紫外-可見(jiàn)分光光度分析法

1、第9章 紫外-可見(jiàn)分光光度分析法9.1 紫外-可見(jiàn)分光光度分析法原理紫外-可見(jiàn)分光光度法是利用物質(zhì)的分子對(duì)200800nm光的吸收特性進(jìn)行分析測(cè)定的方法。紫外-可見(jiàn)分光光度分析法的應(yīng)用非常廣泛，因?yàn)樗哂幸韵绿攸c(diǎn)。靈敏度高，測(cè)定下限可達(dá)10-8.選擇性好，可在多種組分共存的溶液中，不經(jīng)分離而測(cè)定某種欲測(cè)定的組分。通用性強(qiáng)，用途廣泛。大部分無(wú)機(jī)元素都可用分光光度分析法測(cè)定，許多有機(jī)化合物的官能團(tuán)，以及某些平衡常數(shù)、配位數(shù)等，也可用分光光度分析法測(cè)定。設(shè)備和操作簡(jiǎn)單，分析速度快。準(zhǔn)確度較好，通常相對(duì)誤差為25，適用于微量組分的測(cè)定。9.1.1 物質(zhì)對(duì)光的吸收光的顏色與波長(zhǎng) 光是一種電磁輻射，在同一

2、介質(zhì)中直線傳播，而且具有恒定的速度。光具有一定的波長(zhǎng)和頻率，人們眼睛能感覺(jué)到的光是可見(jiàn)光，它只是電磁輻射中的一小部分。各種顏色光的近似波長(zhǎng)范圍列于表9-1.光的色散與互補(bǔ) 當(dāng)一束白光通過(guò)光學(xué)棱鏡時(shí)，即可得到不同顏色的譜帶也叫光譜，這種現(xiàn)象叫光的色散。白光經(jīng)色散后成為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等七色光，說(shuō)明白光是由這7種顏色的光按一定比例混合而成的，所以叫復(fù)合光。將白光中不同顏色的光彼此分開(kāi)，即可得到不同波長(zhǎng)的單色光。如果只把白光中某一顏色的光分離出去，剩余的各種波長(zhǎng)的光將不再是白光，而是呈現(xiàn)一定的顏色，這兩種顏色稱(chēng)為“互補(bǔ)色”。例如在白光中分成藍(lán)光，剩余的混合光呈黃色，因此黃色是藍(lán)色的互補(bǔ)色，

3、藍(lán)色也是黃色的互補(bǔ)色。換句話說(shuō)，若兩種適當(dāng)顏色的光，按一定的強(qiáng)度比例混合后能得到白光，這兩種顏色的光稱(chēng)為互補(bǔ)色光。這種色光的互補(bǔ)關(guān)系見(jiàn)表9-1。表9-1 可見(jiàn)光中各種吸收光顏色、波長(zhǎng)與物質(zhì)顏色之間的關(guān)系吸收波長(zhǎng)nm吸收的顏色互補(bǔ)色吸收波長(zhǎng)nm吸收的顏色互補(bǔ)色200400近紫外570590黃藍(lán)400450紫黃綠590620橙綠藍(lán)450495藍(lán)黃620750紅藍(lán)綠495570綠紫物質(zhì)的顏色 物質(zhì)呈現(xiàn)的顏色與光有密切的關(guān)系。物質(zhì)所以呈現(xiàn)不同的顏色，是由于物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的光具有不同程度的透射或反射。當(dāng)白光照射到不透明的物質(zhì)時(shí)，某些波長(zhǎng)的光被吸收，其余波長(zhǎng)的光被反射，人們看到的是物質(zhì)所反射的光的顏色。由

4、于色光的互補(bǔ)，所以物質(zhì)呈現(xiàn)出所吸收光的互補(bǔ)色。例如某物質(zhì)吸收黃色光，則呈現(xiàn)藍(lán)色；若吸收綠色光則呈現(xiàn)紫色；若吸收所有波長(zhǎng)的光則呈現(xiàn)黑色，若全部反射所有波長(zhǎng)的光則呈現(xiàn)白色。對(duì)于那些透明物質(zhì)，除了某些波長(zhǎng)被吸收外，其余波長(zhǎng)的光都透過(guò)介質(zhì)，同樣由于色光的互補(bǔ)，也呈現(xiàn)出與吸收波長(zhǎng)互補(bǔ)的顏色。例如，高錳酸鉀稀溶液呈紫紅色，是由于它吸收500550nm的綠光，所以呈現(xiàn)出綠光的互補(bǔ)光紫紅色。物質(zhì)對(duì)光的吸收曲線 物質(zhì)對(duì)光的選擇吸收特性可以用吸收曲線來(lái)描繪。讓不同波光的光通過(guò)一定濃度的溶液，分別測(cè)出各個(gè)波光的吸光度。以波長(zhǎng)（nm）為橫坐標(biāo)，吸光度A為縱坐標(biāo)繪圖，即可得到一條吸收曲線。曲線上有吸收峰，吸收峰最高處對(duì)

5、應(yīng)的波長(zhǎng)稱(chēng)最大吸收波長(zhǎng)，用max表示。對(duì)于可見(jiàn)分光光度計(jì)而言，測(cè)定的是有色溶液。圖9-1是KMnO4溶液的吸收曲線，該曲線最大吸收波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的顏色就是物質(zhì)吸收光的顏色。KMnO4溶液的最大吸收波長(zhǎng)在525nm，正是綠光的波長(zhǎng)，因此KMnO4溶液吸收綠光，透過(guò)紫光，呈現(xiàn)紫紅色。比較不同濃度KMnO4溶液的吸收曲線就會(huì)發(fā)現(xiàn)，它們的形狀相似；最大吸收波長(zhǎng)的位置不變，只是吸收峰的高度隨濃度增大而增大。對(duì)于紫外分光光度計(jì)而言，測(cè)定的是在紫外光區(qū)有吸收的物質(zhì)，主要是含有共價(jià)鍵的不飽和集團(tuán)，如C=C、共軛雙鍵、芳環(huán)、CC、N=N、C=S、NO2、NO3、COOH、CONH2、C=O等。圖9-2為苯的紫外吸收曲

6、線。吸收曲線與物質(zhì)結(jié)構(gòu) 比較不同物質(zhì)的吸收曲線，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這些曲線的形狀、吸收峰的位置和強(qiáng)度都不相同，這是由物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)決定的。分子外層的價(jià)電子處于不同的能級(jí)狀態(tài)，價(jià)電子在不同能級(jí)間躍遷時(shí)需要能量，這能量正好相當(dāng)于可見(jiàn)和近紫外光輻射所具有的能量。分子結(jié)構(gòu)不同，價(jià)電子躍遷時(shí)吸收的能量也不同，因此吸收曲線中最大吸收波長(zhǎng)的位置不同。如飽和的醛酮等羰基化合物，在270300nm有一個(gè)特征吸收峰，苯類(lèi)及其衍生物在230270nm有一個(gè)特征吸收帶，其中心在254nm。由此可見(jiàn)，吸收峰的位置和形狀對(duì)各種物質(zhì)來(lái)講是特征的，可作為定性鑒定的依據(jù)；而吸收峰的強(qiáng)度大小又與物質(zhì)的濃度有關(guān)，濃度越大吸收峰越強(qiáng)，因此可作

7、為定量分析的依據(jù)。9.1.2 光吸收定律光吸收定律 當(dāng)一束平行的單色光通過(guò)一均勻的有色溶液時(shí)，光的一部分被吸收池表面反射回來(lái)，一部分被溶液吸收，一部分透過(guò)溶液（圖9-3），如果入射光強(qiáng)度為I0，吸收光強(qiáng)度為Ia，透射光強(qiáng)度為It，反射光強(qiáng)度為Ir，它們之間的關(guān)系為：I0IaItIr在分光光度分析法中，都是采用同樣材質(zhì)的吸收池，反射光強(qiáng)度基本不變，其影響可以相互抵消，于是上式可簡(jiǎn)化為：I0IaIt透射光強(qiáng)度It與入射光強(qiáng)度I0之比稱(chēng)為透過(guò)率（也稱(chēng)透射比），用T表示：T通常用百分?jǐn)?shù)表示透光率，即;T/100 (9-1)溶液的透過(guò)率越大，說(shuō)明溶液對(duì)光的吸收越??；相反透光率越小，則溶液對(duì)光的吸收越大。

8、溶液對(duì)光的吸收程度，與溶液濃度、溶液厚度以及入射光波長(zhǎng)等因素有關(guān)。如果保持入射光波長(zhǎng)不變，溶液對(duì)光的吸收程度則與溶液濃度和液層厚度有關(guān)。光吸收定律具體表達(dá)了它們之間的關(guān)系，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：1g=Kcb (9-2)式中 K比例常數(shù)的數(shù)值； C溶液濃度的數(shù)值； b液層厚度的數(shù)值。 1g 透光率的負(fù)對(duì)數(shù)，表示溶液對(duì)光的吸收程度，稱(chēng)為吸光度。如果用A表示吸光度，則：A=-1gT=1g (9-3)于是公式（9-2）可簡(jiǎn)化為：A=Kcb (9-4)一束平行的單色光通過(guò)一均勻溶液時(shí)，溶液的吸光度與溶液濃度和透過(guò)液層厚度的乘積成正比，這就是郎伯-比爾定律。摩爾吸收系數(shù) 在光吸收定律的表達(dá)式中，比例常數(shù)K稱(chēng)為

9、吸收系數(shù)，它與多種因素有關(guān)，包括入射光波長(zhǎng)、溶液溫度、溶劑性質(zhì)及吸收物質(zhì)的性質(zhì)等。如果上述因素中除吸收物質(zhì)外，其他因素都固定不變，則K值只與吸收物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，可作為該物質(zhì)吸光能力大小的表征。實(shí)際上溫度的影響不大，可以忽略，入射光波長(zhǎng)也是固定的，多用吸光物質(zhì)的最大吸收波長(zhǎng)，因此當(dāng)溶液濃度和透光液層厚度都為1時(shí)，溶液的吸光度A即為K值。由于使用的單位不同，K有不同的表示方法。當(dāng)溶液濃度以molL-1為單位，透光液層厚度以cm為單位，K稱(chēng)為“摩爾吸收系數(shù)”，用表示。這時(shí)光吸收定律應(yīng)表示為：A=cb (9-5)式中 摩爾吸收系數(shù)的數(shù)值,Lmol-1cm-1； c溶液濃度的數(shù)值，molL-1； b液層

10、厚度的數(shù)值，cm。摩爾吸收系數(shù)的物理意義是：溶液濃度為1molL-1，透光液層厚度為1cm時(shí)該物質(zhì)的吸光度，其單位是Lmol-1cm-1。對(duì)于同一種化合物，在不同的波長(zhǎng)下有不同的摩爾吸收系數(shù)，在最大吸收波長(zhǎng)處，摩爾吸收系數(shù)最大，說(shuō)明對(duì)該波長(zhǎng)的光吸收能力最強(qiáng)。在最大吸收波長(zhǎng)處進(jìn)行分光光度測(cè)定，靈敏度也最高。光吸收定律的適用范圍 根據(jù)光吸收定律，溶液的吸光度A應(yīng)當(dāng)與溶液濃度呈線性關(guān)系，但在實(shí)踐中常發(fā)現(xiàn)有偏離吸收定律的情況，從而引起誤差。這是由于光吸收定律有一定的適用范圍，超出了適用范圍，就會(huì)引起誤差。光吸收定律只適用于單光色，但各種分光光度計(jì)提供的入射光都是具有一定寬帶的光譜帶，這就使溶液對(duì)光的吸

11、收行為偏離了吸收定律，產(chǎn)生誤差。因此要求分光光度計(jì)提供的單色光純度越高越好，光譜帶的寬帶越窄越好。光吸收定律只適用于稀溶液，當(dāng)溶液濃度較高時(shí)，就會(huì)偏離光吸收定律。遇到這種情況時(shí)，應(yīng)設(shè)法降低溶液濃度，使其回復(fù)到線性范圍內(nèi)工作。通常只有在溶液濃度小于0.01molL-1的稀溶液中朗伯-比爾定律才能成立。光吸收定律只適用于透明溶液，不適用于乳濁液和懸濁液。乳濁液和懸濁液中懸浮的顆粒對(duì)光有散射作用，光吸收定律只討論溶液對(duì)光的吸收和透射，不包括散射光，因此這樣的溶液不符合光吸收定律。光吸收定律也適用于那些彼此不相互作用的多組分溶液，它們的吸光度具有加和性，即： A(總)=A1+A2+An =K1c1b+

12、K2c2b+Kncnb (9-6)式中字母的下腳標(biāo)代表各個(gè)組分。這種吸光度的加和性，在測(cè)定多組分共存的溶液時(shí)，要充分考慮到共存組分的影響。有色化合物在溶液中受酸度、溫度、溶劑等的影響，可能發(fā)生水解、沉淀、締合等化學(xué)反應(yīng)，從而影響有色化合物對(duì)光的吸收，因此在測(cè)定過(guò)程中要嚴(yán)格控制顯色反應(yīng)條件，以減少測(cè)定誤差。9.2紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)結(jié)構(gòu)9.2.1 基本結(jié)構(gòu)紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)基本結(jié)構(gòu)都是由光源、單色器、吸收池、檢測(cè)器和信號(hào)顯示及數(shù)據(jù)處理等5個(gè)部分組成。光源 光源的作用是提供符合要求的入射光。光源必須有足夠的輸出功率和穩(wěn)定性。對(duì)于可見(jiàn)分光光度計(jì)，用的光源是鎢絲白熾燈。它的波長(zhǎng)范圍是3202500n

13、m，足夠作可見(jiàn)光的光源。白熾燈的發(fā)光強(qiáng)度和穩(wěn)定性與供電電壓有密切關(guān)系。只要增加供電電壓，就能增大發(fā)光強(qiáng)度；只要保證電源的電壓穩(wěn)定，就能提供穩(wěn)定的發(fā)光強(qiáng)度。鎢絲白熾燈的缺點(diǎn)是壽命短。對(duì)于紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)，除了由鎢絲白熾燈提供可見(jiàn)光外，還用氫燈或氘燈提供紫外部分的光源，波長(zhǎng)范圍是200350nm。它們是氫氣的輝光放電燈，氘燈的發(fā)光強(qiáng)度比氫燈要高23倍，壽命也比較長(zhǎng)。為保證發(fā)光強(qiáng)度穩(wěn)定，也要用穩(wěn)壓電源供電。目視比色法中，以太陽(yáng)光為光源。單色器 單色器的作用是把光源發(fā)出的連續(xù)光譜分解成各種波長(zhǎng)的單色光，并能準(zhǔn)確方便地取出所需要的波長(zhǎng)。單色器是由色散元件、狹縫和透鏡系統(tǒng)組成的。能把復(fù)合光變成各種波長(zhǎng)

14、單色光的器件稱(chēng)為色散元件。狹縫和透鏡系統(tǒng)的作用是條件光的強(qiáng)度，控制光的方向并取出所需波長(zhǎng)的單色光。經(jīng)典的單色器是用棱鏡作色散元件，它是根據(jù)光的折射現(xiàn)象進(jìn)行分光的。工作原理如圖9-4所示。光源發(fā)出的光經(jīng)透鏡聚焦在入射狹縫上，進(jìn)入單色器后由棱鏡分光，再由平面反射鏡反射至出射狹縫。棱鏡由玻璃或石英制成，玻璃棱鏡只適用于可見(jiàn)光范圍，紫外區(qū)必須用石英棱鏡。棱鏡的材料對(duì)不同波長(zhǎng)的光具有不同的折射率，波長(zhǎng)短的光折射率大，波長(zhǎng)長(zhǎng)的光折射率小。因此，平行光經(jīng)色散后就按波長(zhǎng)順序分解為不同波長(zhǎng)的光。調(diào)整棱鏡和平面反射鏡的位置，讓所需波長(zhǎng)的光通過(guò)狹縫。狹縫的寬度也是可調(diào)的，通過(guò)它可調(diào)節(jié)光的強(qiáng)度和譜帶寬度。棱鏡單色器的

15、分光能力較差，加上手工調(diào)節(jié)，波長(zhǎng)的重復(fù)性也比較差。目前的單色器用光柵作色散元件。光柵是在玻璃表面刻上等寬帶間隔的平行條痕，每毫米的刻痕多達(dá)上千條。一束平行光照射到光柵上，由于光柵的衍射作用，反射出來(lái)的光就按波長(zhǎng)順序分開(kāi)了。光柵的刻痕越多，對(duì)光的分辨率越高，現(xiàn)在可達(dá)到0.2nm。只要設(shè)定好所需的波長(zhǎng)，微機(jī)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換光柵，調(diào)整到所需的波長(zhǎng)。吸收池 盛裝被測(cè)溶液的吸收池由透明的材料制成。它有兩個(gè)互相平行而且距離一定的透光平面，側(cè)面和底面是毛玻璃?？梢?jiàn)光區(qū)用的吸收池，其透光面是光學(xué)玻璃；紫外區(qū)用的吸收池，其透光面是石英玻璃，因?yàn)槠胀úＡ兆贤饩€。吸收池是單色器與信號(hào)接收器之間光路的連接部分。它的作用

16、是讓單色器出來(lái)的單色光全部進(jìn)入被測(cè)溶液，并且從被測(cè)溶液出來(lái)的光全部進(jìn)入檢測(cè)器。吸收池有0.5cm、1.0cm、2.0cm、3.0cm、4.0cm和5.0cm幾種規(guī)格，根據(jù)被測(cè)溶液顏色深淺選擇吸收池，盡量把吸光度調(diào)整到0.20.7。檢測(cè)器 檢測(cè)器就是光電轉(zhuǎn)換器。光電轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)必須是定量的；對(duì)光線波長(zhǎng)的響應(yīng)范圍要寬；響應(yīng)的靈敏度要高，速度要快；而且穩(wěn)定性要好。能滿足上述要求的光電轉(zhuǎn)換器有多種，下面分別介紹幾種常用的光電轉(zhuǎn)換器。光電池 某些半導(dǎo)體材料在光的照射下會(huì)產(chǎn)生光電流，光電流的大小與光強(qiáng)度成正比，利用這種特性可制成光電池，應(yīng)用最廣的是硒光電池。硒光電池的波長(zhǎng)響應(yīng)范圍是400700nm，適于作

17、可見(jiàn)光的信號(hào)接收器。硒光電池產(chǎn)生的光電流為10100A，可直接用檢流計(jì)測(cè)量，不需要放大器，也不需要外加電源，簡(jiǎn)單方便。缺點(diǎn)是容易產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象，不能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作。光電管 光電管是一個(gè)真空二極管，其陽(yáng)極為金屬絲，陰極為半導(dǎo)體材料，兩極間加有直流電壓。當(dāng)光線照射到陰極上時(shí)，陰極表面放出電子，在電場(chǎng)作用下流向陽(yáng)極形成光電流。光電流的大小在一定條件下與光強(qiáng)度成正比。光電管的陰極材料不同，其響應(yīng)的波長(zhǎng)范圍也不同。光電管的響應(yīng)靈敏度和波長(zhǎng)范圍都比光電池優(yōu)越。光電倍增管 光電倍增管相當(dāng)于一個(gè)多陰極的光電管，如圖9-5所示。光線先照射到第一陰極，陰極表面放出電子。這些電子在電場(chǎng)作用下射向第二陰極，并放出二次電

18、子。經(jīng)過(guò)幾次這樣的電子發(fā)射，光電流就被放大了許多倍。因此光電倍增管的靈敏度很高，適用于微弱光強(qiáng)度的測(cè)量。光導(dǎo)管與二極管陣列 光導(dǎo)管即光電二極管，有光照射時(shí)二極管導(dǎo)通，沒(méi)有光照射時(shí)不能導(dǎo)通。二極管陣列就是在1901100nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，一個(gè)挨一個(gè)地排列幾百個(gè)或上千個(gè)光電二極管，這樣不僅擴(kuò)大了光電管的響應(yīng)范圍，而且，在先進(jìn)電子技術(shù)的配合下，可以瞬時(shí)完成被測(cè)組分吸收光譜的掃描，給未知物定性提供了方便條件。如Agilent8453紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)二極管陣列檢測(cè)器使用1024個(gè)光電二極管作接收器，具有快速光譜采集速度、非凡的可靠性和近乎絕對(duì)的波長(zhǎng)重復(fù)性。該儀器對(duì)整個(gè)光譜快照的時(shí)間僅需0.1s。信號(hào)

19、顯示及數(shù)據(jù)處理 由檢測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，可用檢流計(jì)、微安表、記錄儀、數(shù)字顯示器或陰極射線顯示器顯示和記錄測(cè)定結(jié)果。現(xiàn)在儀器可用微機(jī)控制，可以繪制譜圖，打印數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理報(bào)告，而且儀器操作也可在微機(jī)上進(jìn)行。9.2.2 紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)類(lèi)型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)類(lèi)型包括：?jiǎn)喂馐止夤舛扔?jì)、雙光束分光光度計(jì)、雙波長(zhǎng)分光光度計(jì)、多通道分光光度計(jì)和探頭式分光光度計(jì)。單光束分光光度計(jì) 單光束分光光度計(jì)是最簡(jiǎn)單的，即選擇一束光先后通過(guò)參比溶液和樣品溶液，然后分別測(cè)定吸光度。它的缺點(diǎn)是由于光源不穩(wěn)會(huì)帶來(lái)測(cè)定誤差。雙光束分光光度計(jì) 雙光束分光光度計(jì)是一束光分成兩束，同時(shí)通過(guò)參比溶液和樣品溶液，然后同時(shí)

20、測(cè)定吸光度。它的最大優(yōu)點(diǎn)是克服了由于光源不穩(wěn)定帶來(lái)的測(cè)定誤差。這兩種儀器的原理如圖9-6和圖9-7所示。雙波長(zhǎng)分光光度計(jì) 雙波長(zhǎng)分光光度計(jì)是把光源發(fā)出的光用兩個(gè)單色器調(diào)制成兩束不同波長(zhǎng)的光，經(jīng)過(guò)切光器使其交替通過(guò)樣品溶液，再由接收器分別接收，通過(guò)電子系統(tǒng)可直接顯示兩個(gè)波長(zhǎng)下吸光度的差值。它的優(yōu)點(diǎn)是消除了由于人工配制的空白溶液和樣品溶液本底之間的差別而引起的測(cè)量誤差，另外還能測(cè)量混色溶液，如果樣品中含有兩種不同顏色的被測(cè)組分，可以選擇不同的波長(zhǎng)分別測(cè)定而不必分離。根據(jù)朗伯-比爾定律，Ap=pcb As=scbA=(p-s)cb (9-7)對(duì)于同一待測(cè)溶液，在光程不變的情況下，式（9-7）可簡(jiǎn)化成

21、A=Kc （9-8） 式（9-8）說(shuō)明，待測(cè)溶液在p和s兩個(gè)波長(zhǎng)處測(cè)定的吸光度差A(yù)與試樣中待測(cè)物質(zhì)的濃度成正比，這是雙波長(zhǎng)法的定量公式。光學(xué)多通道分光光度計(jì) 光學(xué)多通道分光光度計(jì)的光源鎢燈或氘燈發(fā)射的復(fù)合光先通過(guò)樣品池后再經(jīng)全息光柵色散，色散后的單色光由光電二極管陣列中的光電二極管接收。這種類(lèi)型的分光光度計(jì)可在極短的時(shí)間內(nèi)給出整個(gè)光譜的全部信息。如Agilent8453紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)。Agilent8453紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)，采用氘、鎢雙燈設(shè)計(jì)，二極管陣列檢測(cè)器，波長(zhǎng)范圍190-1100nm，快速光譜掃描可獲得全光譜信息，適用于樣品鑒定和純度驗(yàn)證，高通量光路，高靈敏度。見(jiàn)圖9-9、圖9

22、-10。其特點(diǎn)如下：耐用 僅遮板是移動(dòng)部件，儀器移動(dòng)位置后可以不用重新校準(zhǔn)，因而，儀器非常堅(jiān)固耐用?？焖?該儀器對(duì)整個(gè)光譜快照的時(shí)間僅需0.1s。全光譜 光電二極管陣列方法保存了全部的光譜，以備將來(lái)參照。當(dāng)查找雜質(zhì)或者尋找樣品中快速變化的動(dòng)力學(xué)時(shí)，保存全光譜是非常有用的。維護(hù)少 一般只需要更換燈，不需要做其他任何維護(hù)。開(kāi)放式采樣室 儀器將光柵置于燈的另一側(cè)，雜散光不會(huì)產(chǎn)生掃描式儀器固有的問(wèn)題。更高的效率 吸收池可以直接移入移出樣品架，而不必開(kāi)關(guān)樣品室。簡(jiǎn)化的操作 儀器附件并不受密閉室狹小空間的限制，它可以移動(dòng)到其他地方操作。結(jié)果改善 不必?fù)?dān)心遮板是否完全關(guān)閉，因而確保結(jié)果始終一致。探頭式分光光

23、度計(jì) 探頭式分光光度計(jì)中探頭是由兩根相互隔離的光導(dǎo)纖維組成。鎢燈發(fā)射的光由其中一根光纖傳導(dǎo)至試樣溶液，再經(jīng)反射鏡反射后，由另一根光纖傳導(dǎo)，通過(guò)干涉濾光片后，由光敏器件接收轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。此類(lèi)儀器不需要吸收池，直接將探頭插入樣品溶液中，在原位測(cè)定，不受外界光線的影響。9.3顯色反應(yīng)9.3.1 顯色反應(yīng)簡(jiǎn)介許多對(duì)可見(jiàn)光吸收很小，或者對(duì)可見(jiàn)光不產(chǎn)生吸收的物質(zhì)，不適合直接用可見(jiàn)分光光度法測(cè)定。但可以通過(guò)適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)處理，使該物質(zhì)轉(zhuǎn)變成對(duì)可見(jiàn)光有較強(qiáng)吸收的化合物。這種將無(wú)色的被測(cè)組分轉(zhuǎn)變成有色物質(zhì)的化學(xué)處理過(guò)程稱(chēng)為“顯色過(guò)程”；所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)稱(chēng)為“顯色反應(yīng)”；所用試劑稱(chēng)為“顯色劑”。顯色反應(yīng)可簡(jiǎn)單表示為：

24、M（被測(cè)物質(zhì)）+R（顯色劑）MR（有色化合物）顯色反應(yīng)可以是氧化還原反應(yīng)，也可以是配位反應(yīng)，或是兼有上述兩種反應(yīng)。其中配位反應(yīng)最重要，應(yīng)用也最普遍。例如Mn2+無(wú)色，不能直接用分光光度法測(cè)定，將它氧化成MnO則顯紫紅色，非常適合用分光光度法測(cè)定。又如Fe2+呈很淡的綠色，將它氧化成Fe3+并與CNS-反應(yīng)生成深紅色的配位離子，可提高測(cè)定靈敏度。9.3.2 顯色劑顯色劑的條件顯色劑在可見(jiàn)分光光度分析中具有非常重要的作用，因此顯色劑應(yīng)滿足下列條件。顯色靈敏度要高，即要求顯色劑與被測(cè)組分形成配合物的要大，越大則測(cè)定靈敏度越高。顯色劑與被測(cè)組分形成配合物要穩(wěn)定，即配合物的穩(wěn)定常數(shù)要大。因?yàn)榉€(wěn)定常數(shù)越大

25、，配位反應(yīng)進(jìn)行得越完全，受干擾離子的影響也小，因此測(cè)定的準(zhǔn)確度越高。顯色條件應(yīng)易于控制，以便得到良好重現(xiàn)性的結(jié)果。顯色劑與被測(cè)組分形成配合物組成要恒定。有些顯色劑能與被測(cè)離子形成多種不同組成的配合物，如Fe3+與CNS-形成的配合物Fe（CNS）n,其配位數(shù)n=16。由于配合物的組成不同，它們的最大吸收波長(zhǎng)不同，摩爾吸收系數(shù)也不同。如果在這種情況下進(jìn)行分光光度測(cè)定，測(cè)得的吸光度與被測(cè)離子濃度之間不遵守光吸收定律，給測(cè)定帶來(lái)嚴(yán)重誤差。在實(shí)際工作中應(yīng)盡量避免使用這樣的顯色劑，如果必須使用的話，要嚴(yán)格控制顯色反應(yīng)條件，使生成的配合物具有恒定的組成。顯色劑的選擇性要好，使得干擾元素少，簡(jiǎn)化操作手續(xù)，提

26、高測(cè)定的準(zhǔn)確度。顯色劑的顏色與生成的配合物顏色之間要有足夠大的差別，即顯色劑與有色配合物的對(duì)照性要好，二者之間的最大吸收波長(zhǎng)max的差別要在60nm以上，差值越大則顯色劑顏色引起的干擾越小。顯色劑與生成的配合物要易溶于水。常用的顯色劑無(wú)機(jī)顯色劑 無(wú)機(jī)顯色劑生成的配合物多數(shù)組成不恒定，反應(yīng)的靈敏度不高，因此應(yīng)用得不多。常用的無(wú)機(jī)顯色劑列于表9-2。有機(jī)顯色劑 有機(jī)顯色劑的靈敏度和選擇性都比較高，因此應(yīng)用廣泛，品種也較多，常用的有如下幾種：a.磺基水楊酸 用于Fe3+、Be2+、Ti4+、Co2+等的測(cè)定，可用于酸性（pH=4.5），也可用于堿性（pH=8.5）和氨性溶液中。b.鄰二氮雜菲（1,1

27、0-菲啰啉） 在pH=29的溶液中，與Fe2+生成紅色配合物，靈敏度高，選擇性也好，是測(cè)定微量鐵的特效試劑。 c.丁二酮肟 是測(cè)定微量鎳的特效試劑。d.二苯硫腙（雙硫腙） 用于Pb等重金屬離子的測(cè)定。試劑本身不溶于水，它與金屬離子的配合物也不溶于水，必須用有機(jī)溶液萃取，同時(shí)達(dá)到分離富集的目的，提高測(cè)定的靈敏度。9.3.3 影響顯色反應(yīng)的因素顯色劑的用量 根據(jù)化學(xué)平衡原理，為使顯色反應(yīng)進(jìn)行完全，必須加入過(guò)量的顯色劑，但不是過(guò)量越多越好。顯色劑過(guò)量的多少主要由生成配合物的穩(wěn)定性決定。當(dāng)配合物的穩(wěn)定性比較好（K穩(wěn)大于105）時(shí)，顯色劑只要過(guò)量3050即可；配合物的穩(wěn)定性較差時(shí)，顯色劑要多加，一般可過(guò)

28、量10倍。考慮顯色劑的用量時(shí)，還應(yīng)考慮顯色劑本身的顏色。顯色劑本身最好是無(wú)色的，這時(shí)對(duì)生成的有色配合物的吸光度測(cè)定無(wú)影響。如果顯色劑顏色與配合物顏色的對(duì)比度不大時(shí)，過(guò)量的顯色劑顯然是有害的，這時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制顯色劑的用量。另外，如果顯色劑與被測(cè)離子能分級(jí)形成不同配位數(shù)的多種配合物時(shí)，更要嚴(yán)格控制顯色劑的用量。在實(shí)際工作中，主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定顯色劑的用量。首先固定被測(cè)離子濃度和其他條件，取幾份溶液分別加入不同量的顯色劑，分別測(cè)定吸光度，然后繪制吸光度與顯色劑用量的曲線，吸光度大而且呈現(xiàn)平坦的區(qū)域，即是適宜的顯色劑用量范圍。溶液的酸度 酸度對(duì)顯色反應(yīng)的影響很大，而且是多方面的。對(duì)被測(cè)離子有效濃度的影

29、響 許多金屬離子特別是高價(jià)重金屬離子，當(dāng)溶液的pH值較高時(shí)容易發(fā)生水解反應(yīng)，生成氫氧化物沉淀，降低了有效濃度，使顯色反應(yīng)進(jìn)行不完全，甚至完全不能顯色。遇到這種情況，要控制溶液的酸度防止水解。對(duì)顯色劑的影響 有機(jī)顯色劑大都是弱酸或弱堿，它們的解離度由溶液的pH值決定。有機(jī)弱酸在pH較高時(shí)能完全解離，顯色反應(yīng)能進(jìn)行完全；在pH較低時(shí)不能完全解離，顯色劑的有效濃度降低，對(duì)顯色反應(yīng)不利。另外，有些顯色劑同時(shí)也是酸堿指示劑，在不同的pH值下，解離成不同的離子，顯示不同的顏色。例如PAR在pH24時(shí)顯黃色，pH47時(shí)為橙色，pH10時(shí)為紅色，他與許多金屬離子形成的配合物也是紅色，因此用PAR作顯色劑，應(yīng)在

30、pH24時(shí)進(jìn)行。對(duì)配合物組成的影響 有的顯色劑與同一種被測(cè)離子能形成多種配合物，在不同的pH值下，配合物的組成不同，顏色也不同。如水楊酸與Fe3+的反應(yīng)：pH23 FeSal+ 紅紫色 pH49 Fe（Sal）2- 紅棕色 pH9 Fe（Sal）33- 黃色在實(shí)際工作中，根據(jù)主要影響因素通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定pH值。其方法是保持其他實(shí)驗(yàn)條件不變，分別測(cè)量不同pH值條件下顯色溶液和空白溶液相對(duì)于純?nèi)軇┑奈舛龋@色溶液和空白溶液吸光度之差呈現(xiàn)最大而平坦的區(qū)域，即該顯色反應(yīng)最適宜的pH值范圍?？刂迫芤核岫鹊挠行Х椒ㄊ怯煤线m的緩沖溶液。顯色溫度 溫度是影響化學(xué)反應(yīng)的重要因素之一，因此也影響顯色反應(yīng)。大多數(shù)顯色

31、反應(yīng)在室溫下完成，但有些反應(yīng)必須在較高溫度下才能完成，也有些有色配合物在較高溫度下容易分解。因此，對(duì)每個(gè)具體的反應(yīng)，要通過(guò)條件試驗(yàn)來(lái)確定最佳的反應(yīng)溫度。另外，由于溫度對(duì)光的吸收和顏色的深淺都有影響，因此在繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線和樣品測(cè)定時(shí)要保持溫度一致。顯色時(shí)間與溫度時(shí)間 從加入試劑到顯色反應(yīng)完成所需的時(shí)間稱(chēng)為顯色時(shí)間，顯色后有色配合物能保持穩(wěn)定的時(shí)間稱(chēng)為穩(wěn)定時(shí)間。顯色時(shí)間是由顯色反應(yīng)本身決定的，而且與穩(wěn)定有很大關(guān)系；穩(wěn)定時(shí)間是由有色配合物的穩(wěn)定性決定的。各種有色配合物的顯色時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間相差很大，如硅鉬雜多酸在室溫需2030min完成，在沸水浴中只需30s，生成的硅鉬藍(lán)可穩(wěn)定數(shù)十小時(shí)，而鎢與對(duì)苯二酚的

32、有色配合物只能穩(wěn)定20min。測(cè)定吸光度時(shí)應(yīng)當(dāng)在充分顯色后的穩(wěn)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。最佳時(shí)間還是要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)求得，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制吸光度與時(shí)間曲線，從曲線上找出測(cè)定吸光度的最佳時(shí)間。溶劑 溶劑有時(shí)會(huì)對(duì)顯色反應(yīng)產(chǎn)生影響。溶劑不同可能使顯色化合物的顏色不同；在水溶液中加入有機(jī)溶劑，可以降低配合物的離解度，使測(cè)定靈敏度提高。如水中揮發(fā)酚的測(cè)定，以水為溶劑，直接顯色測(cè)定的波長(zhǎng)為510nm，測(cè)定范圍為0.042.50mgL-1，而在水溶液中顯色后，再用氯仿萃取，測(cè)定的波長(zhǎng)為460 nm，測(cè)定范圍為0.0010.04mgL-1。加入有機(jī)溶液也可能加快顯色反應(yīng)速率，如用氯磺酚S測(cè)定鈮，在水溶液中顯色需要幾個(gè)小時(shí)，加

33、入乙醇后，只需40 min就可顯色完全。干擾離子的影響及消除方法 分光光度法中干擾離子的影響有多種：干擾離子本身有顏色，如Fe3+、Cu2+等顏色較深，影響被測(cè)離子測(cè)定；雖然干擾離子本身無(wú)色，但能與顯色劑生成穩(wěn)定配合物，即使生成物無(wú)色，也會(huì)降低顯色劑濃度；干擾離子與被測(cè)離子能形成穩(wěn)定的配合物或沉淀時(shí)，也影響被測(cè)離子測(cè)定。為消除干擾離子的影響，可采取下面幾種方法?？刂迫芤核岫?溶液的酸度是影響顯色反應(yīng)的重要因素，有干擾離子存在時(shí)，通過(guò)控制溶液的酸度，讓被測(cè)離子與顯色劑的反應(yīng)進(jìn)行完全，而干擾離子與顯色劑的反應(yīng)不能進(jìn)行。用雙硫腙測(cè)定Hg2+時(shí)，Cu2+、Co2+、Ni2+、Zn2+、pb2+等都干擾

34、，如果在稀酸介質(zhì)c(H2SO4)=0.5molL-1中，上述干擾離子都不能與雙硫腙反應(yīng)，只有能反應(yīng)，于是消除干擾。加入掩蔽劑與干擾離子形成更穩(wěn)定的化合物，使干擾離子不再產(chǎn)生干擾。例如用雙硫腙測(cè)定Hg2+時(shí)，在稀H2SO4中仍不能消除Ag+和大量Bi3+的干擾，這時(shí)可加入KCNS掩蔽Ag+，加入EDTA掩蔽Bi3+，從而達(dá)到消除干擾的目的。利用氧化還原反應(yīng)改變干擾離子的價(jià)態(tài)以消除干擾。用鉻天青S測(cè)定Al3+時(shí)，F(xiàn)e3+有干擾，加入抗壞血酸將Fe3+還原為Fe2+后即可消除干擾。利用參比溶液消除某些有色干擾離子的影響。用鉻天青S測(cè)定鋼中的Al3+時(shí)，Ni2+、Cr3+等有色離子都有干擾，為此取一定

35、量的試樣溶液，加入少量NH4F，與Al3+生成AlF配合物而掩蔽了Al3+。然后加入顯色劑和其他試劑，讓干擾離子顯色，以此作為參比溶液，這樣便消除了Ni2+和Cr3+的干擾，也消除了顯色劑本身顏色的影響。選擇適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)以消除干擾。通常把測(cè)定波長(zhǎng)選在最大吸收波長(zhǎng)處，但有時(shí)為了消除干擾，把測(cè)定波長(zhǎng)移至次要的吸收峰，這樣雖然測(cè)定靈敏度低些，但卻可以消除某些干擾離子的影響。采用適當(dāng)?shù)姆蛛x方法。如果沒(méi)有消除干擾的恰當(dāng)方法，可以采用沉淀、萃取等分離方法。這些方法操作比較麻煩，但可以消除干擾離子的影響。9.4分光光度分析的定量方法9.4.1選擇最佳工作條件在進(jìn)行定量分析之前，應(yīng)選擇好工作條件，包括以下幾個(gè)方

36、面。選擇測(cè)定波長(zhǎng) 被測(cè)組分顯色后，應(yīng)掃描它的吸收曲線。通常，在沒(méi)有明顯干擾的情況下，選擇最大吸收波長(zhǎng)為測(cè)定波長(zhǎng)，因?yàn)檫@時(shí)測(cè)定的靈敏度最高。如果最大吸收波長(zhǎng)處有明顯的干擾離子的吸收，可以選擇次要的吸收峰作為測(cè)定波長(zhǎng)，以減少干擾離子的影響。調(diào)整吸光度 不同的吸光度讀數(shù)給測(cè)定結(jié)果帶來(lái)不同的相對(duì)誤差，已經(jīng)證明吸光度在0.20.7時(shí)，測(cè)定的相對(duì)誤差較小，吸光度等于0.436時(shí)，測(cè)定的相對(duì)誤差最小。改變稀釋倍數(shù)，改變?nèi)恿炕蜻x擇不同光程的吸收池，都能夠調(diào)整吸光度達(dá)到合適的范圍。選擇參比溶液 參比溶液是用來(lái)調(diào)節(jié)吸光度零點(diǎn)的，因此選擇恰當(dāng)?shù)膮⒈热芤菏欠浅Ｖ匾摹Ｈ绻麡悠分胁缓渌猩蓴_離子時(shí)，不論顯色劑是否

37、有色，都可用不加樣品的試劑空白作參比溶液，這樣的參比溶液可消除顯色劑和其他試劑的影響。如果樣品中含有有色干擾離子，而顯色劑本身無(wú)色，可用不加顯色劑的樣品溶液作參比溶液，這樣可以消除樣品中干擾離子的影響。如果樣品中含有有色干擾離子，顯色劑本身也有色時(shí)，可在一份樣品溶液中加入適當(dāng)?shù)难诒蝿?，將被測(cè)組分掩蔽起來(lái)，然后加入顯色劑和其他試劑，以此作為參比溶液。對(duì)于比較復(fù)雜的樣品，可以消除樣品本底的影響。9.4.2 目視比色法目視比色法是分光光度法的一個(gè)特例，是不分光的光度測(cè)定法。它的光源是太陽(yáng)光或普通燈光，沒(méi)有單身器，信號(hào)接收器是人的眼睛，不需要其他的光電器件。因此目視比色法簡(jiǎn)單方便，適用于準(zhǔn)確度要求不高

38、的測(cè)定，如有機(jī)液體色度（鉑鈷色號(hào)）的測(cè)定。目視比色法所用的主要設(shè)備是比色管及比色管架。首先配制一系列標(biāo)準(zhǔn)樣品于一組比色管中，被測(cè)樣品也裝在同樣的比色管中，從比色管架的反光鏡中觀察顏色的深淺。當(dāng)樣品溶液與標(biāo)準(zhǔn)樣品的吸光度相等時(shí)，即As=csbsAx=cxbx由于比色管相同，所以bs= bx。當(dāng)As= Ax時(shí)，cs=cx。應(yīng)用目視比色法時(shí)要注意以下幾點(diǎn)。目視比色法的光源是太陽(yáng)光，在夜間或光源不足時(shí)，要用日光燈而不用白熾燈，因?yàn)榘谉霟舻墓庵悬S光較多，觀察顏色時(shí)會(huì)引起誤差。比色管的質(zhì)量也很重要，使用前要嚴(yán)格挑選。要求每組比色管的材質(zhì)相同，即玻璃的顏色相同；幾何尺寸要一致，即保證光程bs與bx相等。目視比色法的誤差較大，為減少誤差，可在樣品含量附近多配幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品，間隔小些，這樣可提高測(cè)定的準(zhǔn)確度。目視比色法只限于樣品與標(biāo)準(zhǔn)樣品同色系的測(cè)定。9.4.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線法標(biāo)準(zhǔn)曲線法簡(jiǎn)介 標(biāo)準(zhǔn)曲線法適用于大量重復(fù)性的樣品分析，是控制分析中應(yīng)用最多的方法。根據(jù)光吸收定律A=cb，對(duì)于一種有色化合物，是一個(gè)定值，若把光程b也固定，那么吸光度