模块化紫外可见光谱仪的搭建及在分光光度法测定铝实验教学中的应用

马品一，高德江，宋大千

(吉林大学 化学学院，吉林 长春 130012)

利用物质分子对光的选择性吸收进行定量测定的方法称为分光光度法，是最为常用的一种光谱分析方法[1]。与其他仪器相比较，可用于分光光度法的紫外可见光谱仪结构简单、价格低廉、操作简便，是目前分析实验室中使用最为普遍的分析仪器之一，在大学化学分析基础实验和仪器分析基础实验课程中都有涉及[2-4]。在实验教学中，由于商品化仪器具有稳定性好、自动化程度高、易于操作等优点，绝大部分用于教学的仪器都是商品化的仪器。然而这种封闭在“黑盒子”里的设备，不允许学生拆开查看，降低了学生在实验过程中的参与性[5-6]。如果能让学生自行搭建分析仪器进行实验，对于基础实验教学来说，更加有助于学生掌握仪器的结构及工作原理，提升学生的动手能力和创新思维[7-9]。为此，本工作围绕着我们多年来坚持的“产、学、研、用”一体化实验教学改革思路[10]，将科研成果光谱仪等部件模块化，应用于基础实验教学，开发出一套便于学生自行搭建的模块化紫外可见光谱仪，并设计了一种用于食品中铝含量测定的配套实验教学方案。

1 模块化紫外可见光谱仪的搭建

图1 模块化紫外可见光谱仪的结构示意图

本工作所搭建的模块化紫外可见光谱仪由氘灯/钨灯光源、样品池、光谱仪、控制和显示系统等组成，其基本结构如图1所示。

1.1 氘灯/钨灯光源模块

主要为检测提供辐射源，能够发射连续具有足够强度和稳定的辐射，氘灯有效的辐射波长在200～350 nm，钨灯在320～2500 nm。通过稳压模块提高光源的稳定性和使用寿命。根据几何光学成像原理，点光和平行光可以相互转换，将光源发出的光转换为近似点光源。采用透镜组对灯丝进行几何成像，在像平面上设置一孔径光阑，利用光阑的小孔从灯丝的实像上取出一点作为点光源，如图2所示。

图2 氘灯/钨灯光源光路图

1.2 样品池模块

主要用于盛装被测试样，透过相关辐射线。样品池的可调范围为1～5 cm，光程可变。遵循平行光垂直照射的原则，样品池的光路结构由准直凸透镜和聚光凸透镜两片透镜来完成光束转换工作。孔径光阑位于准直凸透镜的左焦点上，准直凸透镜将孔径光阑发出的点光转换为与主光轴平行的平行光束以后垂直照射到比色皿和样品溶液上；光纤入射端位于聚光透镜的右焦点上，聚光透镜将比色皿和样品溶液的出射平行光聚焦成一点进入光纤中，如图3所示。

图3 样品池模块和光路图

1.3 光谱仪模块

主要用于光谱信号的检测。由入射狭缝、准直镜、平面光栅、聚焦(成像)镜和线阵CCD器件组成。由于狭缝在准直球面镜的焦平面上，当入射光从狭缝处以点光源的形式照射到准直球面镜上时，准直球面镜将入射光变成平行光反射到闪耀光栅上。闪耀光栅将上述不同颜色同一方向的平行光变成不同颜色、不同方向的多束平行光照射到聚焦球面镜上，聚焦球面镜最后将不同方向的平行光汇聚到CCD传感器上不同的感光位置处，即不同波长的光经单色仪分光后落到CCD的不同像素点上。通过该仪器可对目标物光谱信息进行捕获，获得目标物的定性和定量分析数据，如图4所示。

图4 光谱仪模块和内部结构光路模拟图

2 应用模块化紫外可见光谱仪测定食品中铝含量的实验设计

2.1 实验原理

铬天青S(CAS)是一种较为常用的显色剂，Al3+和CAS在弱酸性溶液中可以生成红色的二元络合物Al3+-CAS；在表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)存在下，可以生成三元络合物Al3+-CAS-CTAB；在表面活性剂溴代十六烷基吡啶(CPB)和聚乙二醇辛基苯醚(Triton X-100)存在下，可以生成四元络合物Al3+-CAS-CPB- Triton X-100。由于络合物组成的差异，其最大吸收波长和摩尔吸收系数不同，对测定的灵敏度和选择性也带来了影响。本工作通过绘制三种不同络合物的吸收曲线，比较其摩尔吸收系数的差异，并进行微量铝的测定。

2.2 铝标准溶液的配置

准确称取硫酸铝钾0.1758 g于小烧饼中，加入2 mL 1∶1 HCl和少量水溶解后，移入100 mL容量瓶中，以水稀释至刻度，摇匀。此溶液为0.1 g/L 铝标准储备液。取2.00 mL稀释至100 mL容量瓶中，获得2 μg/mL的Al3+标准溶液。

2.3 食品样品前处理

称取油条、粉条等样品3 g(精确至0.001g)，置于锥形瓶中，加入10 mL硝酸，0.5 mL硫酸，在可调式控温电热板上加热，100℃加热1 h，升至150℃加热1 h，再升至180℃加热2 h，然后升至200℃，若变棕黑色，再补加硝酸消化，直至管口冒白烟，消化液呈无色透明或略带黄色。取出冷却，用水转移定容至50 mL容量瓶中，混匀备用。同时做试剂空白试验。

2.4 最大吸收波长的确定和摩尔吸收系数的计算

2.4.1 铝的二元络合物

在2只50 mL容量瓶中分别加入0.0、2.0 mL的2 μg/mL的Al3+标准溶液，加入1滴 1 g/L 对硝基苯酚溶液，以1∶1氨水调节溶液变成黄色，再用2.5%硝酸条件至黄色恰好消失。混匀后加入1 mL 0.5 g/L CAS溶液，补加1滴1∶1氨水，加入5 mL pH值=5.5的乙二胺-盐酸缓冲溶液，以水稀释至刻度，摇匀。用1 cm比色皿，以试剂空白为参比，在500～700 nm波长范围内测定其吸收光谱，确定最大吸收波长，并计算摩尔吸收系数。

2.4.2 铝的三元络合物

在2只50 mL容量瓶中分别加入0.0、2.0 mL的2 μg/mL的Al3+标准溶液，加入1滴 1 g/L 对硝基苯酚溶液，以1∶1氨水调节溶液变成黄色，再用2.5%硝酸条件至黄色恰好消失。混匀后加入1 mL 0.5 g/L CAS溶液，5 mL 0.5 g/L CTAB溶液，补加1滴1∶1氨水，加入5 mL pH值=6.3的乙二胺-盐酸缓冲溶液，以水稀释至刻度，摇匀。用1 cm比色皿，以试剂空白为参比，在500～700 nm波长范围内测定其吸收光谱，确定最大吸收波长，并计算摩尔吸收系数。

2.4.3 铝的四元络合物

在2只50 mL容量瓶中分别加入0.0、2.0 mL的 2 μg/mL的Al3+标准溶液，加入1滴 1 g/L 对硝基苯酚溶液，以1∶1氨水调节溶液变成黄色，再用2.5%硝酸条件至黄色恰好消失，再多加1 mL，加入1 mL 10 g/L 抗坏血酸溶液。混匀后加入1 mL 0.5 g/L CAS溶液，6 mL 3 g/L CPB溶液，2 mL 3% TritonX-100溶液，5 mL pH值=6.7的乙二胺-盐酸缓冲溶液，以水稀释至刻度，摇匀。用1 cm比色皿，以试剂空白为参比，在500～700 nm波长范围内测定其吸收光谱，确定最大吸收波长，并计算摩尔吸收系数。

2.5 绘制标准曲线

分别吸取2 μg/mL的Al3+标准溶液0.0、1.0、2.0、3.0、4.0和5.0 mL至于50 mL容量瓶中，参照2.4.3铝的四元络合物的显色操作，配置成标准溶液，在选定的最大吸收波长下，测量其吸光度，并绘制标准曲线。

2.6 样品中铝含量的测定

移取5 mL待测样品溶液至于50 mL容量瓶中，参照2.4.3铝的四元络合物的显色操作，在选定的最大吸收波长下，测量其吸光度，并利用标准曲线计算样品中Al的质量浓度(mg/kg，国家允许限量100 mg/kg)。