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應用 Cary分光光度計表征亞納米級窄帶濾光片
閱讀：172 發布時間：2024-10-31摘要與利用單色器中的光柵分光相比，利用帶通濾光片來分離窄波長區域是一種更加經濟方便的方式。很多商品化的帶通濾光片具有 10 nm 左右的半高寬 (FWHM)，本應用簡報介紹了利用 Cary UV-Vis-NIR 分光光度計技術表征 3 塊亞納米級 FWHM 帶通濾光片，結果顯示其中 1 塊濾光片的 FWHM 帶寬為 3.1 ?，另外 2 塊濾光片的FWHM 帶寬為 1.2 ?。
討論要確保亞納米級 FWHM 帶通濾光片得到成功表征，需要優化好儀器的參數，選擇合適的樣品固定方式。這種類型樣品的測試對于光譜工作者來說是一個頗具挑戰性的項目，用 CaryUV-Vis-NIR 分光光度計能夠得到很好的測試結果，從而也證明了它的優異性能。在測試中，建議先將分光光度計預熱 1 小時，然后關機，隨即重新啟動系統，讓系統完成初始化（重置），在開始測試樣品前，還需要利用驗證軟件應用程序進行波長驗證測試，檢查儀器波長是否處于正常狀態。帶通濾光片的功能是基于干涉原理來實現的，所以它們對入射光的角度比較敏感。隨著入射光角度的增加，波峰略微向短波長漂移，相反，隨著溫度的增加，波峰略微向長波長漂移。為了消除溫度對測試結果的影響，窄帶濾光片通常在特定的溫度下測試，一般來說是 23 °C。
從圖 1 和圖 2 中可以清楚地看出，在測試時，需要特別注意實驗室溫度不要大幅度地波動，如果儀器的固體樣品支架正確安裝，并且濾光片和固體樣品支架之間沒有夾雜其他異物的情況下，入射角度一般不會超過 1°。方程 1 可以用來計算在平行光照射下，入射角高達 15° 下濾光片中心波長的漂移情況。方程 1. Iθ = Io[1 – (Ne/N*)2 sin2θ]1/2方程中：Iθ = 入射角度下濾光片中心波長Io = 垂直入射時濾光片中心波長Ne = 外部環境的折射率N* = 濾光片的折射率（參考制造商規格）θ = 入射角對于會聚光和發散型的光，波長漂移稍微會低些，此時，錐角應該作為因變量。一個比較好的估計波長漂移的方法是在方程 1中將錐角作為 θ 角，將計算得到的 Iθ 除以 2。圖 1 和圖 2 顯示了中心波長隨著溫度和入射角度變化的大致趨勢。一般來說，溫度變化 5 °C 或者角度變化 1°，中心波長的漂移將可能達到 0.05 nm。
儀器因素分光光度計的狹縫高度要設置在降低的位置，選擇雙光束測試模式，獨立控制的標簽要激活，以便于將光譜帶寬 (SBW) 值設置為 0.040 nm 以下。SBW 和數據間隔的設置要確保在濾光片的帶寬范圍內采集得到足夠的數據點。從圖 3 中可以看出FWHM 和波峰位置與 SBW 之間的密切關系。隨著 SBW 的增加，波峰位置和最大透射率百分比降低。
對于 Cary UV-Vis-NIR，設置狹縫為降低的高度，在樣品前后50 mm 各放置一個 1 mm 的光闌時，錐角會從最大 5.0° 降低到 0.6°。0.6o 的錐角可以將窄帶濾光片的中心波長漂移降低到 0.05 nm 以下。在樣品安裝的過程中，需要注意使 1 mm光闌處于光斑的中心位置，并且兩個光闌中心點的連線與光路平行。可以通過調節兩個光闌，在軟件上同步監控光通量的大小，來獲得最佳的位置。
首先，在樣品光路中放入一個 1 mm 孔徑的光闌，將儀器波長設置到常用的光譜帶寬 SBW（例如 1.5 nm）時，掃描得到的中心波長的位置。調節光闌的高度，直到軟件上顯示 %T 值達到最大，用螺釘鎖定光闌的位置。在參考光路前后各放入一個 5 mm 的光闌，并將信號最小化。選擇 5 mm 光闌的原因在于相對 1 mm 光闌來說其位置比較好調節。為了保證分光光度計的完整動態范圍，此時后光路中需要加衰減器，1.1 Abs 的后光路衰減器 (RBA) 足以使采集過程的基線掃描低于 100%。最后，在后光路中再放入兩個 5 mm 孔徑的光闌和RBA，在樣品光路的后面再放入一個 1 mm 孔徑的光闌，并調節其位置得到最佳的光通量，然后鎖定其位置。位置調節好后，重新檢查前后光闌的位置，以確保儀器具有最大的光通量。測試樣品前，要先進行 100%T 和 0%T 背景掃描，應選擇合適的信號平均時間以實現可接受的信噪比。對于亞納米級的 FWHM 帶通濾波片，該值可能至少高于 5 秒，此時，如果采樣間隔為 3 nm，掃描一個樣品的可見光譜可能需要 20 分鐘。或者，也可以使用軟件的信噪比 (S/N) 控制功能來大幅縮短掃描時間。通過選擇所需的 S/N 值，掃描速率將在光譜噪聲較少的區域自動增加。圖 4 和圖 5 顯示了三種不同窄帶濾光片的光譜。