环境监测实验：紫外—可见吸收光谱分析

紫外-可见吸收光谱分析基本要求：了解紫外-可见吸光光度法的特点，光的基本性质，物质对光的选择性吸收，吸收曲线。掌握朗伯-比耳定律，以及运用朗伯-比耳定律定量分析的方法。掌握紫外-可见分光光度计的基本结构、工作原理，了解其主要部件的基本性质和工作原理。掌握测量条件的选择以及显色反应选择的方法。了解双光束分光光度法的原理和应用。了解双波长分光光度法的原理和应用。第一节第一节 概述概述 一、仪器分析方法分类（回顾）：电化学分析法光学分析法色谱分析法其它分析方法原子光谱法分子光谱法 X射线光谱法核磁波谱 紫外可见光光谱法荧光光谱法红外吸收光谱法拉曼光谱法 二、应用：1定量分析：有色物质 可见光区：340800nm 对紫外线有吸收的无色物质 紫外光区：200340nm 灵敏度ppm，精密度RSD:0.5%二、应用：2定性分析：提供某些分子的部分结构信息 例：苯的B带吸收（230270nm间出现7个 精细结构的峰）第二节第二节 吸收定律与光谱图吸收定律与光谱图一、朗伯一、朗伯比耳定律比耳定律吸光度(A)的定义 I0 It 当一束平行光平行光通过均匀均匀的溶液介质时，光的一部分被吸收，一部分被器皿反射。设入射光强度为I0，透射光强度为It。则吸光度(A)表示物质对光的吸收程度，其定义为:tIIA0lg一、朗伯一、朗伯-比耳定律比耳定律朗伯-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。n 当C采用重量单位时，吸收定律表达为:A=abc 式中：a：吸光系数，L/g*cm b：光程，cm c：浓度，g/L 可知：A与c呈线形关系，为定量分析的理论依据 bc一、朗伯一、朗伯比耳定律比耳定律2.当C采用摩尔浓度时，吸收定律表达为:A=bc :摩尔吸光系数，L/molcm c:摩尔浓度，mol/L 一、朗伯一、朗伯比耳定律比耳定律透光率（T）I0 It 定义为：则：应用：仪器的调整应用：仪器的调整 T（%）：0 100 （全吸收）（全吸收）（无吸收）（无吸收）A：00IITtTA1lg二、紫外二、紫外-可见吸收光谱图可见吸收光谱图n定义：固定试样浓度和吸收池厚度，以吸收度（或透光率）对波长所作的曲线。例 0.001molL-1高锰酸钾、重铬酸钾光谱图。扫描-胡罗卜素胡罗卜素咖啡因咖啡因阿斯匹林阿斯匹林丙酮丙酮几种有机化合物的几种有机化合物的吸收光谱图。吸收光谱图。（动画动画）浓度与吸收曲线紫外紫外-可见吸收光谱图的应用可见吸收光谱图的应用 定量：一般总有一最大吸收峰，其对应波长称为最大吸收波长（max）,往往以max作为定量分析时的单色光波长，可最大限度地提高灵敏度。简单定性，回答“是不是”的问题。第三节第三节 紫外紫外-可见光分光光度计可见光分光光度计 一、分类一、分类单光束分光光度计单光束分光光度计双光束分光光度计双光束分光光度计 单波长分光光度计单波长分光光度计 双波长分光光度计双波长分光光度计可见光分光光度计可见光分光光度计 紫外紫外-可见光分光光度计可见光分光光度计二、基本光路图三、主要部件（以单光束分光光度计为例）光源单色器样品室检测器显示三、主要部件（以单光束分光光度计为例）1.光源：提供稳定的复合光 可见光区：钨灯、碘钨灯。其辐射波长范围在3202500 nm。紫外区：氢灯、氘灯。发射185400 nm的连续光谱。三、主要部件（以单光束分光光度计为例）2.单色器 作用：从光源的复合光中分离出所需单色光。组成：由色散元件和狭缝组成。光源单色器样品室检测器显示三、主要部件（以单光束分光光度计为例）2.单色器 色散元件 作用：将复合光分解成连续单色光。nA.棱镜（靠折射作用分光）可以得到波长非均匀分布 的连续光谱，光强损失较大。400nm800nm三、主要部件（以单光束分光光度计为例）棱镜棱镜（Prism）：棱镜的色散作用是基于构成棱镜的光学材料对不棱镜的色散作用是基于构成棱镜的光学材料对不同波长的光具有不同的折射率。同波长的光具有不同的折射率。波长大的折射率小，波长大的折射率小，波长小的折射率大。波长小的折射率大。Cornu棱镜棱镜 b Littrow棱镜棱镜nB.光栅（靠衍射作用分光）提供波长均匀分布的连续光谱，可用于吸收光谱的自动扫描。400nm 600nm 700nm 800nm 500nm 三、主要部件（以单光束分光光度计为例）A AB BC CD Dd d P P0 0距离距离相对强度相对强度P P1 112光栅光栅例：7530型紫外可见光分光光度计。步进马达带动光栅，得到匀速变化的单色光。光栅制作：机刻 6002880条/mm复制光栅（照相，化学腐蚀）三、主要部件（以单光束分光光度计为例）2.单色器 狭缝 由锐边金属片组成nA.入射狭缝：位于光源与色散元件之间。作用：是限制杂散光进入色散元件。nB.出口狭缝：位于色散元件与吸收池之间。作用：把额定波长单色光分离出单色器。光源样品室检测器显示三、主要部件（以单光束分光光度计为例）2.单色器 狭缝 n狭缝宽度可调 定性分析时，窄一点，单色光纯，但光强弱。定量分析时，宽一点，灵敏度高。例：7530型分光光度计 0.2nm，1.0nm，2.0nm三、主要部件（以单光束分光光度计为例）3.吸收池（也可称为比色皿、样品池）作用：盛放试液。材料 A.普通光学玻璃：用于可见光区，因为 它吸收紫外光。B.石英玻璃：用于紫外光区，亦可用于 可见光区。三、主要部件（以单光束分光光度计为例）3.吸收池（也可称为比色皿、样品池）宽度：0.5cm，1cm，2cm 使用注意事项 固定使用同一比色皿，因为每个比色皿的壁厚、光程、吸光特性等不尽相同。三、主要部件（以单光束分光光度计为例）4.检测器 一类光电转换元件。常用类型有：光电池 光电管 光电倍增管三、主要部件（以单光束分光光度计为例）4.检测器 光电池 SeFe(Cu)h 玻璃玻璃Ag(Au)透明膜透明膜-收集极收集极塑塑料料-对对500600nm光灵敏，用于可见光区。光灵敏，用于可见光区。容易产生疲劳效应，便易。容易产生疲劳效应，便易。72G型光电比色计。型光电比色计。三、主要部件（以单光束分光光度计为例）4.检测器 光电管90V DC直流放大直流放大阴极阴极R-+光束光束e阳极丝（阳极丝（Ni）抽真空抽真空灵敏度比光电池大例：721型可见光分光光度计三、主要部件（以单光束分光光度计为例）4.检测器 光电倍增管1个光子产生个光子产生106107个电子个电子石英套石英套光束光束栅极，栅极，Grill阳极阳极屏蔽屏蔽对光特别敏感，灵敏度比光电管高200倍。对供电量要求高，需要达到0.010.05%的稳定性。一种新型检测器：一种新型检测器：光电二极管阵列，光电二极管阵列，PDASiO2窗窗p 型硅型硅n 型硅基型硅基pnpnpnpnpnpn0.025mm2.5mm侧视侧视(cross section)顶视顶视(top view)光束光束512个个 1024个个三、主要部件（以单光束分光光度计为例）5.显示器 将检测器产生的光电流用直观的形式显示出来。n例：72G型 722型 7530型 电表指针显示 数字形式显示 屏幕形式显示第四节第四节 测试条件测试条件一、分析波长一、分析波长1.一般情况下，选max作分析波长，以便 获得最高的灵敏度。2.对于高浓度样品，为保证足够的工作直线 的线形范围，可选用灵敏度较低的吸收 峰波长。3.max受到其它波峰干扰时，可选用别的 吸收峰波长。二、出口狭缝宽度二、出口狭缝宽度n最佳宽度的选择方法：在A不减小时的最大狭缝宽度。（因为，在一定宽度范围内，A不变；过大时，由于干扰谱带或非吸收光出现在光谱通带内，A减小。）三、合适的吸收度范围三、合适的吸收度范围n根据吸收定律，A=0.4343时，吸收度测试量误差最小。实际工作中，将试样吸收度控制在0.20.8之间。n控制方法：选择合适的比色皿宽度，稀释待测样等。第五节第五节 试样体系条件的选择试样体系条件的选择一、酸碱度npH会影响显色剂的解离，被测离子的水解等，所以，要选择最佳酸度，并用缓冲液来控制。ApH选择最佳pH值方法：固定试液浓度，改变pH值测A，做A-pH图，找出对A影响最小的pH值范围。二、显色剂浓度n最佳浓度选择：作A-C显色剂图，找出对A影响最小的浓度范围。AC显色剂显色剂三、显色时间n试液颜色常随时间而变化。1.找到对颜色变化影响最小的时间段。2.每个试液都要有相同的显色时间。A t四、温度n温度能影响显色反应的速度，影响颜色的稳定性。据此可以找到最佳的温度。n有些显色反应受温度影响较大，这时候，要控制恒定的温度。第六节第六节 定量分析法定量分析法一、单组分的定量分析一、单组分的定量分析（测定样品中某一种成分的含量）1.工作曲线法 （适用组成较简单的、批量的样品）依据：A-C呈线性关系，作A-C曲线。配制一系列待测成分的标准溶液 C1 C2 C3 C4 C5测出相应的吸光度 A1 A2 A3 A4 A5建立工作直线（AC）作图法 回归法测量待测样品，得A样 从工作直线上找到待测成分的浓度C样 由回归方程计算出C样ACA=bc ，斜率 ，灵敏度2.增量法增量法（适用于组成较复杂的样品）取若干份等体积待测液。加入与待测液等体积的一系列标准溶液。作A-C标曲线，此线与C标轴交点即为C样。C0=0（试剂空白）等体积标液等体积待测液C0C3C2C1C4理论依据：A=bc=b(C样+C标)当A=0时，C样=-C标方法特点方法特点：适用于组成较复杂的样品，对于 批量样品较麻烦。AC标0（C0）-C样二、二、多组分同时测定多组分同时测定 （同时测定一个样品中的几个组分）（1）n个波长处分别测定样品的吸光度。（假设测定n个组分，一般选择各个组分的max）（2）根据吸光度的加和性建立n个方程，解联立方程，可得n个组分的浓度。原理：吸光度加和性例：同时测某样品中二个组分 分别在1、2处测样品的吸光度A1、A2。（设定光程b=1cm）1:A1=11C1+12C2 2:A2=21C1+22C2 ij：波长i处，j组分的摩尔吸光系数。文献，也可通过纯组分的工作直线的斜率求得。文献，也可通过纯组分的工作直线的斜率求得。例：同时测某样品中三个组分 分别在1、2、3处测样品的吸光度A1、A2、A3。（设定光程b=1cm）1:A1=11C1+12C2+13C3 2:A2=21C1+22C2+23C3 3:A3=31C1+32C2+33C3第七节第七节 双光束分光光度计的应用双光束分光光度计的应用 应用：能克服光源不稳定造成的误差 一、光路图一、光路图 I0I0I0I1I2样品 参比 切光器 二、工作原理二、工作原理 参比：样品：则：101lgIIA 202lgIIA 21102012lglglgIIIIIIAAA112AbcAAA 作A-C工作直线，定量。由于A与I0无关，所以，能够克服I0不稳定所造成的误差。第八节第八节 双波长分光光度计的应用双波长分光光度计的应用 特点：能消除共存干扰组分的影响；能消除浑浊试样的干扰；能用于高浓度试样的测量。属于背景吸收一、光路图一、光路图 结构特点：二个单色器.显示器切光器（使光束交替通过）二、工作原理二、工作原理 1：A1=1bc+As1 （As1：1处的背景吸收）2：A2=2bc+As2 （As2：2处的背景吸收）如果As1=As2则 A=A2-A1=2bc-1bc+As2-As1=（2-1）bcA与c呈线性关系，可定量。.显示器12三、选择三、选择1和和2（目的是为了使1和2下背景吸收As1和As2相等。）x（干扰组分）Ay211.已知干扰组分已知干扰组分 注意波长的选择原则注意波长的选择原则A=A2-A1=(2bc+As2)-(1bc+As1)=(2-1)bc21AyxA21yxy2、未知干扰组分、未知干扰组分 选择两波长十分接近但A差值较大的1和2。（1和2十分靠近，可以认为As1和As2相等；A尽可能大，可提供较高的灵敏度。）光谱分析参考书光谱分析参考书(1)(1)光谱导论光谱导论石油大学出版社石油大学出版社 1992，李新安等译；，李新安等译；(2)(2)紫外紫外可见光分光光度法可见光分光光度法，陈国珍，陈国珍 思考题及习题一、概念 紫外-可见光吸收光谱图 二、思考题n什么是紫外-可见光吸收光谱图？从中可以得到哪些有用的信息？n画出紫外-可见光分光光度计的光路图，并说明其主要部件和功能。n棱镜和光栅的分光原理及分光效果有哪些不同？n比色皿（或吸收池）有哪些不同的材料，在使用上有何不同，为什么？在定量分析中使用比色皿应当注意哪些事项，为什么？n试述紫外-可见光分光光度分析中，如何选择测试条件（分析波长、出口狭缝宽度、吸光度范围）？n试述紫外-可见光分光光度分析中，如何确定试样体系的条件（酸碱度、显色剂浓度、显色时间、温度）？n试述吸收光谱分析中工作直线法的基本测量步骤。并回答与增量法在应用上有何不同？n试述吸收光谱分析中增量法的基本测量步骤。并回答与工作直线法在应用上有何不同？n某两个化合物x和y的吸收曲线如下图。试说明用双波长光度法定量分析x时，为消除y的干扰，如何选择两个波长点（标注于下）。并用公式推证如何消除y的干扰。A xy n可见光分光光度分析通常选用哪个波长作分析波长？为什么？n画出双光束分光光度计的光路图，并说明该种仪器为什么能消除光源带来的误差（用公式推证）。