仪器分析教程--可见和紫外吸光光度法

第2章可见－紫外吸光光度法VisibleandUltravioletAbsorptionSpectroscopy2.1可见吸光光度法概述最早出现了目视比色法，然后出现了光电比色法和可见分光光度法。这些方法都是依据物质对光的选择性吸收而建立起来的分析方法，所以又称为吸光光度法。基于光与物质相互作用的性质而建立起来的分析方法称之为光学分析法。2.1.1可见吸光光度法的特点（1）灵敏度高：测定浓度下限10-5～10-6mol·L-1或更低。（2）准确度高：相对误差约为1～5％。（3）操作简便快速。（4）仪器性价比高。（5）应用范围广。2.1.2光的基本性质光是一种电磁波，它具有波粒二象性。光的波动性可用波长、频率、光速c等参数来描述：c=光是由光子流组成，光子的能量：E=h=hc/（Planck常数：h=6.626×10-34J·S)光的波长越短，或频率越高，其光子所具有的能量就越大。各种电磁波依其波长的不同，分别属于下列光谱区间：γ射线：0.001～0.01nm；X射线：0.01～10nm；紫外光：10～380（400）nm；可见光：380～780nm;或（400～800nm）；红外线：0.78（800）～1000μm；微波：0.1～10cm；射频：10cm以上。单色光：最初指具有单一颜色的光。现指波长范围很窄的光。光的波长范围越窄，其单色性就越好。复合光：由不同波长的光组合而成的波长范围较宽光。2.1.3物质对光的选择性吸收（1）光色的互补关系可见光的波长范围：380～780nm。太阳光、白炽灯光的波长是多少呢？实验表明，太阳光等“白光”可以分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各种颜色的光。白光380nm780nm将红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各种颜色的光按一定比例混合，就能得到白光。进一步研究表明，两种适当颜色的光以一定比例相混合，也能够得到白光。这两种色光就叫做互补色光。白红橙黄绿青青蓝蓝紫不同颜色的可见光具有不同的波长，见p.4，表2.2。（2）物质的颜色世界上的物质为什么会有各种各样的颜色呢？CuSO2溶液：KMnO4溶液：K2CrO4溶液：物质呈现不同的颜色，是由于它对光的选择性吸收的结果，显示出的颜色是它吸收的颜色的互补色。（3）物质对光的选择性吸收的实质M+热M+荧光或磷光物质的分子、原子或离子具有确定的组成和结构，因而具有一系列不连续的量子化的特征能级。M+h→M*基态激发态E1E2E1E2E3h如果照射光子的能量（h）等于其某两个特征能级差（△E）时：E=E2-E1=h光子的能量将向物质转移，产生对该特定波长的光吸收，并从基态跃迁至激发态。各种物质具有不同的特征能级，因此会对不同波长的光产生选择性吸收。E1E2E3h1.2.4吸收曲线（AbsorptionCurves）用不同波长的单色光照射试样，测量其对应的吸光度值，可得到反映试样物质对不同波长的光的吸收特性的曲线——吸收曲线（吸收光谱）。（1）同一种物质在不同波长处测得的吸光度不同。吸光度最大处所对应的波长叫最大吸收波长λmax。（2）不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似，λmax不变。浓度越高，吸光度越大。（3）在λmax处测定，吸光度最大，灵敏度最高。通常选择λmax作为定量分析中的入射光波长。（4）不同物质的吸收曲线的形状不同。（5）吸收曲线能提供物质的结构信息，可以作为物质定性分析的依据，是物质的重要基本特性之一。2.2光的吸收基本定律——朗伯—比耳定律2.2.1朗伯定律布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)先后于1729年和1760年阐明了光的吸收程度和吸收层厚度的关系:lgI0I=k1bA=2.2.2比耳定律1852年比耳(Beer)又提出了光的吸收程度和吸收物浓度之间的关系：将二者相结合，则可得朗伯—比耳定律。lgI0I=k2cA=c2.2.3朗伯—比耳定律（1）朗伯—比耳定律的表述把朗伯定律和比耳定律合并起来，便得到朗伯-比耳定律。它可表述为：当一束平行单色光通过单一均匀的、非散射的吸光物质溶液时，溶液的吸光度与溶液浓度和厚度的乘积成正比。A=lgI0I=abc（2）表达形式（Ⅰ）式中，A：吸光度,反映了溶液对光的吸收程度，为无因次量；b：液层厚度(吸收光程长度)，单位为cm；c：溶液的浓度，单位g·L-１；a：吸光系数，单位L·g-１·cm-１。（3）表达形式（Ⅱ）如果浓度c的单位取mol·L-１，则有式中，ε：摩尔吸光系数，单位L·mol-１·cm-１；有时，吸光度也用消光度E，光密度D代替。A=lgI0I=bc（4）描述入射光透过溶液的程度:透光度T(透射比)T=I0I（4）吸光度A与透光度T的关系:A=-lgT=εbc朗伯—比耳定律是吸光光度法定量测定的依据。%T=II0×100百分透光度：（5）吸光系数a和摩尔吸光系数ε：吸光系数a（L·g-1·cm-1）相当于浓度为1g/L、液层厚度为1cm时，该溶液在某一波长下的吸光度。摩尔吸光系数ε（L·mol-1·cm-1）在数值上等于浓度为1mol/L、液层厚度为1cm时，该溶液在某一波长下的吸光度。a与ε的关系为：a=ε/M（M为摩尔质量）（6）摩尔吸光系数ε的特点（ⅰ）摩尔吸光系数ε为吸光物质在一定波长、温度和溶剂条件下的特征常数；（ⅱ）ε不随c和b的改变而改变。在温度、波长、溶剂等条件一定时，ε仅与吸光物质本身的性质有关；（ⅲ）同一吸光物质在不同波长下的ε值是不同的；在最大吸收波长λmax处的摩尔吸光系数，叫最大摩尔吸光系数，表示为εmax，它表明了该吸光物质最大限度的吸光能力。ε的大小反映了光度法测定该物质灵敏度的高低。（ⅳ）ε可以作为物质定性鉴定的特征参数。2.2.4吸光度的加和性对于多组分共存体系，若各组分浓度很低，可忽略相互影响，则有：A总＝A1＋A2＋A3＋…＋An＝ε1bc1＋ε2bc2＋ε3bc3＋…＋εnbcn这叫做吸光度的加和性。2.2.5定量分析的方法（一）单点校正法配制浓度为cs的标准溶液和浓度未知cx的试样溶液，在相同条件下测定它们的吸光度：标准溶液cs————As,待测组分cx————Ax，由朗伯－比耳定律，可得：As＝εbcsAx＝εbcx二式相比得：cx＝(Ax／As)×cs（二）标准曲线法（1）配制浓度递增的标准系列：c1、c2、c3…cn；（2）配制浓度未知（cx）的试样溶液；（3）在相同条件下测定其吸光度：c1→A1,c2→A2,c3→A2…cn→An,cx→Ax；（二）标准曲线法（4）根据A＝abc,在直角坐标系中作标准曲线:坐标变量的标度，描点，配线（5）由测得的Ax从标准曲线上查出对应的cx；（6）进行浓度换算，求出原始样品中待测组分浓度。（三）一元线性回归法二变量具有的线性关系，可用一元线性回归方程表示：y＝ax＋b式中，a为回归系数，即回归曲线的斜率；b为回归曲线在y轴上的截距。标准系列值：x1、x2、x3……xn，均值为x对应观测值：y1、y2、y3……yn，均值为y由最小二乘法可推得：a=xy－－n1x2xxyn1－－2＝x－xy－yx－x－－－2b＝y－ax－－在同样条件下测定试样溶液的观测值yi,代入回归方程，便可求出试样待测值：回归方程是否有意义？由相关系数γ来检验。xi＝yi－ba＝x－xy－yx－xy－y√－－－－22为了便于记忆，令则有：a＝lxy／lxxx－xy－yy－y－－－2lxy＝lxx=x－x－2lyy＝√＝lxylxxlyy2.2.5偏离比耳定律的原因用标准曲线法测定未知溶液的浓度时，有时会发生标准曲线向上或向下弯曲的现象，即产生了对比耳定律的偏离。偏离会导致测定的误差。是什么原因引起这种偏离的呢？（一）非单色光引起的偏离比耳定律的前提条件之一是入射光为单色光。而人们却难以获得真正的纯单色光。一般的分光光度计只能获得近乎单色的波长范围狭窄的光带。复合光可导致对比耳定律的正或负偏离。如上图所示，在吸收曲线中的a处测量时，物质对光束中不同波长的光的吸收能力相同，故不会引起标准曲线的弯曲；而在b处测量时，则会引起标准曲线向下弯曲。AAλ/nmcabba为了克服非单色光引起的偏离，首先应选择单色性较好的单色器；此外还应将入射光波长选定在吸收曲线较平坦的地方，通常选在待测物质的最大吸收波长处。AAλ/nmcabba（二）浓度过高引起的偏离比耳定律成立的条件之一：所有的吸光粒子相互独立，不发生相互作用。只有在稀溶液(c10－2mol/L)中，吸光粒子之间相距较远，才基本符合上述条件。当溶液浓度c10－2mol/L时，吸光粒子之间距离缩短，其电荷分布相互影响加强，引起吸光行为的变化，使吸光能力减弱，导致标准曲线向下弯曲。同时，浓度很高时仪器对吸光度测定的误差增大。故：朗伯—比耳定律只适用于稀溶液。(三)化学性因素引起的偏离通常，待测溶液为一复杂的化学体系，当条件改变时，就会引起吸光物质发生相应变化，比如离解、缔合、化合、互变异构、络合等等。使吸光物质的浓度发生变化，从而影响吸光度。例如在弱酸性介质中重铬酸盐溶液中存在下列平衡：Cr2O72-＋H2O2HCrO4-CrO42-＋2H＋（橙黄）（黄）（黄）在450nm入射光下，测定不同浓度的K2Cr2O7溶液标准系列，标准曲线向上还是向下弯曲？为什么？怎样避免这一现象的发生？在弱酸性介质中重铬酸盐溶液中存在下列平衡：Cr2O72-＋H2O2HCrO4-CrO42-＋2H＋（橙黄）（黄）（黄）怎样避免“标准曲线向上弯曲”这一现象的发生？控制溶液的pH值,使其保持在高酸度的条件下测定，使化学平衡向左移动，就不会引起偏离。第2章可见－紫外吸光光度法VisibleandUltravioletAbsorptionSpectroscopy2.3可见分光光度计简介可见分光光度计紫外-可见分光光度计（德国耶拿公司）紫外-可见分光光度计（日本岛津公司）光源单色器吸收池检测系统用于测定溶液吸光度或透光度的仪器有：光电比色计和分光光度计。仪器的基本组成框图如下所示：分光光度计光电比色计滤光片分光系统常用单光束分光光度计的外观2.3.1可见分光光度计的主要部件和工作原理（一）光源要求：在整个可见光谱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。可见分光光度计的光源通常由白炽灯和稳压电源组成。光源常用钨丝白炽灯，其规格为12V、25W或10V、7.5W。辐射波长范围为320～2500nm的连续光谱，其中可见光部分仅为10％左右。电子稳压电源提供稳定的灯电压，保证灯的发射稳定。近年已改用发光效率更高的卤钨灯。激光器也可作为光源。（二）单色器是能将光源发射的复合光分解成单色光，并能选出测量所需单色光的光学系统。包括：光电比色计中的滤光片分光光度计中的棱镜式单色器或光栅式单色器（1）滤光片由有色玻璃片或有色塑料片制成。滤光片只允许与它颜色相同的光通过。其透光性能可用透光曲线（～T%关系曲线）反映。T%nm50100470450490CD蓝色滤光片的透光曲线半宽度：最大透光度一半处的透光曲线的宽度。半宽度越窄，单色性越好。滤光片的半宽度一般约为10～30nm。T%nm50100470450490CD蓝色滤光片的透光曲线滤光片的选择：滤光片的颜色应该是待测溶液颜色的互补色。（2）棱镜式单色器其主要元件包括：入射狭缝、准光装置、色散元件（棱镜）、聚焦装置、出射狭缝等。棱镜式单色器的单色性取决于棱镜的色散率和单色器的狭缝宽度，其半宽度约为5～10nm。此外，还有性能更好的光栅型单色器。棱镜入射狭缝出射狭缝准直透镜聚焦透镜反射镜反射镜（三）吸收池规格：0.5、1、2、3cm工作时应将各种类型的吸收池（比色皿）放置在样品室和相应的池架附件内。吸收池主要有石英玻璃池和光学玻璃池两种。在可见光区一般用光学玻璃池，紫外光区应采用石英玻璃池。使用比色皿的注意事项。1cm2cm3cm（四）检测系统由检测器和读数装置组成。（1）检测器：分光光度计的检测器是利用光电效应将透过吸收池的光信号转变成便于测量的电信号的装置。常