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(cè)物質(zhì)的分子對(duì)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(yùn)動(dòng)，以及組成分子的各原子間的振動(dòng)和分子作為整體的轉(zhuǎn)動(dòng)。分子的總能量可以認(rèn)為等于這三種運(yùn)動(dòng)能量之和。即：E分子=E電子+E振動(dòng)+E轉(zhuǎn)動(dòng)分子中的這三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都對(duì)應(yīng)有一定的能級(jí)。即在分子中存在著電子能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)。這三種能級(jí)都是量子化的。其中電子能級(jí)的間距最大（每個(gè)能級(jí)間的能量差叫間距或能級(jí)差），振動(dòng)能級(jí)次之，轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的間距最小。如果用△E電子，△E振動(dòng)以及△E轉(zhuǎn)動(dòng)表示各能級(jí)差，則：△E-電子＞△E-振動(dòng)＞△E-轉(zhuǎn)動(dòng)由于組成分子能量的幾部分都具有一定的能級(jí)，所以分子也具有一定的能級(jí).當(dāng)用光照射分子時(shí)，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(jí)E躍遷到較高能級(jí)E’上，所吸收的光的能量就等于兩能級(jí)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(huì)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(yuǎn)紅外光譜、紅外光譜及紫外-可見光譜三類。分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷，需吸收波長為遠(yuǎn)紅外光，因此，形成的光譜稱為轉(zhuǎn)動(dòng)光譜或遠(yuǎn)紅外光譜。

分子的振動(dòng)能級(jí)差一般需吸收紅外光才能產(chǎn)生躍遷。在分子振動(dòng)時(shí)同時(shí)有分子的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。這樣，分子振動(dòng)產(chǎn)生的吸收光譜中，包括轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)應(yīng)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(guān)系：1．可見光的顏色和互補(bǔ)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(fù)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(lán)、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(fù)合得到外，還可由適當(dāng)?shù)膬煞N顏色的光按一定比例復(fù)合得到。能復(fù)合成白光的兩種顏色的光叫互補(bǔ)色光。/nm顏色互補(bǔ)光400-450紫黃綠450-480藍(lán)黃480-490綠藍(lán)橙490-500藍(lán)綠紅500-560綠紅紫560-580黃綠紫580-610黃藍(lán)610-650橙綠藍(lán)650-760紅藍(lán)綠2．物質(zhì)的顏色與吸收光的關(guān)系：當(dāng)白光照射到物質(zhì)上時(shí)，如果物質(zhì)對(duì)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(huì)顯示出一定的顏色。物質(zhì)所顯示的顏色是吸收光的互補(bǔ)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(fù)合光光吸收定律——朗伯—比爾定律一．基本概念：當(dāng)強(qiáng)度為I0的一定波長的單色入射光束通過裝有均勻待測(cè)物的溶液介質(zhì)時(shí)，該光束將被部分吸收Ia，部分反射Ir，余下的則通過待測(cè)物的溶液It，即有：I0=Ia+It+Ir如果吸收介質(zhì)是溶液（測(cè)定中一般是溶液），式中反射光強(qiáng)度主要與器皿的性質(zhì)及溶液的性質(zhì)有關(guān)，在相同的測(cè)定條件下，這些因素是固定不變的，并且反射光強(qiáng)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(cè)物的溶液對(duì)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(qiáng)度與入射光強(qiáng)度的比值，用T來表示，計(jì)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(duì)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(dāng)用一束強(qiáng)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(shí)，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(xué)表達(dá)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(xué)表達(dá)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(duì)某波長光的吸收本領(lǐng)（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(guān)。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(dāng)溶液濃度c的單位為g/L,溶液液層厚度b的單位為cm時(shí)，K叫“吸光系數(shù)”，用a表示，其單位為L/g·cm，此時(shí)：A=abc由式可知：a=A/bc，它表示的是當(dāng)c=1g/L、b=1cm時(shí)溶液的吸光度。2．摩爾吸光系數(shù)：當(dāng)溶液濃度c的單位為mol/L，液層厚度b的單位為cm時(shí)，K叫“摩爾吸光系數(shù)”，用k表示，其單位為L/mol·cm，此時(shí)：A=kbc由此式可知：k=A/bc，它表示的是當(dāng)c=1mol/L，b=1cm時(shí)，物質(zhì)對(duì)波長為λ的光的吸光度。對(duì)于K的這兩種表示方法，它們之間的關(guān)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(duì)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(duì)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(duì)波長為λ的光的吸收能力越強(qiáng)，同時(shí)在分光光度法中測(cè)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(duì)每一組分分別適用，即：A總=A1+A2+A3…+An=kbc1+k2bc2+k3bc3…+knbcn4．吸收定律對(duì)紫外光、可見光、紅外光都適用例題：已知某化合物的相對(duì)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(cè)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(shí)際溶液對(duì)吸收定律的偏離及原因：（一）偏離：被測(cè)物質(zhì)濃度與吸光度不成線性關(guān)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(yán)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(gè)有限波長寬度的復(fù)合光，這就可能造成對(duì)吸收定律的偏離。對(duì)非單色光引起的偏離，其原因是由于同一物質(zhì)對(duì)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(dāng)入射光是非平行光時(shí)，所有光通過介質(zhì)的光的光程不同，引起小的偏離。另外，當(dāng)溶液中含有懸浮物或膠粒等散射質(zhì)點(diǎn)時(shí)，入射光通過溶液時(shí)就會(huì)有一部分光因散射而損失掉，使透過光強(qiáng)度減小，測(cè)得的吸光度增大，從而引起偏離吸收定律。3．化學(xué)因素引起的偏離：1）離解作用：2）酸效應(yīng)：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(cè)組分同某種試劑反應(yīng)生成有色配合物來進(jìn)行測(cè)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(cè)組分的濃度，導(dǎo)致對(duì)吸收定律的偏離。特別是在稀溶液中時(shí)，更是如此。2）酸效應(yīng)：如果待測(cè)組分包括在一種酸堿平衡體系中，溶液的酸度將會(huì)使得待測(cè)組分的存在形式發(fā)生變化，而導(dǎo)致對(duì)吸收定律的偏離。3）溶劑作用：溶劑對(duì)吸收光譜的影響是比較大的，溶劑不同時(shí)，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(duì)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(cè)物質(zhì)，分別測(cè)定物質(zhì)對(duì)不同波長光的吸收程度。以波長為橫坐標(biāo)，吸收程度為縱坐標(biāo)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(duì)不同波長光的吸收能力分布。曲線上的各個(gè)峰叫吸收峰。峰越高，表示物質(zhì)對(duì)相應(yīng)波長的光的吸收程度越大。其中最高的那個(gè)峰叫最大吸收峰，它的最高點(diǎn)所對(duì)應(yīng)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(diǎn)：

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(duì)同一物質(zhì)，其濃度不同時(shí)，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(jì)一．分光光度計(jì)的主要部件和工作原理：0.575光源單色器吸收池檢測(cè)器顯示（一）光源：用于提供足夠強(qiáng)度和穩(wěn)定的連續(xù)光譜。分光光度計(jì)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(cè)量時(shí)穩(wěn)定，光源的供電一般都要用穩(wěn)壓電源，即加有一個(gè)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(fù)合光中分出單色光的光學(xué)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(zhǔn)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(shí)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(gè)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(jìn)行測(cè)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(cè)系統(tǒng)：用于檢測(cè)光信號(hào)。利用光電效應(yīng)將光強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置，也叫光電器件。分光光法中，得到的是一定強(qiáng)度的光信號(hào)，這個(gè)信號(hào)需要用一定的部件檢測(cè)出來。檢測(cè)時(shí)，需要將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)才能測(cè)量得到。光檢測(cè)系統(tǒng)的作用就是進(jìn)行這個(gè)轉(zhuǎn)換。（五）信號(hào)指示系統(tǒng)它的作用是放大信號(hào)并以適當(dāng)方式指示或記錄下來。常用的信號(hào)指示裝置有直讀檢流計(jì)、電位調(diào)節(jié)指零裝置以及數(shù)字顯示或自動(dòng)記錄裝置等。很多型號(hào)的分光光度計(jì)裝配有微處理機(jī)，一方面可對(duì)分光光度計(jì)進(jìn)行操作控制，另一方面可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。二、分光光度計(jì)的類型：（一）單光束分光光度計(jì)：0.575光源單色器吸收池檢測(cè)器顯示這類分光光度計(jì)的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)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(jié)果受電源的波動(dòng)影響較大。（二）單波長雙光束分光光度計(jì)比值光源單色器吸收池檢測(cè)器顯示切光器雙光束分光光度計(jì)是自動(dòng)比較了透過參比溶液和樣品溶液的光的強(qiáng)度，它不受光源（電源）變化的影響。雙光束分光光度計(jì)還能進(jìn)行波長掃描，并自動(dòng)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(cè)器切光器狹縫吸收池（三）雙光束雙波長分光光度計(jì)：顯色反應(yīng)及其影響因素一．顯色反應(yīng)和顯色劑：顯色反應(yīng)：在光度分析中將試樣中的待測(cè)組分轉(zhuǎn)變成有色化合物的反應(yīng)叫顯色反應(yīng)。顯色反應(yīng)一般分為兩大類：一類是配位反應(yīng)；另一類是氧化還原反應(yīng)。Fe3＋＋SCN－=FeSCN－；Mn2＋－5e＋4H2O=MnO4－＋8H＋在這兩類反應(yīng)中，用得較多的是配位反應(yīng)。二．選擇顯色反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)：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(xué)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(yīng)的條件要易于控制。三．影響顯色反應(yīng)的因素：（一）顯色劑用量：顯色反應(yīng)就是將待測(cè)組分轉(zhuǎn)變成有色化合物的反應(yīng)，其反應(yīng)一般可用下式代表：M＋R=MR反應(yīng)具有一定的可逆性，當(dāng)加入R的用量時(shí)，有利于反應(yīng)向右進(jìn)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(yīng)，對(duì)測(cè)定產(chǎn)生不利。例如：用SCN-與Fe3+反應(yīng)生成紅色配合物測(cè)定鐵時(shí)，當(dāng)加入的顯色劑太多時(shí)，就會(huì)對(duì)測(cè)定產(chǎn)生不利。對(duì)于不同的情況，顯色劑的用量對(duì)顯色反應(yīng)的影響是不同的。在實(shí)際選用時(shí)，一般是通過實(shí)驗(yàn)來確定的。光度測(cè)量誤差及測(cè)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(xué)因素引入的誤差；另一方面是儀器測(cè)量不準(zhǔn)引入的誤差。對(duì)于化學(xué)因素，前面巳經(jīng)講過，現(xiàn)在我們來看儀器測(cè)量不準(zhǔn)引入的誤差。一．儀器測(cè)量誤差：任何光度計(jì)都有一定的測(cè)量誤差，測(cè)量誤差的來源主要是光源的發(fā)光強(qiáng)度不穩(wěn)定，光電效應(yīng)的非線性，雜散光的影響，單色器的光不純等等因素，對(duì)于一臺(tái)固定的光度計(jì)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(jì)的透光率的讀數(shù)準(zhǔn)確度表現(xiàn)出來。二．測(cè)量條件的選擇：1．測(cè)量波長的選擇：一般選用待測(cè)物質(zhì)的最大吸收波長作為測(cè)量波長（入射光）但當(dāng)在最大吸收波長處有干擾時(shí)，則應(yīng)根據(jù)“吸收最大干擾最小”的原則來選擇波長。2．控制適當(dāng)?shù)奈舛确秶河蓽y(cè)量誤差可知，當(dāng)吸光度在0.2～0.8之間時(shí)，測(cè)量誤差最小，所以應(yīng)盡量控制吸光度在此范圍進(jìn)行測(cè)定。控制的方法為：1）控制溶液的濃度；2）選用適當(dāng)厚度的比色皿；

3．選擇適當(dāng)?shù)膮⒈热芤海篴.如果僅有顯色劑與被測(cè)組分反應(yīng)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(yīng)，其反應(yīng)產(chǎn)物有吸收，則按如下方式配置參比液：(1)吸收較弱時(shí)，直接用試劑溶液作參比液；(2)吸收較強(qiáng)時(shí)，可選用合適的掩蔽劑將被測(cè)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(yīng)用一．紫外-可見分光光度法在定性分析中的應(yīng)用（一）定性分析：（二）結(jié)構(gòu)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(duì)待測(cè)元素特征譜線（共振線）的吸收特性來測(cè)定試樣中待測(cè)元素含量的分析方法。當(dāng)含有待測(cè)元素特征譜線的入射光通過基態(tài)的原子蒸氣時(shí)，原子就會(huì)與對(duì)應(yīng)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(shí)使入射光強(qiáng)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(cè)原子蒸氣對(duì)光源發(fā)射的特征譜線光的吸收特性來進(jìn)行分析測(cè)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(cè)器；6數(shù)據(jù)處理及輸出裝置；

7-原子化系統(tǒng)；8-燃?xì)猓?-助燃?xì)猓?0-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(diǎn)相同點(diǎn)吸收機(jī)理光源樣品狀態(tài)儀器排布應(yīng)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(cè)器定性分析定量分析結(jié)構(gòu)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(cè)器定量分析A=κLc190～900特點(diǎn)1.選擇性高、干擾少。分析不同元素需選擇不同的元素?zé)?，共存元素?duì)被測(cè)元素不產(chǎn)生干擾，一般不需要分離共存元素就可以進(jìn)行測(cè)定。2.靈敏度高。用火焰原子吸收分光光度法可測(cè)到10-9g/mL數(shù)量級(jí)。用無火焰原子吸收分光光度法可測(cè)到10-13g/mL數(shù)量級(jí)。3.測(cè)定的范圍廣。它可用來測(cè)定70多種元素，既可做痕量組分分析，又可進(jìn)行常量組分測(cè)定。應(yīng)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(cè)等方面得到廣泛應(yīng)用。5.局限性。測(cè)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(cè)一種元素就得換一種空心陰極燈，使多元素