紫外—可见吸收光谱分析.ppt

第五章 紫外-可见吸收光谱分析 分子光谱之一 基本要求： 了解紫外-可见吸光光度法的特点，光的基本性质，物质对光 的选择性吸收，吸收曲线。掌握朗伯-比耳定律，以及运用朗伯- 比耳定律定量分析的方法。掌握紫外-可见分光光度计的基本结构 、工作原理，了解其主要部件的基本性质和工作原理。掌握测量 条件的选择以及显色反应选择的方法。了解双光束分光光度法的 原理和应用。了解双波长分光光度法的原理和应用。 第一节 概述 一、仪器分析方法分类（回顾）： 电化学分析法 光学分析法 色谱分析法 其它分析方法 原子光谱法 分子光谱法 X射线光谱法 核磁波谱 紫外可见光光谱法 荧光光谱法 红外吸收光谱法 拉曼光谱法 二、应用： 1定量分析： 有色物质 可见光区：340800nm 对紫外线有吸收的无色物质 紫外光区： 200340nm 灵敏度ppm，精密度RSD:0.5% 二、应用： 2定性分析：提供某些分子的部分结构信息 例：苯的B带吸收（230270nm间出现7个 精细结构的峰） 第二节 吸收定律与光谱图 一、朗伯比耳定律 吸光度(A)的定义 I0 It 当一束平行光通过均匀的溶液介质时，光的一部分 被吸收，一部分被器皿反射。设入射光强度为I0，透射 光强度为It。 则吸光度(A)表示物质对光的吸收程度，其定义为: 一、朗伯-比耳定律 朗伯-比耳定律(Lambert-Beer) 是光吸收的基本定律，俗称光吸收定律，是分光 光度法定量分析的依据和基础。 n 当C采用重量单位时，吸收定律表达为: A=abc 式中： a：吸光系数，L/g*cm b：光程，cm c：浓度，g/L 可知：A与c呈线形关系，为定量分析的理论依据 bc 一、朗伯比耳定律 2.当C采用摩尔浓度时，吸收定律表达为: A=bc :摩尔吸光系数，L/molcm c: 摩尔浓度，mol/L 一、朗伯比耳定律 透光率（T） I0 It 定义为： 则： 应用：仪器的调整 T（%）：0 100 （全吸收） （无吸收） A： 0 二、紫外-可见吸收光谱图 n定义：固定试样浓度和吸收池厚度，以吸收度 （或透光率）对波长所作的曲线。 例 0.001molL-1高锰酸钾、重铬酸钾光谱图。 扫描 -胡罗卜素 咖啡因 阿斯匹林 丙酮 几种有机化合物的 吸收光谱图。 （动画） 浓度与吸收曲线 紫外-可见吸收光谱图的应用 定量：一般总有一最大吸收峰，其对应波长称为 最大吸收波长（max）,往往以max作为定量分析时 的单色光波长，可最大限度地提高灵敏度。 简单定性，回答“是不是” 的问题。 第三节 紫外-可见光分光光度计 一、分类 单光束分光光度计 双光束分光光度计 单波长分光光度计 双波长分光光度计 可见光分光光度计 紫外-可见光分光光度计 二、基本光路图 三、主要部件（以单光束分光光度计为例） 光源 单色器样品室检测器显示 三、主要部件（以单光束分光光度计为例） 1. 光源 ：提供稳定的复合光 可见光区：钨灯、碘钨灯。 其辐射波长范围在3202500 nm。 紫外区：氢灯、氘灯。 发射185400 nm的连续光谱。 三、主要部件（以单光束分光光度计为例） 2. 单色器 作用：从光源的复合光中分离出所需单色光。 组成：由色散元件和狭缝组成。 光源单色器样品室检测器显示 三、主要部件（以单光束分光光度计为例） 2. 单色器 色散元件 作用：将复合光分解成连续单色光。 nA. 棱镜（靠折射作用分光） 可以得到波长非均匀分布 的连续光谱，光强损失较大。 400nm 800nm 三、主要部件（以单光束分光光度计为例） 棱镜（Prism）： 棱镜的色散作用是基于构成棱镜的光学材料对不 同波长的光具有不同的折射率。波长大的折射率小， 波长小的折射率大。 Cornu棱镜 b Littrow棱镜 nB. 光栅（靠衍射作用分光） 提供波长均匀分布的连续光谱，可用于吸收光 谱的自动扫描。 400nm 600nm 700nm 800nm 500nm 三、主要部件（以单光束分光光度计为例） A B C D d P0 距离 相对强度 P1 1 2 光栅 例：7530型紫外可见光分光光度计。 步进马达带动光栅，得到匀速变化的单色光。 光栅制作： 机刻 6002880条/mm 复制光栅（照相，化学腐蚀） 三、主要部件（以单光束分光光度计为例） 2. 单色器 狭缝 由锐边金属片组成 nA. 入射狭缝：位于光源与色散元件之间。 作用 ：是限制杂散光进入色散元件。 nB. 出口狭缝：位于色散元件与吸收池之间。 作用：把额定波长单色光分离出单色器。 光源 样品室检测器显示 三、主要部件（以单光束分光光度计为例） 2. 单色器 狭缝 n狭缝宽度可调 定性分析时，窄一点，单色光纯，但光强弱。 定量分析时，宽一点，灵敏度高。 例：7530型分光光度计 0.2nm，1.0nm，2.0nm 三、主要部件（以单光束分光光度计为例） 3. 吸收池（也可称为比色皿、样品池） 作用：盛放试液。 材料 A. 普通光学玻璃：用于可见光区，因为 它吸收紫外光。 B. 石英玻璃：用于紫外光区，亦可用于 可见光区。 三、主要部件（以单光束分光光度计为例） 3. 吸收池（也可称为比色皿、样品池） 宽度：0.5cm，1cm，2cm 使用注意事项 固定使用同一比色皿，因为每个比色皿的壁厚、 光程、吸光特性等不尽相同。 三、主要部件（以单光束分光光度计为例） 4. 检测器 一类光电转换元件。 常用类型有： 光电池 光电管 光电倍增管 三、主要部件（以单光束分光光度计为例） 4. 检测器 光电池 Se Fe(Cu) h 玻璃 Ag(Au)透明膜-收集极 塑 料- 对500600nm光灵敏，用于可见光区。 容易产生疲劳效应，便易。72G型光电比色计。 三、主要部件（以单光束分光光度计为例） 4. 检测器 光电管 90V DC 直流放大 阴极 R -+ 光束 e 阳极丝（Ni） 抽真空 灵敏度比光电池大 例：721型可见光分光光度计 三、主要部件（以单光束分光光度计为例） 4. 检测器 光电倍增管 1个光子产生106107个电子 石英套 光束 栅极，Grill 阳极 屏蔽 对光特别敏感，灵敏 度比光电管高200倍。 对供电量要求高，需 要达到0.010.05%的 稳定性。 一种新型检测器：光电二极管阵列，PDA SiO2窗 p 型硅 n 型硅基 pnpnpnpnpnpn 0.025mm 2.5mm 侧视(cross section)顶视(top view) 光束 512个 1024个 三、主要部件（以单光束分光光度计为例） 5. 显示器 将检测器产生的光电流用直观的形式显示出来。 n例： 72G型 722型 7530型 电表指针显示 数字形式显示 屏幕形式显示 第四节 测试条件 一、分析波长 1.一般情况下，选max作分析波长，以便 获得最高的灵敏度。 2.对于高浓度样品，为保证足够的工作直线 的线形范围，可选用灵敏度较低的吸收 峰波长。 3.max受到其它波峰干扰时，可选用别的 吸收峰波长。 二、出口狭缝宽度 n最佳宽度的选择方法： 在A不减小时的最大狭缝宽度。 （因为，在一定宽度范围内，A不变；过大 时，由于干扰谱带或非吸收光出现在光谱通带 内，A减小。） 三、合适的吸收度范围 n根据吸收定律，A=0.4343时，吸收度测试量误 差最小。实际工作中，将试样吸收度控制在 0.20.8之间。 n控制方法：选择合适的比色皿宽度，稀释待测 样等。 第五节 试样体系条件的选择 一、 酸碱度 npH会影响显色剂的解离，被测离子的水解等， 所以，要选择最佳酸度，并用缓冲液来控制。 A pH 选择最佳pH值方法： 固定试液浓度，改变pH 值测A，做A-pH图，找 出对A影响最小的pH值 范围。 二 、显色剂浓度 n最佳浓度选择：作A-C显色剂图，找出对A影响 最小的浓度范围。 A C显色剂 三 、显色时间 n试液颜色常随时间而变化。 1. 找到对颜色变化影响最小的时间段。 2. 每个试液都要有相同的显色时间。 A t 四、温度 n温度能影响显色反应的速度，影响颜色的稳定 性。据此可以找到最佳的温度。 n有些显色反应受温度影响较大，这时候，要控 制恒定的温度。 第六节 定量分析法 一、单组分的定量分析 （测定样品中某一种成分的含量） 1. 工作曲线法 （适用组成较简单的、批量的样品） 依据： A-C呈线性关系，作A-C曲线。 配制一系列待测成分的标准溶液 C1 C2 C3 C4 C5 测出相应的吸光度 A1 A2 A3 A4 A5 建立工作直线（ AC ） 作图法 回归法 测量待测样品，得A样 从工作直线上找到待测成分的浓度C样 由回归方程计算出C样 A C A=bc ，斜率 ，灵敏度 2. 增量法（适用于组成较复杂的样品） 取若干份等体积待测液。 加入与待测液等体积的一系列标准溶液。 作A-C标曲线，此线与C标轴交点即为C样。 C0=0（试剂空白） 等体积标液 等体积待测液 C0C3C2C1C4 理论依据： A=bc=b(C样+C标) 当A=0时，C样=-C标 方法特点：适用于组成较复杂的样品，对于 批量样品较麻烦。 A C标 0（C0） -C样 二、 多组分同时测定 （同时测定一个样品中的几个组分） （1）n个波长处分别测定样品的吸光度。 （假设测定n个组分，一般选择各个组分的max） （2）根据吸光度的加和性建立n个方程，解联立方程， 可得n个组分的浓度。 原理：吸光度加和性 例：同时测某样品中二个组分 分别在1、2处测样品的吸光度A1、A2。 （设定光程b=1cm） 1: A1 =11C1 +12C2 2: A2 =21C1 +22C2 ij：波长i处，j组分的摩尔吸光系数。 文献，也可通过纯组分的工作直线的斜率求得。 例：同时测某样品中三个组分 分别在1、2、3处测样品的吸光度A1、A2、A3。 （设定光程b=1cm） 1: A1 =11C1 +12C2+13C3 2: A2 =21C1 +22C2+23C3 3: A3 =31C1 +32C2+33C3 第七节 双光束分光光度计的应用 应用：能克服光源不稳定造成的误差 一、光路图 I0 I0 I0 I1 I2 样品 参比 切光器 二、工作原理 参比： 样品： 则： 作A-C工作直线，定量。 由于A与I0无关，所以，能够克服I0不稳定所造成的误差。 第八节 双波长分光光度计的应用 特点：能消除共存干扰组分的影响； 能消除浑浊试样的干扰； 能用于高浓度试样的测量。 属于背景吸收 一、光路图 结构特点：二个单色器 . 显示器 切光器（使光束交替通过） 二、工作原理 1：A1=1bc+As1 （As1：1处的背景吸收） 2：A2=2bc+As2 （As2：2处的背景吸收） 如果As1=As2 则 A=A2-A1=2bc-1bc+As2 -As1=（2-1）bc A与c呈线性关系，可定量。 . 显示器 1 2 三、选择1和2 （目的是为了使1和2下背景吸收As1和As2相等。） x（干扰组分） A y 21 1. 已知干扰组分 注意波长的选择原则 A = A2-A1=(2bc+ As2)-(1bc+As1)=(2-1)bc 21 A y x A 21 y x y 2、未知干扰组分 选择两波长十分接近但A差值较大的1和2。（1 和2十分靠近，可以认为As1和As2相等；A尽可能大 ，可提供较高的灵敏度。） 光谱分析参考书 (1) 光谱导论石油大学出版社 1992，李新安等译； (2) 紫外可见光分光光度法，陈国珍 思考题及习题 一、概念 紫外-可见光吸收光谱图 二、思考题 n什么是紫外-可见光吸收光谱图？从中可以得 到哪些有用的信息？ n画出紫外-可见光分光光度计的光路图，并说 明其主要部件和功能。 n棱镜和光栅的分光原理及分光效果有哪些不 同？ n比色皿（或吸收池）有哪些不同的材料，在 使用上有何不同，为什么？在定量分析中使 用比色皿应当注意哪些事项，为什么？ n试述紫外-可见光分光光度分析中，如何选择测试条 件（分析波长、出口狭缝宽度、吸光度范围）？ n试述紫外-可见光分光光度分析中，如何确定试样体 系的条