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紫外可见分光光度计的应用及原理

发布日期: 2012-12-04
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  1.概述
  
  人们在实践中早已总结出不同颜色的物质具有不同的物理和化学性质。根据物质的这些特性可对它进行有效的分析和判别。由于颜色本就惹人注意,根据物质的颜色深浅程度来对物质的含量进行估计,可追溯到古代及中世纪。1852年,比尔(Beer)参考了布给尔(Bouguer)1729年和朗伯(Lambert)在1760年所发表的文章,提出了分光光度的基本定律,即液层厚度相等时,颜色的强度与呈色溶液的浓度成比例,从而奠定了分光光度法的理论基础,这就是的比尔朗伯定律。1854年,杜包斯克(Duboscq)和奈斯勒(Nessler)等人将此理论应用于定量分析化学领域,并且设计了*台比色计。到1918年,美国国家标准局制成了*台紫外可见分光光度计。此后,紫外可见分光光度计经不断改进,又出现自动记录、自动打印、数字显示、微机控制等各种类型的仪器,使光度法的灵敏度和准确度也不断提高,其应用范围也不断扩大。
  
  紫外可见分光光度法从问世以来,在应用方面有了很大的发展,尤其是在相关学科发展的基础上,促使分光光度计仪器的不断创新,功能更加齐全,使得光度法的应用更拓宽了范围。目前,分光光度法已为工农业各个部门和科学研究的各个领域所广泛采用,成为人们从事生产和科研的有力测试手段。我国在分析化学领域有着坚实的基础,在分光光度分析方法和仪器的制造方面国际上都已达到一定的水平[1][2]
  
  2.原理
  
  物质的吸收光谱本质上就是物质中的分子和原子吸收了入射光中的某些特定波长的光能量,相应地发生了分子振动能级跃迁和电子能级跃迁的结果。由于各种物质具有各自不同的分子、原子和不同的分子空间结构,其吸收光能量的情况也就不会相同,因此,每种物质就有其特有的、固定的吸收光谱曲线,可根据吸收光谱上的某些特征波长处的吸光度的高低判别或测定该物质的含量,这就是分光光度定性和定量分析的基础。分光光度分析就是根据物质的吸收光谱研究物质的成分、结构和物质间相互作用的有效手段。
  
  紫外可见分光光度法的定量分析基础是朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律。即物质在一定浓度的吸光度与它的吸收介质的厚度呈正比,其数学表示式如下:
  
  A=錬c
  
  式中:A—吸光度(又称光密度、消光值),
  
  ?—摩尔吸光系数(其物理意义为:当吸光物质浓度为1摩尔/升,吸收池厚为1厘米,以一定波长原光通过时,所引起的吸光值A),b—吸收介质的厚度(厘米),c—吸光物质的浓度(摩尔/升)。
  
  物质的颜色和它的电子结构有密切的关系,当辐射(光子)引起电子跃迁使分子(或离子)从基态上升到激发态时,分子(或离子)就会在可见区或紫外呈现吸光,颜色的发生或变化是和分子的正常电子结构的变形的。当分子中含有一个或更多的生色基因(即具有不饱和键的原子基团),辐射就会引起分子中电子能量的改变。常见的生色团有:
  
  CO,-N=N-,-N=O,-CN,CS
  
  如果两个生色团之间隔一个碳原子,则形成共轭基团,会使吸收带移向较长的波长处(即红移),且吸收带的强度显著增加。当分子中含有助色基团(有未共用电子对的基团)时,也会产生红移效应。常见的助色基团有:-OH-NH2,-SH,-Cl,-Br,-I
  
  3.特点
  
  分光光度法对于分析人员来说,可以说是zui有用的工具之一。几乎每一个分析实验室都离不开紫外可见分光光度计。分光光度法的主要特点为:
  
  (1)应用广泛
  
  由于各种各样的无机物和有机物在紫外可见区都有吸收,因此均可借此法加以测定。到目前为止,几乎化学元素周期表上的所有元素(除少数放射性元素和惰性元素之外)均可采用此法。在国际上发表的有关分析的论文总数中,光度法约占28%,我国约占所发表论文总数的33%。
  
  (2)灵敏度高
  
  由于新的显色剂的大量合成,并在应用研究方面取得了可喜的进展,使得对元素测定的灵敏度有所推进,特别是有关多元络合物和各种表面活性剂的应用研究,使许多元素的摩尔吸光系数由原来的几万提高到数十万。
  
  (3)选择性好
  
  目前已有些元素只要利用控制适当的显色条件就可直接进行光度法测定,如钴、铀、镍、铜、银、铁等元素的测定,已有比较满意的方法了。
  
  (4)准确度高
  
  对于一般的分光光度法,其浓度测量的相对误差在1~3%范围内,如采用示差分光光度法进行测量,则误差可减少到0.X%。
  
  (5)适用浓度范围广
  
  可从常量(1%~50%)(尤其使用示差法)到痕量(10-8~10-6%)(经预富集后)。
  
  (6)分析成本低、操作简便、快速
  
  由于分光光度法具有以上优点,因此目前仍广泛地应用于化工、冶金、地质、医学、食品、制药等部门及环境监测系统。单在水质分析中的应用就很广,目前能有直接法和间接法测定的金属和非金属元素就有70多种。
  
  4应用
  
  4.1检定物质
  
  根据吸收光谱图上的一些特征吸收,特别是zui大吸收波长雖ax和摩尔吸收系数澹是检定物质的常用物理参数。这在药物分析上就有着很广泛的应用。在国内外的药典中,已将众多的药物紫外吸收光谱的zui大吸收波长和吸收系数载入其中,为药物分析提供了很好的手段。
  
  4.2与标准物及标准图谱对照
  
  将分析样品和标准样品以相同浓度配制在同一溶剂中,在同一条件下分别测定紫外可见吸收光谱。若两者是同一物质,则两者的光谱图应完全一致。如果没有标样,也可以和现成的标准谱图对照进行比较。这种方法要求仪器准确,精密度高,且测定条件要相同。
  
  4.3比较zui大吸收波长吸收系数的一致性
  
  由于紫外吸收光谱只含有2~3个较宽的吸收带,而紫外光谱主要是分子内的发色团在紫外区产生的吸收,与分子和其它部分关系不大。具有相同发色团的不同分子结构,在较大分子中不影响发色团的紫外吸收光谱,不同的分子结构有可能有相同的紫外吸收光谱,但它们的吸收系数是有差别的。如果分析样品和标准样品的吸收波长相同,吸收系数也相同,则可认为分析样品与标准样品为同一物质。
  
  例1己二烯-1,5(CH2=CHCH2CH2=CH2)的zui大吸收波长雖ax为178nm(摩尔吸收系数为26000),而己烯-1(CH2=CHCH2CH2CH2CH3)的zui大吸收波长为雖ax为177nm(摩尔吸收系数逦11800)。此两个物质有相同的发色团,雖ax值基本相同,但值不同,二烯的逯当鹊ハ┑拇蟆U馑得饔邢嗤牡舜瞬还查畹姆⑸牛湮詹ǔそ咏于单个发色团的值,但逯翟蛩嫦嗤⑸攀康脑黾佣黾印H绻屑父龇⑸疟舜斯查,则吸收长向红移动。象丁二烯-1,3(CH2=CHCH=CH2)与己二烯-1,5(CH2=CHCH2CH2CH=CH2)相比,同样有两个双键,但丁二烯-1,3中为共轭体系,它的zui大吸收长雖ax为210nm,而摩尔吸收系数逯翟蛴爰憾-1,5基本一样。
  
  4.4纯度检验
  
  例2紫外吸收光谱能测定化合物中含有微量的具有紫外吸收的杂质。如果化合物的紫外可见光区没有明显的吸收峰,而它的杂质在紫外区内有较强的吸收峰,就可以检测出化合物中的杂质。
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