雜散光(Stray light)對吸光度的影響是不可忽視的。
一、雜散光的重要性
雜散光是紫外可見分光光度計非常重要的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。它是紫外可見分光光度計分析誤差的主要來源,它直接限制被分析測試樣品濃度的上限。當(dāng)一臺紫外可見分光光度計的雜散光一定時,被分析的試樣濃度越大,其分析誤差就越大。ASTM 認(rèn)為:“雜散光可能是光譜測量中主要誤差的來源。尤其對高濃度的分析測試時,雜散光更加重要”。有文獻(xiàn)報道,在紫外可見光區(qū)的吸收光譜分析中,若儀器有1%的雜散光,則對2. 0A的樣品測試時,會引起2%的分析誤差。雜散光對高濃度試樣的影響如下圖所示。
二、雜散光的定義及理論推導(dǎo)
(一)雜散光的定義
目前, 國際上對雜散光的定義各異。下面介紹幾種比較簡潔的雜散光的定義。
上述四者的定義都是對的。但太繁瑣,概念上不容易被人理解。筆者認(rèn)為,應(yīng)該從概念出發(fā),從雜散光測試的角度出發(fā),從便于建立雜散光測量方法的角度出發(fā),可以更簡單的對雜散光下定義為:“不應(yīng)該有光的地方有光, 這就是雜散光”。這種定義,便于從概念或定義出發(fā),直觀的建立簡單可靠的測試設(shè)備。
(二)雜散光的理論推導(dǎo)
筆者導(dǎo)出了雜散光與吸光度誤差和吸光度真值之間關(guān)系的理論計算公式。該理論計算公式具有普遍指導(dǎo)意義。
式(4-19)表示
① AA(或ΔA)與S 和A 成對數(shù)關(guān)系。
② 當(dāng)A一定時,對不同的S 值可計算出造成的AA(或ΔA)值。
③ 當(dāng)S一定時,不同的A 有不同的AA(或ΔA)。
作者根據(jù)式(4-19)算出了14 種雜散光下,吸光度相對誤差ΔA/A和吸光度真值A(chǔ)之間的關(guān)系(部分?jǐn)?shù)據(jù)見表4-1)。繪制了12 條誤差曲線(見圖4-5)。這些關(guān)系和曲線,可覆蓋目前世界上所有的紫外可見分光光度計,具有普遍的參考應(yīng)用價值。
三、雜散光對儀器分析測試誤差的影響
雜散光對紫外可見分光光度計分析測試誤差的影響可分成兩種形式:第一種形式是雜散光的波長與測試波長相同。它是由于測試波長因為某些原因而偏離正常光路,在不通過試樣的情況下,直接照射到光電轉(zhuǎn)換器上。這種雜散光大多數(shù)是由于光學(xué)元件、機械零件的反射和漫射所引起,可以通過一個對測試波長不透明的樣品來檢查。當(dāng)發(fā)現(xiàn)放在比色皿中的不透明樣品的透射比不為零時,說明儀器中有這種雜散光存在。但必須注意,當(dāng)儀器存在零點誤差時,有可能造成混淆。如果在不透明的樣品上涂上白色,則可增加樣品本身反射和散射的效果,可以提高測量靈敏度。第二種形式是指測試波長以外的、偏離正常光路而到達(dá)光電轉(zhuǎn)換器的光線。它通常是由光學(xué)系統(tǒng)的某些缺陷所引起的。如光學(xué)元件的表面被擦傷、儀器的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計不好、機械零部件加工不良,使光路位置錯移等。
圖4-5. 雜散光S與吸光度相對誤差ΔA/A0和吸光度真值A(chǔ)0的關(guān)系
通常情況下所講的雜散光,是指包括上述兩種雜散光在內(nèi)的雜散光。假設(shè)Is為雜散光的總和,It為光電轉(zhuǎn)換器檢測到的總能量,它包括測試波長的能量I和雜散光的能量Is,即It = I + Is。在實際分析測試工作中,需要知道的是雜散光能量Is相對于總能量It的比值。常稱之為雜散光的量S = Is/It。由于Im Is,因此,可以近似的認(rèn)為It = I ,近而可以認(rèn)為S = Is/I。
S = Is/I表示當(dāng)測試波長的能量降低時,雜散光比例就會相應(yīng)增加。對紫外可見分光光度計的邊緣波長來說,光源的強度、光電轉(zhuǎn)換器的靈敏度和單色器的透過率都是比較低的,這時雜散光的影響就會更加明顯。所以,在紫外可見分光光度計中,應(yīng)該首先檢查200~220nm處的雜散光。
眾所周知,雜散光對參考光束和樣品光束的影響是相同的。因此,根據(jù)比耳-朗伯特定律,可得
由此可見,當(dāng)樣品的透射比為10%時(即吸光度為1 時),1%的雜散光,可使其吸光度從1. 000降到0. 9629。同理,透射比為10%時,0. 1%的雜散光,將使吸光度從1. 000降到0. 996。當(dāng)雜散光為0. 05%時,對吸光度為1. 00A的試樣進(jìn)行分析測試,其結(jié)果為0. 998A,相對誤差為ΔA/A = 0. 002/1 =0. 002(即0. 2%),基本能滿足所有常規(guī)分析測試和質(zhì)檢工作的要求。如果雜散光為0. 01%時,雜散光對分析測試的結(jié)果就基本上沒有影響了。目前,國際上許多高檔紫外可見分光光度計的雜散光都在0. 01%以下。從使用者角度講,過低的雜散光是沒有必要的,但可惜的是,我國的高檔紫外可見分光光度計中,還只有北京普析通用公司一家的TU-1901的雜散光為0. 01%。其余廠商生產(chǎn)的紫外可見分光光度計,雜散光都在0. 01%以上。所以,雜散光對吸光度的影響足以可見,我國的紫外可見分光光度計要趕超國際先進(jìn)水平還需繼續(xù)努力。
雜散光對分析測試結(jié)果的誤差影響是隨著吸光度值增大而增大的。因此,吸光度值越大, 對誤差的影響也越大。如果吸光度A = 3(即T = 0. 001),則雜散光為1%時,分析測試的結(jié)果將由A = 3變成A = 1. 963 [ A = – lg(0. 001 +0. 01)+ lg1. 01 = 1. 9568 + 0. 0043 = 1. 963 ]。由此可見,吸光度A = 3時,1%的雜散光可使分析測試的結(jié)果將由A從3降到2以下。
雜散光的影響,會使分析測試的結(jié)果偏離比耳定律;當(dāng)雜散光被試樣吸收時,偏離是正值(測量值大于真實值)。當(dāng)雜散光不被試樣吸收時,偏離是負(fù)值(測量值小于真實值)。其差值ΔA 可由下式計算
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