第04章-紫外-可见分光光度计教学指导

1第四章紫外-可见分光光度计首页基本要求重点难点讲授学时内容提要1．基本要求1.1了解(1)分光光度计的概念(2)紫外光区和可见光区的波长范围(3)紫外-可见分光光度计准确性的影响因素(4)紫外-可见分光光度计的应用1.2熟悉(1)紫外-可见分光光度计的性能指标(2)紫外-可见分光光度计的常见故障及排除方法1.3掌握(1)紫外-可见分光光度计工作原理(2)紫外-可见分光光度计的基本结构及各部件的基本功能(3)紫外-可见分光光度计的基本类型及其特点2．重点难点2.1重点(1)光的吸收定律(2)紫外-可见分光光度计的基本结构及各部件功能(3)紫外-可见分光光度计的基本类型及功能特点2.2难点2.2.1吸光度与液层厚度及溶液浓度的关系2.2.2摩尔吸光系数和比吸光系数2.2.3各种光源的功能特点2.2.4单色光的产生与颜色互补2.2.5单光束与双光束紫外-可见分光光度计的区别23．讲授学时建议4学时4．内容提要第一节第二节第三节第四节第五节4.1紫外-可见分光光度计的工作原理和基本结构4.1.1紫外-可见分光光度计的工作原理光照射到物质可发生折射、反射和透射,一部分光会被物质吸收。不同的物质会吸收不同波长的光。改变入射光的波长，并依次记录物质对不同波长光的吸收程度，就得到该物质的吸收光谱。每一种物质都有其特定的吸收光谱，因此可根据物质的吸收光谱来分析物质的结构、含量和纯度。紫外-可见分光光度计的工作原理遵循朗伯-比尔定律。设入射光强度为I0，当透过浓度为c、液层厚度为b的溶液后，透射光强度为I，透射光强度与入射光强度的比值称为透光度，也叫透射率，以T表示。当液层厚度b或溶液浓度c按算术级数增加时，透光度T按几何级数减少，数学表达式为:kbcIIT100式中k为比例常数。在光谱分析中，常常用吸光度表示溶液对入射光的吸收程度。吸光度与透光度的关系是：吸光度等于透光度的负对数，用A表示吸光度，有下列公式关系。kbcTIIIITA1lglglglg00该公式表明，当用一束单色光照射吸收溶液时，其吸光度与液层厚度及溶液浓度的乘积成正比。此即朗伯-比尔定律。在朗伯-比尔定律中，比例常数k称为吸光系数。如果溶液浓度以物质的量的浓度表示时，此常数称为摩尔吸光系数（ε），它表示在一定波长下测得的液层厚度为1cm、溶液浓度c为1mol/L时的溶液吸光度值。如果溶液浓度以质量体积比表示时，此常数称为比吸光系数（a），它表示当溶液浓度为1g/L、液层厚度为1cm时，在一定波长下测得的吸光度值。摩尔吸光系数ε和比吸光系数a可相互换算。4.1.2紫外-可见分光光度计的基本结构紫外-可见分光光度计的基本结构由光源、单色器、吸收池、检测器和信号显示系统五部分组成。结构示意图见图1图1紫外-可见分光光度计的基本结构示意图检测器信号显示系统吸收池单色器光源3（1）光源：是提供入射光的装置。不同类型的分光光度计根据需要配有不同的光源，在紫外-可见分光光度计中，常用的光源有钨灯或卤钨灯、氢灯或氘灯、汞灯等多种。钨灯和卤钨灯，是紫外-可见分光光度计使用最多的光源之一，其发出光的波长范围是330nm～2500nm，是连续光谱，需用单色光器进行分光；紫外光区较窄，仅为330nm～400nm，所以钨灯或卤钨灯不适用于紫外分析。氢灯和氘灯，是紫外-可见分光光度计的紫外光源，其发出光的波长范围是150nm～400nm，是连续光谱，需用单色光器进行分光，是紫外光区的主要光源。汞灯发射的是离散线光谱，在254nm～734nm范围内产生一系列谱线，能量绝大部分集中在253nm波长处。（2）单色器：是将来自光源的复合光分解为单色光并分离出所需波段光束的装置，是分光光度计的关键部件。主要由入射狭缝、色散元件、准直镜和出射狭缝组成。（3）吸收池：又称为比色皿、比色杯、样品池或液槽等，是用来盛放被测溶液的器件，同时也决定着透光液层厚度、特定波长光的透光度等多种参数，应具有良好的透光性和较强的耐腐蚀性。在可见光范围内，常用无色光学玻璃或塑料制作；在紫外区，需用能透紫外线的石英玻璃或蓝宝石制作。（4）检测器：又称为光电转换器，把光信号转换为电信号的装置。用于紫外-可见分光光度计上的检测器种类较多，包括光电管、光电倍增管、光电二极管阵列等。（5）信号显示系统是把放大的信号以适当的方式显示或记录下来的装置。常用的信号显示装置有指针显示、LD数字显示、VGA屏幕显示和计算机显示等四种类型。4.1.3单色光的产生与颜色互补（1）单色光的产生紫外-可见分光光度计所用的光源，发射光的光谱是连续的光源。而被测物质所需要的光是单色光，需要在连续的光谱中分离出单一波长的单色光。单色光是由单色器产生的，用于分光光度计上的单色器主要有棱镜单色器和光栅单色器两种。棱镜单色器的分光原理是光的折射原理，不同波长光的折射率不同，当一束平行的混合光进入棱镜单色器后就会按波长顺序分解成各种单一波长的单色光，根据需要选择不同波长的光。光栅单色器是利用光的衍射和干涉原理进行分光的。（2）颜色互补光如果将两种颜色的单色光按一定的强度比例混合可以成为白光，这样的两种光互称为互补光。紫外-可见分光光度计的可见光谱分析要求被测溶液的颜色与所用的单色光互补，以求达到溶液对光的最大吸收。在某些方法学研究中要预先测定某种溶液的最大吸收光的波长。4.2紫外-可见分光光度计的分类紫外-可见分光光度计可以按仪器的使用光波长分类；也可按仪器的光学系统分类。按使用波长分类可分为：紫外分光光度计（0.1nm～200nm）；可见分光光度计（360nm～800nm）；紫外-可见分光光度计（200nm～1000nm）；紫外-可见-红外分光光度计（200nm～2500nm）等。按光学系统分类可分为：单光束分光光度计；双光束分光光度计；双波长分光光度计；双波长—双光束分光光度计；动力学分光光度计等。根据目前分光光度计的应用情况，主要介绍单光束、双光束和双波长等三种分光光度计。4.2.1单光束分光光度计单光束分光光度计是一类结构简单，使用、维护比较方便，应用广泛的分光光度计。其设计原理和4结构具有以下特点：①单光束光路，从光源到试样至接收器只有一个光通道，使用中依次对参考样品和待测试样进行测定，然后将二次测定数据进行比较、计算，获得最终结果；②只有一个色散元件，工作波长范围较窄；③通常采用直接接收放大显示的简单电子系统，用电表或数字显示；④结构简单、附件少、功能范围小，不能做特殊试样测定。目前国内常用的721型分光光度计和751型分光光度计均为单光束分光光度计，其结构示意图分别见图2和图3。4.2.2双光束分光光度计双光束分光光度计在其出射狭缝和样品吸收池之间增加了一个光束分裂器或斩波器，作用是以一定的频率将一个光束交替分成两路，使一路经过参比溶液，另一路经过样品溶液，然后由一个检测器交替接收或由两个检测器分别接收两路信号，这是目前国内外使用最多，性能较为完善的一类分光光度计。双光束分光光度计结构示意图见图4。光源单色器斩波器吸收池检测器图4双光束分光光度计光路图4.2.3双波长分光光度计双波长分光光度计的基本工作原理是从同一光源发出的光被分为两束，分别经两个单色器分光后得13121110987654321图2721型分光光度计结构示意图1－光源2－聚光透镜3－色散棱镜4－准直镜5－保护玻璃6－狭缝7－反射镜8－光栏9－聚光透镜10－吸收池11－光门12－保护玻璃13－光电倍增管紫敏光电管吸收池架平面反射镜狭缝红敏光电管氢灯钨灯凹面反射镜Littrow石英棱镜准光镜图3751型分光光度计光学系统示意图5到两束不同波长（λ1，λ2）的单色光，经切光器使两束光以一定频率交替照射同一样品，然后经过检测器显示出两个波长下的吸光度差值（ΔA=Aλ2-Aλ1）。双波长分光光度计结构示意图见图5。图5双波长分光光度计光路图只要λ1、λ2选择适当（被测物在一个波长上有最大吸收峰，在另一个波长上没有吸收或很少吸收；而非被测物在两个波长上的吸收是相同的），ΔA就是消除了非特征性吸收干扰（即扣除了背景吸收）的吸光度值。双波长分光光度计不用参比溶液，只用一个待测溶液，能较好的解决由于非特征吸收信号（如试样的浑浊、吸收池与空气界面以及吸收池与溶液界面的折射差别等）影响而带来的误差，大大提高检测的准确度。4.3紫外-可见分光光度计的性能指标及准确性影响因素4.3.1性能指标（1）波长准确度和波长重复性：波长准确度也叫波长精度，是指仪器波长指示器上所指示的波长值与仪器实际输出的波长值之间的符合程度。波长重复性是指在对同一个吸收带或发射线进行多次测量时，峰值波长测量结果的一致程度。（2）光度准确度：是指仪器在吸收峰上读出的透射率或吸光度与已知真实透射率或吸光度之间的偏差。该偏差越小，光度准确度越高。（3）光度线性范围：是指仪器光度测量系统对于照射到接收器上的辐射功率与系统的测定值之间符合线性关系的功率范围，即仪器的最佳工作范围。只有在光度线性范围内测得的物质的吸光系数才是一个常数，此时仪器的光度准确度最高。由于分光光度计测得的数据都是相对于100%和0%而言的相对值，而100%和0%都是自由设定的。因此，如果分光光度计的光度系统的响应在0%～100%范围内是线性的，就可以认为光度读数是正确的。（4）分辨率：是指仪器对于紧密相邻的峰可分辨的最小波长间隔，反映仪器分辨吸收光谱微细结构的能力，是衡量仪器性能的综合指标。单色器输出的单色光的光谱纯度、强度以及检测器的光谱灵敏△A=Aλ2－Aλ1λ1光源单色器切光器吸收池接收器G1G2λ26度等是影响仪器分辨率的主要因素。（5）光谱带宽：是指从单色器射出的单色光（实际上是一条光谱带）最大强度的1/2处的谱带宽度。它与狭缝宽度、分光元件、准直镜的焦距有关。（6）杂散光：除所需波长单色光以外，其余所有的光都是杂散光。杂散光是测量过程中的主要误差来源，会严重影响检测准确度。（7）基线稳定度：是指在不放置样品的情况下，扫描100%T或0%T时读数偏离的程度，是仪器噪声水平的综合反映。（8）基线平直度：是指在不放置样品的情况下，扫描100%T或0%T时基线倾斜或弯曲的程度，是仪器的重要性能指标之一。4.3.2分光光度计准确性的影响因素（1）单色光不纯的影响光的吸收定律只是在入射光为单色光的条件下成立，通常所指的单色光是指有一定谱带宽度的光谱。由于单色器的类型和质量不同，得到的单色光纯度不同，加上使用中狭缝宽度调节不当，都可造成入射光的单色性不纯。各种原因引起的单色光不纯都可使仪器读数不准，造成分光光度计的测量误差。（2）杂散光的影响杂散光会严重影响检测准确度。有两种原因引起的杂散光对检测结果具有较大影响：①仪器中光学、机械零件的反射和散射等原因使所采用的测定波长的光偏离正常光路，在不通过样品的情况下直接照射到单色器。这种杂散光波长与测定波长相同；②由仪器的光学系统设计制作缺陷引起。如不必要的反射面、光束孔径不匹配、光学元件表面的擦痕、光学系统的像差、不均匀色散以及由于机械零部件加工不良、位置错移、仪器内壁防眩黑漆脱落等。（3）吸收池的影响吸收池的质量不好或使用保管不当、吸收池不配套、透光面被污染上油污、指纹、沉淀，吸收池与光路不垂直等原因，都可影响捡测结果的准确性。（4）电压、检测器负高压波动的影响仪器电源电压波动过大，超过了仪器的稳压范围或稳压器质量不好，都可引起光源电压、检测器负高压波动，造成光源光强波动和检测器噪声增大，使检测结果准确度降低。（5）仪器狭缝宽度的影响分光光度计单色器分出来的单色光是通过狭缝截获而得到的，如果狭缝的质量不好或者开得太大，所截获的单色光波长的单一性就差，杂波就会与测定波长一起进入吸收池，干扰测定，引起测定误差。（6）背景吸收的影响待测样品中存在着一些杂质，在待测样品所测定的波长有较大的吸光度，造成背景吸收，使待测物质的吸光度增加或引起待测物质的吸收光谱相重叠。（7）其它因素的影响7吸光度读数刻度误差、仪器安装环境（如振动、温度变化）、化学因素（如溶液的pH值、荧光、溶剂效应）等也会影响检测结果的准确性。4.