第十章 吸光光度法

2020年4月21日4时18分 第十章吸光光度法 10 1物质对光的选择性吸收 10 2光吸收的基本定律 10 3吸光光度法的仪器 10 4吸光光度法分析条件的选择 10 5吸光光度法的应用 2020年4月21日4时18分 2020年4月21日4时18分 概述 吸光光度法 基于物质对光的选择性吸收而建立起来的一种分析方法 2020年4月21日4时18分 一 分类 2020年4月21日4时18分 二 特点 1 灵敏度高 1 10 3 10 5 10 6mol L 1 2 准确度高 相对误差约为2 5 3 操作简单 快速 4 应用广泛 5 可用于化学平衡等的研究 2020年4月21日4时18分 10 1物质对光的选择性吸收 波动性 衍射 折射 干涉 偏振等现象 c粒子性 光电效应 光是由大量的以光速运动的粒子组成 光子具有一定的能量 E h hc 一 光的基本性质 2020年4月21日4时18分 电磁波谱 2020年4月21日4时18分 红 橙 黄 绿 青 青蓝 蓝 紫 可见光区 2020年4月21日4时18分 当光通过透明的物质时 具有某种能量的光子被吸收 而另外能量的光子不被吸收 光子是否被物质吸收 既决定于光子的能量 又决定于物质的内部结构 二 物质对光的选择性吸收 1 物质对光选择性吸收的原因 2020年4月21日4时18分 仅当照射光的光子的能量与被照射物质粒子的基态和激发态的能级差相当时才能被光吸收 基态激发态E1E2 M h M M 热 M 荧光或磷光 分子结构的复杂性使其对不同波长光的吸收程度不同 2020年4月21日4时18分 光的互补性 红 橙 黄 绿 青 青蓝 蓝 紫 2 物质的颜色与光吸收的关系 2020年4月21日4时18分 物质颜色与吸收光颜色的互补关系 2020年4月21日4时18分 3 吸收曲线 是溶液对不同波长的光的吸收程度的形象化描述 分子结构的复杂性使其对不同波长光的吸收程度不同 2020年4月21日4时18分 电子能级间跃迁的同时总伴随有振动和转动能级间的跃迁 即电子光谱中总包含有振动能级和转动能级间跃迁产生的若干谱线而呈现宽谱带 2020年4月21日4时18分 吸收曲线的讨论 1 同一种物质对不同波长光的吸光度不同 吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长 max 2 对于不同物质 它们的吸收曲线形状和 max则不同 2020年4月21日4时18分 3 吸收曲线可以提供物质的结构信息 并作为物质定性分析的依据之一 4 不同浓度的同一种物质 在某一定波长下吸光度A有差异 在 max处吸光度A的差异最大 此特性可作为物质定量分析的依据 2020年4月21日4时18分 10 2光吸收的基本定律 一 朗伯 比耳定律 1729年波格建立了吸光度与吸收介质厚度之间的关系 1760年朗伯用数学方法表达了这一关系 1852年比耳确定了吸光度与溶液浓度及液层厚度之间的关系 2020年4月21日4时18分 1 朗伯比尔定律的推导 2020年4月21日4时18分 2020年4月21日4时18分 物理意义 当一平行单色光垂直通过某溶液时 溶液对光的吸收程度与吸光物质的浓度c及液层厚度b的乘积成正比 朗伯 比耳定律数学表达式 吸光度与液层厚度A b吸光度与物质浓度A cA cb 2020年4月21日4时18分 透光度T 描述入射光透过溶液的程度 2020年4月21日4时18分 2 吸收系数和桑德尔灵敏度 1 吸收系数 a与 的关系为 aM 2020年4月21日4时18分 的物理意义 当吸光物质的浓度为1mol L 1 溶液的液层厚度为1cm时 溶液对特征波长光的吸收程度 吸收物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数 与温度 波长及吸收物质本身的性质有关 与吸收物质浓度无关 摩尔吸收系数 的讨论 2020年4月21日4时18分 max表明了该吸收物质最大限度的吸光能力 也反映了光度法测定该物质可能达到的最大灵敏度 105 超高灵敏 6 10 104 高灵敏 104 103 中等灵敏 103 不灵敏 可作为定性鉴定的参数 2020年4月21日4时18分 当光度仪器的检测极限为A 0 001时 单位截面积光程内所能检出的吸光物质的最低质量 其单位为 g cm2 2 桑德尔灵敏度 2020年4月21日4时18分 S一般在0 01 0 001 g cm2之间 S灵敏度越小 该测定方法的灵敏度越高 2020年4月21日4时18分 例题 用邻二氮菲分光光度法测铁 已知c 500 g ml b 2cm 在508nm处测得透射比为0 645 计算a S 解 2020年4月21日4时18分 2020年4月21日4时18分 4 吸光度的加和性 3 标准曲线的绘制及其应用 2020年4月21日4时18分 二 引起偏离朗伯 比耳定律的因素 标准曲线法测定未知溶液的浓度时发现 标准曲线常发生弯曲 这种现象称为对朗伯 比耳定律的偏离 2020年4月21日4时18分 1 物理性因素即仪器的非理想引起的 1 单色光不纯引起的偏离 2020年4月21日4时18分 2020年4月21日4时18分 2020年4月21日4时18分 克服非单色光引起的偏离 应选择较好的单色器 选择最大吸收波长 灵敏度高 平坦 2020年4月21日4时18分 2 介质不均匀引起的偏差若溶液本身是胶体或浑浊液时 入射光通过溶液后 除一部分被吸收外 还有一部分因散射而损失 致使透光率减小 实测吸光度增大 造成偏离 曲线向上弯曲 2020年4月21日4时18分 3 非平行光引起的偏离若入射光不垂直通过吸收池 就使通过吸收池溶液的实际光程大于吸收池厚度 引起较小的影响 朗伯 比尔定律 当一平行单色光 垂直照射溶液时 溶液对光的吸收程度与吸光物质的浓度c及液层厚度b的乘积成正比 2020年4月21日4时18分 2 化学性因素 1 溶液浓度朗伯 比耳定律假设吸光质点是独立的 彼此间无相互影响 而在高浓度时 溶液中各种粒子可能产生相互的影响 发生变化 溶液的折光指数发生变化 仅在稀溶液 c 10 2mol L 1 时才基本符合 2 化学平衡溶液中存在着离解 聚合 互变异构 配合物的形成等化学平衡时 使吸光质点的浓度发生变化 2020年4月21日4时18分 例 CrO42 2H Cr2O72 H2O 350nm375nm等吸点可以消除平衡移动所带来影响 2020年4月21日4时18分 10 3吸光光度法的仪器 2020年4月21日4时18分 2020年4月21日4时18分 光源 单色器 样品室 检测器 1 光源在整个紫外光区或可见光谱区可以发射连续光谱 具有足够的辐射强度 较好的稳定性 较长的使用寿命 可见光区 碘钨灯作光源 辐射波长范围在320 2500nm 紫外区 氢 氘灯 发射185 375nm的连续光谱 一 分光光度计的基本部件 显示器 2020年4月21日4时18分 2020年4月21日4时18分 2 单色器 将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出一任意波长单色光的光学系统 2020年4月21日4时18分 滤光片一般由有色玻璃制成 半宽度 60nm 加胶滤光片 半宽度为30 40nm 干涉滤光片 半宽度10nm 可用于紫外光区 质量好的滤光片 其半宽度窄 透光好 滤光片的选择原则 滤光片最容易透过的光应该是溶液最容易吸收的光 即滤光片的颜色与溶液的颜色互补 2020年4月21日4时18分 棱镜根据光的折射原理 将复合光色散为不同波长的单色光 单色光的纯度决定于棱镜的色散率和出射狭缝的宽度 半宽度约为5 10nm 玻璃棱镜 360 3200nm 石英棱镜 200 4000nm 2020年4月21日4时18分 光栅是利用光的衍射和干涉原理而进行分光的 由一系列刻在玻璃或其它材料上 紧挨着的刻痕所组成 1500条 英寸 光栅正是利用不同波长的入射光产生干涉条纹的衍射角不同 长波长的衍射角大 短波长的衍射角小 将光色散开来 半宽度为0 1nm 2020年4月21日4时18分 3 吸收池 样品室放置各种类型的吸收池 比色皿 和相应的池架附件 吸收池主要用来盛放被测定的试液 在紫外区须采用石英池 可见区一般用玻璃池 0 5 2020年4月21日4时18分 4 检测系统 对测定波长范围内的光有快速 灵敏的响应 产生的光电流应与照射于检测器上的光强度成正比 1 硒光电池 100 200 A 流明 透过光的强度越大 产生的电流也越大 适用于300 800nm 500 600nm范围内最灵敏 2020年4月21日4时18分 2 光电管 40 60 A 流明 2020年4月21日4时18分 3 光电二极管阵列 电容器再次充电的电量与每个二极管检测到的光子数目成正比 而光子数又与光强成正比 通过测量整个波长范围内光强的变化就可得到吸收光谱 电容器充电 电容器放电 光照射 再次充电 测量周期 2020年4月21日4时18分 作用是将检测光电流的大小 并以一定的方式显示和记录下来 5 显示系统 2020年4月21日4时18分 2020年4月21日4时18分 步骤 1 调节仪器零点 T 0 2 将参比溶液通过光路 调节工作零点 A 0 3 将待测定溶液通过光路 读出吸光度值A 二 吸光度的测量原理 分光光度计检测到的是与透射光强度成正比的光电流 而不是吸光度 2020年4月21日4时18分 为什么要选择参比溶液 2020年4月21日4时18分 三 分光光度计的类型 1 单光束分光光度计 优点 结构简单 价格低廉 适宜做固定测定波长的定量分析 缺点 参比与试液不是同时测定 会由于光源和检测器的不稳定而引起测量误差 2020年4月21日4时18分 2 双光束分光光度计 避免了单光束的缺点 具有较高的测量精度和准确度 且方便快捷 实现了吸收光谱的自动扫描 2020年4月21日4时18分 3 双波长分光光度计 两束光交替照射 试液本身作参比溶液 2020年4月21日4时18分 10 4吸光光度法分析条件的选择 一 显色反应及其条件的选择 1 显色反应在光度分析中 一般是选适当的试剂 将待测离子转化为有色化合物进行测定 此反应称为显色反应 1 显色反应与显色剂 2020年4月21日4时18分 例如 钢中微量锰的测定 2Mn2 5S2O82 8H2O 2MnO4 10SO42 16H 在 525nm处进行测定 例如 水中微量铁的测定 Fe2 3phen Fe phen 32 在 508nm处进行测定 显色反应一般为氧化还原反应和络合反应 2020年4月21日4时18分 1 选择性好 显色剂只与一个或少数几个组分显色 干扰少 2 灵敏度高 一般要求 104 105 利于微量组分的测定 但要注意选择性 3 有色化合物的组成恒定 重现性好 条件易控制 4 反衬度大 60nm 5 反应条件易控制 显色反应的选择标准 2020年4月21日4时18分 2 显色剂 无机显色剂 硫氰酸盐 钼酸铵等 有机显色剂 种类繁多 灵敏度高 其摩尔吸光系数 104 金属螯合物稳定 专属性强 难溶于水 但可被萃取到有机溶剂中 2020年4月21日4时18分 偶氮类显色剂 性质稳定 显色反应灵敏度高 选择性好 对比度大 应用最广泛 偶氮胂III PAR等 三苯甲烷类 铬天青S 二甲酚橙等 2020年4月21日4时18分 二 显色反应条件的选择 1 显色剂用量吸光度A与显色剂用量cR的关系会出现如图所示的几种情况 选择曲线变化平坦处 2020年4月21日4时18分 2 反应体系的酸度 1 对金属离子的影响 2 对显色剂浓度和颜色的影响 3 对配合物组成和颜色的影响3 显色时间与温度实验确定4 溶剂 1 影响配合物的离解度 2 影响配合物的颜色 3 影响显色反应的速度 2020年4月21日4时18分 5 干扰离子的影响及消除影响主要表现在 干扰离子本身有颜色 与试剂生成有色配合物 与试剂形成无色配合物而消耗显色剂 与被测离子生成离解度小的化合物 常用消除干扰的方法 控制酸度利用掩蔽反应采用萃取光度法利用新的显色反应分离干扰离子 利用沉淀 蒸馏 离子交换 吸附萃取法选择适当的波长 2020年4月21日4时18分 二 吸光光度法的测量误差及测量条件的选择 1 仪器测量误差 2020年4月21日4时18分 一般 T 0 002 0 01 2020年4月21日4时18分 T 0 368 当T在0 15 0 70 A 0 15 0 80 相对误差 4 2020年4月21日4时18分 吸收最大 干扰最小 1 测量波长的选择 2 测量条件的选择 2020年4月21日4时18分 最佳读数范围 A 0 15 0 80 误差最小 Tmin 36 8 Amin 0 434 2 吸光度范围的选择 2020年4月21日4时18分 3 参比溶液的选择 纯溶剂 水 作参比溶液 试剂空白 参比溶液 试样空白 参比溶液 若显色剂 试液中其他组分在测量波长处有吸收 则可在试液中加入适当掩蔽剂将待测组分掩蔽后再加显色剂 作为参比溶液 2020年4月21日4时18分 10 5吸光光度法的应用 一 试样中微量组分的测定 1 单组分的测定标准比较法 2020年4月21日4时18分 标准曲线法 A 0 4475V 0 0093 V 0 58mL 2020年4月21日4时18分 2 多组分的同时测定 各组分的吸收曲线不重叠 2020年4月21日4时18分 各组分的吸收曲线互有重叠 2020年4月21日4时18分 二 试样中高含量组分的测定 示差法 设 待测溶液浓度为cx 标准溶液浓度为cs 则 Ax bcxAs bcsAr x s b cx cs b ccx cs c 采用浓度与试样含量接近的已知浓度的标准溶液作为参比溶液 2020年4月21日4时18分 示差法为什么能较准确地测定高浓度组分呢 普通光度法 cs Ts 10 cx Tx 5 示差法 cs Ts 100 cx Tr 50 透射比读数标尺扩大了十倍 读数落入适宜读数范围内 提高了测量的准确度 2020年4月21日4时18分 示差法的浓度相对误差 随着参比溶液浓度增加 即Ts减小 浓度相对误差减小 要求仪器光源