劉永剛，唐 妍，吳 佳，曹亞焜

（1.西南科技大學分析測試中心，四川綿陽 621010；2.西南科技大學環(huán)境友好能源材料國家重點實驗室，四川綿陽 621010）

1 概述

近代分析化學的發(fā)展離不開儀器分析，儀器分析是科學研究、工業(yè)、醫(yī)學等許多其他領域的關鍵工具，在對物質的定性、定量分析以及結構分析中發(fā)揮著至關重要的作用。紫外-可見吸收光譜儀可用于分析樣品的結構和化學鍵信息，對吸收峰進行定性鑒別和定量測量，研究化學反應的動力學過程等[1-3]。在實驗教學中，通過親自組裝紫外光譜儀，并利用量子化學原理計算樣品的紫外光譜，可以有效地加強學生的實驗操作技巧和科學知識儲備，以提高學生科學素養(yǎng)。學生將學習實踐中的物理光學原理以及計算化學方法，幫助他們加深對這些基礎概念的理解。2020年，馬品一等人通過搭建由氘燈、鎢燈和CCD傳感器組成的紫外可見光譜儀繪制了鋁的不同絡合物的吸收曲線，并進行了微量鋁的測定[4]。在2023年，趙浩及其團隊成功構建了一種光學多通道分光光度計[5]。與常規(guī)的單光束和雙光束分光光度計相比，這種設備能更迅速地檢測到所有波長段的信息，使其成為進行快速反應動力學研究和多組分混合物分析的理想工具。為將具體的實驗過程與抽象的理論知識相結合，引入量子化學計算對實驗結果進行核對分析，有助于培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目蒲袘B(tài)度和科學素養(yǎng)。量子化學以量子力學作為其基礎理論，通過對原子、分子、晶體的電子結構、化學鍵理論、分子間的相互作用力以及化學反應理論的研究，揭示了有機、無機化合物，生物大分子物質以及化學反應的內在性質和規(guī)律。具體包括從頭算、半經(jīng)驗和密度泛函等方法[6-7]。

2 實驗教學過程

本實驗教學設計融合了現(xiàn)代分析測試儀器搭建和量子化學計算（QC），在教學過程中學生根據(jù)課題自主查閱文獻，了解紫外-可見光譜儀的原理及在科學研究和工業(yè)應用中的重要性，選擇合適的光源、光柵、CCD探測器等搭建紫外-可見光譜儀。氨基酸紫外光譜測定的流程為：

1）調研測量方案并與老師討論合理性。

2）選擇測試樣品為L-苯丙氨酸與L-酪氨酸并進行預制備。

3）確定所需的波長范圍、光度精度和分辨率。

4）使用搭建好的光譜儀對樣品進行測量。

5）從Pubchem數(shù)據(jù)庫中檢索獲得酪氨酸等氨基酸的初始結構模型，采用密度泛函理論（DFT）和含時密度泛函理論（TDDFT）對這兩種氨基酸進行量子化學計算。

6）對測得的數(shù)據(jù)進行處理和分析，與計算所得結果進行對比分析，解釋光譜中的特征峰。

3 實驗教學實施

3.1 紫外-可見光譜的搭建裝置搭建

學生根據(jù)圖1(a)的指示建立光路，選用鹵鎢燈和氘燈作為光源，它們可以提供可見光區(qū)（鹵鎢燈）和紫外光區(qū)（氘燈）的連續(xù)光。從光源發(fā)射的復合光線經(jīng)過光闌和凸透鏡后，轉化為平行光束并穿過樣品。再通過凸透鏡聚焦過狹縫后，經(jīng)過凹面鏡反射在光柵上，經(jīng)過另一凹面鏡再次反射進入檢測器。

圖1 紫外可見光譜儀的光路圖(a)、紫外光譜儀的光路調節(jié)(b)、紫外-可見光譜儀的搭建實物圖(c)

3.2 紫外-可見光譜儀的搭建裝置校準

光路搭建好后，需進行儀器校準，光學元件在空間中有3個自由度：水平位置、垂直高度和傾角直接決定了光的路徑和強度，這些因素對最終結果的精確性有直接影響，因此需要進行仔細的調整[8]。利用實驗室常用的高強度激光和光高度計對上面這些光學元件進行垂直高度的調節(jié)。先確認光源水平，再使得各個光學元件等高，光斑位于中心，讓激光射入球面鏡的中心，反射的激光不需要穿過高孔，水平位置，傾角的調節(jié)需要在高度調節(jié)之后完成。通過不斷移動CCD，當觀察到CCD上反射的像是最清晰的時候進行固定，如圖1(b)所示。在光路搭建完畢后，仍需要對各部件的位置進行微小的調整，直至得到正確的光源光譜，到此一臺較為精準的紫外-可見光譜儀調節(jié)最終完成，可直接用于后續(xù)樣品測定。圖1(c)展示了已經(jīng)搭建完成的紫外-可見光譜儀的實物圖。

3.3 兩種氨基酸紫外-可見光譜的測定與模擬

采用圖1(c)所示的自搭建的紫外-可見光譜儀對待測樣品進行檢測，檢測過程中使用CCD作為檢測器來檢測樣品光信號，紫外可見吸收光譜遵循朗博比爾吸收定律，其表達式為：

式（1）中，A為樣品光吸收強度，k為摩爾吸收系數(shù)，l為光在樣品中穿過的距離，c為溶液濃度，I0為入射光強度，It為光通過樣品后剩余光強度。朗博比爾定律是一個有限的定律，適用于濃度較低的溶液，當樣品濃度較高時，溶液內粒子間距離減小，受粒子間電荷分布影響，摩爾吸收系數(shù)將發(fā)生改變，偏離朗博比爾吸收定律，另一方面，溶度過高，透射光強度就會過低，就會受到CCD噪聲的影響，從而導致較大的測量誤差。為了使學生更好地了解搭建的紫外-可見光譜儀的工作原理，我們對兩種氨基酸分別配置了不同濃度進行測試。

分別稱取0.001 g、0.0015 g、0.002 g、0.0025 g 的L-苯丙氨酸與L-酪氨酸粉末，將稱取好的樣品分別置入100 mL水溶劑中充分攪拌直至溶解。將儀器打開預熱30 min，使光源穩(wěn)定，使用前需要對儀器進行全面校正檢定和校正測試定波長，檢查樣品池。使用搭建好的紫外-可見光譜儀，保證實驗在25 ℃下進行，以配制溶液所采用的溶劑水做參比，波長范圍為200～400 nm測得氨基酸的紫外-可見光譜。

從Pubchem數(shù)據(jù)庫中獲得氨基酸初始結構，使用Gaussion 09軟件包，采用TD-DFT方法計算每種目標物的激發(fā)態(tài)躍遷能和對應的振子強度，在B3LYP/def2-SVP級別下對結構進行幾何優(yōu)化和振動分析以獲得氨基酸穩(wěn)定的構型，并采用基于密度的溶劑模型（SMD）為氨基酸添加了水溶劑環(huán)境，通過頻率分析確定沒有虛頻。優(yōu)化的各收斂限度為：能量變化（Energy Change）：5.0000×10-6Eh；最大梯度變化（Max. Gradient）：3.0000×10-4Eh/bohr；均方根梯度變化（RMS Gradient）：1.0000×10-4Eh/bohr；最大位移（Max. Displacement）：4.0000×10-3bohr；均方根位移（RMS Displacement）：2.0000×10-3bohr。達到各收斂限度且振動分析無虛頻即證明優(yōu)化完成的結構為分子的最穩(wěn)定形態(tài)。優(yōu)化后的結構采用相同的計算級別進行激發(fā)態(tài)能量的計算，計算的激發(fā)類型為垂直吸收，得到的激發(fā)能和吸收強度擬合得到氨基酸的紫外-可見吸收光譜。

4 結果討論與分析

為了討論分析結果的準確性，選擇市面上常見的商用傳統(tǒng)紫外分光光度計（日本島津UV-3150）測定了配置好的氨基酸溶液，圖2是L-苯丙氨酸和L-酪氨酸的紫外-可見光譜圖，直線為量化計算擬合得到的光譜圖，點線和劃線分別為實驗搭建的紫外-可見光譜儀與紫外分光光度計（日本島津UV-3150）測定得到的光譜圖。

圖2 L-苯丙氨酸(上)和L-酪氨酸(下)的紫外-可見光譜測定曲線與計算曲線

由表1可知，量化計算結果表明L-苯丙氨酸在275 nm處出現(xiàn)了紫外吸收峰。在0.010 g/L的濃度下通過搭建的紫外-可見光譜儀測量的L-苯丙氨酸紫外吸收峰位置在265 nm，此時濃度較低，由于自搭建儀器信噪比差，導致與計算結果比較偏差最大，偏差為3.6%。在實驗教學過程中，同時利用商用紫外分光光度計（日本島津UV-3150）進行測試比對，發(fā)現(xiàn)測得的峰位置偏差在2%以內。L-酪氨酸的紫外吸收峰量化計算結果在260 nm處。濃度為0.010 g/L時，自搭建儀器測得峰位置與計算結果最大偏差為2.3%，其余濃度時與紫外分光光度計（日本島津UV-3150）測得的峰位置平均偏差為2%以內。通過與商用分光光度計測試結果和量化計算結果很好地驗證了自搭建紫外可見分光光度計的準確性。

表1 L-苯丙氨酸與L-酪氨酸不同濃度下的紫外-可見吸收峰，括號內為日本島津UV-3150測定結果，括號外為自搭建儀器測定結果

5 結束語

本教改實驗的研究目標是搭建紫外-可見光譜并引入量子化學計算的教學模型，旨在提高本科階段學生對于分子結構和光譜分析的理解能力。通過將實踐與計算模擬相結合的形式有效地提升了學生在分子光譜學中的學習體驗和學術水平。通過在教學中引入光譜模擬軟件和量子化學計算工具，我們構建了一個全面的教學模型，使學生能夠在計算機上模擬和分析不同分子的光譜圖像。這種基于實踐的學習方法，大幅度提高了學生對光譜原理和分析方法的理解和掌握能力，在具體的操作實踐中，使學生更加深刻地理解紫外光譜儀的工作原理?？傊?，本教改研究工作為化學教育領域的教學改革提供了一種創(chuàng)新的教學模型，并取得了積極的成果。我們相信，通過更廣泛地推廣和應用這種基于紫外-可見光譜和量子化學計算的教學模型，將會對培養(yǎng)優(yōu)秀的化學學生和提升化學教育質量起到積極的推動作用。