紫外-可見分光光度法第1次課

第一章紫外-可見分光光度法

授課人：肖忠峰

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§1-1吸光光度法基本原理

一、吸光光度法的概念

在光譜分析中，依據(jù)物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收而建立起來的分析方法稱為吸光光度法。主要有:紅外吸收光譜：分子振動(dòng)光譜，吸收光波長范圍2.51000m,主要用于有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)鑒定。

紫外吸收光譜：電子躍遷光譜，吸收光波長范圍200400nm（近紫外區(qū)），可用于結(jié)構(gòu)鑒定和定量分析。

2可見吸收光譜：電子躍遷光譜，吸收光波長范圍400750nm，主要用于有色物質(zhì)的定量分析。二、吸光光度法的特點(diǎn)：（1）靈敏度高；（2）準(zhǔn)確度高；（3）操作簡便快速；（4）應(yīng)用廣泛。3三、光的基本性質(zhì)

光是一種電磁波，具有波粒二象性。光的波動(dòng)性可用波長

、頻率

、光速c、波數(shù)（cm-1）等參數(shù)來描述：

=c

；波數(shù)=1/

=

/c

光是由光子流組成，光子的能量：

E=h=hc/

（Planck常數(shù)：h=6.626×10-34J×S)

光的波長越短（頻率越高），其能量越大。白光(太陽光)：由各種單色光組成的復(fù)合光

單色光：單波長的光(由具有相同能量的光子組成)

可見光區(qū)：400-750nm

紫外光區(qū)：近紫外區(qū)200-400nm

遠(yuǎn)紫外區(qū)10-200nm（真空紫外區(qū)）4四、物質(zhì)的顏色

物質(zhì)的顏色是由于物質(zhì)對(duì)不同波長的光具有選擇性吸收而產(chǎn)生的。表1-1物質(zhì)的顏色與吸收光顏色的互補(bǔ)關(guān)系5五、物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收及吸收曲線M+

h

M*M+熱M+熒光或磷光基態(tài)激發(fā)態(tài)E1（△E）E2

E=E2-

E1=h

量子化；選擇性吸收;分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使其對(duì)不同波長光的吸收程度不同；用不同波長的單色光照射，測吸光度—

吸收曲線與最大吸收波長

max；6六、光吸收曲線

用不同波長的單色光照射某一物質(zhì)測定吸光度，以波長為橫坐標(biāo)，以吸光度為縱坐標(biāo)，繪制曲線，描述物質(zhì)對(duì)不同波長光的吸收能力。圖1-1吸收曲線7吸收曲線的討論：（1）同一種物質(zhì)對(duì)不同波長光的吸光度不同。吸光度最大處對(duì)應(yīng)的波長稱為最大吸收波長λmax（2）不同濃度的同一種物質(zhì)，其吸收曲線形狀相似λmax不變。而對(duì)于不同物質(zhì)，它們的吸收曲線形狀和λmax則不同。（3）吸收曲線可以提供物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息，并作為物質(zhì)定性分析的依據(jù)之一。8

（4）不同濃度的同一種物質(zhì)，在某一定波長下吸光度A有差異，在λmax處吸光度A的差異最大。此特性可作為物質(zhì)定量分析的依據(jù)。（5）在λmax處吸光度隨濃度變化的幅度最大，所以測定最靈敏。吸收曲線是定量分析中選擇入射光波長的重要依據(jù)。9

七、光吸收的基本定律1.朗伯—比耳定律

布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)先后于1729年和1760年闡明了光的吸收程度和吸收層厚度的關(guān)系。A∝b

1852年比耳(Beer)又提出了光的吸收程度和吸收物濃度之間也具有類似的關(guān)系。A∝c二者的結(jié)合稱為朗伯—比耳定律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：10朗伯-比耳定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

A＝lg（I0/I)=εbc

或:A＝lg（I0/I)=abc

式中A：吸光度；I0

：入射光強(qiáng)度；I：透射光強(qiáng)度；

b：液層厚度(光程長度)，通常以cm為單位；ε：摩爾吸光系數(shù)，單位L·mol-1·cm-1；溶液的濃度c單位mol·L-1；a：吸光系數(shù)，單位L·g-1·cm-1；

溶液的濃度c單位g·L-1。

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ε與a的關(guān)系為：

ε=Ma（M為物質(zhì)的摩爾質(zhì)量）摩爾吸光系數(shù)ε(L·mol-1·cm-1)在數(shù)值上等于濃度為1mol·L-1、液層厚度為1cm時(shí)該溶液在某一波長下的吸光度。吸光系數(shù)a(L·g-1·cm-1)相當(dāng)于濃度為1g·L-1，液層厚度為1cm時(shí)該溶液在某一波長下的吸光度。12吸光度A描述溶液對(duì)光的吸收程度：

A＝lg（I0/I)透過度T描述入射光透過溶液的程度:

T=It/I0吸光度A與透光度T的關(guān)系:

A＝－lgT

A、T、c三者的關(guān)系如右圖所示。吸光度A具有加和性：A總=A1+A2A1、A2分別為兩種吸光物質(zhì)的吸光度。ATATC圖8-3A，T，C關(guān)系曲線13

朗伯-比耳定律的物理意義：當(dāng)平行單色光通過單一均勻的、非散射的吸光物質(zhì)溶液時(shí),溶液的吸光度與溶液濃度和液層厚度的乘積成正比。朗伯-比耳定律是吸光光度法的理論基礎(chǔ)和定量測定的依據(jù)。廣泛地應(yīng)用于紫外光、可見光、紅外光區(qū)的吸收測量，也適用于原子吸收測量。142.摩爾吸光系數(shù)ε的討論（1）吸收物質(zhì)在一定波長和溶劑條件下的特征常數(shù)；（2）不隨濃度c和光程長度b的改變而改變。在溫度和波長等條件一定時(shí)，ε僅與吸收物質(zhì)本身的性質(zhì)有關(guān)，與待測物濃度無關(guān)；（3）可作為定性鑒定的參數(shù)；（4）同一吸收物質(zhì)在不同波長下的ε值是不同的。在最大吸收波長λmax處的摩爾吸光系數(shù)，常以εmax表示。εmax表明了該吸收物質(zhì)最大限度的吸光能力，也反映了光度法測定該物質(zhì)可能達(dá)到的最大靈敏度。

15（5）εmax越大表明該物質(zhì)的吸光能力越強(qiáng)，用光度法測定該物質(zhì)的靈敏度越高。

ε>105：超高靈敏；ε=(6～10）×104：高靈敏；

ε=(2～6）×104：中等靈敏；

ε<2×104：不靈敏。（6）ε在數(shù)值上等于濃度為1mol/L、液層厚度為1cm時(shí)該溶液在某一波長下的吸光度。

163.偏離朗伯—比耳定律的原因

標(biāo)準(zhǔn)曲線法測定未知溶液的濃度時(shí)，發(fā)現(xiàn)：標(biāo)準(zhǔn)曲線常發(fā)生彎曲（尤其當(dāng)溶液濃度較高時(shí)），這種現(xiàn)象稱為對(duì)朗伯—比耳定律的偏離。引起這種偏離的因素（兩大類）：（1）物理性因素，即儀器的非理想引起的；（2）化學(xué)性因素。

17（1）物理性因素難以獲得真正的純單色光。

朗伯—比耳定律的前提條件之一是入射光為單色光。分光光度計(jì)只能獲得近乎單色的狹窄光帶。復(fù)合光可導(dǎo)致對(duì)朗伯—比耳定律的正或負(fù)偏離。非單色光、雜散光、非平行入射光都會(huì)引起對(duì)朗伯—比耳定律的偏離，最主要的是非單色光作為入射光引起的偏離。

圖8-4-1工作曲線18

｜Δε｜很小時(shí)，則可近似認(rèn)為是單色光。為克服非單色光引起的偏離，首先應(yīng)選擇比較好的單色器。此外還應(yīng)將入射光波長選定在待測物質(zhì)的最大吸收波長且吸收曲線較平坦處。(2)化學(xué)性因素朗伯-比耳定律假定：所有的吸光質(zhì)點(diǎn)之間不發(fā)生相互作用，實(shí)驗(yàn)證明，這種假定只有在稀溶液時(shí)才基本符合。

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當(dāng)溶液濃度c>10-2mol·L-1時(shí)，吸光質(zhì)點(diǎn)間可能發(fā)生締合等相互作用，直接影響了對(duì)光的吸收。朗伯-比耳定律只適用于稀溶液。溶液中存在著離解、聚合、互變異構(gòu)、配合物的形成等化學(xué)平衡時(shí)，使吸光質(zhì)點(diǎn)的濃度發(fā)生變化，影響吸光度。(3)工作曲線不過原點(diǎn)存在系統(tǒng)誤差：吸收池不完全一樣；參比溶液選擇不當(dāng)?shù)?。圖8-4-2工作曲線20

§1-2紫外可見分光光度計(jì)

一、主要部件光源單色器樣品室檢測器顯示

211．光源：2．單色器：包括狹縫、準(zhǔn)直鏡、色散元件棱鏡——對(duì)不同波長的光折射率不同色散元件分出光波長不等距光柵——衍射和干涉分出光波長等距鎢燈或鹵鎢燈——可見光源350~1000nm氫燈或氘燈——紫外光源200~360nm22續(xù)前3．吸收池：玻璃——能吸收UV光，僅適用于可見光區(qū)石英——不能吸收紫外光，適用于紫外和可見光區(qū)要求：匹配性（對(duì)光的吸收和反射應(yīng)一致）4．檢測器：將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的裝置5．記錄裝置：訊號(hào)處理和顯示系統(tǒng)光電池光電管光電倍增管二極管陣列檢測器23類型：

1．單光束分光光度計(jì)：特點(diǎn)：使用時(shí)來回拉動(dòng)吸收池→移動(dòng)誤差對(duì)光源要求高比色池配對(duì)24續(xù)前2．雙光束分光光度計(jì)：

特點(diǎn)：不用拉動(dòng)吸收池，可以減小移動(dòng)誤差對(duì)光源要求不高可以自動(dòng)掃描吸收光譜25續(xù)前3．雙波長分光光度計(jì)特點(diǎn)：利用吸光度差值定量消除干擾和吸收池不匹配引起的誤差2627

§1-3顯色反應(yīng)及顯色條件的選擇一、顯色反應(yīng)的選擇

選擇顯色劑選擇顯色反應(yīng)時(shí)應(yīng)考慮的因素：靈敏度高、選擇性高、生成物穩(wěn)定、顯色劑在測定波長處無明顯吸收，與有色物最大吸收波長之差（對(duì)比度），應(yīng)滿足

>60nm。常用配位顯色反應(yīng)或氧化還原顯色反應(yīng)對(duì)待測離子進(jìn)行顯色后測定。例如：鋼中微量錳的測定，Mn2＋不能直接進(jìn)行光度測定，可將其氧化成紫紅色的Mn(Ⅶ)，在525nm處

28二、顯色條件的選擇1.顯色劑用量：吸光度A與顯色劑用量cR的關(guān)系曲線如圖12-8所示。選擇曲線變化平坦處作為顯色條件。2.溶液的pH值在相同實(shí)驗(yàn)條件下，分別測定不同pH值條件下顯色溶液的吸光度。選擇曲線中吸光度較大且恒定的平坦區(qū)所對(duì)應(yīng)的pH范圍。3.顯色時(shí)間與溫度顯色反應(yīng)一般在室溫下進(jìn)行，有的反應(yīng)需加熱，應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)找出適宜的溫度范圍。圖8-10吸光度與顯色劑用量關(guān)系曲線cRcRcRAAA29pHA

圖8-11吸光度與pH關(guān)系曲線三、干擾的消除

1.加入掩蔽劑選擇掩蔽劑的原則是：掩蔽劑不與待測組分反應(yīng)；掩蔽劑本身及掩蔽劑與干擾組分的反應(yīng)產(chǎn)物不干擾待測組分的測定。例：測定Ti4＋，30

加入H3PO4掩蔽劑使Fe3+(黃色)成為［Fe(PO４)2］3-(無色)，消除Fe3+的干擾；又如用鉻天菁S光度法測定Al3+時(shí)，加入抗壞血酸作掩蔽劑將Fe3+還原為Fe2+，消除Fe3+的干擾。2.選擇適當(dāng)?shù)娘@色反應(yīng)條件通過控制適宜的顯色條件，消除干擾組分的影響。3.選擇適宜的波長避開干擾物的最大吸收，配制適當(dāng)?shù)膮⒈纫?，消除干擾組分的影響。

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4.提高顯色反應(yīng)的選擇性利用被測物能形成三元絡(luò)合物的特點(diǎn)，提高顯色反應(yīng)的選擇性。5.分離干擾離子

采用適當(dāng)?shù)姆蛛x方法預(yù)先除去干擾物質(zhì)。32§1-4吸光光度測量條件的選擇1.選擇適當(dāng)?shù)娜肷洳ㄩL一般應(yīng)該選擇λmax為入射光波長。但如果λmax處有共存組分干擾時(shí)，則應(yīng)考慮選擇靈敏度稍低但能避免干擾的入射光波長。2.選擇適當(dāng)?shù)膮⒈热芤何粘乇砻鎸?duì)入射光有反射和吸收作用；溶液的不均勻性所引起的散射；過量顯色劑、其它試劑、溶劑等引起的吸收，這些因素影響待測組分透光度或吸光度的測量。采用參33

比溶液校正的方法消除或減小這些影響。在相同的吸收池中裝入?yún)⒈热芤?又稱空白溶液)，調(diào)節(jié)儀器使透過參比池的吸光度為零(稱為工作零點(diǎn))。在此條件下測得的待測溶液的吸光度才真正反映其吸光強(qiáng)度。34圖8-12吸