综述：超微量紫外可见分光光度计仪器及应用现状分析

李昌厚

(中国科学院上海生物工程研究中心上海 200233)

　　摘要

　　本文对超微量UVS仪器发展的重要性、超微量UVS仪器的基本原理、发展的必然性、使用者对超微量UVS的基本要求，以及超微量UVS在生命科学中的应用等作了简单论述。文中对国内外的几种主要超微量UVS仪器的特点、主要技术指标等作了简单介绍。同时，对如何重视和开展我国超微量UVS仪器及其应用研究、如何开展技术攻关、如何正确对待进口和国产仪器等等的有关问题进行了讨论。

　　一、前言

　　紫外可见分光光度计^[1](UVS)在现代分析测试工作中使用非常广泛，而带有各类微量比色皿的UVS应用更加广泛。目前，国外发达国家生产的UVS很多都带有微量比色皿，国内外很多厂商还推出了专用的微量UVS或超微量UVS，给使用者带来很多方便。我国生产UVS的企业很多，但是真正带有实用微量比色皿的仪器不是很多。 (这里是指常规UVS，国内的UVS大多数仪器也带有微量紫外比色皿，但是不好用或者不能用。而国外的常规紫外也带有微量紫外比色皿，基本上都能满足使用要求,如PE、岛津公司等等。)由于制造难度较大和重视不够，我国目前专用的微量UVS或超微量UVS还相对较少，应该引起高度重视。

　　目前，微量UVS和超微量UVS已成为现代分子生物学、药物学、食品科学等领域的常用仪器。目前很多微量UVS和超微量UVS，都具有样品用量少、无需比色皿、全波长扫描、检测速度快、无需预热、样品无需稀释、直接显示浓度值、专用软件齐全、操作简便等优点。大多数超微量紫外可见分光光度计检测样品的量一般都在0.5μL～2μL左右，样品直接滴在样品台上，无需比色皿。

　　本文将根据仪器学理论、分析化学理论和作者长期研发和使用各类分析仪器的实践，简单介绍超微量UVS仪器及其应用情况，同时对有关问题进行了讨论，可供有关分析仪器和仪器分析的管理者和广大科技工作者参考。

　　二、微量UVS和超微量UVS发展的重要性和必然趋势

　　微量UVS和超微量UVS，目前在我国的科研和工农业生产工作中使用已经非常广泛，很多科研领域，特别是生物技术领域和样品量非常少的分析检测工作，几乎都离不开微量和超微量UVS，它已经成为现代生物检测技术和微量分析检测工作中必备的仪器。其主要原因如下：

　　1、现代生物技术实验环节中，微量DNA、RNA、Protein及细菌生物密度的快速、准确定量检测需求大大促进了微量和超微量UVS的发展；

　　2、基本上绝大多数DNA、RNA、Protein及细菌生物都对紫外光或可见光有吸收，微量、超微量UVS仪器的光源比较容易得到；

　　3、微量UVS和超微量UVS之所以发展很快，还因为目前很多分析检测工作的样品量非常少、而且非常昂贵。

　　所以，超微量UVS仪器及应用的大发展是目前的必然趋势。

　　三、微量UVS超微量UVS的基本原理和要求

　　从仪器学理论^[2]来看，与传统的UVS一样，微量UVS及超微量UVS都是根据比耳定律(物质对光的吸收)制造的。在传统UVS中，样品通常装在玻璃或石英制的比色杯内，置于光路内测试样品的吸光度，然后与有关标准物质比对，通过比较计算浓度得到测试结果。微量UVS和超微量UVS也是同样测试样品的吸光度，然后与有关标准物质比对，通过比较计算浓度得到分析测试结果。但是，当样品量有限或高度浓缩时，需要花费时间稀释或使用超低容积的比色杯，容易产生误差，并且比色皿难于清洗干净。所以，微量UVS和超微量UVS制造难度增大，成本大大增加。

　　在超微量UVS中，一般样品体积为0.5～2.0 μL，往往将样品移至一个疏水性平面上，然后将测样头降低至样品顶端形成一个长度为0.2 mm或0.5 mm的极短光程区。我们之所以要求光路的光程长度短，主要是希望仪器能够检测体积小、浓度大或吸光度值高的样品。

　　现代分析检测技术工作，对微量UVS或微量UVS的要求主要有以下几个方面：

　　1、从仪器学理论和应用实践的角度来讲，对超微量UVS最重要的要求是可靠性好。而影响其可靠性的主要关键是四项性能技术指标，它们是制造者和使用者必须高度重视的四个问题^[4]、[2]。

　　(1)波长(波长范围和波长准确度)：因为生物样品中绝大多数吸收峰都在紫外区。例如：亮氨酸吸收峰在230nm左右、核酸的吸收峰在260nm、蛋白的吸收峰在280nm等，所以超微量UVS的波长范围，一定要涵盖紫外区。而超微量UVS一般是直接测量吸光度A，根据比耳定律，A=εbc，即吸光度与摩尔吸光系数ε、光程b和样品浓度c成正比。而ε与波长有关，不同的物质吸收波长不同，就会有不同的ε，不同的ε有不同的分析检测误差。所以，波长范围和波长准确度就直接影响分析检测误差，直接影响分析检测数据的可靠性。目前国内外的超微量UVS的波长范围一般是200-800nm，波长准确度一般要求±1nm。这个波长范围都覆盖了紫外光和可见光的区域，波长准确度都能满足使用要求。

　　(2)灵敏度：因为是微量或超微量检测，所以要求仪器的灵敏度很高，否则没有办法做微量或超微量检测。根据仪器学理论，影响超微量UVS仪器灵敏度的因素很多，如果用以下数学表达式描述，至少有式中所述的很多个方面，即灵敏度S=f(ε.b.c.Ф.K.D./N)，式中ε为摩尔吸光系数、b为光程(一般国内外的超微量UVS的光程为0.2mm左右)、c为被检测样品浓度、Ф为光源强度(一般使用氙灯)、K为电子学放大器的放大倍数、D为光电转换器或称之为光检测器(很多超微量UVS采用光电二极管或CCD)，超微量UVS的灵敏度S与这些指标成正比。N为光噪声(取决于光源的稳定性)和电噪声(包括电子学系统、光电转换系统等)。灵敏度S与噪声N成反比。所以，研发者、制造者和使用者都应该特别注意这些因素带来的各种问题。

　　(3)稳定性(包括重复性和漂移)：重复性是影响稳定性的两个主要因素之一，如果超微量仪器重复性差，广大使用者肯定不会欢迎。尤其是在用超微量UVS检测时，因为样品量少，如果仪器的重复性差，你做、我做、他做、今天做、明天做结果都不一样。或者同一台仪器，这个实验室和那个实验室做的检测结果不同，都不可能得到准确可靠的分析检测结果。使用者是不欢迎这种仪器的。不过，需要指出的是，因为超微量UVS的检测速度一般都很快，所以漂移不是最重要的指标。

　　(4)分析误差：用户买仪器的目的是做分析检测，分析检测的目的是得到一个数据，对数据要求的关键是准确，也就是说要求分析检测误差尽量小。因为微量和超微量UVS的样品量少，所以分析检测的相对误差就会大，因此，使用者要求超微量UVS的分析误差相对小者为好，这是超微量UVS使用者最基本的要求，也是最根本的要求。一般超微量UVS的分析误差，大概要求在1.0%左右。目前，国产超微量UVS基本上都给出相对分析检测误差(1.0%；有厂商用吸光度准确度表示，并给出误差为±0.0003Abs)，而进口的超微量UVS基本上都不给出仪器分析检测的相对误差。

　　四、微量UVS和超微量UVS在生命科学中的应用^[3]

　　1、核酸定量分析(核酸的吸收波长为260nm)

　　如质粒DNA (双链DNA, ds DNA)测定、基因组DNA测定、PCR引物(Oligo DNA)测定;总RNA、mRNA、 microRNA测定等。

　　核酸浓度=Abs ₂₆₀×浓度系数(dsDNA 50µg/µl, ssDNA 37µg/µl, RNA 40 ng/µl, Oligo 33 ng/µl)。

　　2、核酸纯度分析检测

　　A₂₆₀/A₂₈₀的比值：由于蛋白吸收峰为280nm，纯净的样品比值应为1.8(DNA)或者2.0(RNA)左右。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。

　　A₂₆₀/A230的比值：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表示检测溶液的混浊度和其他干扰因子，纯样品的A₃₂₀一般是0。(A₃₂₀表示在波长为320nm处，吸光度值的大小;其余类推)

　　下图是一个典型的多聚物核酸纯度分析结果：核酸吸光度为0.7Abs；而蛋白的吸光度为0.383Abs。

　　3、蛋白质定量分析(蛋白质的吸收波长为280nm)

　　A. 直接定量法

　　A₂₈₀(适用于高浓度的纯蛋白)

　　蛋白质(µg/µl) = 1.55 × Abs₂₈₀ – 0.76 × Abs₂₆₀(A₃₂₀表示的意义同上;µg/µl表示浓度;每µL样品中含有蛋白的µg数量)

　　测试波长：苯丙氨酸257nm；色氨酸280nm；酪氨酸275nm

　　B. 间接定量法

　　Bradford法 (595nm)，双缩脲法(546nm)，BCA法(562nm) 与 Lowry法(750nm) 定量蛋白质

　　Bradford法通过在595nm处测量结合于样品蛋白的考马斯亮蓝染料的数量，和一个已知浓度的作为标准参照的蛋白结合的染料量进行比较，最后得到蛋白质的浓度。通常用小牛血清蛋白(BSA)作为参照。

　　双缩脲法 (546nm)， BCA法(562nm) 与 Lowry法 (750nm)法均依靠碱性溶液中二价铜离子和肽键的反应生成在相应波长处有吸收值的复合物测定蛋白的浓度。

　　4、其它方面的应用

　　微量UVS的应用非常广泛，特别在生物工程研究及一些生物检测技术工作中都是必不可少的分析检测仪器。例如：生物克隆技术、PCR技术、基因工程技术等等工作中，超微量UVS是必不可少的工具。

　　五、目前市场上主要的超微量UVS仪器简介

　　1、使用者对超微量UVS的最基本要求

　　(1)适用于超微量样本的检测(一般能检测0.5-2μL样品);

　　(2)操作简单(直接使用加样器将待检测样本加在检测表面，无需使用比色皿和毛细管设备，每个样品检测时间<10s);

　　(3)不浪费样品，节省消耗品费用;

　　(4)样品无需进行稀释，即可进行快速、简便的检测，检测范围宽;

　　(5)仪器空间体积小(最好仪器体积<30×30×10cm)。

　　2、国外几种常用的超微量UVS仪器的比较

　　(资料主要来自有关公司的产品样本，及相关网络)

　　3、几种国产微量和超微量UVS的有关情况

　　(主要数据来自有关公司样本和有关仪器网络)

　　随着科学技术的发展，我国分析测试仪器也正在突飞猛进的发展，微量UVS和超微量UVS的发展也是如此。我国有不少仪器厂商，已经推出或正在研发不同类型的微量和超微量UVS。例如：杭州奥盛仪器公司、上海金鹏仪器公司、杭州佑宁仪器公司等都已经推出了多种成熟的微量和超微量UVS产品，并且受到了很多使用者的青睐，值得国人骄傲和自豪。

　　国产微量和超微量UVS的有关情况简单介绍如下：

　　1)杭州奥盛仪器公司推出了多款自主研发生产的超微量UVS仪器(Nano-100/Nano-300/Nano-500 Nano-400A 系列微量UVS)

　　(1)Nano系列产品的外观

　　(2)Nano系列产品的共同特点

　　①软件界面友好，简单易用，图形软件操作，界面更为直观，结果可直接导出，便于数据保存、查看和输出。

　　②微量检测，每次检测仅需0.5μl～2μl样品。测量后还可以回收样品，可放心的对珍贵样品进行研究。

　　③检测快速，检测过程中无需稀释，无需比色皿，5s即可完成检测，直接显示结果。

　　④长寿命光源，开机无需预热，氙闪光灯寿命可达10年，开机无需预热，直接使用，可随时检测。

　　⑤检测浓度高，可测样品最高浓度为12000ng/μl，样品基本上不用稀释。

　　⑥将样品直接点于样品板上，无需稀释，无需比色皿，可测样品浓度为常规紫外-可见光光度计的50倍，结果直接输出为样品浓度。

　　(3)Nano系列产品的各自特点

　　Nano系列产品，除上述共同特点外，还具有如下独自特点

　　①Nano-500新增荧光计模式，精确定量核酸浓度，对于浓度低于2 ng/μl的样品，可选用荧光计模式，最低检测限可达0.5pg/μl，单机操作方便快捷。

　　②Nano-100/Nano-300/Nano-500 为全波长的微量分光光度计， Nano-400A为固定波长的超微量核酸分析仪。

　　③Nano-300，Nano-400A，Nano-500可实现单机操作，方便快捷。

　　(4)Nano系列产品的主要技术指标

　　2)杭州佑宁仪器公司自主研发生产的Nano One微量UVS

　　(1)Nano One微量UVS的外观

　　(2)Nano One微量UVS产品特点：

　　◆智能安卓操作系统，7寸电容触摸屏,多点触控，专用 APP软件，界面更为直观。

　　◆比色皿插槽，可对细菌/微生物等培养液浓度的检测。更为得心应手。

　　◆每次检测仅需0.5～2μl样品。测量结束后，还可以回收样品，可以放心地进行珍贵样品的研究。

　　◆样品直接加于样品检测平台，无需稀释，8s即可完成检测、显示结果，结果直接输出为样品浓度。

　　◆氙闪光灯，寿命可达10年。开机无需预热，直接使用，可随时检测。

　　◆将样品直接点于加样平台上，无需稀释，可测样品浓度为常规紫外-可见分光光度计的50倍，检测结果直接输出为样品浓度，无需额外计算。

　　◆稳定可靠、快速的USB数据输出方式，方便导出数据进行相应分析。

　　◆仪器不需电脑联机，单机即完成样品检测和数据的存储。

　　◆图像和表格存储格式，表格兼容Excel，方便后续数据处理，支持JPG图像导出。

　　◆采用高精度直线电机驱动，使光程的精度达到0.001mm，吸光度检测重复性高。

　　(3)NanoOne微量UVS的主要技术指标：

　　3)上海金鹏仪器公司推出了自主研发生产的Nano-600超微量UVS

　　Nano-600超微量UVS(核酸蛋白测定仪)，作为一款高再现性的全波长分光光度计，采用基座和比色皿上样双检测模式， 适用于更宽浓度范围的样品检测，操作简便，不仅可用于测量DNA，RNA纯度、浓度，测量蛋白质浓度，也可用于一般物质分析中的吸光度检测。

　　(1)Nano-600超微量UVS的外观

　　(2)Nano-600超微量UVS产品的主要特点：

　　采用7寸电容触摸屏，优化设计的APP软件；无需预热，4秒即可完成检测；结果直接输出为样品浓度；5分钟内无操作将自动关闭光源以延长使用寿命；软件图形界面简单明了，操作更为直观，结果可直接导出；仅需0.5～2ul的微量样品即可进行纯度与浓度测量;样品可回收。

　　(3)Nano-600超微量UVS的主要技术指标

　　4)上海元析仪器公司自主研发的B500型超微量UVS

　　仪器特点：可用于DNA、RNA、蛋白样品无稀释的快速检测

　　(1)检测量1μl～21μl，适用于极微量样品的检测

　　(2)采用长寿命进口紫外光源(氙灯)

　　(3)无需开机预热

　　(4)样品无需进行稀释，可进行快速、简便的检测，检测范围宽

　　仪器指标参数

　　波长范围：全光谱测量，190nm～850nm。

　　波长精度：1nm

　　分辨率：<1.8nm

　　检测下限约：2ng/μl(双链DNA)

　　检测上限：≥15000ng/μl(双链DNA)

　　蛋白质测量范围：0.1～100mg/ml

　　最小吸光度：0.002(1nm光程时)

　　吸光度准确度：2%(257nm)

　　吸光度范围：0.02～300(相当10nm光程)

　　样品检测速度：2秒～5秒/个

　　软件：配有数据分析软件，一次测量可记录≥1000个样品数据;可实现全波段光谱扫描。

　　在国产超微量UVS中，本文只选择了上述几家，实际上还有北京Kaiao公司、南京Wins公司、上海的BIO-DL等多家公司在生产、组装、或代销超微量UVS。初步估计全国总共约有十几家厂商从事超微量紫外仪器的生产、销售。因篇幅所限，本文不能全面详细介绍了。请有关厂商谅解，请广大使用者自己从网上或实地查找。

　　六、几个有关问题的探讨

　　1、带微量比色皿的紫外可见分光光度计和超微量紫外可见分光光度计是科研、生产工作中使用非常广泛的一种分析检测仪器，并且是生命科学、食品科学、药品检验等领域必不可少的分析检测工具。我国目前有数十家企业生产紫外可见分光光度计仪器，但是对微量UVS和超微量UVS重视不够，同时因为微量UVS和超微量UVS制造难度较大，我国至今生产真正的、成熟的微量UVS和超微量UVS厂商不多。

　　我国微量UVS和超微量UVS仪器需求量很大，年需求量大约为3000-4000台，但是，我国这方面的主市场仍被国外产品占领。为此，作者呼吁我国的UVS仪器生产厂商，应该站在民族的高度，对此引起高度重视。作者建议：

　　1)目前国内的广大生产UVS仪器的厂商，尽快力争在常规的UVS上，开发优质微量比色皿的附件，以满足我国广大分析检测工作者的需求。

　　2)我国有条件的厂商，应该尽快开展微量UVS或超微量UVS仪器研发生产，尽快推出能满足使用要求的微量UVS或超微量UVS，以满足我国市场的需求，改变或打破国外产品占领我国主市场的局面，尽快赶超微量UVS和超微量UVS仪器及其应用的国际先进水平。

　　2、因为微量UVS或超微量UVS仪器一般制造难度大、要求较高。所以，作者建议或希望我国有关的广大科技工作者，都要关心或重视对微量UVS或超微量UVS仪器及其应用的研究开发工作，对此开展攻关。希望微量和超微量UVS的制造者和使用者紧密结合，从仪器学理论^[2]和分析检测工作实践的需要，共同攻关，为研发优质的、稳定可靠的微量UVS或超微量UVS而努力。

　　3、加强行业内部团结，政府大力支持国产仪器、不打价格战、不随便对产品降价。目前，国内已经推出的微量和超微量UVS，质量都能满足使用要求，与国外产品相差无几，比如国产奥盛的Nano系列产品的质量、性价比等都很好(主要指仪器的波长范围、灵敏度、噪声、分析检测误差、性价比等)。但是价格上要比国外产品便宜很多，有的相差一倍以上，这是一种不正常的现象。寻其根，大致有以下原因：

　　1)政府招标时拨款太多，一台超微量UVS拨款15万RMB以上，同时规定用不完要求上交，而国外的超微量UVS，一般每台15万RMB左右，这就等于要求使用者买进口产品。所以，招标者就很自然的购买了同档次、同质量的进口产品。

　　2)再加上，有些科技工作者受崇洋媚外思想的毒害较深，即使国内同类同档次的超微量UVS的质量与国外产品相当，尽管一般国产超微量UVS约6万RMB左右，价格仅约进口的一半，但是他们还是认为进口产品总比国产的好，甚至从思想上排斥国产仪器。特别值得提出的是，我国有些微量或超微量UVS生产的厂商(其它仪器也有;例如原子吸收、紫外可见分光光度计、高效液相色谱等等)，为了蝇头小利，自己生产的、质量很好的超微量UVS，让国外大企业贴牌，让那些国外企业拿着我们国产的仪器，冒充国外企业的产品在世界各地销售。有的甚至在我国国内销售，假冒充进口产品，欺骗中国的科技工作者。这个问题，一方面说明中国的仪器质量不差，至少可以与国外产品质量相当，达到了可以以假乱真的地步。另一方面也说明我们国家的仪器厂商和使用者崇洋媚外思想非常严重。自己的产品质量很好，但是不敢用自己的名义去与国外厂商抗衡。国产的仪器产品很好，还是迷信进口产品，这是不正常的现象，希望行业内的有关人员应该引起高度重视。

　　这里作者想对在国外有关仪器公司工作的中国员工们说一声，为了生存，你们去国外公司打工，无可非议。但是，希望你们一定要实事求是的向中国科技工作者介绍产品、尽量把国外好的、中国还不能生产的优质产品卖到中国来。当然，如果某些国产超微量UVS还不够完善、不够理想，还不能满足某些高要求使用者的要求，你们向有关科技工作者推荐国外产品，或者这些使用者购买进口超微量UVS仪器是可以理解的。我们既不能盲目崇洋媚外，也不能盲目排外。作者认为，我们的国产仪器，完全可以实事求是的与进口仪器共舞，盲目崇洋媚外和盲目排外都是不对的。

　　3)国内仪器行业内的厂商，为了多卖产品，纷纷降价，相互竞争

　　这类事情经常发生，特别是为了招标，为了出口，国内企业打价格战的事屡见不鲜。所以，作者希望广大生产超微量UVS或生产各类分析仪器的企业，应该站在民族的高度，加强团结、不打价格战。作者希望大家团结一致，努力进一步提高产品质量，以质量求生存、以自己的产品质量与国内外同行或同类产品竞争，力争尽快改变国外微量UVS占领我国主市场的局面而共同努力。

　　主要参考文献

　　[1]李昌厚著，《紫外可见分光光度计》，北京:化学工业出版社,2005.

　　[2]李昌厚著，《仪器学理论与实践》(仪器学理论与光学类分析仪器.

　　整机及关键核心部件的设计、制造、测试、使用和维修)，北京：科学出版社,2008.

　　[3]李红亮，《微量紫外分光光度計及在現代生物技術中的應用》(学术报告).

　　[4]李昌厚，略论UV/UVS光度准确度的测试，光学仪器，N0.5-6,41,1994.

　　作者简介

　　李昌厚，男，中国科学院上海生物工程研究中心原仪器分析室主任、兼生命科学仪器及其应用研究室主任、教授、博士生导师、华东理工大学兼职教授，终身享受国务院政府特殊津贴。

　　主要研究方向：分析仪器及其应用研究。长期从事光谱仪器(紫外吸收光谱、原子吸收光谱、旋光光谱、分子荧光光谱、原子荧光、拉曼光谱等)、色谱仪器(液相色谱、气相色谱等)及其应用研究;特别对《仪器学理论》等有精深研究;以第一完成者身份，完成科研成果15项，由中科院组织专家鉴定，其中13项达到鉴定时国际上同类仪器的先进水平，2项填补国内空白;以第一完成者身份获得国家级和省部级科技成果奖5项(含国家发明奖1项);发表论文183篇，出版专著5本;现任中国仪器仪表学会理事、《生命科学仪器》副主编;曾任中国仪器仪表学会分析仪器分会第五届、第六届副理事长;国家认监委计量认证/审查认可国家级常任评审员、国家科技部“十五”、“十一五”、“十二五”和“十三五”重大仪器及其应用专项的技术专家组成员或组长、上海市科学仪器专家组成员、《光学仪器》副主编、《光谱仪器与分析》副主编、上海化工研院院士专家工作站成员等十多个学术团体和专家委员会成员等职务。