用纯溶剂作为空白参比溶液；

• 比色皿外壁应洁净无气泡；

• 通过“Blank”功能设定零吸光度基线。

3. 光谱测量模式

（1）固定波长模式

在指定波长下测定吸光度或透过率，用于单组分定量分析。

（2）波长扫描模式

在设定范围（如 200–800 nm）内自动扫描光谱曲线，获取样品的吸收峰与谷值信息。

（3）定量分析模式

建立标准曲线后，根据样品吸光度计算浓度。系统自动输出方程 $A=kC+b$。

（4）时间扫描模式

用于观察吸光度随时间变化，适用于化学反应动力学或酶活性研究。

（5）多波长模式

在多个波长下同时测定吸光度，用于多组分混合样品分析。

4. 数据记录与处理

系统自动绘制光谱曲线，计算吸光峰值、波长及比值。
通过软件可实现峰值积分、曲线平滑、背景扣除及差谱分析。

五、光谱信号处理与数据分析

1. 光电转换与放大

检测器将透射光转换为电流信号，经放大与模数转换后形成数字信号。
信号处理单元自动执行背景噪声抑制与基线校正。

2. 数字滤波与噪声补偿

系统采用数字滤波算法（如移动平均与指数平滑）去除高频噪声，确保光谱曲线平滑连续。
同时利用温度补偿电路减少电子元件漂移引起的信号波动。

3. 自动峰值识别

通过软件内置算法，仪器可自动识别光谱中主吸收峰与肩峰位置，并计算相应波长与吸光度值。

4. 差谱与比值分析

差谱分析通过比较样品与参比光谱的差值，用于检测微量变化或分子结构差异。
常用于核酸、蛋白质及复合体系的结构分析。

比值分析（如 A260/A280）则用于纯度判断与样品质量控制。

六、光谱分析的典型应用

1. 生命科学领域

• 核酸分析：在 260 nm 处测定 DNA/RNA 吸收峰强度，并计算 A260/A280 比值判断纯度；

• 蛋白质测定：通过 280 nm 吸收峰进行浓度计算；

• 酶反应动力学：在固定波长下实时监测吸光度变化，计算反应速率常数。

2. 化学与药物分析

• 有机化合物特征吸收光谱解析；

• 反应中间体或生成物的定性识别；

• 药物溶液含量测定与降解行为分析；

• 金属离子配合物比色分析。

3. 环境监测

• 水体中氨氮、硝酸盐、磷酸盐的比色测定；

• 工业废水中重金属离子分析；

• 有机污染物光谱特征监测。

4. 食品与农业检测

• 食品添加剂、色素与维生素含量分析；

• 农药残留比色定量；

• 谷物与油脂氧化程度评估。

5. 材料科学与物理研究

• 光学薄膜透射率测试；

• 染料吸收峰位与能级结构研究；

• 纳米材料表面等离子体共振吸收分析。

七、光谱分析结果解释

1. 吸收峰与化学结构

吸收峰的位置反映分子轨道能级差，峰强度与样品浓度及吸光系数相关。
通过比较样品与标准物质光谱，可判断官能团类型与分子共轭程度。

2. 峰宽与环境效应

吸收峰的宽窄反映分子振动自由度与溶剂效应。
例如，在极性溶剂中峰宽往往增大，说明溶剂与分子间存在氢键作用。

3. 光谱重叠与多组分解析

对于多组分体系，光谱峰可能出现重叠。
Evolution 软件支持多波长解混与线性拟合算法，通过矩阵运算分离不同组分的吸收贡献。

4. 光谱平滑与差谱处理

通过平滑算法可减少噪声干扰，而差谱处理可突出细微结构变化，例如反应前后光谱差异或分子结合状态变化。

八、光谱分析的精度与控制

1. 波长精度

Evolution 光栅系统具有自动波长校准功能。
每次启动仪器时，系统会以内置滤光片校准光栅角度，确保波长偏差不超过 ±0.3 nm。

2. 吸光度线性

检测器线性范围覆盖 -0.3 至 3.5 A。
标准溶液测试表明，在 0–2.5 A 区间内线性相关系数 R2≥0.999R² ≥ 0.999R2≥0.999。

3. 基线稳定性

仪器基线漂移低于 ±0.0003 A/h，适合长时间扫描与动力学实验。

4. 杂散光控制

内部防反射设计与双层光路屏蔽结构使杂散光低于 0.05%T，有效避免高吸光度样品测量偏差。

九、Evolution 光谱分析的创新特性

1. 自动光谱优化

系统根据样品吸光度自动选择最佳光源能量与带宽，优化信号强度。

2. 实时光谱对比

可同时显示空白、样品与参考光谱，支持差谱叠加与动态更新。

3. 智能化峰值识别

通过算法自动标注光谱峰值、谷值及半高宽，用户可直接生成光谱报告。

4. 数据安全与溯源

所有光谱数据附带时间戳与操作者信息，符合实验室数据完整性标准。

5. 云端数据管理

部分型号可连接赛默飞云端实验室系统，实现远程光谱存储、共享与再分析。

十、光谱分析的注意事项

1. 样品浓度应控制在适宜范围（吸光度 0.2–1.0 之间）以保证线性；

2. 比色皿应方向一致、无划痕或气泡；

3. 光谱扫描前应进行空白基线校正；

4. 避免在强电磁干扰或高湿环境中运行；

5. 定期进行波长与吸光度校准。

十一、光谱分析结果的应用拓展

1. 定性鉴别

通过比较样品吸收峰位与标准光谱，可用于化合物鉴别与结构验证。

2. 定量分析

根据标准曲线法测定未知样品浓度，广泛用于药物含量与水质检测。

3. 动力学与过程分析

时间扫描模式可用于研究反应速率与催化过程，为机理分析提供数据支持。

4. 光学材料特性分析

光谱透过率、反射率与吸收率测定可用于薄膜、玻璃与涂层性能评估。