第9章-儀器分析方法選介

第九章儀器分析方法選介

紫外-可見分光光度法利用被測物質(zhì)的分子對紫外-可見光選擇性吸收的特性而建立起來的方法。一．分子吸收光譜的產(chǎn)生在分子中存在著電子的運動，以及組成分子的各原子間的振動和分子作為整體的轉(zhuǎn)動。分子的總能量可以認為等于這三種運動能量之和。即：E分子=E電子+E振動+E轉(zhuǎn)動分子中的這三種運動狀態(tài)都對應有一定的能級。即在分子中存在著電子能級、振動能級和轉(zhuǎn)動能級。這三種能級都是量子化的。其中電子能級的間距最大（每個能級間的能量差叫間距或能級差），振動能級次之，轉(zhuǎn)動能級的間距最小。如果用△E電子，△E振動以及△E轉(zhuǎn)動表示各能級差，則：△E-電子＞△E-振動＞△E-轉(zhuǎn)動由于組成分子能量的幾部分都具有一定的能級，所以分子也具有一定的能級.當用光照射分子時，分子就要選擇性的吸收某些波長（頻率）的光而由較低的能級E躍遷到較高能級E’上，所吸收的光的能量就等于兩能級的能量之差：△E=E‘－E由于分子選擇性的吸收了某些波長的光，所以這些光的能量就會降低，將這些波長的光及其所吸收的能量按一定順序排列起來，就得到了分子的吸收光譜。二、分子吸收光譜類型

遠紅外光譜、紅外光譜及紫外-可見光譜三類。分子的轉(zhuǎn)動能級躍遷，需吸收波長為遠紅外光，因此，形成的光譜稱為轉(zhuǎn)動光譜或遠紅外光譜。

分子的振動能級差一般需吸收紅外光才能產(chǎn)生躍遷。在分子振動時同時有分子的轉(zhuǎn)動運動。這樣，分子振動產(chǎn)生的吸收光譜中，包括轉(zhuǎn)動光譜，故常稱為振-轉(zhuǎn)光譜。由于它吸收的能量處于紅外光區(qū)，故又稱紅外光譜。電子的躍遷吸收光的波長主要在真空紫外到可見光區(qū)，對應形成的光譜，稱為電子光譜或紫外-可見吸收光譜。三．光的選擇性吸收與物質(zhì)顏色的關系：1．可見光的顏色和互補色：在可見光范圍內(nèi)，不同波長的光的顏色是不同的。平常所見的白光（日光、白熾燈光等）是一種復合光，它是由各種顏色的光按一定比例混合而得的。利用棱鏡等分光器可將它分解成紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等不同顏色的單色光。白光除了可由所有波長的可見光復合得到外，還可由適當?shù)膬煞N顏色的光按一定比例復合得到。能復合成白光的兩種顏色的光叫互補色光。/nm顏色互補光400-450紫黃綠450-480藍黃480-490綠藍橙490-500藍綠紅500-560綠紅紫560-580黃綠紫580-610黃藍610-650橙綠藍650-760紅藍綠2．物質(zhì)的顏色與吸收光的關系：當白光照射到物質(zhì)上時，如果物質(zhì)對白光中某種顏色的光產(chǎn)生了選擇性的吸收，則物質(zhì)就會顯示出一定的顏色。物質(zhì)所顯示的顏色是吸收光的互補色。完全吸收完全透過吸收黃色光光譜示意表觀現(xiàn)象示意復合光光吸收定律——朗伯—比爾定律一．基本概念：當強度為I0的一定波長的單色入射光束通過裝有均勻待測物的溶液介質(zhì)時，該光束將被部分吸收Ia，部分反射Ir，余下的則通過待測物的溶液It，即有：I0=Ia+It+Ir如果吸收介質(zhì)是溶液（測定中一般是溶液），式中反射光強度主要與器皿的性質(zhì)及溶液的性質(zhì)有關，在相同的測定條件下，這些因素是固定不變的，并且反射光強度一般很小。所以可忽略不記，這樣：Io=Ia+It即：一束平行單色光通過透明的吸收介質(zhì)后，入射光被分成了吸收光和透過光。待測物的溶液對此波長的光的吸收程度可以透光率T和吸光度A用來表示。透光率——透光率表示透過光強度與入射光強度的比值，用T來表示，計算式為：T=It/IoT常用百分比（T%）表示。吸光度——透光率的倒數(shù)的對數(shù)叫吸光度。用A表示：A=-lgT二、朗伯—比爾定律：（一）定律內(nèi)容：當用一束強度為Io的單色光垂直通過厚度為b、吸光物質(zhì)濃度為c的溶液時，溶液的吸光度正比于溶液的厚度b和溶液中吸光物質(zhì)的濃度c的乘積。數(shù)學表達式為：A=-lgT=Kbc

（二）比例常數(shù)K的幾種表示方法：吸收定律的數(shù)學表達式中的比例常數(shù)叫“吸收系數(shù)”，它的大小可表示出吸光物質(zhì)對某波長光的吸收本領（即吸收程度）。它與吸光物質(zhì)的性質(zhì)、入射光的波長及溫度等因素有關。另外，K的值隨著b和c的單位不同而不同。下面就介紹K的幾種不同的表示方法。1．吸光系數(shù)：當溶液濃度c的單位為g/L,溶液液層厚度b的單位為cm時，K叫“吸光系數(shù)”，用a表示，其單位為L/g·cm，此時：A=abc由式可知：a=A/bc，它表示的是當c=1g/L、b=1cm時溶液的吸光度。2．摩爾吸光系數(shù)：當溶液濃度c的單位為mol/L，液層厚度b的單位為cm時，K叫“摩爾吸光系數(shù)”，用k表示，其單位為L/mol·cm，此時：A=kbc由此式可知：k=A/bc，它表示的是當c=1mol/L，b=1cm時，物質(zhì)對波長為λ的光的吸光度。對于K的這兩種表示方法，它們之間的關系為：k=aMM為吸光物質(zhì)的分子量。k和a的大小都可以反映出吸光物質(zhì)對波長為λ的單色光的吸收能力。但更常用和更好的是用k來表示吸光物質(zhì)對波長為λ的光的吸收能力。摩爾吸光系數(shù)越大，表示物質(zhì)對波長為λ的光的吸收能力越強，同時在分光光度法中測定的靈敏度也越大。

（三）吸收定律的適用條件：1．必須是使用單色光為入射光；2．溶液為稀溶液；3．吸收定律能夠用于彼此不相互作用的多組分溶液。它們的吸光度具有加合性，且對每一組分分別適用，即：A總=A1+A2+A3…+An=kbc1+k2bc2+k3bc3…+knbcn4．吸收定律對紫外光、可見光、紅外光都適用例題：已知某化合物的相對分子量為251，將此化合物用已醇作溶劑配成濃度為0.150mmol·L-1溶液，在480nm處用2.00cm吸收池測得透光率為39.8%，求該化合物在上述條件下的摩爾吸光系數(shù)和吸光系數(shù)。解：已知溶劑濃度c=0.150mmol.L-1，b=2.00cm,T=0.398,由Lambert-Beer定律得：k（480nm）=A/cb=-lg0.398/0.150×10-3×2.00=1.33×103(L·mol-1·cm-1)由k=aM,得:a=k/M=k/251=5.30(L·g-1·cm-1)三．實際溶液對吸收定律的偏離及原因：（一）偏離：被測物質(zhì)濃度與吸光度不成線性關系的現(xiàn)象，如下圖。AC（二）偏離吸收定律的原因：1．入射光為非單色光：嚴格地說吸收定律只適用于入射光為單色光的情況。但在紫外可見光分光光度法中，入射光是由連續(xù)光源經(jīng)分光器分光后得到的，這樣得到的入射光并不是真正的單色光，而是一個有限波長寬度的復合光，這就可能造成對吸收定律的偏離。對非單色光引起的偏離，其原因是由于同一物質(zhì)對不同波長的光的摩爾吸光系數(shù)不同造成的。所以只要在入射光的波長范圍內(nèi)，摩爾吸光系數(shù)差別不是太大，由此引起的偏離是較小的。2．非平行光和光的散射：當入射光是非平行光時，所有光通過介質(zhì)的光的光程不同，引起小的偏離。另外，當溶液中含有懸浮物或膠粒等散射質(zhì)點時，入射光通過溶液時就會有一部分光因散射而損失掉，使透過光強度減小，測得的吸光度增大，從而引起偏離吸收定律。3．化學因素引起的偏離：1）離解作用：2）酸效應：3）溶劑作用：1）離解作用：在可見光區(qū)域的分析中常常是將待測組分同某種試劑反應生成有色配合物來進行測定的。有色配合物在水中不可避免的要發(fā)生離解，從而使得有色配合物的濃度要小于待測組分的濃度，導致對吸收定律的偏離。特別是在稀溶液中時，更是如此。2）酸效應：如果待測組分包括在一種酸堿平衡體系中，溶液的酸度將會使得待測組分的存在形式發(fā)生變化，而導致對吸收定律的偏離。3）溶劑作用：溶劑對吸收光譜的影響是比較大的，溶劑不同時，物質(zhì)的吸收光譜不同。四．吸收曲線（吸收光譜）及最大吸收波長1．吸收曲線：每一種物質(zhì)對不同波長光的吸收程度是不同的。如果我們讓各種不同波長的光分別通過被測物質(zhì)，分別測定物質(zhì)對不同波長光的吸收程度。以波長為橫坐標，吸收程度為縱坐標作圖所得曲線。300400500600700/nm350525545Cr2O72-MnO4-1.00.80.60.40.2Absorbance350Cr2O72-、MnO4-的吸收光譜2、吸收峰和最大吸收波長max吸收曲線表明了某種物質(zhì)對不同波長光的吸收能力分布。曲線上的各個峰叫吸收峰。峰越高，表示物質(zhì)對相應波長的光的吸收程度越大。其中最高的那個峰叫最大吸收峰，它的最高點所對應的波長叫最大吸收波長，用λmax表示。

3．物質(zhì)的吸收曲線和最大吸收波長的特點：

1）不同的物質(zhì)，吸收曲線的形狀不同，最大吸收波長不同。2）對同一物質(zhì)，其濃度不同時，吸收曲線形狀和最大吸收波長不變，只是吸收程度要發(fā)生變化，表現(xiàn)在曲線上就是曲線的高低發(fā)生變化。紫外-可見分光光度計一．分光光度計的主要部件和工作原理：0.575光源單色器吸收池檢測器顯示（一）光源：用于提供足夠強度和穩(wěn)定的連續(xù)光譜。分光光度計中常用的光源有熱輻射光源和氣體放電光源兩類。熱輻射光源用于可見光區(qū)，如鎢絲燈和鹵鎢燈；氣體放電光源用于紫外光區(qū)，如氫燈。鎢燈和碘鎢燈可使用的范圍在340~2500nm。氫燈可在160~375nm范圍內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)光源。另外，為了使光源發(fā)出的光在測量時穩(wěn)定，光源的供電一般都要用穩(wěn)壓電源，即加有一個穩(wěn)壓器。（二）分光系統(tǒng)：分光系統(tǒng)也叫單色器。單色器是能從光源輻射的復合光中分出單色光的光學裝置，其主要功能：產(chǎn)生光譜純度高的光波且波長在紫外可見區(qū)域內(nèi)任意可調(diào)。單色器一般由入射狹縫、準光器（透鏡或凹面反射鏡使入射光成平行光）、色散元件、聚焦元件和出射狹縫等幾部分組成。其核心部分是色散元件，起分光的作用。能起分光作用的色散元件主要是棱鏡和光柵。棱鏡有玻璃和石英兩種材料。它們的色散原理是依據(jù)不同的波長光通過棱鏡時有不同的折射率而將不同波長的光分開。由于玻璃可吸收紫外光，所以玻璃棱鏡只能用于350~3200nm的波長范圍，即只能用于可見光域內(nèi)。石英棱鏡可使用的波長范圍較寬，可從185~4000nm，即可用于紫外、可見和近紅外三個光域。（三）吸收池（比色皿）：在紫外可見分光光度法中，一般都是用液體溶液進行測定的，用于盛放試液的器皿就是吸收池或比色皿。有玻璃和石英兩種。（四）光檢測系統(tǒng)：用于檢測光信號。利用光電效應將光強度信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置，也叫光電器件。分光光法中，得到的是一定強度的光信號，這個信號需要用一定的部件檢測出來。檢測時，需要將光信號轉(zhuǎn)換成電信號才能測量得到。光檢測系統(tǒng)的作用就是進行這個轉(zhuǎn)換。（五）信號指示系統(tǒng)它的作用是放大信號并以適當方式指示或記錄下來。常用的信號指示裝置有直讀檢流計、電位調(diào)節(jié)指零裝置以及數(shù)字顯示或自動記錄裝置等。很多型號的分光光度計裝配有微處理機，一方面可對分光光度計進行操作控制，另一方面可進行數(shù)據(jù)處理。二、分光光度計的類型：（一）單光束分光光度計：0.575光源單色器吸收池檢測器顯示這類分光光度計的特點是：結構簡單，價格便宜。主要適用于定量分析，而不適用于作定性分析。另外，結果受電源的波動影響較大。（二）單波長雙光束分光光度計比值光源單色器吸收池檢測器顯示切光器雙光束分光光度計是自動比較了透過參比溶液和樣品溶液的光的強度，它不受光源（電源）變化的影響。雙光束分光光度計還能進行波長掃描，并自動記錄下各波長下的吸光度，很快就可得到試液的吸收光譜。所以能用于定性分析。光源單色器單色器檢測器切光器狹縫吸收池（三）雙光束雙波長分光光度計：顯色反應及其影響因素一．顯色反應和顯色劑：顯色反應：在光度分析中將試樣中的待測組分轉(zhuǎn)變成有色化合物的反應叫顯色反應。顯色反應一般分為兩大類：一類是配位反應；另一類是氧化還原反應。Fe3＋＋SCN－=FeSCN－；Mn2＋－5e＋4H2O=MnO4－＋8H＋在這兩類反應中，用得較多的是配位反應。二．選擇顯色反應的標準：1．選擇性要好：2．靈敏度要高：3．有色化合物的組成要恒定，化學性質(zhì)穩(wěn)定。4．顯色劑的顏色與有色化合物的顏色差別要大5．反應的條件要易于控制。三．影響顯色反應的因素：（一）顯色劑用量：顯色反應就是將待測組分轉(zhuǎn)變成有色化合物的反應，其反應一般可用下式代表：M＋R=MR反應具有一定的可逆性，當加入R的用量時，有利于反應向右進行。但要注意，加入的顯色劑用量也不能太多，否則產(chǎn)生副反應，對測定產(chǎn)生不利。例如：用SCN-與Fe3+反應生成紅色配合物測定鐵時，當加入的顯色劑太多時，就會對測定產(chǎn)生不利。對于不同的情況，顯色劑的用量對顯色反應的影響是不同的。在實際選用時，一般是通過實驗來確定的。光度測量誤差及測量條件的選擇光度分析的誤差來源于兩方面：一方面是各種化學因素引入的誤差；另一方面是儀器測量不準引入的誤差。對于化學因素，前面巳經(jīng)講過，現(xiàn)在我們來看儀器測量不準引入的誤差。一．儀器測量誤差：任何光度計都有一定的測量誤差，測量誤差的來源主要是光源的發(fā)光強度不穩(wěn)定，光電效應的非線性，雜散光的影響，單色器的光不純等等因素，對于一臺固定的光度計來說，以上因素都是固定的，也就是說，它的誤差具有一定的穩(wěn)定性。其大小可由光度計的透光率的讀數(shù)準確度表現(xiàn)出來。二．測量條件的選擇：1．測量波長的選擇：一般選用待測物質(zhì)的最大吸收波長作為測量波長（入射光）但當在最大吸收波長處有干擾時，則應根據(jù)“吸收最大干擾最小”的原則來選擇波長。2．控制適當?shù)奈舛确秶河蓽y量誤差可知，當吸光度在0.2～0.8之間時，測量誤差最小，所以應盡量控制吸光度在此范圍進行測定。控制的方法為：1）控制溶液的濃度；2）選用適當厚度的比色皿；

3．選擇適當?shù)膮⒈热芤海篴.如果僅有顯色劑與被測組分反應的產(chǎn)物有吸收，則可以用純?nèi)軇┳鲄⒈热芤海籦.如果顯色劑和其他試劑有顏色，則用試劑溶液作參比液；c.如果顯色劑與試劑中干擾組分反應，其反應產(chǎn)物有吸收，則按如下方式配置參比液：(1)吸收較弱時，直接用試劑溶液作參比液；(2)吸收較強時，可選用合適的掩蔽劑將被測組分掩蔽后再加顯色劑和其他試劑，以此配制的溶液作參比液。紫外—可見分光光度法的應用一．紫外-可見分光光度法在定性分析中的應用（一）定性分析：（二）結構分析：原子吸收分光光度法原子吸收分光光度法（AAS）亦稱為原子吸收光譜法，它是基于試樣蒸氣對待測元素特征譜線（共振線）的吸收特性來測定試樣中待測元素含量的分析方法。當含有待測元素特征譜線的入射光通過基態(tài)的原子蒸氣時，原子就會與對應頻率的光相互作用，產(chǎn)生共振，電子從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，同時使入射光強度減弱，產(chǎn)生原子吸收光譜，即原子吸收光譜。原子吸收分光光度分析，就是利用處于基態(tài)的待測原子蒸氣對光源發(fā)射的特征譜線光的吸收特性來進行分析測定的。分析過程1-銅空心陰極燈；2-火焰；3-氣態(tài)銅原子；4-單色器；5-光電檢測器；6數(shù)據(jù)處理及輸出裝置；

7-原子化系統(tǒng)；8-燃氣；9-助燃氣；10-含銅試液原子吸收分析示意圖比色法與原子吸收分光光度方法不同點相同點吸收機理光源樣品狀態(tài)儀器排布應用定量工作波長/(nm)光度法分子吸收帶狀光譜連續(xù)光源分子或離子的溶液光源→單色器→吸收池→檢測器定性分析定量分析結構分析A=κbc190～900原子吸收原子吸收線狀光譜銳線光源原子蒸汽光源→原子化器→單色器→檢測器定量分析A=κLc190～900特點1.選擇性高、干擾少。分析不同元素需選擇不同的元素燈，共存元素對被測元素不產(chǎn)生干擾，一般不需要分離共存元素就可以進行測定。2.靈敏度高。用火焰原子吸收分光光度法可測到10-9g/mL數(shù)量級。用無火焰原子吸收分光光度法可測到10-13g/mL數(shù)量級。3.測定的范圍廣。它可用來測定70多種元素，既可做痕量組分分析，又可進行常量組分測定。應用無火焰法，試樣溶液僅需1～100μL。4.操作簡便、分析速度快、用途很廣。已在冶金、地質(zhì)、采礦、石油、輕工、農(nóng)藥、醫(yī)藥、食品及環(huán)境監(jiān)測等方面得到廣泛應用。5.局限性。測定一些難熔元素，如稀土元素以及非金屬元素不能令人滿意；測一種元素就得換一種空心陰極燈，使多元素