第三章 紫外及可见吸收光谱法-1

1、1第三章第三章 紫外及可见吸收光谱法紫外及可见吸收光谱法Ultraviolet and Visible UV-Vis Spectrophotometry 2Spectrophotometry - any technique that uses light to measure chemical concentrations.The most cited article in Analytical Chemistry from 1945 to 1999 describes a colorimetric method for measuring sugar.3I0It光强的光强的测量测量分光分光光

2、度计光度计分光光度法分光光度法的应用：的应用：定定量测定与定量测定与定性分析性分析物质对光有选择性物质对光有选择性吸收吸收 准备知识准备知识 光强的减弱与物光强的减弱与物质浓度的关系？质浓度的关系？朗伯朗伯-比尔定律比尔定律测量光强测量光强度的减弱度的减弱4方法特点方法特点: : 用于无机物和有机物的定量分析，也可进行有机用于无机物和有机物的定量分析，也可进行有机物的定性及结构分析物的定性及结构分析 较高的灵敏度（较高的灵敏度（10-410-7gmL-1）和较高准确度）和较高准确度 仪器操作简单快速仪器操作简单快速 5 本章讨论内容本章讨论内容 讨论光的吸收定律，主要介绍紫外及可见讨论光的吸收

3、定律，主要介绍紫外及可见吸收法的应用，扼要介绍紫外及可见分光光度吸收法的应用，扼要介绍紫外及可见分光光度计和实验技术计和实验技术 63-1 3-1 电磁辐射的选择吸收电磁辐射的选择吸收一、物质的颜色一、物质的颜色当光照射到物体上，光与物质发生相互作用，产生当光照射到物体上，光与物质发生相互作用，产生反射、散射、吸收或透射，对于均匀物体，光的散射可反射、散射、吸收或透射，对于均匀物体，光的散射可忽略忽略一束光通过某一有色溶液，一些波长的光被溶液吸一束光通过某一有色溶液，一些波长的光被溶液吸收，另一些波长的光则透过透过光或反射光刺激人眼收，另一些波长的光则透过透过光或反射光刺激人眼而使人感觉到颜色

4、存在而使人感觉到颜色存在7 可见光：可见光：400750nm 溶液的颜色由透射光波长决定溶液的颜色由透射光波长决定 物质呈现的颜色是物质对不同波长的光选择性吸物质呈现的颜色是物质对不同波长的光选择性吸收的结果如收的结果如CuSO4溶液，吸收白光溶液，吸收白光(复合光复合光)中中的黄光而呈蓝色的黄光而呈蓝色8单色光、复合光、光的互补单色光、复合光、光的互补蓝蓝黄黄紫红紫红绿绿紫紫黄绿黄绿绿蓝绿蓝橙橙红红蓝绿蓝绿9物质颜色与吸收光颜色的互补关系物质颜色与吸收光颜色的互补关系 吸收光吸收光 物质颜色物质颜色 颜色波长颜色波长/nm黄绿紫黄绿紫 400450黄蓝黄蓝 450480橙绿蓝橙绿蓝 4804

5、90红蓝绿红蓝绿 490500紫红绿紫红绿 500560 紫黄绿紫黄绿 560580蓝黄蓝黄 580600绿蓝橙绿蓝橙 600650蓝绿红蓝绿红 6507801011物质对光的吸收物质对光的吸收物质的颜色与光的关系物质的颜色与光的关系完全吸收完全吸收完全透过完全透过吸收黄色光吸收黄色光光谱示意光谱示意表观现象示意表观现象示意12分子吸收光谱的产生分子吸收光谱的产生 在分子中，除了电子相对于原子核的运动外，还有核间在分子中，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，并对应有一定能级。下图为分子的能

6、级示意图。的，并对应有一定能级。下图为分子的能级示意图。 电子能级振动能级转动能级BA分子中电子能级、振动能级和转动能级示意图分子中电子能级、振动能级和转动能级示意图13 图中图中A和和B表示不同能量的电子能级。在每一电子能表示不同能量的电子能级。在每一电子能级上有许多间距较小的振动能级，在每一振动能级上又级上有许多间距较小的振动能级，在每一振动能级上又有许多更小的转动能级。有许多更小的转动能级。 若用若用E电子电子、 E振动振动、 E转动转动分别表示电子能级、分别表示电子能级、振动能级转动能级差，即有振动能级转动能级差，即有E电子电子 E振动振动 E转动转动分子的总能量可以认为是这三种能量的

7、总和：分子的总能量可以认为是这三种能量的总和： E分子分子 = E电子电子 + E振动振动 + E转动转动14 处在同一电子能级的分子，可能因其振动能处在同一电子能级的分子，可能因其振动能量不同，而处在不同的振动能级上。当分子处在量不同，而处在不同的振动能级上。当分子处在同一电子能级和同一振动能级时，它的能量还会同一电子能级和同一振动能级时，它的能量还会因转动能量不同，而处在不同的转动能级上。所因转动能量不同，而处在不同的转动能级上。所以分子的总能量可以认为是这三种能量的总和：以分子的总能量可以认为是这三种能量的总和： E分子分子 = E电子电子 + E振动振动 + E转动转动15二、吸收的本

8、质选择性二、吸收的本质选择性 当入射光子的能量等于吸光物质的基态和激发态能量之差当入射光子的能量等于吸光物质的基态和激发态能量之差时才会被吸收时才会被吸收 由于物质的分子（或离子）只有有限数目的量子化能级，由于物质的分子（或离子）只有有限数目的量子化能级，所以物质对辐射的吸收是有选择性的所以物质对辐射的吸收是有选择性的 被激发的粒子在被激发的粒子在10-8s后又回到基态，并以热的形式或荧光后又回到基态，并以热的形式或荧光等形式释放能量等形式释放能量 与光子碰撞发生能量转移与光子碰撞发生能量转移 M + hv M* 基态基态 激发态激发态 16物质对光的吸收物质对光的吸收h S2S1S0S3E2

9、E0E1E3h h h hchEEE0202EEh17电子的多重态：电子的多重态：h +单重态单重态（自旋配对）（自旋配对）电子跃迁电子跃迁激发单重态激发单重态（自旋（自旋 配对配对）电子跃迁电子跃迁 和和自旋翻转自旋翻转h +单重态单重态（自旋配对）（自旋配对）三重态三重态（自旋（自旋 平行平行）18吸收光谱吸收光谱 Absorption SpectrumS2S1S0S3h E2E0E1E3S2S1S0h A h h h 分子内电子跃迁分子内电子跃迁带状光谱带状光谱 A19 Jablonski diagramT1h Ah AAbsorption10-15 sVibrational relax

10、, VR, 10-1210-14 sInternal conversion, IC, 10-1110-13 sIntersystem crossing, ISC, 10-210-6 sFluorescencePhosphorescence ICISCS0S1S23 2 1 010-8 s10-3 100 sh Fh P20例：例： A 物质物质B 物质物质102.5 evEEEhcA191034106 . 1)(5 . 21031062. 6ev)(10774. 45cm477.4 nm102.0 evEEEhcB620.6 nm同理，得：同理，得：1 ev = 1.6 10-19 J.21三

11、、吸收曲线三、吸收曲线.定义：定义： 将不同波长的光透过某一固定浓度和厚度的有色溶将不同波长的光透过某一固定浓度和厚度的有色溶液，测量每一波长下对光吸收程度，以波长为横坐标，液，测量每一波长下对光吸收程度，以波长为横坐标，吸光度为纵坐标作图，这种图谱称为该物质的吸收曲吸光度为纵坐标作图，这种图谱称为该物质的吸收曲线描述了物质对不同波长光的吸收能力线描述了物质对不同波长光的吸收能力22. . 特征特征 不同浓度的同一物质，在吸收峰附近，吸光度随浓度增加不同浓度的同一物质，在吸收峰附近，吸光度随浓度增加而增大，但最大吸收波长不变而增大，但最大吸收波长不变 在最大吸收波长处测定，灵敏度最高在最大吸收

12、波长处测定，灵敏度最高 吸收曲线是光度法中选择测定波长的重要依据吸收曲线是光度法中选择测定波长的重要依据 KMnO4溶液的最大吸收波长为溶液的最大吸收波长为525nm, 吸收黄绿色的光，吸收黄绿色的光，呈现紫红色呈现紫红色23定性分析与定量分析的基础定性分析与定量分析的基础ABA )(maxA)(maxB在一定的实验条件在一定的实验条件下，物质对光的吸收与下，物质对光的吸收与物质的浓度成正比物质的浓度成正比A C增增大大物质对光的选择吸收物质对光的选择吸收243-2 3-2 光的吸收定律光的吸收定律一、朗伯一、朗伯- -比尔定律比尔定律251. 朗朗伯伯定律定律（Lamberts Law）：）

13、：1729 Bougure, 1760 Lambert通过实验发现电磁能被物通过实验发现电磁能被物质吸收时，透过能量呈指数减少。质吸收时，透过能量呈指数减少。假定一辐射能通过光路后被吸收假定一辐射能通过光路后被吸收25%，再通过下一个光路，再通过下一个光路时被吸收时被吸收0.7525%，剩，剩56.25%，依次类推，依次类推，-dI/I=KdbbKeII026T 称为透光率称为透光率入射光入射光 I0透射光透射光 It010kbtITITransmittanceT 取值为取值为 0.0 % 100.0 %全部吸收全部吸收T = 0.0 %全部透射全部透射T = 100.0 %0lglgtITk

14、bI 272.2. 比尔定律比尔定律(Beers Law):(Beers Law):1852 Beer and Bermard发现类似定律，发现类似定律，T 和吸光物质的浓度有关：和吸光物质的浓度有关：010k ctITI0lglgtITk cI 光的吸收与溶液中吸光物质的浓度有关光的吸收与溶液中吸光物质的浓度有关朗伯定律中的比例常数与吸光物质的浓度成正比朗伯定律中的比例常数与吸光物质的浓度成正比bcKeII 0283.3.朗伯朗伯- -比尔定律比尔定律光吸收定律朗伯光吸收定律朗伯-比尔比尔(Lambert-Beer)定律定律吸光光度法的理论依据，研究光吸收的最基本定律吸光光度法的理论依据，研

15、究光吸收的最基本定律I0 = Ir + It + IaI0 = It + IaI0IrItIa T = It / I0 , T: 透射比或透光度透射比或透光度 A=lg (I0 / It )lg(1/T), A:吸光度吸光度朗伯定律（朗伯定律（1760年）：光吸收与溶液层厚度成正比年）：光吸收与溶液层厚度成正比比尔定律（比尔定律（1852年）：光吸收与溶液浓度成正比年）：光吸收与溶液浓度成正比29 当一束平行单色光垂直照射到样品溶液时，溶当一束平行单色光垂直照射到样品溶液时，溶液的吸光度与溶液的浓度及光程（溶液的厚度）成液的吸光度与溶液的浓度及光程（溶液的厚度）成正比关系朗伯比尔定律正比关系朗

16、伯比尔定律 光吸收定律光吸收定律 数学表达：数学表达：Alg(1/T)=Kbc其中，其中，A:吸光度，吸光度，T:透射比，透射比， K:比例常数，比例常数，b:溶液厚度，溶液厚度，c:溶液浓度溶液浓度注意：注意： 平行单色光平行单色光 均相介质均相介质 无发射、散射或光化学反应无发射、散射或光化学反应K：比例常数，与物质的性质、入射光波长等有关。：比例常数，与物质的性质、入射光波长等有关。各种类型的电磁辐射吸收的基本定律各种类型的电磁辐射吸收的基本定律30定律的描述：定律的描述： 当一束单色光照射到任一均匀非散射的含有吸当一束单色光照射到任一均匀非散射的含有吸光物质的介质时，吸光度与该吸光物质

17、的浓度及吸光物质的介质时，吸光度与该吸光物质的浓度及吸收层厚度成正比收层厚度成正比 各种类型的电磁辐射吸收的基本定律各种类型的电磁辐射吸收的基本定律31摩尔吸光系数摩尔吸光系数 e e灵敏度表示方法灵敏度表示方法A = e e bcA = K Kbcc: mol/Le e 表示物质的浓度为表示物质的浓度为1mol/L,液层厚度为液层厚度为1cm时溶液时溶液的吸光度。单位：的吸光度。单位： (Lmol-1 cm-1) c: g/LA = abc a: 吸光系数吸光系数c：g / 100 mL1%1cmKE百分百分吸光系数吸光系数1 %1 c mAEc b32 e e 的含义的含义（）（） e e

18、是吸光物质在一定波长和物质中的特征常数，是吸光物质在一定波长和物质中的特征常数，反映该吸光物质的灵敏度反映该吸光物质的灵敏度 e e值越大，表示该吸光物质值越大，表示该吸光物质对此波长光的吸收能力越强，显色反应越灵敏，在最大对此波长光的吸收能力越强，显色反应越灵敏，在最大吸收波长处的摩尔吸光系数常以吸收波长处的摩尔吸光系数常以e e maxmax表示；表示；（）根据朗伯比耳定律，（）根据朗伯比耳定律，e e A/bc 由实验结果计算，由实验结果计算，以总浓度代替吸光物质的浓度，以总浓度代替吸光物质的浓度，e e为表观摩尔吸收系数，为表观摩尔吸收系数， e e =Ma, M是摩尔质量；是摩尔质量

19、；33 S在一定的温度和波长下是一常数。在一定的温度和波长下是一常数。S越大，则测定越大，则测定的灵敏度越低；的灵敏度越低；S越小，灵敏度越高。越小，灵敏度越高。桑德尔桑德尔(Sandell)灵敏度：灵敏度： S 当仪器检测吸光度为当仪器检测吸光度为0.001时，单位截面积光时，单位截面积光程内所能检测到的吸光物质的最低含量。程内所能检测到的吸光物质的最低含量。 单位：单位：m mg/cm2 S=M/e e 34AKcbT lgT ： 透光率透光率A： 吸光度吸光度1.00.50ACA100500T %TKbcAT10104. 4. 吸光度与透光度的关系吸光度与透光度的关系35吸收定律与吸收光

20、谱的关系吸收定律与吸收光谱的关系ACA或或e e A C max36二、吸光系数和摩尔吸光系数二、吸光系数和摩尔吸光系数.吸光系数吸光系数(a) 当当c以以gL-1, b以以cm表示时，常数表示时，常数k以以a表示，称表示，称为吸光系数，为吸光系数， 单位为单位为Lg-1cm-1， 此时吸收定律为：此时吸收定律为： A=abc 37.摩尔吸光系数摩尔吸光系数 ()浓度浓度c用用molL-1，液层厚度，液层厚度b以以cm为单位时，则为单位时，则K用用另另来表示，来表示，称为摩尔吸光系数，其单位为称为摩尔吸光系数，其单位为Lmol-1cm-1, 表示物质浓度为表示物质浓度为1 molL-1，液层厚

21、度为，液层厚度为1cm时，溶液时，溶液的吸光度的吸光度 A=bc 实际上由实验结果计算实际上由实验结果计算时，常以被测物质的总浓度代时，常以被测物质的总浓度代替吸光物质的浓度，则得到的替吸光物质的浓度，则得到的值实际上是表观摩尔吸值实际上是表观摩尔吸光系数光系数383. 3. 吸光度的加和性吸光度的加和性A1 = e e1bc1A2 = e e2bc2A = e e1bc1+ e e2bc2 根据吸光度的加和性可以进行根据吸光度的加和性可以进行多组分的测定多组分的测定以及某些化以及某些化学反应学反应平衡常数平衡常数的测定的测定在某一波长，溶液中含有对该波长的光产生吸收的多种物在某一波长，溶液中

22、含有对该波长的光产生吸收的多种物质，那么溶液的总吸光度等于溶液中各个吸光物质的吸光质，那么溶液的总吸光度等于溶液中各个吸光物质的吸光度之和度之和各物间无相互作用，则测得的吸光度为各种吸光物质吸光度之和。各物间无相互作用，则测得的吸光度为各种吸光物质吸光度之和。39吸光度与光程的关系吸光度与光程的关系 A = abc 0.10b0.202b0.00光源光源检测器检测器显示器显示器参参比比40吸光度与浓度的关系吸光度与浓度的关系 A = abc0.10c0.202 2c0.00光源光源检测器检测器显示器显示器参参比比41吸光度与波长的关系吸光度与波长的关系 A = abc0.00红红0.10红红0

23、.00光源光源检测器检测器显示器显示器参参比比蓝绿光蓝绿光红光红光42 例例 用用1,10-邻二氮菲比色测定铁，已知含邻二氮菲比色测定铁，已知含Fe2+浓度为浓度为500gL-1，吸收池厚度为，吸收池厚度为2cm，在波长，在波长508nm处测得吸光度处测得吸光度A为为0.19，假设显色反应进行完全，计算摩尔吸光系数，假设显色反应进行完全，计算摩尔吸光系数解：解：Fe原子量为原子量为55. 85 Fe2+= 50010-6/55.85 =8.910-6(molL-1) = A/bc= 1.1104（Lmol-1cm-1）注意单位注意单位43 例例铁（铁（）浓度为）浓度为5.010-4 gL-1

24、的溶液，与的溶液，与 1，10-邻二氮菲邻二氮菲反应，生成橙红色络合物。该络合物在波长反应，生成橙红色络合物。该络合物在波长508nm，比色，比色皿厚度为皿厚度为2cm时，测得时，测得A=0.19。计算。计算1，10-邻二氮菲铁的邻二氮菲铁的a及及e e 。解：解：已知已知 M (Fe)=55.85Aabc由可得：Aaac40.192 5.0 1011190()L gcmMae55.85 1904111.1 10 ()L molcmbc443-3 3-3 吸收的测量吸收的测量 待测溶液必须装在待测溶液必须装在吸收池内，辐射和器吸收池内，辐射和器壁将相互作用，从而壁将相互作用，从而会因反射或吸收

25、在每会因反射或吸收在每个界面上造成辐射强个界面上造成辐射强度的损失，在实际测度的损失，在实际测定工作中，取另一个定工作中，取另一个完全相同的吸收池，完全相同的吸收池，装溶剂作参比进行测装溶剂作参比进行测定定I0和和I 453-4 3-4 应用比尔定律的局限性应用比尔定律的局限性 标准曲线应当成直线，标准曲线应当成直线，但是当浓度大时，标准但是当浓度大时，标准曲线不成直线的情形，曲线不成直线的情形，特别是明显地看到标准特别是明显地看到标准曲线向浓度轴弯曲，个曲线向浓度轴弯曲，个别情形也有向吸光度轴别情形也有向吸光度轴弯曲者弯曲者 原因：定律本身的原因：定律本身的基本限制，测定吸收的基本限制，测定

26、吸收的方法有关，浓度改变时方法有关，浓度改变时伴随着化学变化伴随着化学变化 46吸光光度法的误差吸光光度法的误差非单色光引起的偏移非单色光引起的偏移物理化学因素：非均匀介质及化学反应物理化学因素：非均匀介质及化学反应吸光度测量的误差吸光度测量的误差 对朗伯对朗伯-比尔定律的偏移比尔定律的偏移偏离比尔定律的原因偏离比尔定律的原因47一、比尔定律的基本限制一、比尔定律的基本限制朗伯定律总是适用的朗伯定律总是适用的吸光度与液层厚度成正比吸光度与液层厚度成正比比尔定律的条件比尔定律的条件 比尔定律只有在描述稀溶液的吸收时才是正确比尔定律只有在描述稀溶液的吸收时才是正确吸光物质的高浓度（负偏离）吸光物质

27、的高浓度（负偏离）电解质的高浓度（负偏离）电解质的高浓度（负偏离）48非均匀介质非均匀介质 胶体，悬浮、乳浊等对光产生散射，使实测吸光度增胶体，悬浮、乳浊等对光产生散射，使实测吸光度增加，导致线性关系上弯加，导致线性关系上弯物理化学因素物理化学因素离解、缔合、异构等离解、缔合、异构等Cr2O72-+H2O-=2HCrO4-=2H+2CrO42- PAR的偶氮醌腙式的偶氮醌腙式 化学反应化学反应由于介质不均匀性引起的偏离由于介质不均匀性引起的偏离, ,当被测试液是胶体、乳浊液或悬浮物当被测试液是胶体、乳浊液或悬浮物时，将对入射光产生散射现象，导致吸光度增大，而引起正偏离时，将对入射光产生散射现象

28、，导致吸光度增大，而引起正偏离( (偏偏向吸光度轴向吸光度轴) )。由于溶液中的化学反应引起的偏离由于溶液中的化学反应引起的偏离, 如吸光物质的离解、如吸光物质的离解、缔合、形成新化合物或互变异构等。缔合、形成新化合物或互变异构等。 橙色橙色黄色黄色4950二、二、非单色光引起的偏移非单色光引起的偏移复合光由复合光由 1和和 2组成，对于浓度不同的溶液组成，对于浓度不同的溶液a和和b,引起的吸光度的偏差不一样，浓度大，复合光引引起的吸光度的偏差不一样，浓度大，复合光引起的误差大，故在高浓度时线性关系向下弯曲。起的误差大，故在高浓度时线性关系向下弯曲。 51非单色光引起的偏离非单色光引起的偏离

29、比尔定律只适用于单色比尔定律只适用于单色光光 实际中入射光用的是复实际中入射光用的是复合光合光 举例：以两种波长的复举例：以两种波长的复合光作为入射光合光作为入射光52 对对1 1 A A1 1=1 1bc bc (1)(1) 对对2 2 A A2 2=2 2bc bc (2)(2) I I0 0=I=I0101+I+I0202= =f f1 1I I0 0+ +f f2 2I I0 0 (3)(3) bcII1-01110ebcII2-02210e53复合光通过溶液后复合光通过溶液后 021lgIIIA0-2-10)1010(lg21IffIbcbcee)1010lg(2121bcbcffe

30、e(4)54 标准曲线是吸光度标准曲线是吸光度A与浓度与浓度c的关系曲线，其斜的关系曲线，其斜率可通过式率可通过式(4)对对c微分求得微分求得 (5) 当当1=2=时，即当入射光为单色光时，即当入射光为单色光时，式时，式（5）变为）变为 dA/dc=b (6)标准曲线的斜率为一定值，即符合比尔定律标准曲线的斜率为一定值，即符合比尔定律 )1010()1010(dd2121212211bcbcbcbcffbfbfcAeeeeee55 当入射光为复合光时（当入射光为复合光时（1 2），标准曲线不再），标准曲线不再是直线关系，将式（是直线关系，将式（5）对）对c微分，则微分，则 (7) (7)式右边

31、恒为式右边恒为负值负值，说明用复合光作入射，说明用复合光作入射光时，标准曲线向浓度轴弯曲，使发生对于比光时，标准曲线向浓度轴弯曲，使发生对于比尔定律的偏离尔定律的偏离 1与与2相差愈大，吸收池愈厚，偏离比尔定相差愈大，吸收池愈厚，偏离比尔定律愈严重律愈严重2-2-1)( -22122122)1010(10)-(30. 2-dd2112bcbcbcffbffcAeeeeee56在测量中，只要在入射光所包括的波长范围内，吸光物质的吸光系数没在测量中，只要在入射光所包括的波长范围内，吸光物质的吸光系数没多大差别，对比尔定律的偏离一般是很小的多大差别，对比尔定律的偏离一般是很小的由于溶液在紫外及可见区

32、的吸收曲线一般比较平滑且较宽，这个条件容由于溶液在紫外及可见区的吸收曲线一般比较平滑且较宽，这个条件容易达到，只需要所选用的入射辐射波长不在吸收曲线陡变部分即可易达到，只需要所选用的入射辐射波长不在吸收曲线陡变部分即可. 57吸光质点间相互作用引起的对吸光定律的偏离吸光质点间相互作用引起的对吸光定律的偏离三、溶液中化学反应引起的偏离三、溶液中化学反应引起的偏离 58596061在理想状况下，吸光物质的光学性质必须是均匀的，在理想状况下，吸光物质的光学性质必须是均匀的，当试样为胶体、乳状液或有悬浮物质存在时，入射光通过当试样为胶体、乳状液或有悬浮物质存在时，入射光通过溶液后，有一部分光会溶液后，

33、有一部分光会因散射而损失因散射而损失，使吸光度增大，对，使吸光度增大，对BeerBeer定律产生定律产生正偏差正偏差质点的散射强度是与入射光波长的质点的散射强度是与入射光波长的四次方成反比的，所以散射对紫外区的测定影响更大四次方成反比的，所以散射对紫外区的测定影响更大62 依吸光物质的性质，溶液中化学平衡的知识，对依吸光物质的性质，溶液中化学平衡的知识，对偏离加以预防和终止。偏离加以预防和终止。 必须严格控制显色反应的条件，获得较好的测量必须严格控制显色反应的条件，获得较好的测量结果结果63显色体系显色体系： 有色络合物在溶液中有一定程度的离解，其浓度不等有色络合物在溶液中有一定程度的离解，其

34、浓度不等于金属离子的总浓度于金属离子的总浓度如生成有色络合物的显色反应用下式表示如生成有色络合物的显色反应用下式表示 M +nLMLn选择选择MLnMLn有强烈吸收而有强烈吸收而M M和和L L都没吸收的波长进行测定，都没吸收的波长进行测定，络合物的稳定常数为络合物的稳定常数为稳KnnMLML64nnKKL1L稳稳LMLMML稳稳KaaKnnnnnKLMML稳上式中上式中MM、LL分别为未络合的金属离子浓度分别为未络合的金属离子浓度和试剂浓度金属离子生成络合物和试剂浓度金属离子生成络合物MLMLn n的分数为的分数为MLMMLMLMnnnc65 当当LL为恒定值时，待测金属离子生成络合物的分数

35、就会为恒定值时，待测金属离子生成络合物的分数就会保持一定，从而就可使金属离子总浓度同吸光度之间的保持一定，从而就可使金属离子总浓度同吸光度之间的关系也服从比尔定律关系也服从比尔定律 对于稳定性较高的配合物，只要加入超过化学计量的少对于稳定性较高的配合物，只要加入超过化学计量的少量试剂，反应可完全进行量试剂，反应可完全进行 溶剂溶剂对吸收光谱的影响也很重要，它会对生色团的吸收对吸收光谱的影响也很重要，它会对生色团的吸收峰高度、波长位置产生影响，从而对比尔定律产生一定峰高度、波长位置产生影响，从而对比尔定律产生一定的偏离的偏离 nnKKL1L稳稳66四四、 吸光度测量的误差吸光度测量的误差67吸光

36、度标尺刻度不均匀吸光度标尺刻度不均匀A0.434 ，T36. 8% 时，测量的相对误差最小时，测量的相对误差最小A=0.20.8, T=1565%，相对误差，相对误差1； 使用刻槽的短边，而不是长边，因而入射角大；使用刻槽的短边，而不是长边，因而入射角大； 刻槽数量少或者说光栅常数刻槽数量少或者说光栅常数 d 很大，通常为很大，通常为300条条/mm。 130中阶梯光栅的性能中阶梯光栅的性能线色散率：线色散率：分辨率：分辨率：R= / =2Nd(sin )/ 在提高色散率和分辨率的方式上，中阶梯光栅与相同大小的闪耀在提高色散率和分辨率的方式上，中阶梯光栅与相同大小的闪耀光栅不同：光栅不同：)(

37、cosdnfddl *光谱级次光谱级次 n 非常大，光谱重叠严重，因此需要增加一个光面垂直于中阶梯光非常大，光谱重叠严重，因此需要增加一个光面垂直于中阶梯光栅的棱镜或光栅来克服这一问题。栅的棱镜或光栅来克服这一问题。Echellette gratingEchellette grating Echlle gratingEchlle grating n=1n=1 * *n=(40n=(40120)120) 很小很小 很大很大 光栅常数光栅常数d d小小 光栅常数光栅常数d d大大131光光栅栅参参数数 常规闪耀光栅常规闪耀光栅 中阶梯光栅中阶梯光栅 焦距焦距，f 0.5 m 0.5 m 刻槽密度刻

38、槽密度 1200/mm 79/mm 衍射角，衍射角， 10o22 63o26 级次，级次，n 1 75 分辨率分辨率(300nm)，R 62,400 763,000 倒线色散率，倒线色散率，d /dl 16 埃埃/mm 1.5 埃埃/mm 聚光本领聚光本领 f/9.8 f/8.8 小阶梯光栅与中阶梯光栅的性能比较小阶梯光栅与中阶梯光栅的性能比较 132GE2E1GGGE2E2E1E1E1,E2Ebert-FastieCzerny-TurnerLittrow4）光谱仪几种典型的光学系统）光谱仪几种典型的光学系统133（3 3）单色器的有效带宽）单色器的有效带宽 单色器的狭缝对单色器质量有重要作用

39、，一般说，入射狭单色器的狭缝对单色器质量有重要作用，一般说，入射狭缝和出射狭缝的大小相同，当单色器正好调节到相应辐射缝和出射狭缝的大小相同，当单色器正好调节到相应辐射波长的位置上时，入射狭缝的像将恰好充满整个出射狭缝波长的位置上时，入射狭缝的像将恰好充满整个出射狭缝的宽度。的宽度。 单色器从照明入射狭缝的具有各种波长的辐射中分出单色单色器从照明入射狭缝的具有各种波长的辐射中分出单色辐射的能力，常用辐射的能力，常用光谱带宽光谱带宽来量度。来量度。 134狭缝（狭缝（Slit）构成：构成：狭缝是两片经过精密加工、具有锐利边缘的金属组狭缝是两片经过精密加工、具有锐利边缘的金属组成。两片金属处于相同平

40、面上且相互平行。入射狭缝可看成。两片金属处于相同平面上且相互平行。入射狭缝可看作是一个光源，在相应波长位置，入射狭缝的像刚好充满作是一个光源，在相应波长位置，入射狭缝的像刚好充满整个出射狭缝。整个出射狭缝。有效带宽有效带宽：整个单色器的分辨能力除与分光元件的色散率：整个单色器的分辨能力除与分光元件的色散率有关外，还与狭缝宽度有关。即单色器的分辨能力（有效有关外，还与狭缝宽度有关。即单色器的分辨能力（有效带宽带宽S）应由下式决定：）应由下式决定：D=倒线色散率；倒线色散率；W=狭缝宽度。当单色仪的色散率固定时，波长间隔将狭缝宽度。当单色仪的色散率固定时，波长间隔将随狭缝宽度变化。随狭缝宽度变化。

41、 DWS 135 光谱带宽定义为光谱带宽定义为入射狭入射狭缝的像从出射狭缝的一缝的像从出射狭缝的一边移向另一边时所对应边移向另一边时所对应的波长间隔的波长间隔。 光谱带宽的大小随光谱带宽的大小随狭缝狭缝宽度宽度的改变而变化。的改变而变化。 有效带宽有效带宽仪器透过仪器透过的波长范围的一半。的波长范围的一半。 136 单色器的单色器的有效带宽有效带宽与光栅及棱镜的与光栅及棱镜的色散色散及入射狭及入射狭缝和出射缝和出射狭缝狭缝的宽度有关。的宽度有关。 单色器通常采用可变狭缝，所以有效带宽可以调单色器通常采用可变狭缝，所以有效带宽可以调节。节。 在定性分析中需要分析比较窄的吸收带，应采用在定性分析中

42、需要分析比较窄的吸收带，应采用尽量小的狭缝宽度，有助于分开波长相近的光谱尽量小的狭缝宽度，有助于分开波长相近的光谱线，减少或消除光谱重叠引起的干扰。线，减少或消除光谱重叠引起的干扰。 在定量分析中，可用较宽的狭缝，使光束有足够在定量分析中，可用较宽的狭缝，使光束有足够的强度以供测量。的强度以供测量。 137狭缝宽度的选择原则狭缝宽度的选择原则 定性分析：选择较窄的狭缝宽度定性分析：选择较窄的狭缝宽度提高分辨率，提高分辨率， 减少其它谱线的干扰，提高选择性；减少其它谱线的干扰，提高选择性； 定量分析：选择较宽的狭缝宽度定量分析：选择较宽的狭缝宽度增加照亮狭缝增加照亮狭缝 的亮度，提高分析的灵敏度

43、；的亮度，提高分析的灵敏度； 应根据样品性质和分析要求确定狭缝宽度。并通应根据样品性质和分析要求确定狭缝宽度。并通 过条件优化确定最佳狭缝宽度。过条件优化确定最佳狭缝宽度。 与发射光谱分析相比，原子吸收光谱因谱线数少，与发射光谱分析相比，原子吸收光谱因谱线数少， 可采用较宽的可采用较宽的狭缝。但当背景大时，可适当减小狭缝。但当背景大时，可适当减小 缝宽。缝宽。1383. 3. 试样容器试样容器 盛放试样的吸收池必须用所需光谱区辐射的材料盛放试样的吸收池必须用所需光谱区辐射的材料制成。制成。 吸收池的窗面应严格垂直于光束方向。吸收池的窗面应严格垂直于光束方向。 采用采用光程长度和透明性光程长度和

44、透明性都相同的吸收池，能正确都相同的吸收池，能正确比较透过溶剂和试液的辐射强度。比较透过溶剂和试液的辐射强度。139比色皿：比色皿：也称吸收池，长方体，两面透明，有也称吸收池，长方体，两面透明，有玻璃和石英玻璃两种，玻璃和石英玻璃两种， 厚度厚度(光程光程): 0.5, 1, 2, 3, 5cm 材质：玻璃比色皿可见光区材质：玻璃比色皿可见光区 石英比色皿可见、石英比色皿可见、紫外光区紫外光区1401414 4辐射检测器辐射检测器 检测器的功能是检测信号、测量单色光透过溶液检测器的功能是检测信号、测量单色光透过溶液后光强度变化的一种装置。后光强度变化的一种装置。 紫外及可见区用的检测器主要有光

45、电池、光电管紫外及可见区用的检测器主要有光电池、光电管和光电倍增管。和光电倍增管。 142对检测器的要求对检测器的要求: : 响应一个很大波长范围内的辐射能；响应一个很大波长范围内的辐射能； 对弱的辐射也应有足够的灵敏度；对弱的辐射也应有足够的灵敏度； 能快速回答一个容易放大而噪声低的电信号；能快速回答一个容易放大而噪声低的电信号； 产生的电信号应正比于投射到检测器上的光束产生的电信号应正比于投射到检测器上的光束强度，且有宽的线性范围强度，且有宽的线性范围, , 是定量的基础是定量的基础143（1 1）光电池）光电池 硒光电池，它对于硒光电池，它对于550nm左右的绿色光有最大灵左右的绿色光有

46、最大灵敏值，而且在敏值，而且在250nm和和750nm处其响应减少至最处其响应减少至最大值的大值的10%。 主要用于主要用于可见辐射可见辐射的检出的检出。144 结构结构硒光电池是由三层物质构硒光电池是由三层物质构成的薄片，它的表层是极薄成的薄片，它的表层是极薄透明的金或银膜，中层是具透明的金或银膜，中层是具有光电效应的半导体材料硒，有光电效应的半导体材料硒，底层是铁或铝片。底层是铁或铝片。 作用原理：作用原理：当辐射作用于光电池表面上时，就有电子从半导体硒的表面当辐射作用于光电池表面上时，就有电子从半导体硒的表面逸出，由于硒的半导体性质，电子只能单方向流动，即向金属膜逸出，由于硒的半导体性质

47、，电子只能单方向流动，即向金属膜流动，而使金属膜带负电，成为光电池的负极，硒层失去电子后流动，而使金属膜带负电，成为光电池的负极，硒层失去电子后带正电，使底层金属片带正电，成为光电池的正极，因而光电池带正电，使底层金属片带正电，成为光电池的正极，因而光电池受光照射时自己产生电动势，而不需外加电压，线路接通后，便受光照射时自己产生电动势，而不需外加电压，线路接通后，便有一电流产生，如果接入一灵敏检流计可测量得到电流强度。有一电流产生，如果接入一灵敏检流计可测量得到电流强度。当当外电阻比较小时，光电流和入射光强度成线性关系外电阻比较小时，光电流和入射光强度成线性关系。 145硒光电池（硒光电池（B

48、arrier-layer photocellBarrier-layer photocell）适用于适用于300-800 nm, 在在500-600 nm范围最灵敏。范围最灵敏。Se阴极阴极Au，Ag半导体半导体h 阳极阳极146 疲劳现象疲劳现象光电池受强光照射时，或连续使用较长时间，响应产光电池受强光照射时，或连续使用较长时间，响应产生的电流会逐渐下降，且光的波长愈短，响应下降愈快，生的电流会逐渐下降，且光的波长愈短，响应下降愈快，这种现象称为光电池的这种现象称为光电池的“疲劳疲劳”现象，此时让光电池在暗现象，此时让光电池在暗中放置片刻便能恢复它的性能。中放置片刻便能恢复它的性能。只能用于低

49、档的分光光度只能用于低档的分光光度计中。计中。 光电池的内阻低，它的输出电流难以放大。这是硒光电池光电池的内阻低，它的输出电流难以放大。这是硒光电池的的缺点缺点147硒光电池硒光电池+-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-( (当外电阻当外电阻400 ，i =10-100m mA)优点：优点：光电流直接正比于辐射能；光电流直接正比于辐射能； 使用方便、便于携带（耐用、成本低）；使用方便、便于携带（耐用、成本低）；缺点：缺点：电阻小，电流不易放大；响应较慢。电阻小，电流不易放大；响应较慢。 只在高强度辐射区较灵敏；只在高强度辐射区较灵敏； 长时间使用后，有

50、长时间使用后，有“疲劳疲劳”(fatigue)现象。现象。148（2 2）光电管）光电管 光电管光电管是由封装在真空透明泡中的一个半圆柱形阴极和一个丝（状）是由封装在真空透明泡中的一个半圆柱形阴极和一个丝（状）阳极组成，阴极的凹面有光电发射材料层，在受光照射时，如果光子阳极组成，阴极的凹面有光电发射材料层，在受光照射时，如果光子的能量超过阴极光电材料的功函数时，便有电子发射出来，所经过的的能量超过阴极光电材料的功函数时，便有电子发射出来，所经过的时间最多不超过时间最多不超过1010-9-9秒的数量级。秒的数量级。当在两级间加有电压时，发射的电子就流向丝阳极而产生光电流，对当在两级间加有电压时，

51、发射的电子就流向丝阳极而产生光电流，对于给定的照射光强度，它所产生电流大约为光电池的于给定的照射光强度，它所产生电流大约为光电池的1/41/4，但光电管，但光电管有很高的内阻，所产生的有很高的内阻，所产生的光电流很容易放大光电流很容易放大。 149真空光电管真空光电管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 阴极表面可涂渍不同光敏物质：高灵敏阴极表面可涂渍不同光敏物质：高灵敏(K,Cs,Sb其中二者其中二者)、红光敏、红光敏(Na/K/Cs/Sb, Ag/O/Cs)、紫外光敏、平坦响应、紫外光敏、平坦响应(Ga/As，响应受波长影响，响应受波长影响

52、小小)。产生的光电流约为硒光电池的。产生的光电流约为硒光电池的1/10。优点：优点：阻抗大，电流易放大；响应快；应用广。阻抗大，电流易放大；响应快；应用广。缺点：缺点：有微小暗电流（有微小暗电流（Dark current，40K的放射线激发）。的放射线激发）。150 光电材料发射出来的光电材料发射出来的电子数目电子数目正比于作用在其表面上的正比于作用在其表面上的辐辐射强度射强度。 当加在光电管两极上的电压增加时，到达阳极表面的电子当加在光电管两极上的电压增加时，到达阳极表面的电子数目占发射出的电子的总数的份额会很快增加，当达到饱数目占发射出的电子的总数的份额会很快增加，当达到饱和电压时，基本上

53、所有电子都被收集在阳极上，这时和电压时，基本上所有电子都被收集在阳极上，这时电流电流就变成与外加电压无关而只正比于辐射强度就变成与外加电压无关而只正比于辐射强度。 与光电池比较，光电管具有灵敏度高，光敏范围宽，不易与光电池比较，光电管具有灵敏度高，光敏范围宽，不易疲劳等优点。疲劳等优点。151（3 3）光电倍增管）光电倍增管 对于低辐射强度的测量，光电倍增管要比普通光对于低辐射强度的测量，光电倍增管要比普通光电管优越得多，它的灵敏度比光电管高电管优越得多，它的灵敏度比光电管高200200多倍。多倍。 光电倍增管由阴极和多个附加极组成。光电倍增管由阴极和多个附加极组成。 光电倍增管易被强辐射损坏

54、，只可用于光电倍增管易被强辐射损坏，只可用于低辐射强低辐射强度度的测量。因此光电倍增管必须安装在暗室中，的测量。因此光电倍增管必须安装在暗室中，并仔细屏蔽杂散光的影响。并仔细屏蔽杂散光的影响。 152光电倍增管（光电倍增管（photomultiplier tube, PMT） 石英套石英套光束光束1个光子产生个光子产生106107个电子个电子栅极，栅极，Grill阳极阳极屏蔽屏蔽光电倍增管示意图光电倍增管示意图共有共有9个打拿极个打拿极(dynatron)，所加直流电压共为，所加直流电压共为90 10V153900V dc90V123456789阳极阳极阴极阴极石英封石英封读出装置读出装置R光

55、电倍增管（光电倍增管（PMT）电路图）电路图优点：优点：高灵敏度；响应快；适于弱光测定，甚至对单一光子均可响应。高灵敏度；响应快；适于弱光测定，甚至对单一光子均可响应。缺点：缺点：热发射强，因此暗电流大，需冷却（热发射强，因此暗电流大，需冷却（-30oC)。不得置于强光。不得置于强光(如如 日光日光)下，否则可永久损坏下，否则可永久损坏 PMT！154155156Detector157158（4 4）二极管阵列检测器）二极管阵列检测器 光电二极管是在硅片上形成的反向偏置的光电二极管是在硅片上形成的反向偏置的pn结所构成。当结所构成。当受到辐射照射时，产生空穴和电子，空穴扩散通过过渡层受到辐射照

56、射时，产生空穴和电子，空穴扩散通过过渡层到到p区，然后湮灭，由此引起电子空穴对的产生与复合，区，然后湮灭，由此引起电子空穴对的产生与复合，使得导电性增强，其大小与光强成正比。使得导电性增强，其大小与光强成正比。 当阵列的一面受辐射照射时，吸收光子产生电子空穴对，当阵列的一面受辐射照射时，吸收光子产生电子空穴对，使使pn结部分放电，每一个光电二极管有一个积贮光电流的结部分放电，每一个光电二极管有一个积贮光电流的存储电容器，通过扫描电路，周期地顺序读取各个存储电存储电容器，通过扫描电路，周期地顺序读取各个存储电容器中存储的电荷，达到检测出相应的光信息。容器中存储的电荷，达到检测出相应的光信息。 1

57、59硅二极管硅二极管p 区区n 区区pn 结结p 区区n 区区(反向偏置反向偏置)耗尽层耗尽层空穴空穴电子电子 反向偏值反向偏值耗尽层耗尽层(depletion layer)pn结电导趋于结电导趋于0 (i=0)； 光照光照耗尽层中形成空穴和电子耗尽层中形成空穴和电子空穴移向空穴移向p区并湮灭区并湮灭外外 加电压对加电压对pn“电容器电容器”充电充电产生充电电流信号产生充电电流信号 (i 0) 。特点：特点：灵敏度介于真空管和倍增管之间。灵敏度介于真空管和倍增管之间。160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pnpnpnpnpnpn0.025mm2.5

58、mm侧视侧视(cross section)顶视顶视(top view)光束光束说明：说明：在一个硅片上，许多在一个硅片上，许多 pn 结以结以一维线性排列一维线性排列，构成，构成“阵列阵列”；每个每个 pn 结或元（结或元（element，64-4096个）相当于一个硅二极管检测器；个）相当于一个硅二极管检测器；硅片上布有集成线路，使每个硅片上布有集成线路，使每个 pn 结相当于一个独立的光电转换器；结相当于一个独立的光电转换器；硅片置于分光器焦面上，经色散的不同波长的光分别被转换形成电信号；硅片置于分光器焦面上，经色散的不同波长的光分别被转换形成电信号；实现多波长或多目标实现多波长或多目标同

59、时（同时（simultaneously）检测。检测。i.PDA在灵敏度、线性范围和在灵敏度、线性范围和S/N方面不如光电倍增管。应用较少。方面不如光电倍增管。应用较少。161162163000164165电荷转移器件（电荷转移器件（Charge transfer detector, CTD)SiO2绝缘体绝缘体掺杂掺杂n区区衬基衬基-5V-10V电极电极h CTD侧视图（一个电荷转移单元或像素）侧视图（一个电荷转移单元或像素）光子光子空穴空穴空穴聚集或存贮（金属空穴聚集或存贮（金属-SiO-SiO2 2电容电容) )a a行转换器单元行转换器单元 b b个检测单元个检测单元/ /行行= a =

60、 a b b个像素个像素 = = 二维排列于一片硅片上；二维排列于一片硅片上；类似胶片上的信息存贮；类似胶片上的信息存贮；测量两电极间电压变化测量两电极间电压变化CID使电荷移至电荷放大器并测量使电荷移至电荷放大器并测量CCD166电荷采集电荷采集电荷转移电荷转移167e-e-e-e-e-金属接触层金属接触层入射光入射光势能墙势能墙SiOSiO2 2P P型硅型硅168衬基衬基5V10Vh -5V-10Ve-v1n型型Si衬基衬基5V10V+5V+10V衬基衬基5V10V-10Vv1n型型Sin型型Siv2衬基衬基5V10V+10Vn型型Si电电荷荷形形成成并并聚聚集集测测量量V1测测量量V2