第9章-仪器分析方法选介

第九章仪器分析方法选介

紫外-可见分光光度法利用被测物质的分子对紫外-可见光选择性吸收的特性而建立起来的方法。一．分子吸收光谱的产生在分子中存在着电子的运动，以及组成分子的各原子间的振动和分子作为整体的转动。分子的总能量可以认为等于这三种运动能量之和。即：E分子=E电子+E振动+E转动分子中的这三种运动状态都对应有一定的能级。即在分子中存在着电子能级、振动能级和转动能级。这三种能级都是量子化的。其中电子能级的间距最大（每个能级间的能量差叫间距或能级差），振动能级次之，转动能级的间距最小。如果用△E电子，△E振动以及△E转动表示各能级差，则：△E­电子＞△E­振动＞△E­转动由于组成分子能量的几部分都具有一定的能级，所以分子也具有一定的能级.当用光照射分子时，分子就要选择性的吸收某些波长（频率）的光而由较低的能级E跃迁到较高能级E’上，所吸收的光的能量就等于两能级的能量之差：△E=E‘－E由于分子选择性的吸收了某些波长的光，所以这些光的能量就会降低，将这些波长的光及其所吸收的能量按一定顺序排列起来，就得到了分子的吸收光谱。二、分子吸收光谱类型

远红外光谱、红外光谱及紫外-可见光谱三类。分子的转动能级跃迁，需吸收波长为远红外光，因此，形成的光谱称为转动光谱或远红外光谱。

分子的振动能级差一般需吸收红外光才能产生跃迁。在分子振动时同时有分子的转动运动。这样，分子振动产生的吸收光谱中，包括转动光谱，故常称为振-转光谱。由于它吸收的能量处于红外光区，故又称红外光谱。电子的跃迁吸收光的波长主要在真空紫外到可见光区，对应形成的光谱，称为电子光谱或紫外-可见吸收光谱。三．光的选择性吸收与物质颜色的关系：1．可见光的颜色和互补色：在可见光范围内，不同波长的光的颜色是不同的。平常所见的白光（日光、白炽灯光等）是一种复合光，它是由各种颜色的光按一定比例混合而得的。利用棱镜等分光器可将它分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等不同颜色的单色光。白光除了可由所有波长的可见光复合得到外，还可由适当的两种颜色的光按一定比例复合得到。能复合成白光的两种颜色的光叫互补色光。/nm颜色互补光400-450紫黄绿450-480蓝黄480-490绿蓝橙490-500蓝绿红500-560绿红紫560-580黄绿紫580-610黄蓝610-650橙绿蓝650-760红蓝绿2．物质的颜色与吸收光的关系：当白光照射到物质上时，如果物质对白光中某种颜色的光产生了选择性的吸收，则物质就会显示出一定的颜色。物质所显示的颜色是吸收光的互补色。完全吸收完全透过吸收黄色光光谱示意表观现象示意复合光光吸收定律——朗伯—比尔定律一．基本概念：当强度为I0的一定波长的单色入射光束通过装有均匀待测物的溶液介质时，该光束将被部分吸收Ia，部分反射Ir，余下的则通过待测物的溶液It，即有：I0=Ia+It+Ir如果吸收介质是溶液（测定中一般是溶液），式中反射光强度主要与器皿的性质及溶液的性质有关，在相同的测定条件下，这些因素是固定不变的，并且反射光强度一般很小。所以可忽略不记，这样：Io=Ia+It即：一束平行单色光通过透明的吸收介质后，入射光被分成了吸收光和透过光。待测物的溶液对此波长的光的吸收程度可以透光率T和吸光度A用来表示。透光率——透光率表示透过光强度与入射光强度的比值，用T来表示，计算式为：T=It/IoT常用百分比（T%）表示。吸光度——透光率的倒数的对数叫吸光度。用A表示：A=-lgT二、朗伯—比尔定律：（一）定律内容：当用一束强度为Io的单色光垂直通过厚度为b、吸光物质浓度为c的溶液时，溶液的吸光度正比于溶液的厚度b和溶液中吸光物质的浓度c的乘积。数学表达式为：A=-lgT=Kbc

（二）比例常数K的几种表示方法：吸收定律的数学表达式中的比例常数叫“吸收系数”，它的大小可表示出吸光物质对某波长光的吸收本领（即吸收程度）。它与吸光物质的性质、入射光的波长及温度等因素有关。另外，K的值随着b和c的单位不同而不同。下面就介绍K的几种不同的表示方法。1．吸光系数：当溶液浓度c的单位为g/L,溶液液层厚度b的单位为cm时，K叫“吸光系数”，用a表示，其单位为L/g·cm，此时：A=abc由式可知：a=A/bc，它表示的是当c=1g/L、b=1cm时溶液的吸光度。2．摩尔吸光系数：当溶液浓度c的单位为mol/L，液层厚度b的单位为cm时，K叫“摩尔吸光系数”，用k表示，其单位为L/mol·cm，此时：A=kbc由此式可知：k=A/bc，它表示的是当c=1mol/L，b=1cm时，物质对波长为λ的光的吸光度。对于K的这两种表示方法，它们之间的关系为：k=aMM为吸光物质的分子量。k和a的大小都可以反映出吸光物质对波长为λ的单色光的吸收能力。但更常用和更好的是用k来表示吸光物质对波长为λ的光的吸收能力。摩尔吸光系数越大，表示物质对波长为λ的光的吸收能力越强，同时在分光光度法中测定的灵敏度也越大。

（三）吸收定律的适用条件：1．必须是使用单色光为入射光；2．溶液为稀溶液；3．吸收定律能够用于彼此不相互作用的多组分溶液。它们的吸光度具有加合性，且对每一组分分别适用，即：A总=A1+A2+A3…+An=kbc1+k2bc2+k3bc3…+knbcn4．吸收定律对紫外光、可见光、红外光都适用例题：已知某化合物的相对分子量为251，将此化合物用已醇作溶剂配成浓度为0.150mmol·L-1溶液，在480nm处用2.00cm吸收池测得透光率为39.8%，求该化合物在上述条件下的摩尔吸光系数和吸光系数。解：已知溶剂浓度c=0.150mmol.L-1，b=2.00cm,T=0.398,由Lambert-Beer定律得：k（480nm）=A/cb=-lg0.398/0.150×10-3×2.00=1.33×103(L·mol-1·cm-1)由k=aM,得:a=k/M=k/251=5.30(L·g-1·cm-1)三．实际溶液对吸收定律的偏离及原因：（一）偏离：被测物质浓度与吸光度不成线性关系的现象，如下图。AC（二）偏离吸收定律的原因：1．入射光为非单色光：严格地说吸收定律只适用于入射光为单色光的情况。但在紫外可见光分光光度法中，入射光是由连续光源经分光器分光后得到的，这样得到的入射光并不是真正的单色光，而是一个有限波长宽度的复合光，这就可能造成对吸收定律的偏离。对非单色光引起的偏离，其原因是由于同一物质对不同波长的光的摩尔吸光系数不同造成的。所以只要在入射光的波长范围内，摩尔吸光系数差别不是太大，由此引起的偏离是较小的。2．非平行光和光的散射：当入射光是非平行光时，所有光通过介质的光的光程不同，引起小的偏离。另外，当溶液中含有悬浮物或胶粒等散射质点时，入射光通过溶液时就会有一部分光因散射而损失掉，使透过光强度减小，测得的吸光度增大，从而引起偏离吸收定律。3．化学因素引起的偏离：1）离解作用：2）酸效应：3）溶剂作用：1）离解作用：在可见光区域的分析中常常是将待测组分同某种试剂反应生成有色配合物来进行测定的。有色配合物在水中不可避免的要发生离解，从而使得有色配合物的浓度要小于待测组分的浓度，导致对吸收定律的偏离。特别是在稀溶液中时，更是如此。2）酸效应：如果待测组分包括在一种酸碱平衡体系中，溶液的酸度将会使得待测组分的存在形式发生变化，而导致对吸收定律的偏离。3）溶剂作用：溶剂对吸收光谱的影响是比较大的，溶剂不同时，物质的吸收光谱不同。四．吸收曲线（吸收光谱）及最大吸收波长1．吸收曲线：每一种物质对不同波长光的吸收程度是不同的。如果我们让各种不同波长的光分别通过被测物质，分别测定物质对不同波长光的吸收程度。以波长为横坐标，吸收程度为纵坐标作图所得曲线。300400500600700/nm350525545Cr2O72-MnO4-1.00.80.60.40.2Absorbance350Cr2O72-、MnO4-的吸收光谱2、吸收峰和最大吸收波长max吸收曲线表明了某种物质对不同波长光的吸收能力分布。曲线上的各个峰叫吸收峰。峰越高，表示物质对相应波长的光的吸收程度越大。其中最高的那个峰叫最大吸收峰，它的最高点所对应的波长叫最大吸收波长，用λmax表示。

3．物质的吸收曲线和最大吸收波长的特点：

1）不同的物质，吸收曲线的形状不同，最大吸收波长不同。2）对同一物质，其浓度不同时，吸收曲线形状和最大吸收波长不变，只是吸收程度要发生变化，表现在曲线上就是曲线的高低发生变化。紫外-可见分光光度计一．分光光度计的主要部件和工作原理：0.575光源单色器吸收池检测器显示（一）光源：用于提供足够强度和稳定的连续光谱。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。热辐射光源用于可见光区，如钨丝灯和卤钨灯；气体放电光源用于紫外光区，如氢灯。钨灯和碘钨灯可使用的范围在340~2500nm。氢灯可在160~375nm范围内产生连续光源。另外，为了使光源发出的光在测量时稳定，光源的供电一般都要用稳压电源，即加有一个稳压器。（二）分光系统：分光系统也叫单色器。单色器是能从光源辐射的复合光中分出单色光的光学装置，其主要功能：产生光谱纯度高的光波且波长在紫外可见区域内任意可调。单色器一般由入射狭缝、准光器（透镜或凹面反射镜使入射光成平行光）、色散元件、聚焦元件和出射狭缝等几部分组成。其核心部分是色散元件，起分光的作用。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的波长光通过棱镜时有不同的折射率而将不同波长的光分开。由于玻璃可吸收紫外光，所以玻璃棱镜只能用于350~3200nm的波长范围，即只能用于可见光域内。石英棱镜可使用的波长范围较宽，可从185~4000nm，即可用于紫外、可见和近红外三个光域。（三）吸收池（比色皿）：在紫外可见分光光度法中，一般都是用液体溶液进行测定的，用于盛放试液的器皿就是吸收池或比色皿。有玻璃和石英两种。（四）光检测系统：用于检测光信号。利用光电效应将光强度信号转换成电信号的装置，也叫光电器件。分光光法中，得到的是一定强度的光信号，这个信号需要用一定的部件检测出来。检测时，需要将光信号转换成电信号才能测量得到。光检测系统的作用就是进行这个转换。（五）信号指示系统它的作用是放大信号并以适当方式指示或记录下来。常用的信号指示装置有直读检流计、电位调节指零装置以及数字显示或自动记录装置等。很多型号的分光光度计装配有微处理机，一方面可对分光光度计进行操作控制，另一方面可进行数据处理。二、分光光度计的类型：（一）单光束分光光度计：0.575光源单色器吸收池检测器显示这类分光光度计的特点是：结构简单，价格便宜。主要适用于定量分析，而不适用于作定性分析。另外，结果受电源的波动影响较大。（二）单波长双光束分光光度计比值光源单色器吸收池检测器显示切光器双光束分光光度计是自动比较了透过参比溶液和样品溶液的光的强度，它不受光源（电源）变化的影响。双光束分光光度计还能进行波长扫描，并自动记录下各波长下的吸光度，很快就可得到试液的吸收光谱。所以能用于定性分析。光源单色器单色器检测器切光器狭缝吸收池（三）双光束双波长分光光度计：显色反应及其影响因素一．显色反应和显色剂：显色反应：在光度分析中将试样中的待测组分转变成有色化合物的反应叫显色反应。显色反应一般分为两大类：一类是配位反应；另一类是氧化还原反应。Fe3＋＋SCN－=FeSCN－；Mn2＋－5e＋4H2O=MnO4－＋8H＋在这两类反应中，用得较多的是配位反应。二．选择显色反应的标准：1．选择性要好：2．灵敏度要高：3．有色化合物的组成要恒定，化学性质稳定。4．显色剂的颜色与有色化合物的颜色差别要大5．反应的条件要易于控制。三．影响显色反应的因素：（一）显色剂用量：显色反应就是将待测组分转变成有色化合物的反应，其反应一般可用下式代表：M＋R=MR反应具有一定的可逆性，当加入R的用量时，有利于反应向右进行。但要注意，加入的显色剂用量也不能太多，否则产生副反应，对测定产生不利。例如：用SCN-与Fe3+反应生成红色配合物测定铁时，当加入的显色剂太多时，就会对测定产生不利。对于不同的情况，显色剂的用量对显色反应的影响是不同的。在实际选用时，一般是通过实验来确定的。光度测量误差及测量条件的选择光度分析的误差来源于两方面：一方面是各种化学因素引入的误差；另一方面是仪器测量不准引入的误差。对于化学因素，前面巳经讲过，现在我们来看仪器测量不准引入的误差。一．仪器测量误差：任何光度计都有一定的测量误差，测量误差的来源主要是光源的发光强度不稳定，光电效应的非线性，杂散光的影响，单色器的光不纯等等因素，对于一台固定的光度计来说，以上因素都是固定的，也就是说，它的误差具有一定的稳定性。其大小可由光度计的透光率的读数准确度表现出来。二．测量条件的选择：1．测量波长的选择：一般选用待测物质的最大吸收波长作为测量波长（入射光）但当在最大吸收波长处有干扰时，则应根据“吸收最大干扰最小”的原则来选择波长。2．控制适当的吸光度范围：由测量误差可知，当吸光度在0.2～0.8之间时，测量误差最小，所以应尽量控制吸光度在此范围进行测定。控制的方法为：1）控制溶液的浓度；2）选用适当厚度的比色皿；

3．选择适当的参比溶液：a.如果仅有显色剂与被测组分反应的产物有吸收，则可以用纯溶剂作参比溶液；b.如果显色剂和其他试剂有颜色，则用试剂溶液作参比液；c.如果显色剂与试剂中干扰组分反应，其反应产物有吸收，则按如下方式配置参比液：(1)吸收较弱时，直接用试剂溶液作参比液；(2)吸收较强时，可选用合适的掩蔽剂将被测组分掩蔽后再加显色剂和其他试剂，以此配制的溶液作参比液。紫外—可见分光光度法的应用一．紫外-可见分光光度法在定性分析中的应用（一）定性分析：（二）结构分析：原子吸收分光光度法原子吸收分光光度法（AAS）亦称为原子吸收光谱法，它是基于试样蒸气对待测元素特征谱线（共振线）的吸收特性来测定试样中待测元素含量的分析方法。当含有待测元素特征谱线的入射光通过基态的原子蒸气时，原子就会与对应频率的光相互作用，产生共振，电子从基态跃迁至激发态，同时使入射光强度减弱，产生原子吸收光谱，即原子吸收光谱。原子吸收分光光度分析，就是利用处于基态的待测原子蒸气对光源发射的特征谱线光的吸收特性来进行分析测定的。分析过程1-铜空心阴极灯；2-火焰；3-气态铜原子；4-单色器；5-光电检测器；6数据处理及输出装置；

7-原子化系统；8-燃气；9-助燃气；10-含铜试液原子吸收分析示意图比色法与原子吸收分光光度方法不同点相同点吸收机理光源样品状态仪器排布应用定量工作波长/(nm)光度法分子吸收带状光谱连续光源分子或离子的溶液光源→单色器→吸收池→检测器定性分析定量分析结构分析A=κbc190～900原子吸收原子吸收线状光谱锐线光源原子蒸汽光源→原子化器→单色器→检测器定量分析A=κLc190～900特点1.选择性高、干扰少。分析不同元素需选择不同的元素灯，共存元素对被测元素不产生干扰，一般不需要分离共存元素就可以进行测定。2.灵敏度高。用火焰原子吸收分光光度法可测到10-9g/mL数量级。用无火焰原子吸收分光光度法可测到10-13g/mL数量级。3.测定的范围广。它可用来测定70多种元素，既可做痕量组分分析，又可进行常量组分测定。应用无火焰法，试样溶液仅需1～100μL。4.操作简便、分析速度快、用途很广。已在冶金、地质、采矿、石油、轻工、农药、医药、食品及环境监测等方面得到广泛应用。5.局限性。测定一些难熔元素，如稀土元素以及非金属元素不能令人满意；测一种元素就得换一种空心阴极灯，使多元素