分光光度计

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1、分光光度计基本原理与结构许多化学物质具有颜色，有些无颜色的化合物也可以与显色剂作用，生成有色物质。实践证明，有色溶液的浓度越大，颜色越深；浓度越小，颜色越浅。因 此，可以通过比较溶液颜色深浅的方法来确定有色溶液的浓度，对溶液中所含的物 质进行定量分析。基于比较颜色深浅对溶液进行定量分析的方法称为比色分析法。溶液为什么会有颜色，颜色又为什么与浓度有关呢？下面就讨论这个问题。一、光的互补及有色物质的显色原理1光的波粒二象性光是能的一种表现形式，是电磁波的一种。光在真空中以直线方式传播，在 不同的介质处发生反射、折射、衍射、色散、干涉和偏振等现象。可用波长、频 率、传播速度等参量来描述，即光具有“波

2、动性”。光的颜色即由光的波长决定， 人眼能感觉到的光称为可见光，其波长在400750nrn之间。在可见光之外是红外 光和紫外光。同时，光也具有“粒子性”，光电效应就是一个很好的例子。光的粒子性理 论认为，光是由“光子”（或称“光量子”）所组成。在辐射能量时，光是以一份 一份的能量E的形式辐射的，同时光被吸收时，能量也是一份一份被吸收的。这每 一份能量的大小为hu。，光子的能量与波长的关系为E=hu= he / 入式中E为光子的能量（J：焦耳），u为频率，h为普朗克常数（6.63X10- 34J?S）, e为光速，入为光的波长。因此，不同波长的光，其能量不同，短波能 量大，长波能量小。2。光的显

3、色原理若把某两种颜色的光，按一定的强度比例混合，能够得到白色光，则这两种 颜色的光叫做互补色。图41中处于直线关系的两种光为互补色。如绿光和紫光 为互补色，黄光和蓝光为互补色等等。各种溶液会呈现出不同的颜色，其原因是溶液中有色质点(分子或离子)选 择性地吸收某种颜色的光。实验证明：溶液所呈现的颜色是其主要吸收光的互补 色。如一束白光通过高锰酸钾溶液时，绿光大部分被选择吸收，其它的光透过溶 液。从互补色示意图可以看出，透过光中只剩下紫色光，所以高锰酸钾溶液呈紫 色。图4-1二、朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律溶液颜色的深浅与浓度之间的关系可以用吸收定律来描述。它是由朗伯定律 和比尔定律

4、相结合而成的，所以叫朗伯-比尔定律。原子吸收分光光度计也符合这 个定律。1、溶液对光的吸收当一束强度为I的平行单色光照到溶液时，一部分光 被溶液吸收，一部分光被界面散射，其余的光则透过溶液，如图4-2所示图4-2有：10=1 a+ I r+ I t10入射光强度I a-吸收光强度 I r-反射光强度I t-透射光强度通常由于Ir很小可忽略不计，上式可简化为I0=I a+ I t透射光I t与入射光强度I0之比为透光率或透光度，用T表示：T= I t/ I a透光率的负对数称为吸光度或光密度或消光度，用A表示：A= lgT=lgl/T=lgI a/ I t吸光度越大，表示该物质对光的吸收越强。透

5、光度和吸光度都是用来表示入 射光被吸收的程度，它们之间可据式相互换算。实验证明，单色光经过有色溶液时，透过溶液的光强度不仅与溶液的浓度有 关，而且还与溶液的厚度以及溶液本身对光的吸收性能有关。其规律可用下式表示 为A=KCL式中：A （E） 吸光度（或叫做光密度，也可用D表示）；K某溶液的消光（吸收）系数；C溶液的浓度；L光程，即溶液的厚度。消光系数K是一个常数。一种有色溶液对于一定波长（单色光）的入射光的K 值具有一定的数值。若溶液的浓度以摩尔升表示，溶液厚度以厘米表示，则此 时的K值称为摩尔消光系数。摩尔消光系数是有色化合物的重要特性之一，根据这 个数值的大小，可以估计显色反应的灵敏程度。

6、从上式可以看出，当K和L不变时，光密度E与溶液浓度C成正比关系，也 可以说，当一束单色入射光经过有色溶液且入射光、消光系数和溶液厚度不变时， 吸光度 A 是随着溶液浓度而变化的。这种单色光与有色溶液的关系称为朗伯-比尔定律。光电比色计和分光光度计 的比色分析方法就是根据这一定律来进行的。但是，朗伯-比尔定律只适用于单色 光和低浓度的有色溶液。三、朗伯-比尔定律的应用1等吸光度法从朗伯-比耳定律可知，当用同一光源照射同一物质的不同浓度溶液时，若吸 光度相等，则两溶液各自的浓度和透光液层厚度的乘积也相等。利用此关系在可见 光区用眼作检测器（目视比色法），即可求出待测溶液的浓度。2计算法根据被测溶液

7、浓度的大致范围，先配制一已知浓度的标准溶液。用同样的方 法处理标准溶液与被测溶液，使其成色后，在同样的实验条件下用同一台仪器分别 测定它们的吸光度。在标准溶液中：As二KsCsLs在待测溶液中：Ax二KxCxLx如果测定时选用相同厚度的比色皿使L相等，并使用同一波长的单色光，保 持温度相同，则K也相等。将两式相除可得As/ Ax=Cs/Cx由此可见，在满足上述条件下，吸光度与溶液成正比。如果设计一种仪器， 可以测量吸光度A值，则待测溶液的浓度即可求出Cx=Ax/ As? Cs由于仪器的性能和实验环境在不断的变化，所以在采用计算法时，必须每次 都要对标准液和被测液进行测量，然后利用上式进行计算，

8、否则会带来较大的测量 误差。由于一般光电比色计在结构上有不少偏离朗伯一比耳定律的地方，故欲得到 较准确的结果，常采用标准曲线法。3标准曲线法这种方法分以下几步：（1）先配制五种以上标准浓度的溶液。(2) 测出每种溶液的吸光度A。(3) 做AC标准曲线图，如图4 3所示。有了标准工作曲线便可对溶液进行测量。在同样的条件下，用仪器测出A 后，查标准曲线即可得被测溶液的浓度值Cx。图4-3由于光电比色计工作在可见光区，只适合在有限个波长下测量，且波长的半 宽度大。因此，它不能满足不同分析工作的需要。其次，光电比色计的灵敏度也 低。为了克服以上不足，便发展了性能更好的分析方法：紫外一分光光度法。它利

9、用单色器分光，其单色光纯度高，波长范围宽，并可连续变化，解决了光电比色计 存在的问题。一、分光光度计基本原理和结构分子，包括双原子分子的光谱，要比原子光谱复杂得多。这是由于在分子 中，除了电子相对于原子核的运动外，还有核间相对位移引起的振动和转动。这三 种运动能量都是量子化的，并对应有一定的能级。分子的总能量可以认为是这三种 能量的总和，即E=E+E 振+ E 转当用频率为u的电磁波照射分子，而该分子的较高能级与较低能级之差/E 恰好等于该电磁波的能量hu时，即有/E二hu这里，h为普朗克常数。此时，在微观上出现分子由较低的能级跃迁到较高 的能级，在宏观上则表现为透射光的强度变小。若用一连续辐

10、射的电磁波照射分 子，将照射前后光强度的变化转变为电信号，并记录下来，就可以得到一张光强度 变化对波长的关系曲线图分子吸收光谱图。紫外-可见区的分子吸收光谱一般是谱带较宽的带状光谱，它是由于电子能 级跃迁而产生的光谱，因此又叫做电子光谱。分子吸收光谱与物质本身的结构有关，吸光度的大小与物质的含量有关，我 们利用吸收光谱的形状和吸收程度的大小即可对物质进行定性和定量的分析。这种 分析方法叫做分光光度法。二、分光光度计的基本结构与光电比色计相比，在结构上分光光度计用单色器代替了滤光片，其它部分 两者比较相似。（）单色器：单色器是指一个光学系统，它比滤光片能更有效地提供带宽 窄的单色光。单色器的主要

11、组件是玻璃棱镜、复合滤光片或光栅。来自光源的光 线，可直接通过单色器的狭缝，照到分光部件上。单色器的效率比普通滤光片高。 在紫外和可见光范围内，半宽度不超过lnm。1棱镜单色器从几何光学我们知道，当一束光从一种介质射到另一种介质时，在界面会发生折射和反射，如图4-3所示。设入射角为i,折射角为0,则其折射率n为：n = Sini/sinO不同的光学材料具有不同的折射率，这是众所周知的。即使使用同一种光学 材料，以相同的人射角照射，若波长不同，得到的折射角也不一样。透明物质的折 射率n和入射光波长的关系可以用下列经验式表示：n= A+B/入2 + C/入4+式中A、B、C的数值与物质的性质有关。

12、从式中可以看出，波长越长，折射 率越小。一束复合光进入棱镜，由于不同波长的光，其折射率不同，通过棱镜后， 复色光就按不同的波长分开来了，如图4-4所示。受光屏2 入3图44实验证明，棱镜的色散具有非线性，即谱线弯曲；不同波长区域色散效 果不同，红端色散差，紫端色散较好。虽然在实际应用中的棱镜单色器与图示的不 尽相同，然而它们的工作原理是一样的。2.光栅单色器衍射光栅也可用作单色器。衍射光栅是由一系列刻划在高光洁度反射表面上 沟纹组成的。沟纹排列异常密集，每英寸长度上有15000或30000条。将光栅放在 一平行光束里，光栅的一面被照亮，这一面可看作是块非常小的反射镜。从沟纹反 射镜反射出的光线相重叠，发生干涉，如图4-5所示。另一方面，如果在光线方 向上的沟纹条数是波长的整数倍时，光线就被沟纹分开，这种波就是同向的，射线 被反射。当它不是波长的整数倍时，光线被抵消，没有反射现象。改变光线照到光 栅上的角度，就可以改变反射光的波长。射线波长入与反射角0的关系，如下式：m 入二 2dsin0式中，d是沟纹之间的距离，0是光栅常数；m是干涉价数。当m=l时，为 一阶谱；m=2时，为二阶谱。光栅的分辨能力取决于它的mN值，N是光栅上总沟纹数或总条数。条数多 时，一阶谱的分辨力高。与棱镜相比，光栅的分辨能力更高些，并能用于所有谱段 范围，光栅的色散呈线性。