[科普中国]-紫外光谱技术

紫外光谱技术用于测定紫外光区的光，紫外光的特性是波长短和能量高，当污染物吸收光时，导致其分子的电子发生转移，因为吸收的能量大于红外，容易检测吸收的变化。传统的检测器用光电倍增管，而现在的排放源监测仪器中也用硅基线性光电二极管阵列检测器。1

概念具有光学活性的化合物，在紫外一可见光区(200nm～800 nm)范围内，吸收一定波长的光子后，其价电子在分于的电子能级之间跃迁，由此而产生的分子吸收光谱被称为紫外一可见吸收光谱，简称紫外光谱。紫外光谱与电子跃迁有关，在分子中用分子轨道来描述其中电子的状态，分子轨道可以看作是由对应的原子轨道以线性组合而成的。组成分子的两个原子其原子轨道线性组合就形成了两个不同的分子轨道。其中轨道能量低的为成键分子轨道，是由两原子轨道相加而形成的；另一轨道能量高的为反键分子轨道，是由两原子轨道相减而成的。组成键的两个电子均在能量低的成键分子轨道中，一个自旋向上，一个自旋向下。此状态为分子的基态。但当成键的两个电子分别处在成键分子轨道和反键分子轨道时，分子便处在高能态。当分子受到紫外光的照射，并且紫外光的能量恰好等于分子基态与高能态能量的差额时，就会发生能量转移，从而使电子发生跃迁。当电子从基态向激发态某一震动能级跃迁时，通常我们由基态平衡位置向激发态作垂线。若与某一震动能级的波函数最大处相交，即说明在这个能级电子跃迁的概率最大。当电子能级改变时。振动能级和转动能级会有变化，即电子光谱中不但包括电子跃迁产生的潜线，也有振动谱线和转动谱线。由于溶液巾分子问的相互作用，使不同振动一电子跃迁引起的精细结构平滑化，所以得到的紫外光谱是一个很宽的峰。2

运用于油藏学在油藏地球化学研究中，可以应用紫外光谱技术计算合采井单层产能贡献和判断油藏流体连通性，主要是基于原油中不同族组分对紫外可见光谱的吸收特征不同。对于生物降解稠油，由于缺少正构烷烃，用色谱指纹法研究稠油油藏的连通性及单层产能分配有一定的局限性。由于原油中的芳烃和非烃分子存在共轭键，在紫外区有明显吸收，不同物质吸收特征不同，且具有加和性，所以可以根据吸光系数可以判断其相似性。3

基本原理紫外光谱技术以朗伯一比耳(Lambert--Beer)定律为理论基础对体系中组分进行定量分析。物质的吸光系数是各物质在一定波长的特征常数，不同的化合物在一定波长的吸光系数是小同的，原油的吸光系数也可以反映其特征。油藏内源于一个连通油层的石油应当表现出一致的吸收特征，来源不同的石油则有明显不同的吸收特征，所以可通过紫外光谱技术判断油藏的连通性。3

SO2测定技术烟气中SO2的测定技术之一是差分吸收非分散紫外光谱技术。SO2气体吸收185～315 nm区域的紫外光，吸收带的中心波长在285 nm，通过测量中心波长的UV光，与578nm波长区域的光比较(没有SO2吸收)，得到SO2测定结果，见图1。这种利用参比波长而不是参比气室的技术，称为差分吸收技术。它是利用UV光谱中的一个或更多的窄吸收带的方法测量吸收UV光的气体。1

典型的差分吸收非分散紫外(NDUV)光度计测量时，由汞无极放电灯、空心阴极灯或其他类型的UV灯发光，通过样品气室后到达在滤光器转轮上旋转的一组带通滤光器，即参比滤光器和测量滤光器，然后达到光电倍增管。光到达参比滤光器时仅仅允许578 nm区域的光通过，从图1可知，SO2在578 nm没有吸收，检测器测得光强为I0光到达测量滤光器时允许窄带中心在285 nm的光通过，检测器测得光强，。光电倍增管放大信号并由仪器计算系统计算透射率(吸光率)倒数的对数得出正比于SO2浓度的输出。1

紫外光谱技术及紫外光谱仪紫外辐射的能量被有机物和无机物吸收后能引起外层电子(价电子的跃迁)，不同物质的外层电子所处的能级不同，电子的跃迁能量也不同。一旦发生电子跃迁，就要吸收不同的紫外或可见辐射，这就是紫外或可见光谱作为物质结构表征的基础。物质对紫外或可见光吸收的多少与物质的量有关，通过吸光度的测量可以进行物质的定量分析。

紫外或可见光谱的获得是通过紫外或可见分光光度计来完成的、目前国内外紫外或可见分光光度计的类型很多，但其基本结构及原理是相同的，只是在扫描范围、扫描方式，精度、数据处理等方面互有差别。紫外可见分光光度计的基本组成部件有石部分，即光源、单色器(分光系统)，吸收池，检测器和测量信号的显示记录系统，

一般的紫外—可见(UV-VIS)分光光度计均具有两种光源。紫外光区的光源采用氢灯或氘灯，它们的发光范围约在165—400nm之间。在相同的操作条件下，氘灯比氢灯的辐射强度约大4倍，且稳定性好，寿命长。可见光区的光源采用钨灯或碘钨灯，其发光范围在320—2500nm之间。辐射能量随温度升高而增大，钨丝灯的工作温度通常是2870K，其工作温度对电压变化非常敏感，因此严格控制灯端电压非常重要，所有仪器和电源之间应接稳压装置。

单色器是能将复合光分为单色光的装置。由狭缝、色散元件、准直镜三部分组成。常用色散元件是棱镜或衍射光栅，它们的优点是能分出很窄的光谱带通，辐射纯度高且使用方便。由于玻璃吸收紫外光，所以玻璃棱镜仅用于可见光区。而石英棱镜在紫外光区、可见光区及近红外光区均能使用。石英棱镜的优点是色散率高。缺点是有双折射现象，但该缺点可以通过将左旋石英和右旋石英结合起来做成不同的形状而克服。玻璃棱镜和石英棱镜的共同缺点是色散非线性，这要通过特殊的凸轮配合才能完成线性单色，然后配合合适的入射狭缝，出射狭缝，提供宽度合适的光谱带通，经透镜和反射镜聚焦供吸收检测用。为了提高仪器的分辨力，现代高级UV-VIS分光光度计常采用双单色器，即棱镜和光栅同时使用。

石英吸收池可以在紫外光区，可见光区及近红外光区使用，而玻璃吸收池只能在可见光区或近红外光区使用。

检测器的作用是把光信号转变为电信号，然后进行测量。UV-VIS仪器上常用检测器是光电管、光电倍增管或光敏电阻。光电管由一个阴极和一个阳级组成，外壳由玻璃或石英制成，抽成真空后，充人少量的惰性气体。阴极是金属制成的半圆筒体，内侧涂一层光敏物质。阳极是金属电极，通常为镍环或镍片。在阴、阳极之间加上一定的电压，当光照射到光电管的阴极上时，阴极上的光敏物质在光能作用下发射出电子，电子在电场作用下按一定方向流动，形成电流。入射光越强，阴极发射的电子数越多，光电流越大，检测十的信号越强。光电倍增管是由光阴极、打拿极和阳极构成，主要是利用二次电子发射放大电流供检测。与光电管相比其灵敏度更高，稳定性更好。

紫外可见分光光度计的指示系统，可采用电流表、调零式电位计、数字显示装置和记录仪。4

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学