紫外光谱在环境分析中的应用.doc

紫外光谱在环境分析中的应用 环境科学与工程 鲍海燕 20132129摘要：随着现代技术的应用发展，紫外光谱得到进一步的发展和完善，尤其在环境分析中的应用越来越普遍。本文主要介绍紫外光谱在环境分析中的应用，并介绍其基本原理和仪器结构，概述了紫外光谱法的特点以及注意事项。最终得到该方法是一种具有广谱适用性的分析方法。关键词：紫外光谱法，原理，应用一、引言 随着全球各类污染事件的频繁发生，环境污染越来越受到社会各界的关注，无论是水体污染，还是大气污染，都需要借助于有效的监测手段和先进的监测仪器来对环境中污染物的种类及浓度进行精确的分析和评价。紫外光谱法就是其中一种最基本的分析仪器之一，在环境分析化学等领域中得到了极为广泛地应用。二、紫外光谱的基本原理我们知道，物质内部存在多种形式的微观运动，每种运动都有许多可能的状态，不同状态能量不同，即属于不同的能级。分子的能级有三种：电子能级、振动能级和转动能级。同一电子能级中有若干个振动能级，在同一振动能级中又有若干个转动能级。相邻两个电子能级之间的能量差Ee 一般在120 eV，所对应电磁波的波长为1000-50nm，处于紫外可见光区域，换言之，用紫外或可见光照射物质可以引起分子内部电子能级的跃迁。其跃迁类型取决于分子中价电子的分布和结合的情况。我们知道，组成有机物分子共价键的价电子有：电子、电子和n电子。分子中外层价电子的能级主要由5种分子轨道对应的能级组成，有低能级到高能级排列依次为 n * * 。当价电子吸收了一定的能量E后，即跃迁到较高能级。特定的跃迁过程有：n*，*，n*，*等，其中，n*跃迁所需能量最小，对应的吸收带位于270300nm的近紫外区。吸收强度相对较小。n* 是杂原子上的未成键n电子向*反键轨道跃迁。跃迁所需能量较小，相应吸收带的波长在200nm附近，受杂原子性质的影响较大。吸收强度相对较小。* 跃迁所需能量较小，吸收峰波长较大。孤立双键* 跃迁产生的吸收带位于160180nm的远紫外区；但共轭双键体系中，吸收带向长波方向移动进入近紫外区。共轭体系越大，吸收带波长越长。* 跃迁需要能量较高，相应的吸收光波长较短，在150160nm的远紫外光区域，超出了一般紫外分光光度计检测范围，不予讨论。 紫外光谱实际上就是紫外光与分子中电子能级相互作用产生的吸收光谱，所以又被称为电子光谱。紫外吸收法是基于物质对不同波长的紫外光的吸收来测定物质成分和含量的方法1。水体中的有机污染物特别是不饱和有机物以及部分无机离子对紫外光存在吸收2，所以可以通过测量水体紫外吸收光谱并结合相关算法来得到相应水质的监测数据。水体中的污染物弟特定波长紫外光的吸收遵循朗伯比尔定律，如（1）所示，当一束平行单色光通过均匀、非散射的稀溶液时，溶液对光的吸收程度与溶液的浓度吸收层厚度的乘积成正比。 A=lgI0/I=KcL (1) 式中：A为吸光度； I0为入射光强度； I为透射光强度； K为摩尔吸收系数（L.(mol.cm)-1）； c为吸光物质的摩尔浓度（mol/L）； L为吸收层厚度（cm）。 实际测量过程中，式（1）中K和L皆为常数，吸光度A与浓度c成正比，且吸光度具有加和特点，即溶液对某一波长的吸收等于溶液中各个成分对该波长光的吸收之和，如（2）所示 A=A1+A2+A3+.+An (2)所以，只要共存物质不互相影响性质，即不因共存物而改变本身的吸光系数，则总吸光度是各共存物吸光度的和，而各组分的吸光度由各自的浓度与吸光系数所决定。吸光度的这种加和性质是计算分光光度法测定混合组分的依据。3、 紫外光谱的仪器组成 一般紫外分光光度计的波长范围为200400nm，仪器主要有光源、单色器、吸收池、检测器四部分组成。1、 光源：目的是提供足够强而且稳定的光源。2、 单色器：将连续光色散成单色光。由入射狭缝、准直镜（产生平行光的准直系统）、光栅或棱镜（色散器件）、成像物镜、出射狭缝（成像系统）组成。3、 吸收池：紫外光必须用石英玻璃的吸收池。一般有参比池和样品池，应选择参数尽量一致的吸收池。4、 检测器：将光信号转化为电信号并放大。随着紫外分光光度计的发展，检测器逐渐向光电管、光电倍增器和硅二极管阵列检测器发展。4、 紫外光谱的特点1、 应用十分广泛 由于多种无机物或有机物在紫外可见区域均有吸收，因而可以利用此法进行测定。化学元素周期表上几乎所有元素都能够应用此法进行测定。2、 具有较高的灵敏性 随着新型显色剂的纷纷问世及应用，紫外分光光度计在测定元素方面的灵敏性也有了大幅度提高。3、 具有较好的选择性 有些元素只需控制显色条件即可采用紫外分光光度计法进行测定，例如，对于镍、铜、铁、钴、银、铀等多种元素已经存在系统的方法进行测定。4、 具有较高的准确性 普通的紫外分光光度计法，其相对误差已经控制在1%3%内，如果使用示差分光光度计可将误差减少至0.5%。五、紫外光谱在环境分析化学中的应用1、 紫外分光光度计在测定水中六价铬含量的应用 铬主要以金属铬、三价铬和六价铬的三种形式出现，金属铬是一种高熔点铁灰固体，用于制造钢及其他合金。铬金属在自然状态下不存在，它是在铬矿中提炼得到的。工业上六价铬是通过将矿物中的三价铬在有氧条件下加热得到的。铬的第三种存在的形式( 六价铬) 对人体危害最大。六价铬还会引起其它健康问题，如果吸入较高浓度的六价铬化合物会引起流鼻涕、打喷嚏、瘙痒、溃疡和鼻中隔穿孔。若人体摄入可溶解的六价铬污染的水体，长期饮用会产生致毒和致癌的后果。因此，六价铬是衡量水质的重要指标之一，六价铬的测定意义重大。 测定水中六价铬的方法原理是在酸性溶液中，六价铬与二苯碳酰二肼反应生成紫红色化合物，于波长540nm处进行分光光度法测定。按A的值查校准曲线并计算六价铬的含量。本方法适用于地表水和工业废水中六价铬的测定。当取样体积为50ml,使用30mm比色皿，方法的最小检出量为0.2g铬，方法的最低检出浓度为0.004mg/L;使用10mm比色皿，测定上限浓度为1mg/L。测定水样中六价铬的实验步骤如下：( 1) 用50ml比色管取适量样品于比色管中，用水稀释至标线( 2) 加入0.5ml硫酸溶液和0.5ml磷酸溶液摇匀( 3) 加入2ml显色剂摇匀( 4) 使溶液等待510min后，在540nm波长处，用30mm的比色皿，以水做参比，测定吸光度，扣除空白试验测得的吸光度后，校准曲线上查得六价铬含量。 赵凤霞、赵红霞3应用T6新世纪紫外分光光度计4法测定水中的六价铬，并测了六价铬标准样品加标回收标准曲线等，标准曲线的线性相关系数在0.9999以上，加标回收率在95%105%之间，标准样品的测定结果均在六价铬的标准值0.2870.317mg/L范围之间，测定结果令人满意，且方法简单，试剂用量少，操作简便，快速准确，灵敏度高，从而提高了工作效率。2、 对苯二酚和对苯醌与明胶蛋白质相互作用的紫外光谱分析 唐世华，黎幼群，陈维竹5用紫外吸收光谱技术研究了HQ与明胶之间的相互作用，运用LineweaveBurk双倒数法求得结合常数，由热力学方程推算得到分子间结合过程的热力学参数并由此推断出分子间作用的结合力类型。 为了研究对苯二酚和对苯醌与明胶蛋白质相互作用，所采用的实验方法是准确移取pH为7.30、浓度为4.0g.L-1的明胶溶液2 ml于1cm比色池中，用移液器逐次加入1.010-2mol.L的HQ溶液(pH=7.30)进行滴定(滴定累加体积小于40 ul)，在紫外一可见分光光度计上记录吸收光谱。 采用上述实验方法可以得出的结论为对pH=7.30条件下HQ与明胶相互作用的紫外光谱研究结果表明，随HQ浓度的增加，HQ-明胶体系的吸收强度增大，基于吸光度增强和HQ浓度的关系，求出了反应的结合常数和热力学参数。由热力学参数并结合HQ分子与明胶作用后的紫外二阶导数谱可以推断它们之间主要靠氢键力结合而形成复合物。3、 紫外光谱对红枣中酚类物质的测定分析 红枣是中国传统的药食两用食物之一，含有多种生物活性物质，其中的多糖、CAMP等活性成分已有较多研究6-9，但关于枣中酚类物质的研究相对较少。为了分析陕北红枣中酚类物质的组成与含量，选择9种常见的酚类化合物并建立了它们的紫外分光光度法，同时对红枣中的酚类物质进行了分析测定。红枣样品经过超声波法、索氏回流法、萃取法3种不同方法处理后，采用紫外分光光度法，在相应检测波长下对没食子酸等9种酚类物质的含量进行测定。结果表明：除没食子酸外，儿茶素等8种酚类化合物检测浓度在0.0020.010mg/mL范围内与吸光度线性关系良好，相关系数（r2）为0.99540.9998，以儿茶素为对照品的平均回收率为99.30%，相对标准偏差（RSD）为1.87%。儿茶素和表儿茶素占检测到的酚类物质总量的55%以上。该方法简单、准确，可用于红枣中酚类物质含量的测定。紫外分光光度法测定酚类化合物的含量原理是根据酚类化合物在190400nm的紫外区有特征吸收10，利用其吸收的强弱定量测定。张向前，陈宗礼等11通过试验用甲醇分别配制一定浓度的样品溶液和标准品溶液，然后在190400nm的紫外区进行光谱扫描，通过对样品溶液和标准品溶液的光谱扫描结果分析，以确定没食子酸等9种酚类物质的测定波长。采用超声波法、索氏回流法与萃取法提取陕北红枣样品中的酚类物质，尽管提取效率不同，但最终的测定结果均表明，烘干后的陕北红枣中含有原儿茶酸、没食子酸等9种酚类化合物，其中儿茶素和表儿茶素占检测到的酚类物质总量的55%以上，绿原酸在检测到的9种酚类化合物中含量最少12。4、 紫外光谱在有机污染化合物测定中的应用 首先，紫外分光光度计对综合指标的测定。由于我国水体中有机污染化合物的含量严重超标，且成分较为复杂，因此，在我国现有仪器装备等条件下， 很难对水体中所有有机物进行定量及定性分析。因此，测定综合指标 COD 仍为目前我国水体监测中最为重要的方法。采用国标法测定 COD 主要是将过量 K2CrO7 有机物进行回流，2 h 后对剩余 K2CrO7 进行回滴，并以回滴溶液量来对水样 COD 进行计算，此法耗时相当长。可以利用快速消解紫外分光光度计法对 COD 进行测定13，这样可以有效解决国标法耗时长、操作麻烦等问题，因此，已经在水质监测中得到了广泛的应用。 其次，对类别指标的测定。除了测定 COD 来对水体污染程度进行评价以外，有时还需要对类别有机污染物含量进行测定，例如石油、苯胺、挥发酚、硝基苯等种类，这些均可利用紫外分光光度计进行。5、测定紫外分光光度计在测定水中总氮含量的应用N、P是造成水体富营养化的重要因素，因此对水体中N是衡量水质指标的重要指标之一。测定水中总氮的方法原理14是在60以上水溶液中，过硫酸钾可分解产生硫酸氢钾和原子态氧, 硫酸氢钾在溶液中离解而产生氢离子, 故在氢氧化钠的碱性介质中可促使分解过程趋于完全。分解出的原子态氧在120-124条件下, 可使水样中含氮化物的氮元素转化为硝酸盐。并且在此过程中有机物同时被氧化分解。利用紫外分光光度法于 波长220 nm和275 nm处, 分别测出吸光度A220及A275，按照公式求出吸光度 A: A=A220-A275按A的值查校准曲线并计算总氮含量。测定水样中总氮的实验步骤如下：( 1 ) 用25mL比色管取样品10mL，用氢氧化钠溶液调节pH在5 9 。( 2 ) 加入5mL碱性过硫酸钾溶液, 塞紧磨口塞用布及绳等方法扎紧瓶塞, 以防弹出。( 3 ) 将比色管置于压力锅中, 加热时温度达120-124后开始计时, 保持此温度加热30 min。( 4 ) 冷却、开阀放气, 移去外盖, 取出比色管并冷至室温。( 5 ) 加 1 + 9 盐酸溶液1mL, 用无氨水稀释至25mL标线, 混匀。( 6 ) 移取部分溶液至1cm石英比色皿在紫外分光光度计上, 用无氨水(预处理分析步骤同上) 加 1 + 9 盐酸溶液作参比, 测定水样在220 nm和275 nm波长外的吸光度。 薛慧婷15应用紫外分光光度法测定水中的总氮, 并测定了总氮标准样品、加标回收率、标准曲线等，标准曲线的线性相关系数在0.9999以上, 加标回收率在95.0%105.0%之间, 标准样品的测定结果均在总氮的标准值1.2401.370mg/L范围之内, 测定结果令人满意，且方法简单，试剂用量少，操作简便，快速准确，灵敏度高，提高了工作效率。6、 紫外光谱使用中应注意的问题1、 紫外可见分光光度计检测指标的一些误区首先是紫外可见分光光度计的基线平直度和基线漂移概念。基线平直度主要与仪器的滤光片切换和光源切换有关。基线漂移是与时间有光的光度值的变化量，主要影响因素是电子学部分和周围的环境。再就是紫外可见分光光度计的线性动态范围，可以直接测定仪器的LDR，一般是配制不同浓度的标准溶液（以数量级递增），直接在仪器上测定不同的吸光度。分别求出偏离比尔定律1%时的最大吸光度Amax和最小吸光度Amin，然后二者相除就是仪器的LDR。2、 实际分析中A值偏离的问题 导致样品A值偏大或偏小的原因有以下几个：一是入射光不是纯的单色光导致；二是溶液的化学因素导致偏离，待测溶液产生离解、缔合等反应导致A发生变化，在实际实验过程中要注意化学预处理；三是朗伯比尔定律本身的局限性导致，只有在溶液浓度小于0.01mol/L的稀溶液中才成立。3、 实验过程中如何保护吸收池 一是拿取吸收池时，只能用手触摸两侧的毛玻璃，不可接触光学面，四面的则只能拿棱； 二是不能将光学面与硬物或者赃物接触，只能用擦镜纸清洁； 三是凡是腐蚀玻璃的待测溶液不得长时间盛放在吸收池内； 四是吸收池用完后用去离子水洗净，如果有有机污染物可以用3mol/L的HCl和等体积的乙醇混合溶液浸泡洗涤； 五是不得在电炉或者是火焰上烘烤吸收池。参考文献1 Li Minzan. Spectroscopy Analysis Technology and Application. Beijing. Science Press. 2006.8.2 黄量,于德贵. 紫外光谱在有机化学中的应用M. 北京. 科学出版社. 2006.3 赵凤霞,赵红霞. T6新世纪紫外分光光度计测定水中六价铬含量的应用J. 水利科技与经济. 2011. 11.17(11): 25-28.4 北京普析通用仪器有限公司. T6新世纪紫外可见分光光度计Z. 北京: 北京普析责任公司，2004.5 唐世华,黎幼群,陈维竹等. 对苯二酚和対苯醌与明胶蛋白质相互作用的紫外光谱分析J. 广西民族大学学报. 2010. 11. 16(4): 78-81.6 苗明三.大枣多糖对免疫抑制小鼠白细胞介素2及其受体水平的影响J.中国临床康复,2004,8(30):6692-6693.7 Li J W, Ding S D,