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分光光度计

2019-08-05 07:45 来源: 震仪

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  分光光度计,又称光谱仪(spectrometer),是将成分复杂的光,分解为光谱线的科学仪器。测量范围一般包括波长范围为380~780 nm的可见光区和波长范围为200~380 nm的紫外光区。不同的光源都有其特有的发射光谱,因此可采用不同的发光体作为仪器的光源。钨灯的发射光谱:钨灯光源所发出的380~780nm波长的光谱光通过三棱镜折射后,可得到由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫组成的连续色谱;该色谱可作为可见光分光光度计的光源。

  分光光度法是在特定波长处或一定波长范围内光的吸收度,对该物质进行定性或定量分析。常用的波长范围为:(1)200~380nm的紫外光区,(2)380~780nm的可见光区,(3)2.5~25μm(按波数计为4000cm-1~400cm-1)的红外光区。所用仪器为紫外分光光度计、可见光分光光度计(或比色计)、红外分光光度计或原子吸收分光光度计。为保证测量的精密度准确度,所有仪器应按照国家计量检定规程或本附录规定,定期进行校正检定。

  分光光度计已经成为现代分子生物实验室常规仪器。常用于核酸,蛋白定量以及细菌生长浓度的定量。

  仪器主要由光源、单色器、样品室、检测器、信号处理器和显示与存储系统组成。

  包括波长范围为400~760 nm的可见光区和波长范围为200~400 nm的紫外光区。不同的光源都有其特有的发射光谱,因此可采用不同的发光体作为仪器的光源。

  钨灯的发射光谱:钨灯光源所发出的400~760nm波长的光谱光通过三棱镜折射后,可得到由红橙,黄绿,蓝靛,紫组成的连续色谱;该色谱可作为可见光分光光度计的光源。

  氢灯(或氘灯)的发射光谱:氢灯能发出185~400 nm波长的光谱可作为紫外光光度计的光源。

  如果在光源和棱镜之间放上某种物质的溶液,此时在屏上所显示的光谱已不再是光源的光谱,它出现了几条暗线,即光源发射光谱中某些波长的光因溶液吸收而消失,这种被溶液吸收后的光谱称为该溶液的吸收光谱。

  不同物质的吸收光谱是不同的.因此根据吸收光谱,可以鉴别溶液中所含的物质。

  当光线通过某种物质的溶液时透过的光的强度减弱,因为有一部分光在溶液的表面反射或分散,一部分光被组成此溶液的物质所吸收只有一部分光可透过溶液。

  如果我们用蒸馏水(或组成此溶液的溶剂)作为空白去校正反射,分散等因素造成的入射光的损失则:

  分光光度计采用一个可以产生多个波长的光源,通过系列分光装置,从而产生特定波长的光源,光线透过测试的样品后,部分光线被吸收,计算样品的吸光值,从而转化成样品的浓度。样品的吸光值与样品的浓度成正比。

  单色光辐射穿过被测物质溶液时,被该物质吸收的量与该物质的浓度和液层的厚度(光路长度)成正比,其关系如下式:

  物质对光的选择性吸收波长,以及相应的吸收系数是该物质的物理常数。当已知某纯物质在一定条件下的吸收系数后可用同样条件将该供试品配成溶液,测定其吸收度,即可由上式计算出供试品中该物质的含量。在可见光区,除某些物质对光有吸收外,很多物质本身并没有吸收但可在一定条件下加入显色试剂或经过处理使其显色后再测定,故又称比色分析。由于显色时影响呈色深浅的因素较多,且常使用单色光纯度较差的仪器,故测定时应用标准品或对照品同时操作。

  独特的双光路、双光束光学系统,仪器分辨率更高,杂散光更低,稳定性、可靠性更强,分析更加准确;

  独特的长光程光路设计,使仪器分辨率更高,尤其适合微量测试 强大的数据处理功能,使测试结果能得到充分的应用,用户编辑更为简单快捷;

  采用悬架式光学系统设计,整体光路独立固定在16mm厚的铝制无变形基座上,底板的变形和外界的震动对光学系统不产生任何影响,从而大大提高了仪器的稳定性和可靠性;

  0.1/0.2/0.5/1.0/2.0/4.0六档光谱带宽自动可选,满足不同用户的测量需求;

  功能更加强大,主机可独立完成光度测量、定量测量、光谱扫描、动力学、DNA/蛋白质测试,多波长测试及数据打印等功能;

  充分考虑不同用户的使用习惯,本系列仪器都标配元析公司光谱扫描软件,联机操作时,除能实现主机的所有测试功能外,还可实现更为强大的数据处理功能,并且使数据存储达到无限。

  型号UV-9000波长范围190-900nm;光谱带宽0.1/0.2/0.5/1.0/2.0/4.0nm六档可选波长,准确度±0.1nm(D2 656.1nm)、 ±0.3nm;全区域波长重复性≤0.1nm。

  核酸的定量是分光光度计使用频率最高的功能。可以定量溶于缓冲液的寡核苷酸,单链、双链DNA,以及RNA。核酸的最高吸收峰的吸收波长260 nm。每种核酸的分子构成不一,因此其换算系数不同。定量不同类型的核酸,事先要选择对应的系数。如:1OD 的吸光值分别相当于50μg/ml的dsDNA,37μg/ml的ssDNA,40μg/ml的RNA,30μg/ml的Olig。测试后的吸光值经过上述系数的换算,从而得出相应的样品浓度。测试前,选择正确的程序,输入原液和稀释液的体积,尔后测试空白液和样品液。然而,实验并非一帆风顺。读数不稳定可能是实验者最头痛的问题。灵敏度越高的仪器,表现出的吸光值漂移越大。

  事实上,分光光度计的设计原理和工作原理,允许吸光值在一定范围内变化,即仪器有一定的准确度和精确度。如Eppendorf Biophotometer的准确度≤1.0%(1A)。这样多次测试的结果在均值1.0%左右之间变动,都是正常的。另外,还需考虑核酸本身物化性质和溶解核酸的缓冲液的pH值,离子浓度等:在测试时,离子浓度太高,也会导致读数漂移如TE,可大大稳定读数。样品的稀释浓度同样是不可忽视的因素:由于样品中不可避免存在一些细小的颗粒,尤其是核酸样品。这些小颗粒的存在干扰测试效果。为了最大程度减少颗粒对测试结果的影响,要求核酸吸光值至少大于0.1A,吸光值最好在0.1-1.5A。在此范围内混合液不能存在气泡,空白液无悬浮物,否则读数漂移剧烈;必须使用相同的比色杯测试空白液和样品,否则浓度差异太大;换算系数和样品浓度单位选择一致;不能采用窗口磨损的比色杯;样品的体积必须达到比色杯要求的最小体积等多个操作事项。

  除了核酸浓度,分光光度计同时显示几个非常重要的比值表示样品的纯度,如A260/A280的比值,用于评估样品的纯度,因为蛋白的吸收峰是280nm。纯净的样品,比值大于1.8(DNA)或者2.0(RNA)。如果比值低于1.8 或者2.0,表示存在蛋白质或者酚类物质的影响。A230表示样品中存在一些污染物,如碳水化合物,多肽,苯酚等,较纯净的核酸A260/A230的比值大于2.0。A320检测溶液的混浊度和其他干扰因子。纯样品,A320一般是0。

  这种方法是在280nm波长,直接测试蛋白。选择Warburg 公式,光度计可以直接显示出样品的浓度,或者是选择相应的换算方法,将吸光值转换为样品浓度。蛋白质测定过程非常简单,先测试空白液,然后直接测试蛋白质。由于缓冲液中存在一些杂质,一般要消除320nm 的“背景”信息,设定此功能“开”。与测试核酸类似,要求A280的吸光值至少大于0.1A,最佳的线 之间。实验中选择Warburg 公式显示样品浓度时,发现读数“漂移”。这是一个正常的现象。事实上,只要观察A280的吸光值的变化范围不超过1%,表明结果非常稳定。漂移的原因是因为Warburg 公式吸光值换算成浓度,乘以一定的系数,只要吸光值有少许改变,浓度就会被放大,从而显得结果很不稳定。蛋白质直接定量方法,适合测试较纯净、成分相对单一的蛋白质。紫外直接定量法相对于比色法来说,速度快,操作简单;但是容易受到平行物质的干扰,如DNA的干扰;另外敏感度低,要求蛋白的浓度较高。

  蛋白质通常是多种蛋白质的混合物,比色法测定的基础是蛋白质构成成分:氨基酸(如酪氨酸,丝氨酸)与外加的显色基团或者染料反应,产生有色物质。有色物质的浓度与蛋白质反应的氨基酸数目直接相关,从而反应蛋白质浓度。

  :以最早期的Biuret 反应为基础,并有所改进。蛋白质与Cu2 反应,产生蓝色的反应物。但是与Biuret 相比,Lowry 法敏感性更高。缺点是需要顺序加入几种不同的反应试剂;反应需要的时间较长;容易受到非蛋白物质的影响;含EDTA,Triton x-100,ammonia sulfate 等物质的蛋白不适合此种方法。

  :这是一种较新的、更敏感的蛋白测试法。要分析的蛋白在碱性溶液里与Cu2 反应产生Cu ,后者与BCA形成螯合物,形成紫色化合物,吸收峰在562nm波长。此化合物与蛋白浓度的线性关系较强,反应后形成的化合物非常稳定。相对于Lowry法,操作简单,敏感度高。但是与Lowry法相似的是容易受到蛋白质之间以及去污剂的干扰。

  :这种方法的原理是蛋白质与考马斯亮兰结合反应,产生的有色化合物吸收峰595nm。其最大的特点是,敏感度好,是Lowry 和BCA 两种测试方法的2 倍;操作更简单,速度更快;只需要一种反应试剂;化合物可以稳定1小时,方便结果;而且与一系列干扰Lowry,BCA 反应的还原剂(如DTT,巯基乙醇)相容。但是对于去污剂依然是敏感的。最主要的缺点是不同的标准品会导致同一样品的结果差异较大,无可比性。

  某些初次接触比色法测定的研究者可能为各种比色法测出的结果并不一致,感到迷惑,究竟该相信哪种方法?由于各种方法反应的基团以及显色基团不一,所以同时使用几种方法对同一样品得出的样品浓度无可比性。例如:Keller等测试人奶中的蛋白,结果Lowry,BCA 测出的浓度明显高于Bradford,差异显著。即使是测定同一样品,同一种比色法选择的标准样品不一致,测试后的浓度也不一致。如用Lowry测试细胞匀浆中的蛋白质,以BSA作标准品,浓度1.34mg/ml,以a球蛋白作标准品,浓度2.64mg/ml。因此,在选择比色法之前,最好是参照要测试的样本的化学构成,寻找化学构成类似的标准蛋白作标准品。另外,比色法定量蛋白质,经常出现的问题是样品的吸光值太低,导致测出的样品浓度与实际的浓度差距较大。关键问题是,反应后1011分光光度计的重要配件—— 比色杯的颜色是有一定的半衰期,所以每种比色法都列出了反应测试时间,所有的样品(包括标准样品),都必须在此时间内测试。时间过长,得到的吸光值变小,换算的浓度值降低。除此,反应温度、溶液PH值等都是影响实验的重要原因。此外,非常重要的是,最好是用塑料的比色法。避免使用石英或者玻璃材质的比色杯,因为反应后的颜色会让石英或者玻璃着色,导致样品吸光值不准确。

  实验室确定细菌生长密度和生长期,多根据经验和目测推断细菌的生长密度。在遇到要求较高的实验,需要采用分光光度计准确测定细菌细胞密度。OD600是追踪液体培养物中微生物生长的标准方法。以未加菌液的培养液作为空白液,之后定量培养后的含菌培养液。为了保证正确操作,必须针对每种微生物和每台仪器用显微镜进行细胞计数,做出校正曲线。实验中偶尔会出现菌液的OD值出现负值,原因是采用了显色的培养基,即细菌培养一段时间后,与培养基反应,发生变色反应。另外,需要注意的是,测试的样品不能离心,保持细菌悬浮状态。

  比色杯按照材质大致分为石英杯、玻璃杯以及塑料杯。根据不同的测量体积,有比色杯和毛细比色杯等。一般测试核酸和紫外定量蛋白,均采用石英杯或者玻璃杯,但是不适合比色法测定。因为反应中的染料(如考马斯亮兰)能让石英和玻璃着色,所以必须采用一次性的塑料杯。而塑料杯一般不适合用于在紫外范围内测试样品。

  由于另外测试的样品量不同,所以一般分光光度计厂家提供不同容积的比色杯以满足用户不同的需求。市场已经存在一种既可用于核酸、紫外蛋白质定量,亦可用于蛋白比色法测定的塑料杯,样品用量仅需50μl,比色杯单个无菌包装,可以回收样品。如Eppendorf UVette®塑料比色杯,是比色杯市场上一个革新。随着生命科学以及相关学科发展,对此类科学的实验研究提出更高的要求,分光光度计将是分子生物学实验室不可缺少的仪器,也成为微生物、食品、制药等相关实验室的必备设备之一。

  随着科技的发展,比色杯已经不是使用分光光度计时的必备物品。国外Nanodrop公司(现已被Thermo Fisher公司收购)生产的ND1000分光光度计与旧式分光光度计相比,已经可以做到无需稀释样品,无需使用比色杯,每次测量仅需1-2μl样品即可完成测量。

  2.将灵敏度开关调至“1”档(若零点调节器调不到“0”时,需选用较高档。)

  4.将空白液及测定液分别倒入比色杯3/4处,用擦镜纸擦清外壁,放入样品室内,使空白管对准光路。

  6.盖上暗箱盖,调节“100”调节器,使空白管的t=100,指针稳定后逐步拉出样品滑竿,分别读出测定管的光密度值,并记录。

  1.该仪器应放在干燥的房间内,使用时放置在坚固平稳的工作台上,室内照明不宜太强。热天时不能用电扇直接向仪器吹风,防止灯泡灯丝发亮不稳定。

  2.使用本仪器前,使用者应该首先了解本仪器的结构和工作原理,以及各个操纵旋钮之功能。在未按通电源之前,应该对仪器的安全性能进行检查,电源接线应牢固,通电也要良好,各个调节旋钮的起始位置应该正确,然后再按通电源开关。

  3.在仪器尚未接通电源时,电表指针必须于“0”刻线上,若不是这种情况,则可以用电表上的校正螺丝进行调节。

  分析仪器工作者要懂得仪器的日常维护和对主要技术指标的简易测试方法,自己经常对仪器进行维护和测试,以保证仪器工作在最佳状态。

  一、温度和湿度是影响仪器性能的重要因素。他们可以引起机械部件的锈蚀,使金属镜面的光洁度下降,引起仪器机械部分的误差或性能下降;造成光学部件如光栅、反射镜、聚焦镜等的铝膜锈蚀,产生光能不足、杂散光、噪声等,甚至仪器停止工作,从而影响仪器寿命。维护保养时应定期加以校正。应具备四季恒湿的仪器室,配置恒温设备,特别是地处南方地区的实验室。

  二、环境中的尘埃和腐蚀性气体亦可以影响机械系统的灵活性、降低各种限位开关、按键、光电偶合器的可靠性,也是造成必须学部件铝膜锈蚀的原因之一。因此必须定期清洁,保障环境和仪器室内卫生条件,防尘。

  三、仪器使用一定周期后,内部会积累一定量的尘埃,最好由维修工程师或在工程师指导下定期开启仪器外罩对内部进行除尘工作,同时将各发热元件的散热器重新紧固,对光学盒的密封窗口进行清洁,必要时对光路进行校准,对机械部分进行清洁和必要的润滑,最后,恢复原状,再进行一些必要的检测、调校与记录。

  分光光度计作为一种精密仪器,在运行工作过程中由于工作环境,操作方法等种种原因,其技术状况必然会发生某些变化,可能影响设备的性能,甚至诱发设备故障及事故。因此,分析工作者必须了解分光光度计的基本原理和使用说明,并能及时发现和排除这些隐患,对已产生的故障及时维修才能保证仪器设备的正常运行。

  1)若大幅度改变测试波长,需稍等片刻,等灯热平衡后,重新校正“0”和“100%”点。然后再测量。

  2)指针式仪器在未接通电源时,电表的指针必须位于零刻度上。若不是这种情况,需进行机械调零。

  3)比色皿使用完毕后,请立即用蒸馏水冲洗干净,并用干净柔软的纱布将水迹擦去,以防止表面光洁度被破坏,影响比色皿的透光率。

  5)1900型等分光光度计,由于其光电接收装置为光电倍增管,它本身的特点是放大倍数大,因而可以用于检测微弱光电信号,而不能用来检测强光。否则容易产生信号漂移,灵敏度下降。针对其上述特点,在维修、使用此类仪器时应注意不让光电倍增管长时间暴露于光下,因此在预热时,应打开比色皿盖或使用挡光杆,避免长时间照射使其性能漂移而导致工作不稳。

  7)比色杯的配套性问题。比色杯必须配套使用,否则将使测试结果失去意义。在进行每次测试前均应进行比较。具体方法如下;分别向被测的两只杯子里注入同样的溶液,把仪器置于某一波长处,石英比色杯;220nm、700nm装蒸馏水,玻璃比色杯:700nm处装蒸馏水,将某一个池的透射比值调至100%,测量其他各池的透射比值,记录其示值之差及通光方向,如透射比之差在±0.5%的范围内则可以配套使用,若超出此范围应考虑其对测试结果的影响。

  c)仪器严重受潮。解决方法:可打开光电管暗盒,用电吹风吹上一会儿使其干燥,并更换干燥剂。

  a)光能量不够。解决方法:增加灵敏度倍率档位,或更换光源灯(尽管灯还亮)。

  a)比色皿在比色皿架中放置的位置不一致,或其表面有液滴。解决方法:用擦镜纸擦干净比色皿表面,然后将其安放在比色槽的左边,上面用定位夹定位。

  a)预热时间不够。解决方法:延长预热时间至30分钟左右(部分仪器由于老化等原因,长时间处于工作状态时,也会工作不稳)。

  b)光电管内的干燥剂失效,使微电流放大器受潮。解决方法:烘烤电路,并更换或烘烤干燥剂。

  c)环境振动过大、光源附近空气流速大、外界强光照射等。解决方法:改善工作环境。

  便携式分光光度计快速测定水中镍 郑浩;张静;周伟峰;王玲玲;刀谞 中国环境监测 2015-02-15

  全自动生化分析仪用分光光度计的研究 霍建伟 中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2002-02-01

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