基于光纤光谱仪的微型分光光度计

王 彤曾 英王云光徐进勇

（1.成都理工大学材料与化学化工学院，四川 成都 610059；2.矿产资源化学四川省高校重点实验室，四川 成都 610059；3.成都理工大学地球科学学院，四川 成都 610059）

基于光纤光谱仪的微型分光光度计

王 彤1，曾 英1，2，王云光3，徐进勇3

（1.成都理工大学材料与化学化工学院，四川 成都 610059；2.矿产资源化学四川省高校重点实验室，四川 成都 610059；3.成都理工大学地球科学学院，四川 成都 610059）

结合光纤光源、50μL微量比色皿、微型光纤光谱仪，设计一款可用于微量样品吸光度测定的微型分光光度计。并用邻二氮菲测铁的经典分光光度分析方法，将该微型光度计与传统紫外可见分光光度计进行比较，结果表明该微型分光光度计的精密度、灵敏度、线性范围和线性相关性等性能均与传统紫外可见分光光度计一致。最后通过国家一级标准物质测试结果，验证该微量光度计能满足实际样品的准确测定。

微量分光光度计；光纤光谱仪；铁

0 引 言

分光光度计结构简单、成本低、操作简便、稳定可靠，广泛应用于分析化学的各个领域[1-2]。随着仪器科学技术的进步，微型化、现场化、在线化已经成为当今仪器的重要发展方向[3-4]。微型分光光度计不仅可满足野外环境监测和现场快速分析要求，同时随着绿色分析技术的发展，减少化学试剂消耗，降低有毒试剂对环境和操作人员健康的危害已成为目前分析化学发展的方向之一[5-6]。

微量分光光度法试剂用量少，因而分光光度比色溶液所需体积大大减少，而传统分光光度计大体积比色法无法满足这种要求[7]；为了解决微量分光光度法的比色技术问题，目前已有各种类型的微量比色系统[8-9]。然而，现有的微型分光光度系统对操作技巧要求高，比色池加载样品和清洗工作较复杂，测试精密度不高。

本文结合光纤光源、微量比色池以及微型化光纤光谱仪，设计了一款满足微量分光光度法比色要求的微型分光光度计；并用邻二氮菲分光光度法测铁经典分析方法对该系统的关键性能指标：灵敏度、精密度、线性范围以及线性相关系数等进行了测试。

1 实验部分

1.1 试 剂

1000μg/mL铁标准溶液（国家钢铁材料测试中心钢铁研究总院），并用2%盐酸稀释至10μg/mL的铁标准溶液；邻二氮菲（phen）、盐酸羟胺、醋酸钠、氢氧化钠、盐酸（成都市科龙化学试剂厂）。

1.2 仪器及软件

微型光纤光谱仪（型号：USB4000，具体参数见表1），光纤（型号：600 μm，SMA905），便携式光源（型号：DT-MINI-2，波长：200～1 100 nm），比色皿支架（型号：CUV-ALL-UV 4-WAY），SpectraSuite光谱软件，以上仪器硬件及软件均为美国海洋光学公司产品；50μL微量比色池（10mm光程，外部尺寸：12.5mm× 12.5 mm×12.5 mm，材质：石英，江苏晶禾光学仪器有限公司）；紫外可见分光光度计（型号：TU-1810，北京谱析通用仪器有限公司）；10 mm标准石英比色皿；50mL容量瓶；银坩埚；250mL容量瓶；微量移液枪（量程：20～200 μL，德国Brand）；1 mL顶空瓶（美国Agilent）。

表1 USB4000微型光纤光谱仪参数

1.3 仪器装置

自设计的微型分光光度计装置结构如图1所示，便携式光纤光源通过光纤引出，由透镜1聚焦后进入50μL微量比色池；微量比色池固定在三维可调比色支架中，通过调节比色支架使光纤出射光通过微量比色池的中心；光通过微量比色池后再由透镜2聚焦，然后通过另一根光纤传入微型光纤光谱仪入射狭缝。微型光谱仪内置的平面光栅对入射光进行分光、准直后传输到2 048像素的CCD线性阵列检测器；CCD检测器进行光电转换后，输出数据通过USB2.0接口传输到计算机，然后由SpectraSuite光谱软件对采集到的光谱信号进行处理。

图1 微型分光光度计结构示意图

1.4 实验方法

仪器性能比较实验：分别吸取0.0，10.0，20.0，40.0，60.0，80.0，100.0，120.0，150.0，200.0 μg的质量浓度为10 μg/L铁标准溶液加入9个50mL容量瓶中，向每个容量瓶分别加入1mL 10%（m/ν）盐酸羟胺溶液，2mL 0.15%（m/ν）邻二氮菲溶液，5mL 1mol/L的醋酸钠溶液，每加入一种试剂后摇匀。然后用蒸馏水定容至刻度，摇匀后放置10min。以试剂溶液作空白，分别用传统紫外可见分光光度计和自研制的微型分光光度计测量。

微体积样品测试实验：野外现场分析中，试剂消耗越少越好。为此，将上述传统邻二氮菲分光光度法测铁方法的显色总体积和试剂用量减少50倍，相应试剂浓度不变。用微量移液枪分别吸取0，20，40，80，120，160，200，240，300，400μL 10μg/mL的铁标准溶液放入1 mL顶空瓶中，加入20 μL 10%（m/ν）盐酸羟胺，40μL 0.15%（m/ν）邻二氮菲溶液，100 μL 1mol/L的醋酸钠溶液，每加入一种试剂后摇匀。然后用蒸馏水定容至刻度（1mL），摇匀后放置10min。以试剂溶液作空白，用自研制的微型分光光度计测量吸光度。

2 结果与讨论

2.1 吸收光谱测试

以含1.6μg/mL的铁标准溶液作为测试对象，用自研制的微型分光光度计和传统紫外可见分光光度计分别测定铁-邻二氮菲络合物的吸收光谱，结果如图2所示。由图可见：微型分光光度计所得铁-邻二氮菲络合物吸收光谱与传统分光光度计测试结果一致，且都在510nm有最大吸收峰。另一方面，由于本微型分光光度计的检测器是多道检测器，所以不需要扫描即可获得待测物的吸收光谱图，属于全谱光谱仪类型，因而比传统扫描型光谱仪快。

图2 铁和邻二氮菲络合物的吸收光谱图

2.2 仪器性能

精密度：以含2.0μg/mL的铁标准溶液作为测试对象，用自研制的微型分光光度计和传统的紫外可见分光光度计对该溶液进行11次重复测定，测试结果的相对标准偏差（RSD）为0.17%（n=11）。

灵敏度和线性范围是分光光度计的另外两个关键性能指标。为测试自研微型分光光度计的这些参数，分别用本微型分光光度计和传统分光光度计，对含 0.0，0.2，0.4，0.8，1.2，1.6，2.0，2.4，3.0，4.0 μg/mL铁标准溶液的邻二氮菲络合物进行测定。实验结果表明：自研微型分光光度计和传统分光光度计具有相同的灵敏度、线性范围和相当的线性相关性（r2=0.9999），如图3所示。

仪器短期稳定性：启动系统后，以蒸馏水为空白，采用仪器自动采集模式，对吸光度进行60min短期稳定性测试，结果表明：15min以后，仪器达到稳定状态，透过率（T）波动值±0.4%，对应的吸光度（A）波动值±0.001。

仪器长期稳定性：24 h为间隔，每次开机预热15min以后，对新配置的标准曲线进行测试，7d重复试验结果表明：每次标准曲线的相关性、线性范围和灵敏度一致。

2.3 样品测试

图3 微型光度计与传统光度计性能比较

为了验证该仪器的可靠性，本文以土壤（GBW07401）、水系沉积物 （GBW07301）、岩石（GBW07103）国家一级标准标样作为测试对象。各样品准确称取0.200 0 g（±0.000 2 g），分别放入3个银坩埚中，加入4～5 g氢氧化钠，放入750℃马弗炉熔融分解15min，取出冷却至100℃，置于250mL烧杯中，加入5mL无水乙醇，加入沸水提取熔块（加表面皿防止溶液溅出），然后用30 mL浓盐酸提取，用10%盐酸和蒸馏水洗净银坩埚。将溶液转入250 mL容量瓶中，用微量移液枪移取50～100 μL样品溶液转入1 mL顶空瓶中，后续操作按照1.4中微体积样品测试方法测试铁的含量。结果表明：当显色总体积控制在1mL时，与50mL显色体积具有完全一致的线性范围和良好的线性相关性（r=0.999）。微体积显色条件下所测得实际样品的结果如表2所示。

表2 标准物质中全铁分析结果

3 结束语

本文自研微型分光光度计针对水相的分光光度法，与传统分光光度法相比较，具有相同的精密度、线性范围、线性相关性和灵敏度，而且比色所需体积大大减少，仅仅需要50 μL，完全满足微量分光光度法要求。该微量分光光度计与文献报道的微量分光光度系统相比较，最大优点在于：在保证比色池光程与传统常用10 mm光程一致的条件下，比色池加载样品和清洗工作很简单；该微型光谱仪另一个优点是测量物质吸收光谱时，不需要按波长顺序扫描，而是全谱直读，速度快。该系统既可满足微量分光光度法的测定，也可用于传统分光光度法测定，是一种通用的分光光度法测试平台。

[1]郭敬，杨小秋.微波消解-纳氏试剂比色-分光光度法测定烟叶中的总氮含量[J].中国测试，2013（S2）：54-56.

[2]胡晓荣，刘健，周莉.紫甘蓝花青素分光光度法同时测定微量铝和铁[J].中国测试，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

国际科技合作计划（2013DFA21690）教育部博士点新教师基金（20105122120010）

王 彤（1972-），女，四川成都市人，博士，研究方向为地球化学。