分析化学07PPT

仪器分析的分类仪器分析电化学分析法光分析法色谱分析法热分析法分析仪器联用技术质谱分析法第9章吸光光度法9.1吸光光度法基本原理9.2光度计及其基本部件9.3显色反应及显色条件的选择9.4吸光度测量条件的选择9.5吸光光度法的应用9.6紫外吸收光谱法简介引言：吸光光度法基本原理吸光光度法是以物质对光的选择性吸收为基础的分析方法。根据物质所吸收光的波长范围不同，分光光度分析法又有紫外、可见及红外分光光度法。本章重点讨论可见光光度法，并简单介绍紫外吸收光谱法。方法的特点1.灵敏度高通常，待测物质的含量1～10－5％时，能够用分光光度法准确测定。所以它主要用于测定微量组分。2.应用广泛几乎所有的无机离子和许多有机化合物可以用分光光度法进行测定。如土壤中的氮、磷以及植物灰、动物体液中各种微量元素的测定。3.操作简便、迅速、仪器设备不太复杂若采用灵敏度高、选择性好的有机显色剂，并加入适当的掩蔽剂，一般不经过分离即可直接进行分光光度法测定、其方法的相对误差通常为5～10％，其准确度虽不及重量分析法和容量法，但对于微量组分的测定，结果还是满意的。1颜色的产生9.1吸光光度法的基本原理2电磁波和能量光的波长λ(cm)、频率(Hz)，它们与光速c的关系是：3光的基本性质cEhhc在真空介质中，光速为2.9979×1010cm/s。单个光子的能量E与上述三要素的关系是：E－－光子的能量，J；h－－普朗克常数（6.625×10－34J·s）4溶液颜色与光吸收的关系光波是一种电磁波。电磁波包括无线电波、微波。红外光、可见光、紫外光、x射线等。如果按照其频率或波长的的大小排列，可见光只是电磁波中一个很小的波段。见表12－1有色物质的不同颜色是由于吸收了不同波长的光所致。溶液能选择性地吸收某些波长的光，而让其他波长的光透过，这时溶液呈现出透过光的颜色。透过光的颜色是溶液吸收光的互补色。有色溶液对各种波长的光的吸收情况，常用光吸收曲线来描述。将不同波长的单色光依次通过一定的有色溶液，分别测出对各种波长的光的吸收程度（用字母A表示）。以波长为横坐标，吸光程度为纵坐标作图，所得的曲线称为吸收曲线或吸收光谱曲线。能复合成白光的两种颜色的光叫互补色光。物质所显示的颜色是吸收光的互补色。KMnO4的颜色及吸收光谱叶绿素的结构和吸收光谱3光吸收基本定律当一束平行的单色光照射均匀的有色溶液时，光的一部分被吸收，一部分透过溶液，一部分被比色皿的表面反射。如果人射光的强度为I0，吸收光的强度为Ia，透过光的强度为It，反射光的强度为Ir，则:I0＝Ia＋It＋Ir在吸光光度法中，由于采用同样质料的比色皿进行测量，反射光的强度基本上相同，其影响可以相互抵消，上式可简化为:I0＝Ia＋It透过光的强度It；与入射光的强度Io比之比称为透光度或透光率，用T表示。T＝It/Io一束单色光通过溶液后，由于溶液吸收了一部分光能，光的强度就要减弱。若溶液的浓度不变，液层越厚，透过光的强度越小，光线减弱的程度越大。如果将液层分成许多无限小的相等的薄层，其厚度为db。则dI应与db及I成正比，即－dI∝Idb，从而，－dI/I=k1db，积分此式，得：01lntIkbI1.朗伯定律将上式变成常用对数，得02lgtIkbI上式称为朗伯定律。如用A=lg(I0/It)或lg(1/T),则021lglgtIAkbITA称为吸光度。当一束单色光通过液层厚度一定的溶液时，溶液的浓度愈大，光线强度减弱愈显著。若有色溶液的浓度增加dc，入射光通过溶液后，强度的减弱-dI与人射光强度I及dc成正比，即-dI=k3Idc，或-dI/I=k3dc，积分，可得到:通常称比耳定律。04lgtIAkcI2.比耳定律3．朗伯一比耳定律如果溶液浓度和液层厚度都是可的，就要同时考虑溶液浓度c和液层厚度b对吸光度的影响。为此，将朗伯和比耳公式和合并，得到01lglgtIAkcbIT即通常所称的朗伯一比耳定律。4．吸光系数、摩尔吸光系数在朗伯-比耳公式，k值决定于c，b所用的单位，它与入射光的波长及溶液的性质有关。当浓度c以g·L-1、液层厚度b以cm表示时，常数k是以a表示，此时称为吸光系数，单位为L·g-1·cm-1。朗伯－比耳公式可表示为:A＝abc若b以cm为单位，c以mol·L-1为单位时，则将k称为摩尔吸光系数，以符号ε表示，其单位为L·mol-1cm-1。ε的物理意义表达了当吸光物质的浓度为1mol·L-1，液层厚度为1cm时溶液的吸光度。在这种条件下上式可改写为:A=εbc摩尔吸光系数是有色化合物的重要特性。ε愈大，表示该物质对某波长的光吸收能力愈强，因而光度测定的灵敏度就越高。ε的值，不能直接取1mol/L这样高浓度的有色溶液来测量，而只能通过计算求得。由于溶液中吸光物质的浓度常因离解、聚合等因素而改变。因此，计算ε时，必须知道溶液中吸光物质的真正浓度。但通常在实际工作中，多以被测物质的总浓度计算，这样计算出的ε值称为表观摩尔吸光系数。文献中所报道的ε值就是表观摩尔吸光系数值。5.偏离朗伯－比耳定律的原因朗伯－比耳定律是吸光光度分析的理论基础、在实际应用时，通常是使液层厚度保持不变，然后测定一系列浓度不同的标准溶液的吸光度，根据A=kbc=k’c关系式，以浓度为横坐标，吸光度为纵坐标作图，应得到一通过原点的直线，称为标准曲线或工作曲线。但是，在实际工作中，当有色溶液的浓度较高时，往往不成直线，这种现象称为偏离朗伯－比耳定律。见图12－8，引起偏离朗伯－耳定律的原因主要有以下几个方面：(1).由于入射光不是单色光而引起的偏离朗伯－比耳定律只适用于单色光。但实际上单波长的光不能得到。目前各种方法所得到的入射光是具有一定波长范围的波带，而非单色光。因而发生偏离朗伯一比耳定律的现象。单色光的纯度愈差，吸光物质的浓度愈高，偏离朗伯-比耳定律的程度愈严重。在实际工作中，若使用精度较高的分光光度计，可获得较纯的单色光。(2).由于介质的不均匀性引起的偏离当被测溶液是胶体溶液、悬浊液或乳浊液时，入射光通过溶液后除一部分被吸收外，还有一部分因溶液中存在微粒的散射作用而损失，并使透光度减小。而当胶体或其他微粒凝聚沉淀时，又会使溶液吸光度下降。(3).溶液中的化学变化引起的偏离溶液中的化学变化如缔合、离解、溶剂化、形成新的化合物、互变异构等，使吸光度不随溶液浓度而成正比地改变，而导致偏离朗伯－比耳定律。9.2光度计及其基本部件1光度分析的方法1.目视比色法用眼睛观察、比较溶液颜色深度以确定物质含量的方法称为目视比色法。将一系列不同量的标准溶液依次加入各比色管中，再分别加入等量的显色剂和其他试剂，并控制其他实验条件相同，最后稀释至同样体积，配成一套颜色逐渐加深的标准色阶。将一定量的被测溶液置于另一比色管中，在同样条件下进行显色，并稀释至同样体积，从管口垂直向下（有时由侧面）观察颜色。如果被测溶液与标准系列中某溶液的颜色相同，则被测溶液的浓度就等于该标准溶液的浓度。如果被测试液浓度介于相邻两种标准溶液之间，则试液的浓度就介于这两个标准溶液浓度之间。2．标准曲线法根据朗伯－比耳定律，保持液层厚度，入射光波长和其它测量条件也不变，则在一定浓度范围内，所测得吸光度与溶液中待测物质的浓度成正比。因此，配制一系列已知的具有不同浓度的标准溶液，分别在选定波长处测其吸光度A，然后以标准溶液的浓度c为横坐标，以相应的吸光度A为纵坐标，绘制出A－c关系曲线。如果符合光的吸收定律，则可获得一条直线，称为标准曲线或称工作曲线。在相同条件下测量样品溶液的吸光度，就可以从标准曲线上查出样品的浓度。Ac标准工作曲线3.加入标准法所谓的加入标准法，即在一定浓度的试样溶液测定吸光度A0后，加入合适浓度的标准溶液，再测吸光度A1，或再加几次标准溶液，得A2,A3…吸光度，计算或作图外推求试样浓度的方法。即：A0=kC样；A1=k(C样＋C标）设试样体积为V0;加入的标准溶液体积为V标，则：A1=k(C样V0+C标V标)/(V0+V标），联解方程可求出C样。或用A对C标作图，外推求出C样。2分光光度计停留分光光度计A原理光栅和棱镜分光原理光栅分光动画棱镜分光动画B.分光光度计的类型双光束光度计动画示意双波长光度计光路示意图C.光电转换器I.定义光电转换器是将光辐射转化为可以测量的电信号的器件。S=kP+kd=kPk:校正灵敏度；P：辐射功率；kd:暗电流（可通过线路补偿，使为0）II.理想的光电转换器要求灵敏度高；S/N大；暗电流小；响应快且在宽的波段内响应恒定。C）光电转换器种类及应用波段检测器种类检测器应用波段早期检测器人眼(Vis)，相板及照像胶片(UV-Vis)UV-Vis硒光电池（Photovoltaiccell,光伏管）350-(500)max-750nm真空光电管（Vacuumphototube）据光敏材料而定光电倍增管（Photomultipliertube）ibid光电转换器(phototransducer)硅二极管（Silicondiode）190-1100nm光二极管阵列（Photodiodearray,PDA）多通道转换器(Multichanneltransducer)电荷转移器件Charge-transferdevice,CTD：电荷注入器件(Charge-injectiondevice,CID)电荷耦合器件(Charge-coupleddevice,CCD)电导检测器电导检测器（Photoconductivity）；UV-Vis热电偶（Thermocouple）辐射热计（Bolometer）热检测器(Thermaltransducer)热释电（Pyroelectrictransducer）IR1.硒光电池+-SeFe(Cu)h玻璃Ag(Au)透明膜-收集极塑料--(当外电阻400，i=10-100A)优点：光电流直接正比于辐射能；使用方便、便于携带（耐用、成本低）；缺点：电阻小，电流不易放大；响应较慢。只在高强度辐射区较灵敏；长时间使用后，有“疲劳”(fatigue)现象。2.真空光电管90VDC直流放大阴极R-+光束e阳极丝（Ni）抽真空阴极表面可涂渍不同光敏物质：高灵敏(K,Cs,Sb其中二者)、红光敏(Na/K/Cs/Sb,Ag/O/Cs)、紫外光敏、平坦响应(Ga/As，响应受波长影响小)。产生的光电流约为硒光电池的1/10。优点：阻抗大，电流易放大；响应快；应用广。缺点：有微小暗电流（Darkcurrent，40K的放射线激发）。3.光电倍增管（photomultipliertube,PMT）石英套光束1个光子产生106~107个电子栅极，Grill阳极屏蔽光电倍增管示意图共有9个打拿极(dynatron)，所加直流电压共为9010VPMT动画900Vdc90V123456789阳极阴极石英封读出装置R光电倍增管（PMT）电路图优点：高灵敏度；响应快；适于弱光测定，甚至对单一光子均可响应。缺点：热发射强，因此暗电流大，需冷却（-30oC)。不得置于强光(如日光)下，否则可永久损坏PMT！4.硅二极管p区n区pn结p区n区(反向偏置)耗尽层空穴电子反向偏值—耗尽层(depletionlayer)—pn结电导趋于0(i=0)；光照—耗尽层中形成空穴和电子—空穴移向p区并湮灭—外加电压对pn“电容器”充电—产生充电电流信号(i0)。特点：灵敏度介于真空管和倍增管之间。5.光电二极管阵列，photodiodearray(PDA)SiO2窗p型硅n型硅基pnpnpnpnpnpn0.025mm2.5mm侧视(crosssection)顶视(topview)光束说明：i.在一个硅片上，许多pn结以一维线性排列，构成“阵列”；ii.每个pn结或元（element，64-4096个）相当于一个硅二极管检测器；iii.硅片上布有集成线路，使每个pn结相当于一个独立的光电转换器；iv.硅片上置于分光器焦面上，经色散的不同波长的光分别被转换形成电信号；v.实现多波长或多目标同时（simult