《紫外可见分光光度法基本原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《紫外可见分光光度法基本原理（19页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、紫外可见分光光度法基本原理透射比和吸光度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，吸收光强度为Ia，透射光强度为It，反射光强度为Ir，则在进行吸收光谱分析中，被测溶液和参比溶液是分别放在同样材料及厚度的两个吸收池中，让强度同为I0的单色光分别通过两个吸收池，用参比池调节仪器的零吸收点，再测量被测量溶液的透射光强度，所以反射光的影响可以从参比溶液中消除，则上式可简写为透射光强度 (It)与入射光强度 (I0)之比称为透射比(亦称透射率 )，用 T 表示，则有 : 溶液的 T 越大，表明它对光的吸收越弱；反之，T 越小，表明它对光的吸收越强。为了
2、更明确地表明溶液的吸光强弱与表达物理量的相应关系，常用吸光度(A) 表示物质对光的吸收程度，其定义为: 则 A 值越大，表明物质对光吸收越强。T 及 A 都是表示物质对光吸收程度的一种量度，透射比常以百分率表示，称为百分透射比，T；吸光度A 为一个无因次的量，两者可通过上式互相换算。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。当入射光波长一定时，溶液的吸光度A 是吸光物质的浓度C 及吸收介质厚度 l(吸收光程 )的函数。 朗伯和比耳分别于1760 年和 1852 年研究了这三者的定量关系。朗伯的结论是，当用
3、适当波长的单色光照射一固定浓度的均匀溶液时，A 与 l 成正比，其数学式为 : A = kl (此即称为朗伯定律，k为比例系数) 而比耳的结论是，当用适当波长的单色光照射一固定液层厚度的均匀溶液时，A 与 C 成正比，其数学表达式为: (此即称为比耳定律，k 称为比例系数) 合并上述 k 的数值取决于吸光物质的特性外，其单位及数值还与C 和 l 所采用的单位有关。l 通常采用cm 为单位，并用b 表示。所以k 的单位取决C 采用的单位。当 C 采用重量单位g/L 时，吸收定律表达为: (a 称为吸光系数，单位为) 当 C 采用摩尔浓度mol/L 时，吸收定律表达为: ( 称摩尔吸光系数，单位为
4、) 有时在化合物的组成不明的情况下，物质的摩尔质量不知道，因而物质的量浓度无法确定，就不能用摩尔吸光系数，而是采用比吸光系数，其意义是指质量分数为1的溶液， 用1cm 吸收池时的吸光度，这时吸光度为: (c 的质量百分浓度) 、a、三者的换算关系为：，(Mr 为吸收物质的摩尔质量) 在吸收定律的几种表达式中，在分析上是最常用的， 也是最常用的，有时吸收光谱的纵坐标也用 或 lg 表示，并以最大摩尔吸光系数表示物质的吸收强度。 是在特定波长及外界条件下，吸光质点的一个特征常数，数值上等于吸光物质的浓度为1 mol/L ，液层厚度为1cm 时溶液的吸光度。它是物质吸光能力的量度，可作为定性分析的参
5、考和估计定量分析的灵敏度。朗伯比耳定律朗伯比耳定律的推导如下：根据量子理论，光是由光子所组成，其它能量为。因此，吸收光的过程就是光子被吸光质点(如分子或离子 )的俘获，使吸光质点能量增加而处于激发状态，光子被俘获的几率取决于吸光质点的吸光截面积。如图1 所示，图 1 辐射吸收示意图如有一束强度为Io的单色平行光束，垂直通过一横截面积为S的均匀溶液介质。在吸收介质中，光的强度为Ix(Ix在光束通过介质的过程中，因光能量不断被吸收而逐渐变小)，当光束通过一个很薄的介质层db 后，光强减弱了dIx，则厚度为db 的吸收层对光的吸收率为量子理论表明，光束强度可以看作是单位时间内流过光子的总数，于是可以
6、看作是光束通过吸收介质是每个光子被吸光物质吸收的平均几率。另一方面， 由于液层厚度db 为无限小， 所以在这个小体积单元中，所以吸光质点所占的吸收截面积之和dS 与横截面积 S 之比也可看作为该截面上光子被吸收物质吸收的几率。因此就有：如果吸收介质中含有m 种不同的吸光质点，而且它们之间没有相互影响，设ai为第 I 种吸光质点对指定波长的吸收截面积，dni为第 I 种吸光质点在db 小体积单元之中的数目，则代入上式，则得到: 当光束通过液层厚度为b 时，对上式两边积分，得到: 根据吸光度的定义，截面积 S是均匀介质的体积V 与液层度 b 之比，即S=V/b ，代入上式，得到式中 NA为阿佛加德
7、罗常数。为第 I 种质点在均匀介质中的浓度Ci，当 V 的单位为L时， Ci为摩尔浓度。将0.4343NAai合并为常数，当Ci为摩尔浓度时，该常数i，则得到上式表明， 当一束平行单色光通过一个均匀吸收介质时，总吸光度等于吸收介质中各吸光物质吸光度之和， 即吸光度具有加和性，这是进行多组分光度分析的理论基础。当吸收介质中只含有单一种吸收物质时，上式简化为 朗伯比耳定律的常用表达式与测量仪器有关的因素图 2 分析谱带的选择从理论上来说，朗伯比耳定律上适用于单色光(即单一波长的光)，但是紫外可见分光光度计从光源发出的连续光经单色器分光，为了满足实际测量中需要有足够光强的要求，入射光狭缝必须有一定的
8、宽度。因此， 由出射光狭缝投射到被测溶液的光束，并不是理论要求的严格单色光，而是由一小段波长范围的复合光，由分子吸收光谱是一种带状光谱，吸光物质对不同波长光的吸收能力不同，在峰值位置，吸收能力最强， 最大，用表示，其他波长处 都变小， 因此当吸光物质吸收复合光时，表现吸光度要比理论吸光度偏低，因此导致比耳定律的负偏离。在所使用的波长范围内，吸光物质的吸光系数变化越大，这种偏离就越显著。例如，按图2 的吸收光谱，选择宽度作为入射光时，吸光系数变化较小，测量造成的偏离就比较小，若选择谱带的波长宽度作为入射光时，吸光系数的变化很大，测量造成的偏离也就很大。所以通常选择吸光物质的最大吸收波长(即吸收带
9、峰所对应的波长)作为分析的测量波长， 这样不仅保证有较高的测量灵敏度，而且此处的吸收曲线往往较为平坦，吸光系数变化比较小，比耳定律的偏离也比较小。对于比较尖锐的吸收带，在满足一定的灵敏度要求下，尽量避免用吸收峰的波长作为测量波长。投射被测溶液的光束单色性(即波长范围 )越差，引起的比耳偏离也越大，所以，在保证足够的光强前提下，采用窄的入射光狭缝，以减小谱带宽度，降低比耳定律的偏离。与样品溶液有关的因素 当吸收物质在溶液中的浓度较高时，由于吸收质点之间的平均距离缩小，邻近质点彼此的电荷分布会产生相互影响，以致于改变它们对特定辐射的吸收能力，即改变了吸光系数，导致比耳定律的偏离。通常只有当吸光物质
10、的浓度小于0.01 mol/L 的稀溶液中，吸收定律才成立。 推导吸收定律时，吸光度的加和性隐含着测定溶液中各组分之间没有相互作用的假设。但实际上， 随着浓度的增大，各组分之间甚至同组分的吸光质点之间的相互作用是不可避免的。例如，可以发生缔合、离解、光化学反应、互变异构及配合物配位数的变化等等，会使被测组分的吸收曲线发生明显的变化，吸收峰的位置、 强度及光谱精细结构都会有所不同，从而破坏了原来的吸光度与浓度之间的函数关系，导致比耳定律的偏离。 溶剂及介质条件对吸收光谱的影响十分重要。溶剂及介质条件(如 pH 值)经常会影响被测物理的性质和组成，影响生色团的吸收波长和吸收强度，也会导致吸收定律的
11、偏离。 当测定溶液有胶体、乳状液或悬浮物质存在时，入射光通过溶液时，有一不忿光会因散射而损失，造成“ 假吸收 ” ，使吸光度偏大，导致比耳定律得正偏离。质点的散射强度与照射光波长的四次方成反比，所以在紫外光区测量时，散射光的影响更大。此外， 吸收定律的偏离还与溶液的折射率有关，摩尔吸光系数 是真实摩尔吸光系数和溶液折射率的函数当稀溶液时， n 基本不变， 也基本不变，而当浓度高时，n变大， 变小，导致比耳定律的偏离。主要组成部件各种型号的紫外可见分光光度计，就其基本结构来说，都是由五个基本部分组成，即光源、单色器、吸收池、检测器及信号指示系统，如图3 。图 3 紫外 -可见分光光度计基本结构示
12、意图1. 光源（辐射源) 对光源的要求在仪器操作所需的光谱区域内能够发射连续辐射；应有足够的辐射强度及良好的稳定性；辐射能量随波长的变化应尽可能小；光源的使用寿命长，操作方便。 光源的种类分光光度计中常用的光源有热辐射光源和气体放电光源两类。前者用于可见光区，如钨灯、卤钨灯等，后者用于紫外光区，如氢灯和氘灯等。 钨 灯和碘钨灯可使用的波长范围为340-2500nm。这类光源的辐射能量与施加的外加电压有关，在可见光区，辐射的能量与工作电压的4 次方成正比，光电流也与灯丝电压的n次方 (n1)成正比。因此，使用时必须严格控制灯丝电压，必要时须配备稳压装置，以保证光源的稳定。 氢 灯和氘灯可使用的波
13、长范围为160-375nm，由于受石英窗吸收的限制，通常紫外光区波长的有效范围一般为200-375nm。灯内氢气压力为102Pa 时，用稳压电源供电，放电十分稳定， 光强度且恒定。 氘灯的灯管内充有氢同位素氘，其光谱分布与氢灯类似，但光强度比同功率的氢灯大3-5 倍，是紫外光区应用最广泛的一种光源。2. 单色器 单色器的作用单色器是能从光源的复合光中分出单色光的光学装置，其主要功能应该是能够产生光谱纯度高、色散率高且波长在紫外可见光区域内任意可调。单色器的性能直接影响入射光的单色性，从而也影响到测定的灵敏度、选择性及校准曲线的线性关系等。 单色器的组成单色器由入射狭缝、准光器(透镜或凹面反射镜
14、使入射光变成平行光)、色散元件、聚焦元件和出射狭缝等几个部分组成。其核心部分是色散元件，起分光作用。其他光学元件中狭缝在决定单色器性能上起着重要作用，狭缝宽度过大时，谱带宽度太大，入射光单色性差，狭缝宽度过小时，又会减弱光强。 色散元件的类型能起分光作用的色散元件主要是棱镜和光栅。 棱镜有玻璃和石英两种材料。它们的色散原理是依据不同波长的光通过棱镜时有不同的折射率而将不同波长分开。由于玻璃会吸收紫外光，所以玻璃棱镜只适用于350-3200nm的可见和近红外光区波长范围。石英棱镜适用的波长范围较宽，为185-4000nm，即可用于紫外、可见、红外三个光谱区域。 光栅是利用光的衍射和干涉作用制成的
15、。它可用于紫外、 可见和近红外光谱区域，而且在整个波长区域中具有良好的、几乎均匀一致的色散率，且具有适用波长范围宽、分辨本领高、成本低、便于保存和易于制作等优点，所以是目前用的最多的色散元件。其缺点是各级光谱会重叠而产生干扰。3 .吸收池吸收池用于盛放分析的试样溶液，让入射光束通过。吸收池一般有玻璃和石英两个材料做成，玻璃池只能用于可见光区，石英池可用于可见光区及紫外光区。吸收池的大小规格从几毫米到几厘米不等，最常用的是1 厘米的吸收池。 为减少光的反射损失，吸收池的光学面必须严格垂直于光束方向。在离精度分析测定中（尤其是紫外光区尤其重要），吸收池要挑选配对， 使它们的性能基本一致，因为吸收池
16、材料本身及光学面的光学特性、以及吸收池光程长度的精确性等对吸光度的测量结果都有直接影响。4. 光敏检测器 检测器的作用检测器是一种光电转换元件，是检测单色光通过溶液被吸收后透射光的强度，并把这种光信号转变为电信号的装置。 对检测器的要求检测器应在测量的光谱范围内具有高的灵敏度；对辐射能量的影响快、线性关系好、线性范围宽； 对不同波长的辐射响应性能相同且可靠；有好的稳定性和低的噪音水平等。 检测器的种类检测器有光电池、光电管和光电倍增管等。 光电池主要是硒电池，其灵敏度光区为310-800nm 其中以 500-600nm 最为灵敏，其特点是不必经放大就能产生，可直接推动微安表或检流计的光电流。但由于它容易出现“ 疲劳效应 ” 、寿命较短而只能用于低档的分光光度计中。 光电管光电管在紫外可见分光光度计上应用很广泛。它以一弯成半圆柱且内表面涂上一层光敏材料的镍片作为阴极，而置于圆柱形中心的一金属丝作为阳极，密封于高真空的玻璃或石英中构成的，当光照到阴极的光敏材料时，阴极发射出电子，被阳极收集
