杂散光(Stray light )对吸光度的影响

杂散光(Stray light )对吸光度的影响

一、杂散光的重要性

杂散光是紫外可见分光光度计非常重要的关键技术指标。它是紫外可见分光光度计分析误差的主要来源, 它直接限制被分析测试样品浓度的上限。当一台紫外可见分光光度计的杂散光一定时, 被分析的试样浓度越大, 其分析误差就越大。ASTM 认为: “杂散光可能是光谱测量中主要误差的来源。尤其对高浓度的分析测试时, 杂散光更加重要”。有文献报道, 在紫外可见光区的吸收光谱分析中, 若仪器有1%的杂散光, 则对2. 0A 的样品测试时, 会引起2%的分析误差。杂散光对高浓度试样的影响如下图 所示。

二、杂散光的定义及理论推导

(一) 杂散光的定义

目前, 国际上对杂散光的定义各异。下面介绍几种比较简洁的杂散光的定义。

1. ASTM 的定义

美国的ASTM 对杂散光定义是: 杂散光既难给出确切的定义, 又难进行准确的测量。人们常将杂散光定义为在单色器额定通带之外的透射辐射能量与总的透射能量之比。

2. Richard 的定义

日本的Richard 等对杂散光的定义是: 杂散光通常定义为假辐射( Spurious Radiation) 和所需要的辐射(Desired Radiation ) 之比。

3. Winstead的定义

美国的Winstead 对杂散光的定义是: 如果波长出现与仪器刻度盘(或显示) 上的示值不同, 那么这个外界的能量就叫做杂散光。

4. M. R. Sharpe的定义

美国的M. R. Sharpe 把杂散光定义为: 光谱带宽以外 “不要的” 光通量的成分叫杂散光。

上述四者的定义都是对的。但太繁琐, 概念上不容易被人理解。笔者认为,应该从概念出发, 从杂散光测试的角度出发, 从便于建立杂散光测量方法的角度出发, 可以更简单的对杂散光下定义为: “不应该有光的地方有光, 这就是杂散光”。这种定义, 便于从概念或定义出发, 直观的建立简单可靠的测试设备。

( 二) 杂散光的理论推导

笔者导出了杂散光与吸光度误差和吸光度真值之间关系的理论计算公式。该理论计算公式具有普遍指导意义。

式( 4-19) 表示

① AA (或ΔA) 与S 和A 成对数关系。

② 当A 一定时, 对不同的S 值可计算出造成的AA (或ΔA) 值。

③ 当S 一定时, 不同的A 有不同的AA (或ΔA) 。

作者根据式(4-19) 算出了14 种杂散光下, 吸光度相对误差ΔA/ A 和吸光度真值A 之间的关系(部分数据见表4-1)。绘制了12 条误差曲线( 见图4-5)。这些关系和曲线, 可覆盖目前世界上所有的紫外可见分光光度计, 具有普遍的参考应用价值。

三、杂散光对仪器分析测试误差的影响

杂散光对紫外可见分光光度计分析测试误差的影响可分成两种形式: **种形式是杂散光的波长与测试波长相同。它是由于测试波长因为某些原因而偏离正常光路, 在不通过试样的情况下, 直接照射到光电转换器上。这种杂散光大多数是由于光学元件、机械零件的反射和漫射所引起, 可以通过一个对测试波长不透明的样品来检查。当发现放在比色皿中的不透明样品的透射比不为零时, 说明仪器中有这种杂散光存在。但必须注意, 当仪器存在零点误差时, 有可能造成混淆。如果在不透明的样品上涂上白色, 则可增加样品本身反射和散射的效果, 可以提高测量灵敏度。第二种形式是指测试波长以外的、偏离正常光路而到达光电转换器的光线。它通常是由光学系统的某些缺陷所引起的。如光学元件的表面被擦伤、仪器的光学系统设计不好、机械零部件加工不良, 使光路位置错移等。

通常情况下所讲的杂散光, 是指包括上述两种杂散光在内的杂散光。假设Is 为杂散光的总和, It 为光电转换器检测到的总能量, 它包括测试波长的能量I 和杂散光的能量Is , 即It = I + Is 。在实际分析测试工作中, 需要知道的是杂散光能量Is 相对于总能量It 的比值。常称之为杂散光的量S = Is/ It 。由于Im Is , 因此, 可以近似的认为It = I , 近而可以认为S = Is/ I。

S = Is/ I 表示当测试波长的能量降低时, 杂散光比例就会相应增加。对紫外可见分光光度计的边缘波长来说, 光源的强度、光电转换器的灵敏度和单色器的透过率都是比较低的, 这时杂散光的影响就会更加明显。所以, 在紫外可见分光光度计中, 应该首先检查200～220nm 处的杂散光。

众所周知, 杂散光对参考光束和样品光束的影响是相同的。因此, 根据比耳朗博定律, 可得到

由此可见, 当样品的透射比为10%时(即吸光度为1 时) , 1%的杂散光,可使其吸光度从1. 000 降到0. 9629。同理, 透射比为10% 时, 0. 1% 的杂散光, 将使吸光度从1. 000 降到0. 996。当杂散光为0. 05% 时, 对吸光度为1. 00 A 的试样进行分析测试, 其结果为0. 998 A, 相对误差为ΔA/ A = 0. 002/ 1 =0. 002 (即0. 2% ) , 基本能满足所有常规分析测试和质检工作的要求。如果杂散光为0. 01% 时, 杂散光对分析测试的结果就基本上没有影响了。目前,国际上许多高档紫外可见分光光度计的杂散光都在0. 01% 以下。从使用者角度讲, 过低的杂散光是没有必要的, 但可惜的是, 我国的高档紫外可见分光光度计中, 还只有北京普析通用公司一家的TU-1901 的杂散光为0. 01% 。其余厂商生产的紫外可见分光光度计, 杂散光都在0. 01% 以上。所以, 我国的紫外可见分光光度计要赶超国际先进水平还需继续努力。

杂散光对分析测试结果的误差影响是随着吸光度值增大而增大的。因此,吸光度值越大, 对误差的影响也越大。如果吸光度A = 3 ( 即T = 0. 001 ) , 则杂散光为1%时, 分析测试的结果将由A = 3 变成A = 1. 963 [ A = - lg(0. 001 +0. 01) + lg1. 01 = 1. 9568 + 0. 0043 = 1. 963 ]。由此可见, 吸光度A = 3 时, 1%的杂散光可使分析测试的结果将由A 从3 降到2 以下。

杂散光的影响, 会使分析测试的结果偏离比耳定律; 当杂散光被试样吸收时, 偏离是正值( 测量值大于真实值)。当杂散光不被试样吸收时, 偏离是负值( 测量值小于真实值)。其差值ΔA 可由下式计算