紫外光谱的波长范围

紫外光谱，作为电磁波谱中一个极其重要的组成部分，其波长范围通常被定义为 10 纳米 (nm) 到 400 纳米 (nm) 之间。这个范围紧邻可见光谱的紫色端（约 400 nm），并向更短波长、更高能量的方向延伸，直至 X 射线区域的边界（约 10 nm）。然而，在紫外光谱学 (Ultraviolet Spectroscopy)，特别是我们常说的紫外-可见分光光度法 (UV-Vis Spectrophotometry) 的实际应用中，其有效工作波长范围通常指的是 190 nm 到 400 nm，或者更常见的是 200 nm 到 400 nm。

之所以实际应用范围与物理定义有所区别，主要是基于实验条件的限制和测量目的。波长短于大约 190 nm 的紫外光会被空气中的氧气和氮气强烈吸收，这一区域被称为真空紫外区 (Vacuum Ultraviolet, VUV)。因此，若要在此区域进行光谱测量，必须在真空环境下或者使用惰性气体（如氮气或氩气）吹扫光路，以排除空气的干扰。这无疑增加了仪器的复杂性和成本。常规的紫外-可见分光光度计设计用于在普通大气环境下工作，其光学元件（如光源窗口、透镜、棱镜或光栅）和样品池（通常是石英 (Quartz) 材质）对低于 190 nm 的紫外光也存在吸收或散射问题。特别是常用的石英比色皿，其透射率在 190 nm 以下会急剧下降，成为实际测量的低波长极限。因此，190 nm (或 200 nm) 成为了常规紫外光谱分析的一个实际起点。

紫外光谱区域还可以进一步细分，虽然不同领域或标准可能略有差异，但常见的划分包括：

1. 近紫外区 (Near Ultraviolet, NUV): 通常指 200 nm 到 400 nm 的范围。这是常规紫外-可见分光光度法最主要的工作区域。该区域的光子能量适中，足以引起分子中价电子 (valence electrons) 的跃迁，特别是π电子 (pi electrons) 和未成键电子 (n-electrons, non-bonding electrons) 的跃迁。
2. 远紫外区 (Far Ultraviolet, FUV): 大致范围是 100 nm 到 200 nm。如前所述，这个区域的一部分（100-190 nm）属于真空紫外。该区域的光子能量更高，除了 π→π 和 n→π 跃迁外，还可能涉及能量更高的σ电子 (sigma electrons) 的跃迁（如 n→σ*）。研究 FUV 区域通常需要特殊的真空仪器。
3. 真空紫外区 (Vacuum Ultraviolet, VUV): 严格来说是 10 nm 到 200 nm。整个区域都需要在真空中进行测量。能量极高，可以激发几乎所有分子的电子跃迁，包括 σ→σ* 跃迁。
4. 极紫外区 (Extreme Ultraviolet, EUV): 范围大约在 10 nm 到 121 nm。能量更高，接近软 X 射线，涉及更内层的电子或高度离化的原子。

在生物化学、有机化学、药物分析、环境监测等众多领域，近紫外区 (NUV, 200-400 nm) 是应用最广泛、信息最丰富的区域。这是因为许多重要的有机分子和生物大分子含有能够吸收该波段紫外光的发色团 (Chromophore)。发色团是指分子中含有不饱和键（如 C=C, C=O, C≡N, 芳香环）或带有孤对电子的杂原子（如 O, N, S, 卤素）的基团。

这些发色团中的 π 电子 和 n 电子 相对容易被激发。例如，简单的烯烃（如乙烯）的 π→π 跃迁吸收峰在远紫外区（约 170 nm），但当形成共轭体系 (Conjugated System)（即单双键交替排列）时，π 电子云扩展，能级差减小，吸收波长会向长波方向移动（红移），常常进入近紫外区甚至可见光区。分子中的共轭程度越高，红移越显著。苯环的特征吸收就在近紫外区（约 254 nm 附近有精细结构）。羰基化合物（C=O）既有 π→π 跃迁（通常在 180 nm 附近），也有能量较低的 n→π* 跃迁（通常在 270-300 nm 范围，强度较弱）。

生物大分子如蛋白质和核酸也在此区域有特征吸收。蛋白质的吸收主要来源于其芳香族氨基酸残基（色氨酸 Trp, 酪氨酸 Tyr, 苯丙氨酸 Phe）的 π→π 跃迁，在 280 nm 附近有一个典型的吸收峰，常用于蛋白质浓度的快速测定。此外，蛋白质的肽键 (-CO-NH-) 在远紫外区（约 190-220 nm）也有强烈的吸收，源于 n→π 和 π→π 跃迁，对研究蛋白质二级结构变化（如 α-螺旋、β-折叠）有重要意义。核酸 (DNA 和 RNA) 的碱基（嘌呤和嘧啶）是富含共轭双键的杂环化合物，它们在 260 nm* 附近有强烈的吸收峰，这是核酸定量和纯度检测的基础（例如通过 A260/A280 比值判断核酸样品中蛋白质污染程度）。

正是由于紫外光谱的波长与分子中电子跃迁所需的能量之间存在着直接的对应关系（根据普朗克公式 E = hν = hc/λ，波长 λ 越短，光子能量 E 越高），使得紫外光谱成为研究分子电子结构、鉴定官能团、进行定量分析的有力工具。比尔-朗伯定律 (Beer-Lambert Law) 指出，在一定条件下，物质对特定波长光的吸收度 (Absorbance, A) 与吸光物质的浓度 (c) 和光程长度 (l) 成正比 (A = εcl)，其中 ε 是摩尔吸光系数 (molar absorptivity)，是物质在特定波长下的特征参数。这一定律是紫外-可见光谱进行定量分析的理论基础。

仪器设计也围绕着这个波长范围进行优化。紫外-可见分光光度计通常配备两种光源：用于紫外区域的氘灯 (Deuterium lamp)，它能在约 190 nm 到 380 nm 范围内提供连续的紫外辐射；以及用于可见光区域（通常覆盖 350 nm 到 800 nm 或更宽）的钨灯 (Tungsten lamp) 或卤钨灯 (Tungsten-halogen lamp)。通过单色器（如光栅）选择特定波长的光通过样品，然后由检测器（如光电倍增管 PMT 或光电二极管阵列 PDA）测量透射光的强度，最终计算得到吸光度。

总结来说，虽然紫外光的物理定义范围是 10-400 nm，但常规紫外光谱分析的核心工作区间是 190 nm (或 200 nm) 到 400 nm 的近紫外区。这一特定的波长范围之所以重要，是因为它对应了许多有机分子和生物大分子中价电子（特别是 π 和 n 电子）发生电子跃迁所需的能量，使得我们能够通过测量物质对不同波长紫外光的吸收程度，来获取关于物质组成、结构和浓度的关键信息。更短波长的真空紫外区域虽然蕴含着更丰富的电子结构信息（如 σ 电子跃迁），但由于实验条件的苛刻性，其应用相对更为专门化。因此，当我们谈论紫外光谱的波长范围在分析化学和相关领域的常规语境下，主要指的就是这个易于测量且信息丰富的 190-400 nm 区间。