第二章可见分光光度法

1第二章紫外-可见分光光度法物质是有颜色的，利用比较溶液本身或加入试剂后呈现出的颜色深浅的方法来确定溶液中有色物质的含量的方法为比色分析法。以人的眼睛来检测颜色的深浅的方法为目视比色法。以光电转化器件（如光电池）为检测器来区别颜色深浅的方法为光电比色法。分光光度法是利用物质的分子或离子对某一波长范围的光的吸收作用，对物质进行定性分析、定量分析及结构分析,所依据的光谱是分子或离子吸收入射光中特定波长的光而产生的吸收光谱。紫外光谱（UV）能够提供分子中的共轭体系的结构信息，可用于判断共轭体系中取代基的位置、种类和数目。红外光谱（IR）在未知结构化合物的鉴定中，主要用于功能基的确认，芳环取代类型的判断等。由于UV和IR只能给出分子中部分结构的信息，而不能给出整个分子的结构信息，能提供化合物的结构信息较少，所以单独以UV和IR不能确定分子结构，必须与NMR谱、MS谱以及其他理化方法结合才能得到可靠的结论。紫外-可见分光光度法即是利用物质本身（或生成的有色化合物即“显色”后测定）对紫外及可见光的吸收进行测定，其特点：①灵敏度高。可用于测定试样中1%-0.001%的微量成分，甚至可测低至10-6-10-7的痕量成分。②准确度高。测定的相对误差为2%-5%，采用精密分光光度计时，可减少至1%-2%。特别适用于低含量和微量含量组分的测定，不适于中和高含量组分的测定。但如果采取适当的技术措施，比如示差法，也可测定高含量组分。③适用范围广。④操作简单，快速，仪器价格不昂贵。⑤目前，分析仪器制造技术和计算机技术的结合使光度分析获得了新的活力。2.1基本原理2.1.1光的基本原理2.1电磁表谱表光谱名称波长范围跃迁类型分析方法X射线0.1-10nmK和L层电子X射线光谱法紫外10-380nm10-20中层电子，200-380价电子紫外光度法可见380-780nm380-780价电子比色及可见光度法红外0.78-1000μm分子振动红外光谱法微波0.1-100cm微波光谱法无线电波1-1000m核磁共振光谱法2.1.2溶液颜色与光吸收的关系物质呈现的颜色与光有密切的关系，不同波长的可见光可使眼睛感觉到不同颜色。具有同一种波长的光，称为单色光。含有多种波长的光为复合光。当将某两种颜色的光按适当强度比例混合时，可以形成白光，这两种色光就称为互补色。2.2光的吸收定律22.2.1透光度和吸光度设入射光强度为I0，吸收光强度为Ia,透射光强度为It，反射光强度为Ir，则I0=Ia+It+Ir由于反射光强度基本相同，其影响可相互抵消，上式可简化为：I0=Ia+It透光度：透光度为透过光的强度It与入射光强度I0之比，用T表示：T=It/I0吸光度:为透光度倒数的对数，用A表示，A=lg1/T=lgI0/It2.2.2朗伯-比尔定律朗伯-比尔定律：当一束平行单色光通过含有吸光物质的稀溶液时，溶液的吸光度与吸光物质浓度、液层厚度乘积成正比，即A=κcl式中比例常数κ与吸光物质的本性，入射光波长及温度等因素有关。c为吸光物质浓度，l为透光液层厚度。朗伯-比尔定律是紫外-可见分光光度法的理论基础。2.2.3吸光系数当l以cm，c以g/L为单位，κ称为吸光系数，用a表示。A=acla的单位为L/(g.cm)当l以cm，c以mol/L为单位，κ称为摩尔吸光系数，用ε表示。ε的单位为L/mol.cm，它表示物质的浓度为1mol/L，液层厚度为1cm时，溶液的吸光度。比吸光系数是指百分含量为1%，l为1cm时的吸光度值，用表示。2.2.4偏离朗伯-比耳定律的因素（1）入射光为非单色光（2）溶液的不均性。实际样品的混浊，加入的保护胶体，蒸馏水中的微生物，存在散射以及共振发射等，均可吸光质点的吸光特性变化大。（3）光程的不一致性。光源不是点光源，比色皿光径长度不一致，光学元件的缺陷引起的多次反射等，均造成光径不一致，从而与定律偏离。2.3紫外-可见分光光度计2.3.1主要部件的性能与作用入射光I0透射光It%11cmE3基本结构:①光源在整个紫外光区或可见光区可以发射连续光谱，具有足够的辐射强度、较好的稳定性、较长的使用寿命。可见光区常用的光源是钨灯或碘钨灯，波长范围是350-1000nm。在紫外区常为氢灯或氘灯，发射的连续波长范围是180-360nm。②单色器单色器是将光源辐射的复合光分成单色光的光学装置。它是分光光度计的心脏部分。单色器一般由狭缝、色散元件及透镜系统组成。关键是色散元件，最常见的色散元件是棱镜和光栅。狭缝：将单色器的散射光切割成单色光。直接关系到仪器的分辨率。狭缝越小，光的单色性越好。分为入射狭缝和出射狭缝。棱镜:玻璃350～3200nm，石英185～4000nm。光栅:波长范围宽，色散均匀，分辨性能好，使用方便。1.入射狭缝2.准直透镜3.棱镜4.聚焦棱镜5.出射狭缝③吸收池吸收池又称比色皿或比色杯，按材料可分为玻璃吸收池和石英吸收池，前者不能用于紫外区。吸收池的种类很多，其光径可在0.1~10cm之间，其中以1cm光径吸收池最为常用。54321光源单色器样品池检测器显示器4④检测器检测器的作用是检测光信号，并将光信号转变为电信号。现今使用的分光光度计大多采用光电管或光电倍增管作为检测器。⑤信号显示系统常用的信号显示装置有直读检流计，电位调节指零装置，以及自动记录和数字显示装置等。2.3.2紫外-可见分光光度计的类型分光光度计按仪器使用波长分类：①真空紫外分光光度计（0.1-200nm）；②可见分光光度计（350-700nm）；③紫外-可见分光光度计（190-1100nm）；④紫外-可见-红外分光光度计（190-2500nm）；如果按仪器使用的光学系统分类：①单光束分光光度计；②双光束分光光度计③双波长分光光度计④动力学分光光度计单波长单光束分光光度计经单色器分光后的一束平行光，轮流通过参比溶液和样品溶液，以进行吸光度的测定。其简单，价廉，适于在给定波长处测量吸光度或透光度，一般不能作全波段光谱扫描，要求光源和检测器具有很高的稳定性。目前国内广泛采用721型分光光度计。具有结构简单、价格低廉、操作方便、维修也比较容易，适用于常规分析。单波长单光束分光光度计还有国产751型、XG-125型、英国SP500型和伯克曼DU-8型等。单波长双光束分光光度计经单色器分光后经反射镜分解为强度相等的两束光，一束通过参比池，一束通过样品池。光度计能自动比较两束光的强度，此比值即为试样的透射比，经对数变换将它转换成吸光度并作为波长的函数记录下来。自动记录，快速全波段扫描。可消除光源不稳定、检测器灵敏度变化等因素的影响，特别适合于结构分析。仪器复杂，价格较高。单波长双光束分光光度计有国产710型、730型、740型、日立UV-340型等就属于这种类型。双波长分光光度计由同一光源发出的光被分成两束，分别经过两个单色器，得到两束不同波长（1和2）的单色光；通过折波器以一定的频率交替通过同一样品池，然后由检测器交替接收信号，最后由显示器显示出两个波长处的吸光度差值ΔA。无需参比池。△A就是扣除了背景吸收的吸光度。5双波长分光光度计的优点：是可以在有背景干忧或共存组分吸收干忧的情况下对某组分进行定量测定。国产WFZ800-5型、岛津UV-260型、UV-265型等都是双波长分光光度计。动力学分光光度计解决在光化学反应、辐射化学反应和酶催化反应中，能量转化、酶的降解、生物合成等的反应变化。其特点：时间辨别、快速扫描、测定生物化学瞬间产物的吸收光谱和随时间变化值。2.3.3紫外-可见分光光度计主要技术指标①波长范围：表示仪器能测定的波长范围。波长范围越大，仪器越好，这与仪器使用的灯有关。②波长精度：表示仪器单色器波长误差程度。波长误差越小，仪器精度越高，这与仪器使用的单色器有关。③杂散光：表示单色光的纯度，这与制作单色器的材料和加工工艺有关。④光度的测量精度：表示仪器每次测定显示读数的精确度，即仪器能准确读小数点后几位。位数越多，仪器精度越高，这与仪器使用的检测系统有关。⑤光度测量的重现性：每次A读数的重现性，这与仪器使用的检测器的质量有关。⑥分辨率：表示仪器分辨吸收光谱微细结构的能力，即指仪器对于紧密相邻的峰可分辨的最小波长间距，这是衡量仪器性能的一个综合指标。2.3.4分光光度计的校正和检验①波长校正②吸光度校正③杂散光的检验④稳定性的检验2.4分析条件的选择2.4.1仪器测量条件的选择2.4.1.1适宜的吸光度范围由朗伯-比尔定律可知：A=lg1/T=εcl微分后得：dlgT=0.4343dT/T=-εldc或0.4343ΔT/T=-εlΔc代入朗伯-比尔定律有：Δc/c=0.4343ΔT/TlgT要使测定的相对误差Δc/c最小，求导取极小得出：lgT=-0.4343=A即当A=0.4343时，吸光度测量误差最小。最适宜的测量范围为0.2~0.8之间。2.4.1.2入射光波长的选择通常是根据被测组分的吸收光谱，选择最强吸收带的最大吸收波长为入射波长。当最强吸收峰的峰形6比较尖锐时，往往选用吸收稍低，峰形稍平坦的次强峰或肩峰进行测定。2.4.1.3狭缝宽度的选择为了选择合适的狭缝宽度，应以减少狭缝宽度时试样的吸光度不再增加为准。一般来说，狭缝宽度大约是试样吸收峰半宽度的十分之一。2.4.2显色反应条件的选择在光度分析中，将试样中被测组分转变为有色化合物的反应叫显色反应。能与被测组分生成有色物质的试剂称为显色剂。对多种物质进行测定，常利用显色反应将被测组分转变为在一定波长范围有吸收的物质。常见的显色反应有络合反应，配位反应、氧化还原反应等。这些显色反应，必须满足以下条件：①反应的生成物必须在紫外-可见光区有较强的吸光能力，即摩尔吸光系数较大；②反应有较高的选择性，即被测组分生成的化合物吸收曲线应与共存物质的吸收光谱有明显的差别；③反应生成的产物有足够的稳定性，以保证测量过程中溶液的吸光度不变；④反应生成物的组成恒定。2.4.2.1显色剂用量（M+R→MR）在实际选用时，一般通过实验来确定：待测组分的浓度和其他条件不变，分别加入不同量的显色剂，分别测定它们的吸光度，以吸光度为纵坐标，显色剂用量为横坐标作图。在对应于吸光度恒定时对应的显色剂浓度区间内确定显色剂的用量。2.4.2.2显色时间和反应温度不同的显色反应的速度不同，而且反应温度对反应的速度以及反应产物等均有影响。因此，需要根据反应性质选择合适的显色时间和反应温度。2.4.2.3反应体系的酸度酸度对吸光光度分析的影响很复杂，它可以影响配合反应的进行程度，改变金属离子的存在形式和显色剂的颜色，为了选择合适的PH，必须综合考虑各方面的影响，适宜的酸度要由实验来确定。2.4.2.4采用适当的手段消除干扰物质的干扰分离物与干扰物的分离：通过前处理，使分析物与干扰物相互分离，然后进行分析，常用的分离方法有：萃取法、离子交换法、电解法、色谱法等。加入掩蔽剂：在被测液中加入与干扰物质产生稳定的无色络合物的试剂，使干扰物不与显色剂作用。选择适当的波长：一般选择λmax为入射光波长。如果λmax处有共存组分干扰时，应考虑选择灵敏度稍低但能避免干扰的入射光波长。2.4.3参比溶液的选择测定试样溶液的吸光度，需先用参比溶液调节透光度（吸光度为0）为100%，以消除其它成分及吸光池和溶剂等对光的反射和吸收带来的测定误差。参比溶液的选择视分析体系而定，具体有：①溶剂参比试样简单、共存其它成分对测定波长吸收弱，只考虑消除溶剂与吸收池等因素；②试样参比如果试样基体溶液在测定波长有吸收，而显色剂不与试样基体显色时，可按与显色反7应相同的条件处理试样，只是不加入显色剂。③试剂参比如果显色剂或其它试剂在测定波长有吸收，按显色反应相同的条件，不加入试样，同样加入试剂和溶剂作为参比溶液。④平行操作参比用不含被测组分的试样，在相同的条件下与被测试样同时进行处理，由此得到平行操作参比溶液。2.5测定方法2.5.1单组分定量方法单组分是指样品溶液中含有一种组分，或者是在混合物溶液中待测组分的吸收峰与其他共有物质的吸收峰无重叠。其定量方法包括校准曲线法、标准对比