盤點(2):紫外可見分光光度計應用最新進展

　　紫外可見分光光度計的應用發展很快，本文簡單綜述全球紫外可見分光光度計的應用及其最新進展。

　　1、紫外可見分光光度計的應用現狀

　　紫外可見分光光度計的主要應用方面，簡單綜述如下：

　　① 糧食系統：對維生素A、C、E、K、山梨酸、苯甲 酸、棉酸、甲脂、乙酸脂、胡蘿蔔素、煙酸、總胺基酸等的檢測;對微量元素，例如： 鉀、鐵、硒、碘、銅、磷、錳等也可用紫外可見分光光度計檢測;特別是對人體有毒有害的微量元素的檢測工作中使用更加廣泛。

　　② 標準片測試：計量部門對在用的各類紫外可見分光光度計儀器的雜散光( SL)、光度準確度(PA) 等關鍵性能技術指標的檢測，必須用比被檢測儀器的檔次高的紫外可見分光光度計，測試一塊石英 片的SL和PA。然後用這塊石英片作為二級標準檢測被測的紫外可見分光光度計。

　　③ 藥檢系統：我國和世界很多國家的藥典，都明確規定許多藥品，一定要用紫外可見分光光度計檢測;它是藥廠和藥檢系統必備的檢測儀器(工具)。

　　④ 石油工業：石油裡一般都含有芳烴雜質，全世界基本上都用紫外可見分光光度計檢測。

　　⑤ 水質監測：水裡的氨氮、亞硝酸鹽致癌物質，一般都用紫外可見分光光度計檢測。

　　⑥ 環保系統：環境中的有害物質檢測、環保材料的檢測。

　　⑦ 生命科學領域：蛋白質的測試波長為280nm、核酸的測試波長為260nm、胺基酸的測試波長為230nm、糖類的測試波長218nm、多糖的測試波長206nm等等，生命科學領域的這些物質的測試波長都在紫外區。

　　⑧ 農藥及其殘留物：例如:糧食(大米、小麥中的氧化稀土)、食品添加劑(5,-鳥苷酸二鈉)、蔬菜(亞硝酸鹽、甲胺磷、西維因、氨氮、敵敵畏)、 瓜果、茶葉等的農殘檢測，大多用紫外可見分光光度計進行。據美國癌症研究中心報導，人類癌症的90%來自有機物(天然有機和金屬有機);其中農殘為主。所以紫外可見分光光度計在農殘的檢測中非常有用。

　　⑨ 漁業(水產品)質量控制：海水、淡水魚類、貝類、蝦類、海蜇類等中的苯、總三滷甲烷、甲苯基三唑、多氯聯苯、氟、汞等，一般也是採用紫外可見分光光度計檢測。

　　紫外可見分光光度計的應用遠不止這些 ，因為篇幅所限，本文不能做詳細綜述。對此感興趣的讀者，請參考本文的參考文獻[1]、[2]。

　　下面主要簡單介紹近幾年來，國內外紫外可見分光光度計應用的最主要的、最新的進展情況。

　　2、多組分不經過分離，直接用紫外可見分光光度計進行分析測試

　　「褶合譜」(Convelution Spectrum)，是我國第二軍醫大學的吳玉田教授和他的同事們發明並成功的得到了應用的一種新技術;它的理論基礎是化學計量學。「褶合光譜」本身是一種新型的軟體包，將這個軟體包與國產的TU-1901紫外可見分光光度計聯用，使得一般常規紫外可見分光光度計只能得到一張紫外吸收譜圖的分析檢測工作，能得到600～1000張紫外吸收譜圖，大大提高或增加了使用者所需要的信息量。

　　「褶合光譜」法不需要對試樣經過分離，可以直接用紫外可見分光光度計分析含有六個不同組分的試樣。這一發明，對藥物分析工作來講，是一個重大的突破，引起了國內外廣大藥物分析家們的極大注意。吳玉田教授和我國某醫院合作，用「褶合光譜」法，分析檢測複方降壓片中的六個組分，得到了非常令人滿意的結果：維生素B6的回收率為99.83，精密度為0.16%;維生素B1的回收率為100.45，精密度為0.19%;利眠寧的回收率為99.49，精密度為10.43%;鹽酸異丙嗪的回收率為100.44，精密度為0.18%;硫酸雙肼肽嗪的回收率為99.31，精密度為0.09%;氫氯噻嗪的回收率為99.23，精密度為0.41%。這一工作(技術)在中國藥分上發表後，引起了國內外廣大藥物分析的科技工作者極大的關注。

　　但是，「褶合光譜」法作為一個軟體包，它對紫外可見分光光度計主機的要求很高;最重要的是要求儀器的雜散光很小、光度噪聲很小。「褶合光譜」軟體包不能在質量不高的紫外可見分光光度計使用。

　　3、新的「高階張量數據解析方法」問世

　　化學計量學是當前分析測試領域非常熱門的學科，「高階張量數據解析方法」就是化學計量學方法中的一種;「高階張量數據解析方法」是國際上紫外可見分光光度計在應用方面的最新進展之一。「高階張量數據解析方法」是由我國湖南大學的俞汝勤教授發明的一項國際領先的科研成果，已獲國家自然科學獎。它主要用於複雜體系成分分析。

　　複雜體系成分分析一直是分析化學研究的的前沿課題;俞汝勤教授採用紫外可見光譜分析法和電化學方法相結合，創造了「高階張量數據解析方法」，並且用它對複雜體系進行研究，獨創了多種新的化學計量學方法。在新藥開發、疾病診斷、食品科學、產品質控、環境毒性分析等領域有廣闊的應用前景。已在中藥分析、癌症早期診斷中得到應用。

　　4、「數學仿真法」問世

　　近幾年，中國的吳玉田教授又提出了「數學仿真法」，這一個具有獨創性的分析方法;「數學仿真法」又稱「化學信息的數學修飾」法，這是一個非常引人注目的、具有原創性的分析技術;從理念上有所創新;在技術上提出了「數學仿真法」;即通過數學仿真，模擬向待測體系內添加新的化合物，改變和調動可能的幹擾;使幹擾在指定區域內符合被消除的條件。他們利用這種方法對血竭中龍血素的含量測定，得到了滿意的結果。

　　5、聯用技術的大發展是紫外可見分光光度計應用的又一最新進展

　　聯用技術是目前分析測試領域值得非常注重的問題，往往一種技術解決不了的工作，幾種技術聯用，就可能在儀器和應用方面出現一大片新天地。紫外可見分光光度計與其它分析測試技術的聯用，是目前世界上紫外可見分光光度計應用的最新進展之一。如，紫外可見分光光度計與HPLC聯用；只要把HPLC的紫外檢測器去掉，將紫外可見分光光度計接上一隻微量流動池，連接到HPLC的色譜柱後，就組成了一個新的、完整的HPLC-紫外可見分光光度計分析系統。用它來作分析工作，能解決單臺HPLC或單臺紫外可見分光光度計不能解決的許多分析問題。因為，它可以彌補單臺HPLC或單臺紫外可見分光光度計的缺點。單臺HPLC，其檢測器的功能、光度準確度、一般都不如紫外可見分光光度計好。但是，紫外可見分光光度計與HPLC聯用後，就可解決單臺HPLC無法做到的分析工作。也能解決單臺紫外可見分光光度計不能解決的分析工作。因為，單臺紫外可見分光光度計，它本身沒有分離功能，聯用後，利用HPLC的高效分離功能，就更能發揮作用，會起到意想不到的分析效果。聯用後，新系統的檢測器的功能、光度準確度都將大大提高。

　　同樣，如果將紫外可見分光光度計與FIA(Flow injection analisis)聯用，也能得到意想不到的分析測試結果。只要把FIA的檢測器去掉，將紫外可見分光光度計接上一隻微量流動池，連接到FIA的自動採樣閥後，就組成了一個新的、完整的FIA-紫外可見分光光度計分析系統。用它來作分析工作，能解決單臺FIA或單臺紫外可見分光光度計不能解決的許多分析問題。因為，它可以彌補單臺FIA或單臺紫外可見分光光度計的缺點。單臺FIA的檢測器功能、光度準確度，一般都不如紫外可見分光光度計好。而單臺紫外可見分光光度計沒有富集功能。但是，紫外可見分光光度計與FIA聯用後，就可彌補單臺紫外可見分光光度計和單臺FIA各自的缺點。既能解決單臺FIA無法做到的分析工作，又能解決單臺紫外可見分光光度計不能解決的分析工作，會收到意想不到的效果。

　　還有目前比較受到青睞的LC-MS，它是將質譜計(MS)作為HPLC的檢測器，充分利用HPLC的分離能力和MS能夠定性定量的優點，組成一種優質的聯用儀器，具有廣闊的應用前景。

　　6、積分光度法進入「復興」時期

　　所謂積分光度法，就是在常規的紫外可見分光光度計上加一個光學積分球，使得積分球附件，使得常規紫外可見分光光度計不能作或很難作的工作(不透明的固體樣品、粉末樣品、漫反射樣品測試等)能夠進行分析測試的一種光度方法。

　　所謂光學積分球，就是把一根鋁棒(一般是60～150mm內徑)切成兩半，然後將其挖成空心球，在球的內壁上塗上硫酸鋇或燻上二氧化鎂(厚度根據需要和製造工藝而定)；這時，在球心放上被測試的物質，則在球內壁的任何地方的漫反射強度都相等。這就是光學積分球的工作原理。

　　為了測定粉末樣品和不透明樣品的鏡反射、漫反射或顏色特性曲線等，往往需要在紫外可見分光光度計上安裝漫反射檢測附件——積分球。它可用來檢測微弱透光或完全不透光的各類樣品的紫外光譜，測量時把積分球置入樣品室內。被測樣品放進積分球中即可。

　　下圖是國外兩種不同的光學積分球的外形：

　　這種光學積分球的分析對象可以是：(1)具有平面的固體例如紙張、布、印刷品、陶瓷器以及玻璃等的色澤；(2)粉末樣品，例如化學藥品、化妝品、粘土以及顏料等的色澤；(3)柔軟物質，例如奶油、果醬、化妝品以及染料等的色澤。

　　典型的反射檢測附件原理為：來自單色器的光束進入積分球，被反射鏡導向不透明的樣品上，部分光被樣品吸收，其餘光被反射，積分球把反射光導向光電檢測器上進行檢測，檢測結果同樣由記錄器顯示出來。

　　基於多次漫反射(由朗伯塗層引起)的原理，積分球用於通過外部或內部的照射源而在空間上求輻射通量的積分。積分球的效率由若干因素決定，包括埠的大小和數量，擋板或屏的大小和位置，球體內含物的數量，最重要的是球體塗層的反射和散射特性必須是完美的漫反射。

　　積分球的最初用法是測量電燈的幾何全光通量。作為不同燈之間光通量輸出的簡單和快速的比較方法，這個技術起源於20世紀之交，由德國人Richard Ulbricht發明，所以也叫Ulbricht 球。它現在仍然被廣泛應用於燈生產的質量控制。

　　光學積分球利用Kulbelka-Munk方法，把漫反射率(Reflectance)轉化為吸光度(Absorbance)，得到紫外-可見漫反射光譜。其具體計算公式為：

　　Kulbelka-Munk方程：

　　式中：F(R)為吸光度;R為漫反射率。

　　從六十年代開始，因為航天事業的發展，人們非常重視積分光度法。當時主要是用積分光度法測試航天事業中的不透明材料。具體的說，就是用積分光度法研究太陽能譜的分布、測試太陽能譜的能量分布曲線、研究對太陽能譜產生吸收的物質。後來，人們上天了，但從天上取回來的是一些土壤。對人類有多大的關係，一時還不清楚。後來，人們開始把重點轉向生命科學，積分光度法開始受到冷落。最近幾年，航天技術又開始升溫，人們對宇宙、對空間的研究又開始熱起來了;同時，生命科學、材料科學又出現大發展，許多不透明的固體、粉末樣品都無法用常規的紫外可見分光光度法來分析測試，因此，積分光度法又普遍受到人們的重視，積分光度法又成了熱門技術，目前被人們稱為「復興時期」。

　　目前國內外很多科學家非常重視光學積分球的應用，因此可以帶積分球附件的儀器也不斷推出;

　　例如：美國PerkinElmer公司，推出了50mm的積分球；中國北京普析通用公司推出了帶光學積分球的TU-1901紫外可見分光光度計；日本島津推出了UV-3150 帶積分球的紫外可見分光光度計；日本JASCO公司推出了帶積分球的V550紫外可見分光光度計。

美國PerkinElmer公司，50mm光學積分球的紫外可見分光光度計

中國普析通用公司帶光學積分球的TU-1901紫外可見分光光度計

  

島津公司的UV-3150帶積分球的紫外可見分光光度計、JASCO公司帶積分球的V550紫外可見分光光度計

　　目前，積分光度法正在材料科學、生命科學、航天技術等領域發揮著及其重要的作用。國際上許多科學家認為，積分光度法可以大大擴展紫外可見分光光度計的應用範圍。科學家們正在進一步重視積分光度法。它是紫外可見分光光度計應用最新進展的重要內容之一。

　　結束語

　　1)紫外可見分光光度計雖說是一種成熟的、傳統的、及普型的、基礎型的、常規分析儀器，但是其發展空間仍然很大。目前我國對各類紫外可見分光光度計的需求量每年約9500臺以上。作者預計，隨著科學技術的發展，紫外可見分光光度計儀器和應用的發展速度只會加快，不會減慢；需求量會進一步增大。我們應該高度重視紫外可見分光光度計儀器及其應用的研發。

　　2)紫外可見分光光度計目前的主要發展方向是：微型、微量、快速、專用；微型是可攜式、現場檢測的需要；微量是生命科學、醫學、海洋科學等領域科研工作的需要(樣品量很少、很貴)；快速是食品疾控、安全、應急現場檢測的需要;專用是功能專一、但可靠性要求很高的在線自動檢測的需要。

　　3)目前，國際上的高端紫外可見分光光度計已經非常成熟，例如：PerkinElmer公司的Lambda950、Varian（現在的Agilent）公司的Cary6000i等就是。我國的紫外可見分光光度計近幾年來已經有很大的突破，高端儀器也已經推出;例如：雜散光為4×10-7的普析通用公司的T10等儀器就是。我國的紫外可見分光光度計儀器目前基本上能滿足使用要求。但是，在工藝方面、附件方面、軟體等方面與先進的發達國家相比，仍然存在差距。我們要看到差距，要努力趕超。特別在高端紫外可見分光光度計方面，我們目前還應該在立足國內的基礎上，適當引進、消化、吸收國外的先進技術;我們既千萬不能盲目樂觀，又千萬不能盲目排外。在紫外可見分光光度計儀器的研發方面，目前我國仍然應注意處理好普及和提高的關係：普及與提高還是應以普及為主，只能適當研發一些高端紫外可見分光光度計。因為最高端的紫外可見分光光度計，對絕大多數的常規分析測試的使用者沒有意義，主要只能以此展示製造商的水平。

　　4)可靠性是紫外可見分光光度計儀器發展的關鍵、核心和靈魂;評價紫外可見分光光度計儀器好壞的依據，主要是看可靠性、看分析測試數據準確與否。所以，我們在發展紫外可見分光光度計儀器時，要特別重視直接影響紫外可見分光光度計的可靠性、直接影響其分析測試誤差的關鍵性能技術指標等關鍵問題。

　　主要參考文獻

　　[1]李昌厚著，紫外可見分光光度計，北京：化學工業出版社，2005

　　[2]李昌厚著，紫外可見分光光度計及其應用，北京：化學工業出版社，2010

　　[3]李昌厚著，儀器學理論與實踐，北京：科學出版社，2008

　　[4]李昌厚著，高效液相色譜儀器及其應用，北京：科學出版社，2014

　　[5] 文中涉及的有關儀器樣本及其說明書

　　(撰稿人：中國科學院上海生物工程研究中心 李昌厚教授)

　　注:文中觀點不代表本網立場,僅供讀者參考

　　盤點(1)：紫外可見分光光度計儀器技術新進展