賽默飛分光光度計(jì)BioMate 160光電檢測原理

一、前言

分光光度法作為分析科學(xué)的重要工具，廣泛應(yīng)用于化學(xué)、生命科學(xué)、材料、環(huán)境及醫(yī)學(xué)研究等領(lǐng)域。其基本思想是利用物質(zhì)對(duì)特定波長光的吸收特性來定性或定量分析。賽默飛BioMate 160分光光度計(jì)是一款高性能紫外-可見光分析設(shè)備，其核心優(yōu)勢(shì)在于穩(wěn)定的光學(xué)系統(tǒng)和高靈敏度的光電檢測原理。

在整個(gè)光學(xué)檢測鏈條中，光源、單色器、樣品室、探測器及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)共同決定了儀器的表現(xiàn)，而光電檢測原理則是實(shí)現(xiàn)“光信號(hào)到電信號(hào)”轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本介紹將系統(tǒng)解析BioMate 160的光電檢測原理，涵蓋光源特性、光學(xué)路徑、單色器作用、檢測器機(jī)理以及信號(hào)處理算法，并進(jìn)一步結(jié)合實(shí)際應(yīng)用闡述其優(yōu)越性。

二、分光光度計(jì)的工作基礎(chǔ)

1. 光與物質(zhì)的相互作用

當(dāng)一束光穿過樣品時(shí)，部分光會(huì)被吸收，其余部分透射或散射。吸收程度與樣品分子結(jié)構(gòu)、濃度以及光程有關(guān)。BioMate 160通過檢測入射光與透射光的強(qiáng)度差，進(jìn)而計(jì)算吸光度（A），并依據(jù)朗伯-比爾定律進(jìn)行定量分析。

朗伯-比爾定律：

$$A=\epsilon ?c?l$$

其中：

• $A$ 為吸光度；

• $\epsilon$ 為摩爾吸收系數(shù)；

• $c$ 為樣品濃度；

• $l$ 為光程。

2. 光電轉(zhuǎn)換的必要性

人眼無法直接精確判斷光強(qiáng)變化，因此需要光電探測器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并通過電子電路進(jìn)行放大、數(shù)字化和計(jì)算。這一過程是分光光度計(jì)實(shí)現(xiàn)定量分析的核心。

三、BioMate 160的光學(xué)系統(tǒng)

1. 光源設(shè)計(jì)

BioMate 160采用雙光源結(jié)構(gòu)：

• 氘燈（D? Lamp）：發(fā)射190–350 nm的連續(xù)紫外光譜，適用于核酸、蛋白質(zhì)等紫外檢測。

• 鎢鹵素?zé)簦╓ Lamp）：覆蓋320–1100 nm波段，用于可見光及部分近紅外檢測。

儀器可根據(jù)設(shè)定波長自動(dòng)切換光源，保證在全光譜范圍內(nèi)獲得穩(wěn)定、均勻的光強(qiáng)。

2. 單色器原理

單色器是BioMate 160的核心光學(xué)部件，其作用是從連續(xù)光譜中選取所需波長。主要由衍射光柵和光闌系統(tǒng)構(gòu)成。

• 衍射光柵利用光的衍射與干涉效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高分辨率分光。

• 狹縫結(jié)構(gòu)控制光束寬度，提升波長純度。

最終，單色器確保到達(dá)樣品的光是近乎單一波長，從而提高檢測選擇性和靈敏度。

3. 樣品室與光路

樣品通常放置在石英比色皿中，光程一般為1 cm。BioMate 160設(shè)計(jì)了自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)和多種比色皿架，以確保光束通過樣品中心，避免因位置偏差造成的誤差。

四、光電檢測原理

1. 光電探測器的選擇

BioMate 160采用高靈敏度 硅光二極管（Si Photodiode） 作為探測器。硅光二極管具有以下特點(diǎn)：

• 響應(yīng)范圍寬，覆蓋190–1100 nm；

• 暗電流低，信噪比高；

• 穩(wěn)定性強(qiáng)，適合長期運(yùn)行。

在檢測過程中，透射光子入射到探測器表面，引發(fā)光電效應(yīng)，釋放電子并形成電流。

2. 光電效應(yīng)的物理基礎(chǔ)

當(dāng)光子能量大于半導(dǎo)體材料的帶隙時(shí)，價(jià)帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，形成電子-空穴對(duì)。在外加偏置電壓作用下，這些載流子被收集，從而產(chǎn)生與光強(qiáng)成正比的電信號(hào)。

3. 電信號(hào)的放大與處理

探測器輸出的電流信號(hào)非常微弱，需要經(jīng)過以下步驟：

• 前置放大器：將電流轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)并放大；

• 濾波電路：去除噪聲與雜散信號(hào)；

• 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）：將模擬信號(hào)數(shù)字化；

• 軟件運(yùn)算：計(jì)算透射率、吸光度并輸出濃度結(jié)果。

五、雙光束檢測原理

1. 單光束與雙光束比較

傳統(tǒng)單光束分光光度計(jì)需要手動(dòng)測定空白和樣品，而BioMate 160采用 雙光束光路設(shè)計(jì)，即一束光經(jīng)過樣品，另一束光作為參比。

2. 雙光束的優(yōu)勢(shì)

• 實(shí)時(shí)修正光源波動(dòng)；

• 消除比色皿差異；

• 提高長期穩(wěn)定性與精密度。

BioMate 160在雙光束系統(tǒng)中采用分光鏡將光路分為兩部分，分別通過參比室和樣品室，再由探測器比較信號(hào)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)高精度測量。

六、信號(hào)處理與數(shù)據(jù)分析

1. 吸光度計(jì)算

通過測得入射光強(qiáng)（I0I_0I0）和透射光強(qiáng)（$I$），計(jì)算透射率（T=I/I0T=I/I_0T=I/I0），再求得吸光度：

A=?log?10(T)A = -\log_{10}(T)A=?log10(T)

2. 定量分析

通過標(biāo)準(zhǔn)曲線法、多點(diǎn)校準(zhǔn)或內(nèi)標(biāo)法，將吸光度與濃度對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)定量分析。

3. 數(shù)據(jù)修正與算法優(yōu)化

BioMate 160內(nèi)置算法可進(jìn)行：

• 基線校正：去除溶劑和器皿影響；

• 背景扣除：消除雜散光干擾；

• 譜帶平滑：提高信噪比，便于觀察吸收峰。

七、誤差來源與控制

1. 光學(xué)誤差

雜散光、波長不準(zhǔn)都會(huì)影響數(shù)據(jù)。BioMate 160通過高精度光柵與密封光路設(shè)計(jì)降低誤差。

2. 電學(xué)噪聲

探測器暗電流和電子噪聲會(huì)干擾信號(hào)。采用低噪聲電路與濾波算法可有效改善。

3. 樣品因素

渾濁、沉淀或氣泡均會(huì)導(dǎo)致散射，需在前處理階段嚴(yán)格控制。

八、應(yīng)用實(shí)例

1. 核酸與蛋白質(zhì)檢測

• 在260 nm測定核酸濃度，并通過260/280比值判斷純度；

• 在280 nm檢測蛋白質(zhì)，結(jié)合比爾定律計(jì)算濃度。

2. 化學(xué)分析

• 通過顯色反應(yīng)測定金屬離子濃度；

• 利用特征吸收峰進(jìn)行有機(jī)化合物鑒別。

3. 環(huán)境與食品檢測

• 測定水樣中硝酸鹽、磷酸鹽等無機(jī)污染物；

• 分析食品中的天然色素或添加劑含量。

九、BioMate 160光電檢測的優(yōu)勢(shì)

1. 寬光譜范圍：190–1100 nm，覆蓋紫外-可見-近紅外。

2. 高穩(wěn)定性：雙光束設(shè)計(jì)消除光源波動(dòng)影響。

3. 靈敏度強(qiáng)：硅光二極管探測器配合優(yōu)化電路，實(shí)現(xiàn)低噪聲檢測。

4. 智能化分析：內(nèi)置軟件自動(dòng)完成數(shù)據(jù)處理與曲線擬合。

5. 適用性廣：可滿足生物學(xué)、化學(xué)、環(huán)境科學(xué)等多學(xué)科需求。

十、結(jié)論

賽默飛BioMate 160分光光度計(jì)的光電檢測原理體現(xiàn)了現(xiàn)代光學(xué)與電子技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。通過穩(wěn)定的光源系統(tǒng)、精密的單色器、雙光束光路設(shè)計(jì)以及高靈敏度光電探測器，儀器能夠?qū)崿F(xiàn)從紫外到可見光區(qū)域的高精度光譜檢測。其核心在于將微弱的光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)化為可量化的電信號(hào)，再經(jīng)由數(shù)學(xué)處理實(shí)現(xiàn)物質(zhì)濃度與結(jié)構(gòu)信息的解析。

憑借高靈敏度、寬適用范圍與優(yōu)良的穩(wěn)定性，BioMate 160不僅適合日常定量檢測，更在分子生物學(xué)、環(huán)境監(jiān)測及質(zhì)量控制中展現(xiàn)出重要價(jià)值。對(duì)于科研人員和分析檢測人員而言，深入理解其光電檢測原理，有助于更好地掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果解讀，從而發(fā)揮設(shè)備的最大潛能。