《环境仪器分析》第五章 紫外-可见吸收光谱法 2

1、2022/10/51第五章 紫外-可见吸收光谱法（UV-Vis）第三节 紫外-可见光谱仪器（Instrument of UV-Vis）第四节 定量分析Quantitative Analysis2022/10/52仪器 紫外-可见分光光度计Ultraviolet-Visible Spectrophotometer2022/10/53一、基本部件光源单色器样品室检测器显示器重要Light SourceMonochromatorSampleDetectorMonitor2022/10/541、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。常用的光

2、源有白炽光源和气体放电光源。 可见光区：白炽光源，如钨灯、卤钨灯，钨灯辐射波长范围在3202500 nm。 碘钨灯：波长范围340-1200 nm。无论钨灯或碘钨灯，在可见区发射的能量与工作电压4次方成正比，因此，预使光源稳定，必须由一个很好的稳定电源。 紫外区：气体放电光源，如氢、氘灯。适用的波长范围185400 nm的连续光谱。2022/10/55 2、单色器常用的单色器：棱镜和光栅 由于玻璃吸收紫外光，玻璃棱镜只能用于350 3200 nm的波长范围，即只能用于可见光域内； 石英棱镜可适用的波长范围较宽，可从185 4000 nm，即可用于紫外、可见、近红外三个光域。2022/10/56

3、 2、单色器（光栅）光栅是利用光的衍射与干涉作用制成的，它可用于紫外、可见及近红外光域，而且在整个波长区具有良好的、几乎均匀一致的分辨能力。优点：色散波长范围宽、分辨本领高、成本低、便于保存和易于制备等；缺点：各级光谱会重叠而产生干扰。2022/10/57 3、样品室样品室（吸收池，常用比色皿）紫外区：必须是石英池可见和近红外区：玻璃池或石英池2022/10/584、检测器（光电倍增管）mAR1R2R3R4R5R负电压光光敏阴极阳极电子倍增极电子倍 增极5、读数装置: 记录仪、数字显示器2022/10/59二、常用紫外-可见仪器类型 单光束紫外-可见分光光度计 双光束紫外-可见分光光度计 双波

4、长分光光度计2022/10/510二、常用紫外-可见仪器类型0.575光源单色器吸收池检测器显示单光束紫外-可见分光光度计重要特点：光源强度的波动和检测系统的不稳定可使之产生测量误差。适用于常规分析。2022/10/511差值A光源单色器吸收池检测器显示光束分裂器参比池双光束紫外-可见分光光度计重要特点：消除了光源和检测器不稳定对测量的影响。强度相等强度相等2022/10/512单光束和双光束分光光度计的局限性：都是单波长；不能用于浑浊试样的测定；难以准确测量吸收峰相互重叠的组分或背景很深的试样；由于样品池和参比池位置、性质的差异，样品溶液和参比溶液不一致，影响了测量的精度，使更微量组分的测定

5、受到限制。2022/10/513吸收池接收器1122双波长紫外-可见分光光度计切光器单色器单色器重要 由于两波长的光束通过同一吸收池，不用参比池与参比液，因而，没有吸收池差异和参比液选择不当引起的误差。2022/10/514 从同一光源发出的光被分为两束，两束光在通过试液前的强度是相等的，均为I0，通过试液后两束光的强度分别为I1和I2。对于波长1，试样的吸光度A1为：对于波长2，试样的吸光度A2为：双波长分光光度计优势：对于多组分混合物、混浊试样（如生物组织液）分析，以及存在背景干扰或共存组分吸收干扰的情况下，利用双波长分光光度法，往往能提高方法的灵敏度和选择性。利用双波长分光光度计，能获得

6、导数光谱。通过光学系统转换，使双波长分光光度计能很方便地转化为单波长工作方式。如果能在1和2处分别记录吸光度随时间变化的曲线，还能进行化学反应动力学研究。2022/10/5152022/10/516其中：b液层厚度(cm); c被测物质浓度（mol/L）； K 摩尔吸光系数(L/molcm)光吸收定律 郎伯-比尔定律第四节 定量分析2022/10/517第四节 定量分析1、 测量条件的选择2、反应条件的选择3、参比溶液的选择4、干扰及消除方法2022/10/518测量条件的选择（1）入射波长的选择：入射波长应该选择被测物质的最大吸收波长max，以得到最大灵敏度。（2）狭缝宽度：狭缝的宽度直接影

7、响到测定的灵敏度和标准曲线的线性范围，狭缝宽度增大，入射光的单色性能降低。一般来说，狭缝宽度大约是试样吸收峰半宽度的十分之一。2022/10/519测量条件的选择（3）合适的吸光度范围：若要求浓度测量的相对误差小于5%，则待测溶液的透射比应选在70% 10%范围内，吸光度为0.15 1.00范围内。2022/10/520显色反应：选用适当的试剂，与待测离 子或化合物反应生成对紫外或可见光有较大吸收的物质再行测定。显色剂：所选用能出现显色反应的试剂。常见的显色反应：配位反应、氧化还原反应、增加生色团的衍生化反应。反应条件的选择重要2022/10/521显色反应的条件（i）反应的生成物必须在紫外、

8、可见光区有较强的吸光能力，及摩尔吸光系数较大，反应有较高的选择性。（ii）反应生成物应当组成恒定、稳定性好，显色条件容易控制，保证测量结果具有良好的重现性。（iii）对照性要好，显色剂与有色配合物的max差别要60 nm以上。2022/10/522显色反应M + nR = MRnM：金属离子，R为显色剂，n为配合物的累积稳定常数2022/10/523（1）显色剂用量Mo(SCN)32+ Mo(SCN)5 Mo(SCN)6- 浅红橙红浅红对于有些显色反应，显色剂的量必须严格控制 实际工作中，显色剂的用量通过实验来确定，即在被测组分一定时，测量不同显色剂浓度下溶液的吸光度，在对应于吸光度恒定的显色

9、剂浓度区间确定显色剂的加入量。2022/10/524（2）溶液的pH-影响显色剂的浓度和颜色M + HR MR + H+ 酸度增加对显色反应不利；显色剂的离解常数Ka大，有利于显色反应。pH值范围 配合物组成 颜色 4 Fe(C7H4O3)+ 紫红色(1:1) 4 7 Fe(C7H4O3)2- 棕橙色(1:2) 8 10 Fe(C7H4O3)33- 黄色(1:3)2022/10/525（2）溶液的pH影响被测离子的存在状态 pH值增大会引起某些金属离子水解而形成各种型体的羟基配合物，甚至可能析出沉淀；或者由于生成的金属氢氧化物而破坏了有色配合物，使溶液的颜色完全退去。Fe(SCN)2+ + O

10、H- = Fe(OH)2+ + SCN-2022/10/526（3）pH值-影响配合物的形成 某些逐级配合物的显色反应，酸度不同，配合物的配合比不同，其色调也不同。因此，必须控制显色反应时溶液的酸度。 显色反应最适宜的酸度：在不同的酸度下测定同一溶液的吸光度，用pH值做横坐标，吸光度作纵坐标，绘制A pH关系曲线。曲线的平直部分（吸光度恒定）所对应的pH值区间就是做适宜的酸度范围。2022/10/527 显色时间、反应温度、溶剂、溶液中共存离子等，也会影响着待测物质的吸光度。（4）其他影响因素(p93)2022/10/5282、显色剂无机显色剂：硫氰酸盐（SCN-）、钼酸铵(NH4)2Mo2O

11、7）、过氧化氢（H2O2）等。 因为生成的配合物不够稳定，灵敏度和选择性也不够高，用于分析的无机显色剂种类并不多。2022/10/529 许多有机显色剂，可与金属离子生成极稳定的螯合物，而且具有特征的颜色，因此，选择性和灵敏度都较高。此外，不少螯合物溶于有机溶剂，可以进行萃取比色，这对进一步提高灵敏度和选择性很有利。 有机显色剂大都是含有生色团和助色团的化合物。一些含有不饱和键的基团，它们都能吸收大于200nm波长的光，称为生色团。有机显色剂：2022/10/530 简单的生色团由双键或叁键体系组成，如乙烯基、羰基（-C=O）、亚硝基（-N=O）、硝基、偶氮基NN、乙炔基、腈基C N、硫羰基（

12、-C=S）等。助色团： 有一些含有n电子的基团(如-OH、-OR、-NH2、-NHR、-X等。有机显色剂：2022/10/5313、常见显色剂 在pH 811的氨性溶液中，三价铁与磺基水杨酸生成稳定的黄色络合物，其反应式： Fe3+ + 3SSal2-=Fe(SSal)33-(1) 式中 SSal2-磺基水杨酸根离子，最大吸收波长420 nm，颜色强度与铁的含量成正比。磺基水杨酸测定Fe3+磺基水杨酸2022/10/532 Fe3+在不同的pH下可以与磺基水杨酸形成不同组成和颜色 的几种络合物。 在pH1.82.5的溶液中，形成红紫色的Fe(SSal)+； 在pH 48的溶液中，形成褐色的Fe

13、(SSal)2-； pH 811.5的氨性溶液中，形成黄色的Fe(SSal)33-； 若pH12，则不能形成络合物而生成氢氧化铁沉淀.2022/10/533丁二酮肟测定Ni 在氨溶液中，碘存在下，镍与丁二酮肟作用，形成组成比为1：4的酒红色可溶性络合物。于波长530nm处进行分光光度测定。丁二酮肟2022/10/534 在pH3 9的溶液中，邻二氮菲(1，10-邻二氮杂菲)与Fe2+能生成一种稳定的橙红色络合物，铁含量在0.1 6g/mL范围内符合比尔定律。由于Fe3+离子也能与邻二氮菲生成淡蓝色络合物，因此在加入显色剂前，应先用盐酸羟胺或抗坏血酸将Fe3+全部还原为Fe2+。有关反应如下：邻

14、二氮菲测定Fe2+2Fe3+ + 2NH2OHHCl=2Fe2+ + N2+2H2O + 4H+ + 2Cl-邻二氮菲2022/10/535 在pH 5.06.5的溶液中,铝离子(Al3+)与铬天菁S生成蓝色三元络合物,最大吸收波长为610 nm.铝含量在210 g/(50 mL)与吸光度呈良好的线性关系, 摩尔吸光系数= 9106 L/(moLcm). 铬天菁S测定Al3+铬天青S2022/10/5363、参比溶液的选择 测量试样的吸光度时，先要用参比溶液调节透射比为100%，以消除溶液中其他成分以及吸收池和溶剂对光的反射和吸收所带来的误差。（1）溶剂参比 当试样溶液的组成较为简单，共存的其

15、他组分很少且对测定波长的光几乎没有吸收时，可采用溶剂作为参比溶液，这样可消除溶剂、吸收池等因素的影响。例如：0.2M Na2SO4 溶解偶氮基NN染料（甲基橙），可以选择0.2 M Na2SO4作为溶剂参比。重要2022/10/537（2）试剂参比 如果显色剂或其他试剂在测定波长有吸收，按显色反应条件下，只是不加入试样，同样加入试剂和溶剂作为参比，可消除试剂中的组分产生吸收的影响。Fe2+ + 邻二氮菲 橙红色络合物参比：pH3 9的溶液，和邻二氮菲为参比溶液。2022/10/538（3）试样参比 如果试样基体在测定波长有吸收，而与显色剂不起显色反应时，可按与显色反应相同的条件处理试样，只是不

16、加显色剂。这种参比溶液适用于试样中有较多的共存组分，加入显色剂量不大，且显色剂在测定波长无吸收的情况。例如：在氨溶液中，碘存在下，镍与丁二酮肟作用，形成组成比为1：4的酒红色可溶性络合物。于波长530nm处进行分光光度测定。参比溶液：氨溶液+碘+镍溶液。2022/10/5394、干扰及消除存在的干扰： 干扰物质本身有颜色或与显色剂形成有色化合物，在测 定条件下有吸收； 在显色条件下，干扰物质水解，析出沉淀使溶液浑浊；与待测离子或显色剂形成更稳定的配合物，使显色反应 不能进行完全。2022/10/540消除方法：（1）控制酸度 根据配合物的稳定性不同，可以利用控制酸度的方法提高反应的选择性，以保

17、证主反应进行完全。 如：双硫腙能与Hg2+、Pb2+、Cu2+、Ni2+、Cd2+等十多种金属离子形成有色配合物，其中以Hg2+生成的配合物最稳定，在0.5mol/dm3 H2SO4介质中仍能定量进行，而上述其他离子在此条件下不发生反应。2022/10/541(2) 选择适当的掩蔽剂 选取的掩蔽剂不与待测离子作用，掩蔽剂以及它与干扰物质形成的配合物的颜色不干扰待测离子的测定。2022/10/542(3) 利用生成惰性配合物 例如钢铁中微量钴的测定，常用钴试剂为显色剂。但钴试剂不仅与Co2+有灵敏的反应，而且与Ni2+、Zn2+、Mn2+、Fe2+等都有反应。但它与Co2+在弱酸性介质中一旦完成

18、反应后，即使再用强酸酸化溶液，该配合物也不会分解。而Ni2+、Zn2+、Mn2+、Fe2+等与钴试剂形成的配合物在强酸介质中很快分解，从而消除了上述离子的干扰，提高了反应的选择性。钴试剂主要成分：-亚硝基-萘酚，1-亚硝基-2-萘酚，1-亚硝基萘酚。 （4）选择适当的测量波长如在K2Cr2O7存在下测定KMnO4时，不是选择max(525 nm),而是选择 = 545 nm.这样测定KMnO4溶液的吸光度，K2Cr2O7就不干扰了。（5）分离若上述方法不宜采用时，也可以采用预先分离的方法，如沉淀、萃取、离子交换、蒸发和蒸馏及色谱分离法（包括柱色谱、纸色谱、薄层色谱等）。2022/10/5432

19、022/10/544UV-Vis定量分析方法及其应用1、标准曲线法2、标准加入法2022/10/545标准曲线法b液层厚度(cm);c被测物质浓度（mol/L）；K摩尔吸光系数(L/molcm)2022/10/5462、校准曲线偏离朗伯-比尔定律的原因（1）非单色光引起的偏离 朗伯-比尔定律应用的前提条件之一是入射光为单色光，但紫外可见吸收光谱仪采用的是连续光源，经单色光分离后，仍然具有复合光的性质，因而可导致朗伯-比尔定律的偏离。2022/10/547设波长为12的单色光分别通过浓度为c的溶液，根据比尔定律，得知：当1和2组成的复合光通过溶液时，则有：2022/10/548假定1和2的入射光

20、强度一样，即I01 = I02, 令2-1=2022/10/549若0, 即2 0, 即2 1，随着C值增大，值减小，A3值逐渐增大，校准曲线向吸光度轴弯曲。A：0.15 1.002022/10/550（2）散射光引起的偏离 当被测试液是胶体溶液、乳浊液或悬浮物质时，入射光通过溶液后，除了一部分被试液吸收外，还有一部分因散射而损失，使透光率减少，实测吸光度增大，导致偏离朗伯-比尔定律。2022/10/551（3）化学因素引起的偏离 溶液中的吸光物质因离解、缔合、形成化合物或互变异构等化学变化而改变其浓度，因而导致偏离朗伯-比尔定律。2022/10/552标准对比法 在相同条件下测定试样溶液和某一浓度的标准溶液的吸光度Ax和As，有标准溶液的浓度Cs可计算出试样中被测物的浓度Cx。 As = KCs Ax = KCxCx = CsAx/As注意： Cs 与 Cx数量级大致相当2022/10/553（1）多组分物质的定量分析（只讨论2组分） 在某特定波长下测定 A总=A1+A2+A3+ 吸光度加和性 （1）吸收光谱互不重叠在1处测a组分，b组分不干扰Aa = K Cab在2处测b组分，a组分不干扰Ab = K