深紫外分光光度检测系统的稳定性及灵敏度研究

张雪菲，段 宁, *，降林华, *，程 雯，于兆胜，李维栋，朱广彬，徐艳丽

1.安徽理工大学材料科学与工程学院，安徽 淮南 232001 2.同济大学环境科学与工程学院，上海 200092 3.天津信科环保科技有限公司，天津 300457 4.天津大学环境科学与工程学院，天津 300072

对污染物进行实时监测是实现清洁生产的基本前提。工业过程液相体系中的反应速度普遍较快，而现有的国标分光光度法在检测前需要对样品进行稀释定容和络合显色等预处理[1-6]，因此检测结果相对工业液相体系实时状态存在严重滞后，难以实现对工业过程实时反馈调控。导致这一问题的主要原因是氧气在紫外波段内具有强吸收特性[7-8]，易吸收波长<240 nm的紫外光。当氧分子吸收紫外光后，氧分子间的化学键被打断，光致离解成一个基态氧原子O(3P)和一个电激发态氧原子O(1D)，基态氧原子O(3P)又是形成臭氧分子的重要反应物。臭氧分子也会因吸收200～350 nm波段的紫外光使臭氧分子结构被破坏[9]。因此，氧气与臭氧之间的可逆转化不仅会消耗紫外光能量[8]，而且氧气与臭氧均吸收一定量的紫外光，影响检测结果的稳定性与准确性，导致难以准确直接测定深紫外区物质。

破解现有光度方法不能直接测定流程工业连续反映单元生产过程中污染物的难题，其关键核心是稳定获取深紫外区不同特征波长物质的高灵敏光度信息。为隔绝氧气干扰、提高测量过程仪器的稳定性与测量结果的准确性，众多研究者采用惰性气体(如：氮气、氩气等)排除紫外分光光度计内部的氧气[10-11]，实现紫外区“无氧”[12-13]。相比于氩气，氮气是一种经济、环保、易得的气体，并且氮气只有吸收波长<79.6 nm的光才开始离解，在深紫外区中的峰值吸收仅为10-21cm-2[14]，其大小可以忽略不计。氮气可作为深紫外区测量时的理想保护气体[9]。

1.1 样品制备

1.2 仪器装置

如图1(a)所示，DLC55-1附件允许测量的最大光程为b=50 mm，进样方式沿用传统开关盖板方式。为避免换样过程开合罩体盖板导致罩体氮气外泄损耗，基于仪器DLC55-1附件和步进电机控制系统，设计了进样流通池和进样托盘，实现了自动进样功能，如图1(b)所示。进样托盘(109 mm×110 mm×40 mm)可同时容纳多个不同规格流通池[图1(c)，可选规格包括1, 5, 10, 20, 50, 80, 100 mm光程]，便于在测量间隙根据样品浓度选取合适光程的流通池。当流通池规格不满足样品浓度上限要求时，检测结果将超出量程上限，导致样品浓度无法被准确定量；
当流通池规格远远高于样品浓度上限要求时，检测过程的相对误差将显著增大，导致检测的准确度下降。进样托盘两侧分别开有多个通光孔(13 mm×20 mm)[图1(d)]，放置的流通池应与通光孔一一对应。如图1(e)，传动装置的两端分别与进样托盘和滑道相连，将进样托盘悬置于底座上方。此外，如图1(b)和(d)所示，流通池的下方和上方分别接有进液管路和出液管路。检测过程中，蠕动泵正转驱动进液管路，使待测样品进入并充满流通池(红色箭头)。

图1 自动进样流通池、自动进样装置构件图

图2 (a)10～100 r·min-1不同进样速度下标准溶液内的气泡产生图以及(b)RSD验证图

为隔绝灰尘和环境中温度及湿度变化等因素对仪器运行的干扰，同时稳定氮气气氛，在仪器外部搭设密闭罩体以保证氮气在仪器内循环使用，如图3(a)所示。罩体底板的四角处设有4个罩体进气口(φ=5 mm)，由1个质量流量控制器控制通入罩体内部的氮气流量。罩体底板还设有3个腔室进气口，分别由3个质量流量控制器控制通入光学系统区、样品室和数据接收区的氮气流量。

氮气输配系统其余构件如下：减压阀[0870301，GCE Market(全球资本设备市场公司，美国]，过滤器组件[015QPS，海诺斯(漳州)工业机械有限公司，中国]，质量流量控制器[S48-32/HMT，厚礼博精密仪器(北京)有限公司，中国]，固定式气体检测仪(检测氧气浓度，同步显示温度及湿度，威海精讯畅通电子科技有限公司，JXBS-4001)，降温冷水机(HS-28A，广东海利集团有限公司，中国，配合使用ST30散热器，Alphacool公司，德国)，压差仪(2000-100PA，Dywer仪器仪表制造有限公司，美国)。蠕动泵(BT100-2J，配备探头型号：YZ1515x，软管型号：25#，管内径：4.8 mm，保定兰格恒流泵有限公司，中国)。加装氮气输配系统的紫外分光光度计设备三维效果图如图3(b)所示。

图3 装置三维效果图和构件实物图

1.3 方法

仪器使用前预热15 min，开启氮气钢瓶，待装置内部充满氮气气氛并且仪器条件满足检测要求后采用光谱扫描模式以慢速、1 nm的扫描间隔连续扫描180～360 nm波长范围，光谱带宽设置成2 nm，以获得待测样品的光谱数据。

2.1 氮气输配流量及稳定性研究

研究在紫外分光光度计外部设置罩体以有效隔绝氧气进入仪器。如果氮气通入罩体和仪器内的流量一致时，过大的氮气流量可能导致仪器内部光学元器件振动而引起仪器检测精度降低，而过小的氮气流量则导致氮气置换氧气的时间大幅度延长。因此，为提高仪器的稳定性，需对通入仪器内部的氮气流量进行精准控制。

紫外分光光度计内部区域可按功能大致分为光学系统区、样品室和数据接收区等腔室。在光学系统区[图4(a)]，氘灯光源发出的复合光线先后经准直镜，入射狭缝，光栅，出射狭缝，单色光器等光学元器件以过滤光束中的杂散光。在样品室中，当紫外光在透过样品室内的待测样品时，待测样品会吸收特定波长下的紫外光能量，使紫外光线强度衰减。在数据接收区，检测器将接收透过待测样品的紫外光的能量并将接收到的光信号转化成电信号并输出。显然，紫外光线在三个腔室内因氧气吸收而出现的光强度衰减程度取决于紫外光线在该腔室内所需穿行的路程。如图4(b)所示，紫外光线在光学系统区内所需穿行的路程最长(约2 120 mm)，占总路程比最高(82.49%)，这是因为紫外光线需在光学系统区内经过若干次的反射和折射以滤去杂散光，相应光学系统区的体积也最大(0.02 m3)。紫外光线在样品室和接收区内所需穿行的路程则分别为120和330 mm，占总路程比分别为4.67%和12.84%，样品室和数据接收区腔室体积分别为0.036和0.039 m3。由此可见，紫外光线在三个腔室内经过的光线路程和三个腔室体积存在明显差异，因此需要分别调控氮气通入不同腔室的流量。

图4 紫外分光光度计仪器内部构件参数图

在调控氮气流量时，以空气为参比测定氮气条件下的吸光度，即不放置样品，此时吸光度检测值仅源于紫外光线因环境吸收而出现的光强度衰减。如图5所示，以空气为参比时，不同氮气流量下的吸光度检测值为负。换而言之，相比较空气条件，氮气条件下的紫外光线在传播时的光强度衰减更小。图5(a)中，当通入光学系统区的氮气流量数值从1 L·min-1逐渐增大至6 L·min-1时，在相同的检测时间范围内，以空气为参比的吸光度检测值逐渐降低。当氮气流量进一步增加至10 L·min-1后，吸光度检测值趋于稳定。吸光度检测值随氮气流量(1～6 L·min-1)的增大而减小的原因显然是较低的氮气流量(<6 L·min-1)不足以在有限的时间内完全置换出光学系统区内部空气。此时在腔室内传播的紫外光线将被腔室内部残留氧气吸收，紫外光线的强度出现不同程度的衰减。当氮气流量增大至6 L·min-1时，向腔室内通入的氮气能够在较大程度上隔绝腔室内部氧气，将紫外光线受氧气吸收强度降至最低。当氮气流量进一步增大(7，8，9和10 L·min-1)时，吸光度检测值趋于稳定，意味着在该流量下氮气能够完全隔绝腔室内氧气。考虑到过高的氮气流量既增大了氮气消耗量并干扰光学元器件的运行，因此控制通入光学系统区的氮气流量为6 L·min-1。样品室和数据接收区腔体内不同氮气流量光谱曲线如图5(b)和(c)所示：同图5(a)的分析，通入样品室和数据接收区的最佳氮气流量分别为2和3 L·min-1。

图5 (a)光学系统区,(b)样品室内，(c)数据接收区内不同氮气流量的光谱曲线图以及(d)空气和(e)氮气气氛下的基线平直度光谱曲线图(两种气氛下均连续、慢速扫描12次)

通过基线平直度对比验证最佳氮气流量参数下仪器检测结果稳定性。如图5(d)和(e)所示，在波长范围为180～190 nm、波长扫描间隔为1 nm、扫描速度为慢速的参数设置下连续扫描12次，得到两种气氛下的基线平直度光谱曲线。氮气气氛下12次扫描结果的基线平直度平均值为0.010，相比较空气气氛下的基线平直度平均值(0.108)衰减了90.7%。

图5(d)和(e)中基线平直度的显著差异明显归因于氮气气氛抑制了氧气对紫外线的吸收，显著降低了光谱曲线的光度噪声，有效地提高了检测系统的稳定性。

2.2 仪器灵敏度对比分析

图6 b=1 mm时不同浓度样品在(a)空气气氛下的光谱图，(b)氮气气氛下的光谱图,(c)空气气氛下的A-C图，(d)氮气气氛下A-C图样品浓度间隔Δc=0.01 g·L-1)

图7 空气和氮气气氛下溶液中吸光度检测结果的(a)灵敏度和(b)线性范围随光程(b=1, 5, 10, 20, 50, 80, 100 mm)的变化规律

表1 不同光程下的灵敏度及灵敏度变化量和线性范围变化量汇总

2.3 方法对比

表2 离子色谱法和紫外分光光度法测定七种不同浓度样品的相对标准偏差、相对误差和回收率汇总表

图8 本研究方法(橙色)与离子色谱方法(蓝色)综合性能对比图