赛默飞分光光度计NanoDrop Eight光路设计

一、引言

NanoDrop系列分光光度计是分子生物学和生物技术实验室最常用的定量检测工具之一。作为该系列中的高通量机型，NanoDrop Eight不仅继承了NanoDrop家族的核心技术，还在光路设计上进行了优化，使其能够在极低样品体积、宽浓度范围和快速操作的条件下，完成高精度的光谱检测。光路系统是分光光度计的核心部分，它直接决定了检测的灵敏度、稳定性和准确性。本文将重点围绕NanoDrop Eight的光路设计展开，详细介绍其原理、组成、特点和优势。

二、光路设计的基本原理

1. 光谱检测原理

分光光度法的核心是基于朗伯–比尔定律：
$A=\epsilon \times c\times l$
其中：

• $A$：吸光度

• $\epsilon$：摩尔消光系数

• $c$：溶液浓度

• $l$：光程长度

NanoDrop Eight通过精密的光路系统，将紫外-可见区光源发出的光束穿过仅1–2 µL的微量样品，并由检测器接收透射光强，从而计算吸光度并换算出浓度。

2. 光程调节原理

NanoDrop Eight采用专利表面张力样品固定技术，样品通过上下两个光学测量柱之间形成液体桥，光束穿过液桥完成检测。

• 光程可自动在1.0 mm和0.5 mm之间切换，避免高浓度样品的信号饱和。

• 自动光程调节确保检测范围覆盖2–15,000 ng/µL核酸浓度。

三、光路系统的主要组成

1. 光源模块

NanoDrop Eight配备双光源系统：

• 氘灯：覆盖190–400 nm紫外波段，用于核酸与蛋白质检测。

• 钨卤素灯：覆盖400–850 nm可见光至近红外波段，支持蛋白比色法及多种分光应用。
  两种光源可自动切换，保证全波长范围检测。

2. 光纤传输系统

• 光源发出的光束通过光纤引导至样品区。

• 光纤具有柔性与高透光率，可减少光路折射与散射损耗。

• 多通道光纤结构保证了8个通道的光路独立性与同步性。

3. 样品固定与光程单元

• 上下两个光学测量柱（光学臂）构成检测窗口。

• 样品液滴通过表面张力保持在两柱之间，形成稳定液体桥。

• 光束穿过液体桥，光程长度自动切换（0.5 mm或1.0 mm）。

4. 单色器与分光元件

• 系统采用高精度光栅，将光源分解为特定波长。

• 光束经光栅选择后进入检测器，避免杂散光干扰。

5. 检测器模块

• 采用硅光二极管阵列作为检测器。

• 信号响应快、噪声低，能覆盖190–850 nm全波段。

• 多通道并行检测实现高通量数据采集。

6. 信号处理与转换

• 检测器输出的电信号经过A/D转换，传入处理器。

• 内置软件根据朗伯–比尔定律换算浓度，并进行基线校正、数据平滑等处理。

四、NanoDrop Eight光路设计的特点

1. 微量样品固定技术

• 样品仅需1–2 µL，通过表面张力固定在光学柱之间。

• 避免使用比色皿，减少样品消耗并降低光学干扰。

2. 自动光程切换

• 高浓度样品时自动缩短光程，避免信号超限。

• 低浓度样品时延长光程，提高灵敏度。

• 在2–15,000 ng/µL浓度范围内保持准确检测。

3. 多通道并行光路

• 独立的8通道光路设计，可同时检测8个样品。

• 保证各通道间信号一致性，提升通量。

4. 宽波长覆盖

• 190–850 nm波长范围，涵盖核酸、蛋白质及多种比色反应。

• 既能检测核酸260 nm峰，也能检测蛋白280 nm峰和染料吸收峰。

5. 高稳定性与低噪声

• 光纤传输减少光路折射与机械抖动影响。

• 双光束参考补偿技术降低光源波动对结果的影响。

五、光路设计在定量分析中的应用

1. 核酸检测

• 在260 nm波长处检测DNA、RNA浓度。

• 通过A260/A280、A260/A230比值评估样品纯度。

2. 蛋白质检测

• 280 nm直接检测法，用于含芳香族氨基酸蛋白质。

• 可结合Bradford、BCA等比色法在特定波长下测定蛋白浓度。

3. 光谱扫描

• 全波长扫描用于识别杂质峰和确认样品特性。

• 差谱分析可检测微小浓度差异。

4. 动态范围拓展

• 光程自动切换保证高低浓度样品均能准确检测。

• 样品无需预稀释，提升操作效率。

六、光路系统的优势

1. 微量检测：仅需1–2 µL即可完成分析。

2. 高通量：多通道光路同时运行，提升检测速度。

3. 自动光程控制：避免稀释步骤，保证宽浓度范围内的准确性。

4. 宽波长覆盖：190–850 nm，满足多领域需求。

5. 稳定性强：光纤与双光束补偿降低噪声与漂移。

6. 免比色皿设计：简化操作、减少清洁环节。

七、光路维护与校准

1. 日常维护

• 每次测定后用去离子水和无绒布清洁测量柱。

• 避免盐分或有机物残留干扰光路。

2. 光源维护

• 定期记录氘灯与钨灯使用时间，接近寿命时更换。

• 保持仪器预热，确保光源稳定。

3. 校准与验证

• 使用标准溶液（如DNA标准、BSA溶液）进行周期性校准。

• 定期运行全波长扫描检查光谱线性与漂移情况。

八、常见光路问题与排查

1. 光程切换异常

• 现象：浓度结果不稳定。

• 排查：检查样品液滴是否足量，是否产生气泡。

2. 光谱噪声增大

• 现象：曲线抖动明显。

• 排查：确认光源是否接近寿命，光学柱是否污染。

3. 基线漂移

• 现象：空白校正后仍存在明显漂移。

• 排查：检查环境温度变化与电源稳定性。

九、总结

NanoDrop Eight分光光度计的光路设计充分结合了微量样品检测技术、自动光程调节、光纤传输、多通道并行和双光源系统等多项创新理念。其光路不仅保证了对极少量样品的高灵敏度检测，还能覆盖从紫外到可见区的宽波长范围，同时兼顾高通量与高精度。通过合理维护与校准，NanoDrop Eight的光路系统能够长期保持稳定性能，为核酸、蛋白质及多种生物样品的定量分析提供可靠保障。