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魔术师S三兄弟

夕阳

2013/08/12
x射线仪器

私聊

紫外可见分光光度计（UV）

（一）前言

提起分光光度计里的S三兄弟，相信凡是使用过紫外可见分光光度计的版友们可能都不面生。其实这弟兄仨都是分光光度计仪器条件里的某一项参数，他们分别是：“扫描速度”（Scan speed），“狭缝宽度”（Sliit width），和“采样间隔”（Sampling interval）。他们在仪器参数设置表上的位置见图-1所示：

图-1 三兄弟在参数表里的位置

由于这三个参数的英文名称的头一个字母都是S，所以我将他们称之为S三兄弟。各位看官可千万别小看了这三兄弟，一个样品的扫描图谱质量的好坏和真实性，完全取决于他们三兄弟的正确的设置。正是由于他们三兄弟的不同组合，才会演绎出不同的谱图。

（二）S三兄弟的功能介绍

（1）扫描速度（Scan speed）

众所周知，分光光度计都有一项扫描功能（备注：低档的仪器可能无此项功能），其作用就是观察某一个样品在某一个波长范围内的图谱分布情况，以作分析研究之用。为此，当扫描波长范围确立之后，扫描速度就决定了图谱出现的迟早了。这就类似数学的行程类算题里的距离→ 速度 → 时间的三者关系一样。至于要选择多快的扫描速度，这就要具体情况具体分析了。

如果待测的样品量比较大或者仅仅是宏观地观察一下样品的出峰形状，也就是我们常说的定性的分析，就可以适当选择扫描速度快一些；如果要从事研究工作，需要对检品做细致入微的观察，那不妨将扫描速度放慢一些。在我例举的这台仪器上，关于扫描速度设定范围如图-2所示：

图-2 扫描速度参数的设定范围

既然是速度那就会牵扯到时间的概念，扫描速度就是在某一个特定的单位时间内所运行的距离。在这里，扫描速度反映的就是在一分钟的时间里，波长电机转动不同的圈数，以带动光栅转动不同的角度，从而移动了不同的波长范围。一旦当波长参数的起止范围确立之后，扫描速度越快，所完成的测量时间越短；反之则长。在图-2的实例中，最慢的扫描速度为每分钟0.3nm，最快的扫描速度为每分钟1800nm；扫描速度选择的越慢，得到的样品的图谱越接近真值，但是耗时也相应加长。当选择自动档 (Auto)后，仪器会根据狭缝的宽度和采样间隔的大小，自行调整扫描速度的。

（2）狭缝宽度（Slit）

狭缝这个参数在有的仪器里也称之为“光谱带宽”（Spectal Bandpass），也算是S兄弟啦！在这里的狭缝其实所指的就是光谱带宽的物理含义。严格地讲，狭缝与带宽不是同一个概念。试想，狭缝的机械宽度用肉眼都可以看到，其宽度一般在零点几至几个mm的范围，而光谱带宽为零点几至几个nm，这之间相差一千倍呢。但是在这里例举的狭缝参数的单位却也是用nm来表示，追究其原因就是人们将“带宽”的概念通俗化为“狭缝”了。

光谱带宽实际上就是反映了一台仪器光谱的分辨率，表示单色光的纯度的一个指标。它与狭缝的机械宽度有一定的联系，但不是决定因素；决定光谱带宽的主要是光栅的色散率。

当仪器的狭缝选择较窄时，通过的单色光比较“纯”，因此分辨率较高；但是一切事物都是一分为二的，狭缝窄了，光透量也减弱了，仪器的信噪比也会相应变差。

反之，当狭缝选择过宽后，尽管由于光透量增加而提高了信噪比，但是分辨率会严重下降，甚至会使峰形产生畸变。

值得一提的是，在某些中档仪器中，狭缝的设计仅有一档，一般为 2nm。关于本文中例举的仪器的狭缝设置范围共有0.1nm,0.5nm,1nm,2nm,4nm,5nm六档；如图-3所示：

图-3 狭缝宽度参数的设置范围

（3）采样间隔（Sampling）

许多仪器的使用者，对扫描速度和狭缝这两个参数的理解还算是比较透彻，但是对于采样间隔的理解恐怕就不是那样清晰了。所谓的采样间隔，实际就是为测试结果的数据处理提供一个自变量的函数值。在本文例举的仪器中这个参数是以波长为单位的（nm），但是有的仪器却是以时间（S秒）为单位的，其效果和计算原理是一样的。本文采样间隔的取值范围见图-4所示：

图-4 采样间隔参数的设置范围

采样间隔取值大小是很有讲究的；如果单纯的从间隔取值而言，取值越小，采集的数据点就越密集，所测得的样品的结果就越接近真值，峰形的分辨率好，测试值偏高，但重现性不好。反之取值间隔过大时，由于数据处理的平均化加强，造成测试结果的重现性变好，但测试值降低了。同时对于扫描峰形而言，分辨率会变差，峰形变钝。

实际上，设置采样间隔时还要参考另外扫描速度和波长范围两个弟兄的因素，这样才能得到最佳的测试结果。这三兄弟之间的相互匹配关系见图-5所示：

图-5 扫描速度，波长范围与采样间隔的匹配关系

从上表的匹配关系不难看出两点：

a.扫描速度越快，采样间隔取值越大。 b.扫描波长范围越短，采样间隔取值越小。

这里值得提出的是：如果扫描速度与波长范围的采样间隔取值发生矛盾时，以最大的间隔取值为主。此外，采样间隔选择自动（Auto）时，采样间隔会依照扫描速度和波长范围自动调整。

（三）S三兄弟的魔术表演

为了进一步阐述三兄弟的相互关系，我特意做了一个小小的实验，以证实三者相互匹配对测试结果的影响。
仪器：U-3900型分光光度计
样品：标准钬玻璃（国家计量院）
图例：S1代表扫描速度，S2代表狭缝宽度，S3代表采样间隔

A．改变扫描速度的实验

（1） S1=300 S2=2 S3=Auto

图-6 仪器条件（扫描速度300nm/min）

图-7 测试结果（445nm的峰值1.875Abs，圆圈里有三个峰）

（2） S1=600 S2=2 S3=Auto

图-8 扫描条件（扫描速度600nm/min）

图-9 测试结果（445nm的峰值1.620Abs，圆圈里剩下两个峰，分辨率下降了）

（3）S1=1200 S2=2 S3=Auto

图-10 扫描条件（扫描速度1200nm/min）

图-11测试结果（445nm的峰值0.828Abs，圆圈里剩下一个峰，分辨率严重下降）

上述三种扫描速度的测试结果的合并图如图-12所示：

图-12 三种扫描速度下的测试结果的合并图谱

实验结果小结：
当狭缝(2nm)和采样间隔(Auto)的参数固定后，随着扫描速度的逐渐加快，测试结果的吸光值逐渐降低，样品图谱的分辨率严重下降。所以扫描越慢所得到的结果越接近真值。

B．改变狭缝（带宽）的实验

（1）S1=300 S2=0.1 S3=Auto

图-13 扫描条件 (Slit=0.1nm)

图-14 测试结果（444.5nm的特征峰强度可达10Abs，）

（2）S1=300 S2=0.5 S3=Auto

图-15 扫描条件 (Slit=0.5nm)

图-16 测试结果（444.5nm的特征峰强度下降到3.098Abs，）

（3）S1=300 S2=5 S3=Auto

图-17 扫描条件 (Slit=5nm)

图-18 测试结果（444.5nm的特征峰强度下降到1.110Abs了，同时图谱的分辨率严重下降了，红圈里的峰由三个变为两个了）

上述三种狭缝宽度的测试结果的合并图如图-19所示：

图-19 三种狭缝宽度的测试结果的合并图

实验结果小结：
在扫描速度（中速）和采样间隔参数固定后，随着狭缝（带宽）幅度的扩大，测试值在逐渐减少，同时图谱的峰形的分辨率也随之下降。值得一提的是，有的资料谈到“随着狭缝的减少，光透量也减少，所以测试结果的灵敏度也会下降”的观点。但是在这里的实验却得到了截然相反的结果；我想这其中的原因就是：当狭缝减小后，所通过样品的单色光的纯度反而增加了，致使单色光中的杂散光和谐波的成分受到了抑制的结果。至于为何有的仪器在小狭缝状态下的吸光度确实有所下降的现象,我推测是因为扫描速度太快了和采样间隔太大了的双重原因在作祟。

C．改变采样间隔的实验

（1） S1=300 S2=2 S3=0.5

图-20 扫描条件（采样间隔0.5nm）

图-21 测试结果（445nm峰值=1.896Abs）

（2）S1=300 S2=2 S3=5

图-22 扫描条件（采样间隔5nm）

图-23 测试结果（445nm峰值=0.563Abs，同时图谱的分辨率严重下降，但是轮廓很光滑）

上述二种采样间隔的测试结果的合并图如图-24所示：

图-24 二种采样间隔的测试结果的合并图

实验结果小结：
在中等扫描速度（300nm）和标准狭缝（2nm）固定后，采样间隔越小，采集的数据点越稠密，所测得的数据越接近真值，同时峰形的分辨率越高。反之，采样间隔加大，数据采集点稀疏，测试数据值会降低，且图谱的分辨率大大降低。

（五）结束语

（1）尽管分光光度计是一种最常见，最普通的分析仪器，但是要想正确地熟练地使用它，还是要下一番功夫的；这就是俗话所讲的“事无巨细”的道理。

（2）在分光光度计的参数设定中，扫描速度、狭缝（带宽）、采样间隔三个参数是影响分析结果的最重要的因素；要想得到最佳的测试结果，必须掌握三者的相互匹配关系。

（3）对于一般分析而言：扫描速度选择中、低速度(＜300nm/min)，狭缝选择中档(1～2nm),采样间隔选择自动(Auto)为上佳。

（4）尤其是扫描速度和狭缝的匹配，如果扫描速度选择≥1200nm/min，狭缝选择＜0.5nm或者＞2nm时，有可能将细微的峰形结构给丢失或平均化掉；此种案例不乏枚举。

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qq250083771

第1楼2013/08/12

应助达人

恭喜安老师新作诞生幽默诙谐的一种方式讲述一个理论问题，看着不是那么枯燥乏味，学生得好好和安老师学习啊

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私聊

夕阳

第2楼2013/08/12

应助达人

文章原本想用拟人手法写的，后来又改回来了。凑合看吧！
qq250083771(qq250083771) 发表:恭喜安老师新作诞生幽默诙谐的一种方式讲述一个理论问题，看着不是那么枯燥乏味，学生得好好和安老师学习啊

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汪阳

第4楼2013/08/12

师傅，徒弟拜读您的大作啦，这篇文章我知道师傅准备很久了，辛苦了！

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透明

第5楼2013/08/12

一般都采用系统默认的，还处在初级阶段啊~

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tutm

第6楼2013/08/12

谢谢an老师大作，学习啊！

其中关于扫描速度与分辨率问题，过去好像讨论过，
http://bbs.instrument.com.cn/shtml/20100802/2696718/index_1.shtml

今天这个帖子内容增加了不少，值得使用者关注、学习。

我想就A部分（扫描速度）的试验提些建议。an老师将这部分具体的条件贴了上来。

做过一些研究的人可能都喜欢了解这个现象的本质是怎么回事，为了揭示这一现象的原因，在上面这个链接中（三年前的），zwyu版友针对这个现象提了很好的试验建议（链接的6楼）。我看了一下，觉得这次an老师的试验再次展示了扫描速度的影响，但从这部分测试的结果中还是没有设置进一步分析原因的基本条件，具体来说就是A部分（改变扫描速度）的Sampling都设置成了AUTO。这就给分析原因带来了不可知的因素。这三种扫描速度条件下，取样间隔自动取值了，可能都不相同，那结果自然是不可比较的，出现峰的融合也可能就是这个Sampling不同造成的。建议an老师能否将这个参数也固定下来，比如设置为0.5nm，这样才可能有可比性。

如果取样间隔也固定后，结果如zwyu所说的“差别不大”，那说明这款仪器设计非常好；它尽可能适应了不同扫描要求的用户条件，也尽可能利用了其中各元器件的时间响应特性；扫描速度选项对研究型用户来说只要注意条件设置是很方便实用的。

如果这样设置后测得的结果仍然有如此明显的差异，那说明这样的扫描速度选择只是一种近乎“摆设”的选项，使用者要十分小心，慎重使用，不然扫描的结果是不可预知的；造成这种后果的原因也许就是zwyu所说的积分时间不同产生的。这样也可以推测仪器的设计者在积分时间上可能设置了“AUTO”，并且可能为了得到高速扫描指标，将积分时间的自动取值扩展（或缩短）到了不可靠的范围了。

谢谢an老师细致耐心的写作！

分
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私聊

夕阳

第7楼2013/08/12

应助达人

tutm老师的眼光的确非常犀利啊，看问题一针见血！

关于扫描速度变化的试验，此文后期编写时，我也意识到了当时采样间隔选用AUTO档有些不太严谨。因为在300nm和600nm的扫描速度下，自动间隔设置会将采样间隔设定均为0.5nm，而在1200nm的扫描速度下，自动间隔设置会将采样间隔设置为1nm了。如此，二者的采样间隔相差了1倍。但是在300nm 和600nm的扫描速度下，采样间隔都是一样的(0.5nm)，所以在测试结果中已经凸显出钬玻璃的峰形的分辨率下降了（图-7，图-9所示），在此情况下，即便在1200nm的扫描速度下将采样间隔设定为0.5nm，效果也是一样的。因为该实验是在其他用户处的仪器上完成的，而我手头没有此型号的仪器，只好将就了。如果在扫描速度的概念试验中，将采样间隔均设定为一个固定的数值，例如0.5nm，那样就更有说服力啦！这个遗憾和短板，容我过几天去其他用户处借用仪器再重复试验后，重新补充吧！
tutm(tutm) 发表:谢谢an老师大作，学习啊！

其中关于扫描速度与分辨率问题，过去好像讨论过，
http://bbs.instrument.com.cn/shtml/20100802/2696718/index_1.shtml

今天这个帖子内容增加了不少，值得使用者关注、学习。

我想就A部分（扫描速度）的试验提些建议。an老师将这部分具体的条件贴了上来。

做过一些研究的人可能都喜欢了解这个现象的本质是怎么回事，为了揭示这一现象的原因，在上面这个链接中（三年前的），zwyu版友针对这个现象提了很好的试验建议（链接的6楼）。我看了一下，觉得这次an老师的试验再次展示了扫描速度的影响，但从这部分测试的结果中还是没有设置进一步分析原因的基本条件，具体来说就是A部分（改变扫描速度）的Sampling都设置成了AUTO。这就给分析原因带来了不可知的因素。这三种扫描速度条件下，取样间隔自动取值了，可能都不相同，那结果自然是不可比较的，出现峰的融合也可能就是这个Sampling不同造成的。建议an老师能否将这个参数也固定下来，比如设置为0.5nm，这样才可能有可比性。

如果取样间隔也固定后，结果如zwyu所说的“差别不大”，那说明这款仪器设计非常好；它尽可能适应了不同扫描要求的用户条件，也尽可能利用了其中各元器件的时间响应特性；扫描速度选项对研究型用户来说只要注意条件设置是很方便实用的。

如果这样设置后测得的结果仍然有如此明显的差异，那说明这样的扫描速度选择只是一种近乎“摆设”的选项，使用者要十分小心，慎重使用，不然扫描的结果是不可预知的；造成这种后果的原因也许就是zwyu所说的积分时间不同产生的。这样也可以推测仪器的设计者在积分时间上可能设置了“AUTO”，并且可能为了得到高速扫描指标，将积分时间的自动取值扩展（或缩短）到了不可靠的范围了。

谢谢an老师细致耐心的写作！

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tutm

第8楼2013/08/12

呵呵，an老师已经考虑和注意到了，真是厉害！

300和600nm/min是一样的话，那只能想象为积分时间可能有所变了；但有点想不通，积分时间和同一波长点的次数平均值应该只是消除噪音的，怎么会处理成波形变化？

你的试验，每次不同速度扫描是不是都在同一速度下扫描基线，然后扣除？要么300nm/min以上，每点的时间间隔小于0.1s，可取的积分时间太短，数据都做了平滑？我想这应该是数据处理方法产生的结果，原始采集的数据不会如此的。这只有等专业设计人员来解惑了，也许这速度早就超出检测器的反应速度了。
夕阳(anping) 发表:tutm老师的眼光的确非常犀利啊，看问题一针见血！

关于扫描速度变化的试验，此文后期编写时，我也意识到了当时采样间隔选用AUTO档有些不太严谨。因为在300nm和600nm的扫描速度下，自动间隔设置会将采样间隔设定均为0.5nm，而在1200nm的扫描速度下，自动间隔设置会将采样间隔设置为1nm了。如此，二者的采样间隔相差了1倍。但是在300nm 和600nm的扫描速度下，采样间隔都是一样的(0.5nm)，所以在测试结果中已经凸显出钬玻璃的峰形的分辨率下降了（图-7，图-9所示），在此情况下，即便在1200nm的扫描速度下将采样间隔设定为0.5nm，效果也是一样的。因为该实验是在其他用户处的仪器上完成的，而我手头没有此型号的仪器，只好将就了。如果在扫描速度的概念试验中，将采样间隔均设定为一个固定的数值，例如0.5nm，那样就更有说服力啦！这个遗憾和短板，容我过几天去其他用户处借用仪器再重复试验后，重新补充吧！