紫外可見分光光度計(jì)的應(yīng)用及原理

　　1.概述

人們在實(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)的顏色深淺程度來對物質(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*臺比色計(jì)。到1918年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)局制成了*臺紫外可見分光光度計(jì)。此后，紫外可見分光光度計(jì)經(jīng)不斷改進(jìn)，又出現(xiàn)自動記錄、自動打印、數(shù)字顯示、微機(jī)控制等各種類型的儀器，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。

紫外可見分光光度法從問世以來，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)和科研的有力測試手段。我國在分析化學(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上都已達(dá)到一定的水平［1］［2］

2.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的光能量，相應(yīng)地發(fā)生了分子振動能級躍遷和電子能級躍遷的結(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相同，因此，每種物質(zhì)就有其*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處的吸光度的高低判別或測定該物質(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，以一定波長原光通過時(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）就會在可見區(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)），輻射就會引起分子中電子能量的改變。常見的生色團(tuán)有：

CO，-N=N-，-N=O，-CN，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)，會使吸收帶移向較長的波長處（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)（有未共用電子對的基團(tuán)）時(shí)，也會產(chǎn)生紅移效應(yīng)。常見的助色基團(tuán)有：-OH-NH2，-SH，-Cl,-Br,-I

3.特點(diǎn)

分光光度法對于分析人員來說，可以說是zui有用的工具之一。幾乎每一個(gè)分析實(shí)驗(yàn)室都離不開紫外可見分光光度計(jì)。分光光度法的主要特點(diǎn)為：

（1）應(yīng)用廣泛

由于各種各樣的無機(jī)物和有機(jī)物在紫外可見區(qū)都有吸收，因此均可借此法加以測定。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，并在應(yīng)用研究方面取得了可喜的進(jìn)展，使得對元素測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)由原來的幾萬提高到數(shù)十萬。

（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)行光度法測定，如鈷、鈾、鎳、銅、銀、鐵等元素的測定，已有比較滿意的方法了。

（4）準(zhǔn)確度高

對于一般的分光光度法，其濃度測量的相對誤差在1～3%范圍內(nèi)，如采用示差分光光度法進(jìn)行測量，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、制藥等部門及環(huán)境監(jiān)測系統(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zui大吸收波長雖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。在國內(nèi)外的藥典中，已將眾多的藥物紫外吸收光譜的zui大吸收波長和吸收系數(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定紫外可見吸收光譜。若兩者是同一物質(zhì)，則兩者的光譜圖應(yīng)*一致。如果沒有標(biāo)樣，也可以和現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)譜圖對照進(jìn)行比較。這種方法要求儀器準(zhǔn)確，精密度高，且測定條件要相同。

4.3比較zui大吸收波長吸收系數(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)。

例1己二烯-1，5（CH2=CHCH2CH2=CH2）的zui大吸收波長雖ax為178nm（摩爾吸收系數(shù)為26000），而己烯-1（CH2=CHCH2CH2CH2CH3）的zui大吸收波長為雖ax為177nm（摩爾吸收系數(shù)邐11800）。此兩個(gè)物質(zhì)有相同的發(fā)色團(tuán)，雖ax值基本相同，但值不同，二烯的逯當(dāng)鵲ハ┑拇?。震~得饔邢嗤牡舜瞬還查畹姆⑸?，其吸收波长皆佊趩蝹€(gè)發(fā)色團(tuán)的值，但逯翟蛩嫦嗤⑸攀康腦黽傭黽印Ｈ綣屑父齜⑸瘧舜斯查，則吸收長向紅移動。象丁二烯-1，3（CH2=CHCH=CH2）與己二烯-1，5（CH2=CHCH2CH2CH=CH2）相比，同樣有兩個(gè)雙鍵，但丁二烯-1，3中為共軛體系，它的zui大吸收長雖ax為210nm，而摩爾吸收系數(shù)逯翟蠐爰憾-1，5基本一樣。

4.4純度檢驗(yàn)

例2紫外吸收光譜能測定化合物中含有微量的具有紫外吸收的雜質(zhì)。如果化合物的紫外可見光區(qū)沒有明顯的吸收峰，而它的雜質(zhì)在紫外區(qū)內(nèi)有較強(qiáng)的吸收峰，就可以檢測出化合物中的雜質(zhì)。