光學(xué)分析方法的發(fā)展

1、光學(xué)分析方法的發(fā)展北京溫分分析儀器技術(shù)開發(fā)有限公司光學(xué)分析法是利用待測(cè)定組分所顯示出的吸收光譜或發(fā)射光譜，既包括原子光 譜也包括分子光譜。利用被測(cè)定組分中的分子所產(chǎn)生的吸收光譜的分析方法，即通 常所說的可見與紫外分光光度法、紅外光譜法；利用其發(fā)射光譜的分析方法，常見 的有熒光光度法。利用被測(cè)定組分中的原子吸收光譜的分析方法，即原子吸收法； 利用被測(cè)定組分的發(fā)射光譜的分析方法，包括發(fā)射光譜分析法、原子熒光法、X射線原子熒光法、質(zhì)子熒光法等。（一）比色法分光光度法的前身是比色法。比色分析法有著很長(zhǎng)的歷史。1830年左右，四氨絡(luò)銅離子的深藍(lán)色就被用于銅的測(cè)定。奈斯勒的氨測(cè)定法起源于1852年，大約在

2、同一年，硫氰酸鹽被用來分析鐵。1869年，舍恩報(bào)道說鈦鹽與過氧化氫反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生 黃色，1882年，韋勒（Weller ）將此黃色反應(yīng)改進(jìn)成一種鈦的比色法。釩也能與過 氧化物發(fā)生類似的反應(yīng)，生成一種橙色絡(luò)合物。1912年，梅勒一方面利用1908年芬頓發(fā)現(xiàn)的一個(gè)反應(yīng)（二羥基馬來酸與鈦反應(yīng)呈橙黃色，與釩反應(yīng)無此色），另一 方面利用與過氧化物的反應(yīng)，得出了一種鈦和釩這兩種元素的比色測(cè)定法。吸收光度分析法提供了非化學(xué)計(jì)量法的一個(gè)很好例子。有色化合物的光吸收強(qiáng) 弱隨著所用輻射波長(zhǎng)的大小而變化。因此早期的比色法主要憑經(jīng)驗(yàn)將未知物與濃度 近似相等的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行對(duì)比。比如象奈斯勒在氨測(cè)定法中所作的比較。比色劑，

3、如杜波斯克比色計(jì)，是通過改變透光溶液的厚度和利用比爾定律，來對(duì)未知物的顏 色與標(biāo)準(zhǔn)液的濃度進(jìn)行對(duì)比的，這種儀器并不適用于所有的有色物質(zhì)，它充其量也 不過經(jīng)驗(yàn)程度很高罷了。1729年，P 布古厄（Bouguer）觀察到入射光被介質(zhì)吸收的多少與介質(zhì)的厚度 成正比。這后來又被J H 蘭貝特（Lambert，17281777）所發(fā)現(xiàn)，他對(duì)單色光 吸收所作的論述得到了下列關(guān)系式：上式中I是通過厚度為x的介質(zhì)的光密度，a是吸收系數(shù)。利用邊界條件x=0 時(shí)，I=I 0,積分得到：I = I 0e-ax1852年，A比爾（Beer）證實(shí)，許多溶液的吸收系數(shù) a是與溶質(zhì)的濃度C成 正比的。盡管比爾本人沒有建立那

4、個(gè)指數(shù)吸收定律公式，但下列關(guān)系式I = I 0e_acx仍被叫做比爾定律，式中濃度和厚度是作為對(duì)稱變數(shù)出現(xiàn)的。這個(gè)名稱似乎是 在1889年就開始使用了。1940 年以前，比色法一直是最直觀的分析法， 往往是以高度經(jīng)驗(yàn)為根據(jù)的 實(shí)際上依靠了奈斯勒管、杜波斯克比色計(jì)和拉維邦色調(diào)計(jì)。色調(diào)計(jì)利用可疊加有色 玻璃盤作為顏色比較的載片。某些測(cè)定甚至是將顏色與彩紙和有色玻璃作比較來進(jìn) 行的。TW理查茲在有關(guān)鹵化銀的測(cè)定方面，發(fā)明了一種散射濁度計(jì)，用通過微 濁溶液來測(cè)量光散射。1940年初左右，分光光度計(jì)開始廣泛使用，幾種高質(zhì)量、應(yīng)用簡(jiǎn)便的工業(yè)儀器 使比色法更加普及，最著名的儀器，如蔡斯普爾費(fèi)利希、希爾格、斯

5、佩克爾、貝 克曼和科爾曼分光光度計(jì)，采用濾波器、棱鏡和光柵，使光的波長(zhǎng)限制在一個(gè)很窄 的范圍內(nèi)。光吸收一般是用光電管測(cè)量的。典型的比色試劑是二苯基硫卡巴腙（ diphenyl-thiocarbazone ）通常叫做雙硫 腙dithizone，是艾米爾費(fèi)歇爾在1882年發(fā)現(xiàn)的，他觀察到雙硫腙很容易和金屬 離子形成有色化合物，但他沒有繼續(xù)這項(xiàng)研究。1926年，海爾穆特費(fèi)歇爾研究了 這個(gè)化合物，并報(bào)道了把它用于分析的可能性，這種可能性在 30 年代得到了最充 分的利用。這種試劑與大量陽離子所形成的有色螯合物極易溶解于氯仿那樣的有機(jī) 溶劑中。于是，這種絡(luò)合物就可從大量的水溶液中萃取到少量的溶劑中，從而

6、使這 種方法對(duì)痕量物質(zhì)也非常靈敏。比色法借助儀器可用于波長(zhǎng)短到 2000? 的紫外區(qū)。 向紫外區(qū)的進(jìn)一步擴(kuò)展是不 可能的。因?yàn)槿萜鳌⒗忡R及空氣本身也會(huì)吸收光。 記錄方法（起初主要是照相記錄） ， 隨著實(shí)用光電管的發(fā)展得到了明顯的改進(jìn)。紫外分光光度法在測(cè)定芳香化合物，如 苯酚、蒽和苯乙烯方面特別有價(jià)值。紫外吸收在研究有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)時(shí)也很有用，它同束縛松散的電子締合，如 出現(xiàn)在雙鍵中的電子。乙烯、乙炔、羰基化合物和氰化物中的不飽和鍵吸收 2000? 以下的光，因此處于紫外分光光度計(jì)可測(cè)范圍之外。不飽和鍵周圍有取代基時(shí)，會(huì) 使光的吸收向長(zhǎng)波方向移動(dòng)， 但仍遠(yuǎn)離實(shí)際可測(cè)的范圍。 偶氮基、硝基、亞硝酸

7、鹽、 硝酸鹽和亞硝基的吸收光范圍在 25003000?之間。不飽和鍵發(fā)生共軛現(xiàn)象會(huì)使吸 收增強(qiáng)。引起光向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。芳香環(huán)具有一個(gè)特征吸收本領(lǐng)，可用于鑒定。（二）紅外光譜法輻射能吸收用作一種分析工具的最大進(jìn)展也許是在紅外光譜領(lǐng)域。1920年以前，利用波長(zhǎng)在 8000? 到幾十分之一毫米光譜區(qū)的儀器就已經(jīng)有了，但紅外光譜研 究的真正進(jìn)展卻發(fā)生在 1940 年以后。這個(gè)光譜區(qū)含有象分子振動(dòng)所包括的那樣一 些頻率的光。原子質(zhì)量、鍵強(qiáng)和分子構(gòu)型這樣一些重要因素與所吸收的能量有聯(lián)系。 因此某些波段易與OH NH C=C和C=O那樣一些基團(tuán)相對(duì)應(yīng)。紅外光譜的興起靠的是發(fā)展熱電堆以及輻射計(jì)、放大器和記錄器

8、方面所取得的 進(jìn)展。許多年來，這些儀器的光學(xué)部分比檢測(cè)和記錄機(jī)構(gòu)要令人滿意得多。紅外光譜主要是作為一種定性工具使用的。同時(shí)如果大量的日常分析工作 比如，工業(yè)實(shí)踐中常常必需的分析工作證明紅外光譜有利于這種工作的操作的 話，那么它也可用于定量分析。定量紅外光譜法已經(jīng)用于分析硝基烷混合物。甲酚 混合物和六氯化苯異構(gòu)體方面。六氯化苯的 丫一異構(gòu)體可用作殺蟲劑。紅外光譜法 已經(jīng)是測(cè)定混雜有相關(guān)異構(gòu)體的丫一六氯化苯的有用工具。紅外光譜法在定性分析 中極有價(jià)值，因?yàn)槲瘴恢煤臀諒?qiáng)度能提供大量數(shù)據(jù)。過去人們?cè)隽舜罅康墓?作，繪制了許多鍵和基的光吸收性質(zhì)圖，使得有可能利用這種數(shù)據(jù)迅速確定出新化 合物的結(jié)構(gòu)。

9、工業(yè)方面，紅外光譜也有助于研究聚合作用方面的進(jìn)展，因?yàn)閱误w和 聚合體的紅外吸收帶相互間是有區(qū)別的。目前紅外光譜(IR)是給出豐富的結(jié)構(gòu)信息的重要方法之一，能在較寬的溫度 范圍內(nèi)快速記錄固態(tài)、液態(tài)、溶液和蒸氣相的圖譜。紅外光譜經(jīng)歷了從棱鏡紅外、 光柵紅外，目前已進(jìn)入傅里葉變換紅外( FT I R )時(shí)期，積累了十幾萬張標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì) 的圖譜。 FTIR 具有光通量大、信噪比高、分辨率好、波長(zhǎng)范圍寬、掃描速度快等 特點(diǎn)。利用IR顯微技術(shù)和基本分離技術(shù)(matrixisolation ，MIIR)可對(duì)低達(dá)ng 量和pg量級(jí)的試樣進(jìn)行記錄，F(xiàn)TIR和色譜的結(jié)合，被稱為鑒定有機(jī)結(jié)構(gòu)的“指 紋”，這些優(yōu)點(diǎn)是其他

10、方法所難于比擬的。紅外光譜近年來發(fā)展十分迅速，在生物 化學(xué)高聚物、環(huán)境、染料、食品、醫(yī)藥等方面得到廣泛應(yīng)用。(三) 熒光分析 當(dāng)紫外光照射到某些物質(zhì)的時(shí)候，這些物質(zhì)會(huì)發(fā)射出各種顏色和不同強(qiáng)度的可 見光，而當(dāng)紫外光停止照射時(shí)，這種光線也隨之很快地消失，這種光線稱為熒光。第一次記錄熒光現(xiàn)象的是 16 世紀(jì)西班牙的內(nèi)科醫(yī)生和植物學(xué)家 N.Monardes， 1575年他提到在含有一種稱為“ LignumNephriticum ”的木頭切片的水溶液中，呈 現(xiàn)了極為可愛的天藍(lán)色，在17世紀(jì)，Boyle( 16261691)和Newton( 16241727) 等著名科學(xué)家再次觀察到熒光現(xiàn)象，并且給予更詳

11、細(xì)的描述。盡管在 17世紀(jì)和 18 世紀(jì)中還發(fā)現(xiàn)了其它一些發(fā)熒光的材料和溶液，然而在解釋熒光現(xiàn)象方面卻幾乎沒 有什么進(jìn)展。直到 1852 年 Stokes 在考察奎寧和葉綠素的熒光時(shí)，用分光計(jì)觀察到 其熒光的波長(zhǎng)比入射光的波長(zhǎng)稍為長(zhǎng)些，才判明這種現(xiàn)象是這些物質(zhì)在吸收光能后 重新發(fā)射不同波長(zhǎng)的光，而不是由光的漫射作用所引起的，從而導(dǎo)入了熒光是光發(fā) 射的概念， 他還由發(fā)熒光的礦物“螢石”推演而提出“熒光”這一術(shù)語。 Stokes 還 對(duì)熒光強(qiáng)度與濃度之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，描述了在高濃度時(shí)以及外來物質(zhì)存在時(shí) 的熒光猝滅現(xiàn)象。此外，他似乎還是第一個(gè)( 1864年)提出應(yīng)用熒光作為分析手段 的人。186

12、7年，Goppelsr?der)進(jìn)行了歷史上首次的熒光分析工作，應(yīng)用鋁一桑色素配合物的熒光進(jìn)行鋁的測(cè)定。1880年，Liebeman提出了最早的關(guān)于熒光與化學(xué) 結(jié)構(gòu)關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)法則，到 19世紀(jì)末，人們已經(jīng)知道了包括熒光素、曙紅、多環(huán)芳 烴等 600 種以上的熒光化合物。20世紀(jì)以來，熒光現(xiàn)象被研究得更多了。例如，1905年Wood發(fā)現(xiàn)了共振熒光； 1914年 Frank 和 Hertz 利用電子沖擊發(fā)光進(jìn)行定量研究； 1922年 Frank 和 Cario 發(fā)現(xiàn)了增感熒光； 1924年 Wawillous 進(jìn)行了熒光產(chǎn)率的絕對(duì)測(cè)定； 1926年 Gaviola 進(jìn)行了熒光壽命的直接測(cè)定等等。熒

13、光分析方法的發(fā)展，與儀器應(yīng)用的發(fā)展是分不開的。 19 世紀(jì)以前，熒光的觀察是靠肉眼進(jìn)行的，直到1928年，才由Jette和West提出了第一臺(tái)光電熒光計(jì)。 早期的光電熒光計(jì)的靈敏度是有限的，1939年Zworykin和Rajchman發(fā)明光電倍增 管以后，在增加靈敏度和容許使用分辨率更高的單色器等方面，是一個(gè)非常重要的 階段。 1943年 Dutton 和 Bailey 提出了一種熒光光譜的手工校正步驟， 1948年由 Studer 推出了第一臺(tái)自動(dòng)光譜校正裝置， 到 1 952年才出現(xiàn)商品化的校正光譜儀器。近十幾年來，在其它學(xué)科迅速發(fā)展的影響下，隨著激光、微處理機(jī)和電子學(xué)的 新成就等一些新的

14、科學(xué)技術(shù)的引入，大大推動(dòng)了熒光分析法在理論方面的進(jìn)展，促 進(jìn)了諸如同步熒光測(cè)定、導(dǎo)數(shù)熒光測(cè)定、時(shí)間分辨熒光測(cè)定、相分辨熒光測(cè)定、熒 光偏振測(cè)定、熒光免疫測(cè)定、低溫?zé)晒鉁y(cè)定、 固體表面熒光測(cè)定、 熒光反應(yīng)速率法、 三維熒光光譜技術(shù)和熒光光纖化學(xué)傳感器等熒光分析方面的某些新方法、新技術(shù)的 發(fā)展，并且相應(yīng)地加速了各式各樣新型的熒光分析儀器的問世，使熒光分析法不斷 朝著高效、痕量、微觀和自動(dòng)化的方向發(fā)展，方法的靈敏度、準(zhǔn)確度和選擇性日益 提高，方法的應(yīng)用范圍大大擴(kuò)展，遍及于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)、公安 情報(bào)和科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域中。如今，熒光分析法已經(jīng)發(fā)展成為一種重要且有效的 光譜化學(xué)分析手段。

15、在我國(guó)， 50年代初期僅有極少數(shù)的分析化學(xué)工作者從事熒光分析方面的研究工 作，但到了 70 年代后期，熒光分析法已引起國(guó)內(nèi)分析界的廣泛重視，在全國(guó)眾多 的分析化學(xué)工作者中，已逐步形成一支從事這一領(lǐng)域工作的隊(duì)伍。近年來，國(guó)內(nèi)發(fā) 表的有關(guān)熒光分析方面的論文數(shù)量增長(zhǎng)較快，所涉及的內(nèi)容也已從經(jīng)典的熒光分析 法逐步擴(kuò)展到新近發(fā)展起來的一些新方法和新技術(shù)，在儀器應(yīng)用方面也陸續(xù)有幾種 類型的國(guó)產(chǎn)的熒光分析光度計(jì)問世，為這一分析方法的發(fā)展和普及提供了一定的物 質(zhì)條件。（四）原子吸收光度法20世紀(jì) 50年代初又發(fā)展出了原子吸收光度法。這是吸收光度法的又一次重大 突破。這種方法的初始形式是將試樣溶液霧化，噴入火焰

16、，使霧滴溶劑迅速蒸發(fā)， 形成溶質(zhì)固體微粒。它很快熔化、揮發(fā)，并被熱解為組成原子。這時(shí)利用一束銳線 輻射穿過一定厚度的待測(cè)試樣蒸氣，輻射的一部分便被蒸氣中待測(cè)元素的基態(tài)原子 所吸收。對(duì)透過的輻射，經(jīng)單色器后，測(cè)定其減弱的程度。這樣利用在一定條件下 消光度與火焰中原子濃度成正比的關(guān)系，求得待測(cè)元素的含量。原子吸收共振光譜線的性質(zhì)很早就被觀察到。 1 802年，英國(guó)化學(xué)家武拉斯頓就 曾觀察到太陽光譜中存在著許多暗線。對(duì)這種現(xiàn)象，英國(guó)光學(xué)家布魯斯特（ David Brewster ， 17811868）對(duì)此作出了科學(xué)解釋。但是對(duì)此現(xiàn)象付諸應(yīng)用，則是 20 世紀(jì)的事情。1953年，澳大利亞物理學(xué)家沃爾什

17、（A.Walsh ）正式提出利用原子吸收光譜建 立新的吸收光度法，并于 1954年在墨爾本物理研究所展示出了第一臺(tái)簡(jiǎn)單的原子 吸收分光光度計(jì)。 次年，他發(fā)表了專題論文 原子吸收光譜在化學(xué)分析中的應(yīng)用 ， 從理論上探討了這種方法。在此同時(shí)，荷蘭化學(xué)家阿克馬德（ J.T.J.Alkemade ）也 報(bào)導(dǎo)了采用原子火焰的吸收實(shí)驗(yàn)，指出原子吸收可以做為一個(gè)普遍應(yīng)用的分析方 法。到 1958 年，這種方法便有了實(shí)際應(yīng)用，例如，這年化學(xué)家德威得（ D.J.Dvid ） 發(fā)表了他用原子吸收法測(cè)定植物中鋅、鎂、銅、鐵等元素的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。但在 50 年 代，這種方法主要還僅在澳大利亞進(jìn)行研究。作為原子吸收法的一個(gè)

18、關(guān)鍵性問題是如何使待分析物質(zhì)充分原子化，并形成穩(wěn) 定的原子蒸氣。這就需要提高原子化裝置的溫度。在最初時(shí)，沃爾什是將試樣作成 圓筒狀空心陰極，通過放電和陰極濺射而原子化。當(dāng)時(shí)也有人利用火焰光度法中所 常用的煤氣空氣和丙烷空氣的低溫火焰。其后又有人利用氫空氣或乙炔空 氣。但對(duì)耐高溫化合物，這些火焰的溫度都嫌不足。到 1965 年，化學(xué)家維利斯（J.B.Willis ）提出用乙炔一氧化亞氮火焰；曼寧（D.C.Ma ning）提出用乙炔一氧 化氮火焰，它們的溫度皆可高達(dá)近 3000C，這樣就使測(cè)定Be Al、Si、Ti、Zr、V、 Sc、稀土等元素有了可能。1968年和1969年馬斯曼（H.Massm

19、an和蘇聯(lián)科學(xué)家 呂沃夫（B . B .八b BOB ）分別研究了石墨管原子化法（非火焰法）。他們將試 樣放于密閉的石墨管中（兩端裝石英窗），充以惰性氣體，用交流電加熱產(chǎn)生原子 蒸氣，這樣既可達(dá)到較高的溫度， 又可使吸收層中沒有氧 （有利于氧化物試樣熱解） ， 并且這種裝置可以使試樣中待測(cè)元素都進(jìn)入吸收光路中，因而提高了分析的絕對(duì)靈 敏度。1969年威斯特（T.S.West）則提出采用電加熱炭絲而使試樣原子化的方法， 效果也很好。作為原子吸收法的另一個(gè)關(guān)鍵問題是光源設(shè)計(jì)。它既需要有高穩(wěn)定性和強(qiáng)輻射 能力，又能發(fā)出強(qiáng)烈的待測(cè)元素共振線輻射，并且沒有自吸收和連續(xù)背影。至今原 子吸收光度計(jì)中最常用的

20、光源是空心陰極燈。在 20世紀(jì)初，這種光源就被用來研 究原子光譜。 1955年，克勞斯懷特（ H.M.Crosswhite ）等發(fā)展了這種光源。制造陰 極內(nèi)壁用的材料一般就是高純的待測(cè)元素，對(duì)低熔點(diǎn)金屬元素，則采用其合金。管 中充以氬或氖氣。當(dāng)兩極施加電壓后，引起陰極濺射，濺射出來的原子再與氬、氖 原子或離子碰撞而被激發(fā)發(fā)光。另外一種光源是充以某些元素蒸氣的放電燈。這類 元素都是較易揮發(fā)的，例如堿金屬和汞。原子吸收光度法因?yàn)榫哂徐`敏、快速、簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、適應(yīng)普通等諸多優(yōu) 點(diǎn)，所以發(fā)展極快，只在十幾年中就幾乎在冶金、化工、地球化學(xué)、農(nóng)業(yè)、生化和 藥物研究各實(shí)驗(yàn)室中得到普及。（五）發(fā)射光譜 發(fā)射光譜的發(fā)展比其它任何領(lǐng)域都要迅速。早在 1920年，它的應(yīng)用就達(dá)到了 很高的水平。用于鑒定金屬和非金屬的實(shí)際操作法已獲得了發(fā)展，這表明除了單質(zhì) 氣體、硫和鹵素之外所有物質(zhì)都可以進(jìn)行普通分析操作。這種技術(shù)的靈敏度達(dá)到百 萬分之幾，對(duì)鑒定痕量雜質(zhì)非常有用。定量分析隨著底片、儀器和操作手續(xù)的規(guī)格化變得實(shí)際可行了，每種元素的含 量都可通過比較不同元素的某些發(fā)射譜線的密度來確定。這種比較起初是目視進(jìn)行 的。后來出現(xiàn)了顯微光度計(jì)，銀在底片上沉積的密度就可以精確測(cè)量了。