紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的原理及應(yīng)用淺析
紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的原理及應(yīng)用淺析
1.總論
我們?cè)趯?shí)踐中早已總結(jié)出不同顏色的物質(zhì)具有不同的物理和化學(xué)性質(zhì)。 根據(jù)物質(zhì)的這些特性可對(duì)它進(jìn)行有效的分析和判別。由于顏色本就惹人注意，根據(jù)物質(zhì)的顏 色深淺程度來(lái)對(duì)物質(zhì)的含量進(jìn)行估計(jì)，可追溯到古代及中世紀(jì)。1852年，比爾(Beer)參考了 布給爾(Bouguer)1729年和朗伯(Lambert)在1760年所發(fā)表的文章，提出了分光光度的基本定 律，即液層厚度相等時(shí)，顏色的強(qiáng)度與呈色溶液的濃度成比例，從而奠定了分光光度法的理論基礎(chǔ)，這就是著名的比爾朗伯定律。1854年，杜包斯克(Duboscq)和奈斯勒(Nessler)等人將此理論應(yīng)用于定量分析化學(xué)領(lǐng)域，并且設(shè)計(jì)了第一臺(tái)比色計(jì)。到1918年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局 制成了第一臺(tái)紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)。此后，紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)經(jīng)不斷改進(jìn)，又出現(xiàn)自動(dòng)記 錄、自動(dòng)打印、數(shù)字顯示、微機(jī)控制等各種類(lèi)型的儀器，使光度法的靈敏度和準(zhǔn)確度也不斷 提高，其應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大。
紫外可見(jiàn)分光光度法從問(wèn)世以來(lái)，在應(yīng)用方面有了很大的發(fā)展，尤其是在相關(guān)學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)上，促使分光光度計(jì)儀器的不斷創(chuàng)新，功能更加齊全，使得光度法的應(yīng)用更拓寬了范圍。 目前，分光光度法已為工農(nóng)業(yè)各個(gè)部門(mén)和科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域所廣泛采用，成為人們從事生產(chǎn)和科研的有力測(cè)試手段。我國(guó)在分析化學(xué)領(lǐng)域有著堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，在分光光度分析方法和儀器的制造方面國(guó)際上都已達(dá)到一定的水平。
2.紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)原理
物質(zhì)的吸收光譜本質(zhì)上就是物質(zhì)中的分子和原子吸收了入射光中的某些特定波長(zhǎng)的光能量，相應(yīng)地發(fā)生了分子振動(dòng)能級(jí)躍遷和電子能級(jí)躍遷的結(jié)果。由于各種物質(zhì)具有各自不同的分子 、原子和不同的分子空間結(jié)構(gòu)，其吸收光能量的情況也就不會(huì)相同，因此，每種物質(zhì)就有其特有的、固定的吸收光譜曲線，可根據(jù)吸收光譜上的某些特征波長(zhǎng)處的吸光度的高低判別或測(cè)定該物質(zhì)的含量，這就是分光光度定性和定量分析的基礎(chǔ)。分光光度分析就是根據(jù)物質(zhì)的吸 收光譜研究物質(zhì)的成分、結(jié)構(gòu)和物質(zhì)間相互作用的有效手段。
紫外可見(jiàn)分光光度法的定量分析基礎(chǔ)是朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律。即物質(zhì)在一定濃度的吸光度與它的吸收介質(zhì)的厚度呈正比，其數(shù)學(xué)表示式如下：
A=錬c
式中：A—吸光度(又稱(chēng)光密度、消光值)，
?—摩爾吸光系數(shù)(其物理意義為：當(dāng)吸光物質(zhì)濃度為1摩爾/升，吸收池厚為1厘米，以一定波長(zhǎng)原光通過(guò)時(shí)，所引起的吸光值A(chǔ))，b—吸收介質(zhì)的厚度(厘米)，c—吸光物質(zhì)的 濃度(摩爾/升)。
物質(zhì)的顏色和它的電子結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系，當(dāng)輻射(光子)引起電子躍遷使分子(或離子)從基 態(tài)上升到激發(fā)態(tài)時(shí)，分子(或離子)就會(huì)在可見(jiàn)區(qū)或紫外呈現(xiàn)吸光，顏色的發(fā)生或變化是和分 子的正常電子結(jié)構(gòu)的變形聯(lián)系的。當(dāng)分子中含有一個(gè)或更多的生色基因(即具有不飽和鍵的 原子基團(tuán))，輻射就會(huì)引起分子中電子能量的改變。常見(jiàn)的生色團(tuán)有：
CO， -N=N-， -N=O，-C N，CS
如果兩個(gè)生色團(tuán)之間隔一個(gè)碳原子，則形成共軛基團(tuán)，會(huì)使吸收帶移向較長(zhǎng)的波長(zhǎng)處(即紅 移)，且吸收帶的強(qiáng)度顯著增加。當(dāng)分子中含有助色基團(tuán)(有未共用電子對(duì)的基團(tuán))時(shí)，也會(huì) 產(chǎn)生紅移效應(yīng)。常見(jiàn)的助色基團(tuán)有：-OH -NH2， -SH， -Cl, -Br, -I
3.特點(diǎn)
分光光度法對(duì)于分析人員來(lái)說(shuō)，可以說(shuō)是最有用的工具之一。幾乎每一個(gè)分析實(shí)驗(yàn)室都離不開(kāi)紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)。分光光度法的主要特點(diǎn)為：
(1)應(yīng)用廣泛
由于各種各樣的無(wú)機(jī)物和有機(jī)物在紫外可見(jiàn)區(qū)都有吸收，因此均可借此法加以測(cè)定。到目前 為止，幾乎化學(xué)元素周期表上的所有元素(除少數(shù)放射性元素和惰性元素之外)均可采用此法 。在國(guó)際上發(fā)表的有關(guān)分析的論文總數(shù)中，光度法約占28%，我國(guó)約占所發(fā)表論文總數(shù)的33% 。
(2)靈敏度高
由于新的顯色劑的大量合成，并在分光光度計(jì)原理的應(yīng)用研究方面取得了可喜的進(jìn)展，使得對(duì)元素測(cè)定的靈敏 度有所推進(jìn)，特別是有關(guān)多元絡(luò)合物和各種表面活性劑的應(yīng)用研究，使許多元素的摩爾吸光系數(shù)由原來(lái)的幾萬(wàn)提高到數(shù)十萬(wàn)。
(3)選擇性好
目前已有些元素只要利用控制適當(dāng)?shù)娘@色條件就可直接進(jìn)行光度法測(cè)定，如鈷、鈾、鎳、銅 、銀、鐵等元素的測(cè)定，已有比較滿意的方法了。
(4)準(zhǔn)確度高
對(duì)于一般的分光光度法，其濃度測(cè)量的相對(duì)誤差在1～3%范圍內(nèi)，如采用示差分光光度法進(jìn)行測(cè)量，則誤差可減少到0.X%。
(5) 適用濃度范圍廣
可從常量(1%～50%)(尤其使用示差法)到痕量(10-8～10-6%)(經(jīng)預(yù)富集后)。
(6) 分析成本低、操作簡(jiǎn)便、快速
由于分光光度法具有以上優(yōu)點(diǎn)，因此目前仍廣泛地應(yīng)用于化工、冶金、地質(zhì)、醫(yī)學(xué)、食品、 制藥等部門(mén)及環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。單在水質(zhì)分析中的應(yīng)用就很廣，目前能有直接法和間接法測(cè)定的金屬和非金屬元素就有70多種。
4 應(yīng)用
4.1 檢定物質(zhì)
根據(jù)吸收光譜圖上的一些特征吸收，特別是最大吸收波長(zhǎng)雖ax和摩爾吸收系數(shù)澹 是檢定物質(zhì)的常用物理參數(shù)。這在藥物分析上就有著很廣泛的應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)外的藥典中，已將眾多的藥物紫外吸收光譜的最大吸收波長(zhǎng)和吸收系數(shù)載入其中，為藥物分析提供了很好的 手段。
4.2 與標(biāo)準(zhǔn)物及標(biāo)準(zhǔn)圖譜對(duì)照
將分析樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品以相同濃度配制在同一溶劑中，在同一條件下分別測(cè)定紫外可見(jiàn)吸收光譜。若兩者是同一物質(zhì)，則兩者的光譜圖應(yīng)完全一致。如果沒(méi)有標(biāo)樣，也可以和現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)譜圖對(duì)照進(jìn)行比較。 這種方法要求儀器準(zhǔn)確，精密度高，且測(cè)定條件要相同。
4.3 比較最大吸收波長(zhǎng)吸收系數(shù)的一致性
由于紫外吸收光譜只含有2～3個(gè)較寬的吸收帶，而紫外光譜主要是分子內(nèi)的發(fā)色團(tuán)在紫外區(qū) 產(chǎn)生的吸收，與分子和其它部分關(guān)系不大。具有相同發(fā)色團(tuán)的不同分子結(jié)構(gòu)，在較大分子中不影響發(fā)色團(tuán)的紫外吸收光譜，不同的分子結(jié)構(gòu)有可能有相同的紫外吸收光譜，但它們的吸 收系數(shù)是有差別的。如果分析樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品的吸收波長(zhǎng)相同，吸收系數(shù)也相同，則可認(rèn)為分析樣品與標(biāo)準(zhǔn)樣品為同一物質(zhì)。
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