吸收光谱法的浅析

吸收光谱法的浅析2第一节吸收光谱法的基本原理

吸收光谱法（absorptionspectrometry)：利用物质分子、原子或原子核对某一波长范围的光的选择性吸收，对物质进行定性、定量及结构分析。紫外-可见光谱法红外光谱法原子吸收光谱法分子吸收光谱法核磁共振波谱法3一、光谱属性光谱名称波长范围X射线0.1~10nm远紫外光10~200nm近紫外光200~380nm可见光380~780nm近红外光0.78~2.5um中红外光2.5~25um远红外光25~1000um微波0.1~100cm无线电波1～1000m光学光谱区光:一种电磁波；波粒二象性。4单色光复合光光的互补由不同波长的光组合而成的光若两种不同颜色的单色光按一定的强度比例混合得到白光，就称这两种单色光为互补色光，这种现象称为光的互补。蓝黄紫红绿紫黄绿绿蓝橙红蓝绿单一波长的光5/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红不同颜色的可见光波长及其互补光蓝绿6物质对光的吸收具有选择性，若选择性地吸收了某种颜色的光，则呈吸收光的互补光色。例如，当一束白光（复合光）通过硫酸铜溶液时，水合铜离子中的电子发生跃迁，选择性的吸收复合光中的黄光，其他颜色的光不被吸收而透过溶液，故溶液呈现出黄色的互补色——蓝色。7M(基态)+hM*(激发态)二、吸收光谱（AbsorptionSpectrum）光（包含连续分布的一切波长的光）通过物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱，叫做吸收光谱。7

由狭窄谱线组成的光谱。单原子气体或金属蒸气所发的光波均有线状光谱，故线状光谱又称原子光谱。锐线光谱A①线状光谱8S2S1S0hAhhh分子内电子跃迁带状光谱

由一系列光谱带组成。分子中存在电子的运动、分子的振动、转动多种运动形式。分子转动能级的间隔十分密集，在特定范围的波段内用普通分辨率的光谱仪器观察，看到的是连续光谱。②带状光谱9苯(254nm)甲苯(262nm)A230250270苯和甲苯在环己烷中的吸收光谱吸收曲线：将不同波长的单色光依次通过溶液，测量溶液的吸光度A(absorbance)。以波长为横坐标，A为纵坐标作图；又称吸收光谱。吸光度最大处的波长为max。10定性分析定量分析物质对光的选择吸收ABA在一定条件下，物质对光的吸收与物质的浓度成正比。AC增大三、定性分析与定量分析依据11

当一束平行单色光垂直照射到均匀、非散射的样品时，溶液的吸光度与溶液的浓度及光程（溶液的厚度）成正比。A=kbc

A:吸光度；k:比例常数；b:溶液厚度；c:溶液浓度注意：平行单色光均相介质无发射、散射或光化学反应朗伯—比耳定律是吸光光度法的理论基础和定量测定的依据。应用于各种光度法的吸收测量!第二节吸光定律和定量分析方法一、吸光定律（Lambert-Beer定律）12吸光度A与透光率T：

当一束平行单色光照射到任何均匀、非散射的介质（溶液固体、液体或气体），光的一部分被介质吸收，一部分透过溶液、一部分被器皿的表面反射。如果入射光的强度为I0，吸收光的强度为Ia，透过光的强度为It，反射光的强度为Ir，则它们之间的关系为：13

在分光光度测定中，比色皿都是采用相同质地的光学玻璃制成的，反射光的强度基本上是不变的(一般约为入射光强度的4％)，其影响可以抵消，于是可以简化为：透光率（透射比）Transmittance：T取值为0~100.0%全部吸收T=0%全部透射T=100.0%14吸光度与透光率的关系：T=0%，A=∞T=100%，A=0T=36.8%，A=0.43415二.吸光系数Absorptivityk：比例常数入射光波长物质的性质温度取值与浓度的单位相关c：mol/Lk

摩尔吸光系数，L·mol–1·cm-1c：g/Lk

a吸光系数，L·g–1·cm-1c：g/100mLk

比吸光系数，100mL·g–1·cm-1相互关系：M为摩尔质量16ε是吸光物质在一定波长下的特征常数，反映该吸光物质的灵敏度；ε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；在最大吸收波长处的摩尔吸光系数常以εmax表示；17A=abcε=Ma铁（Ⅱ）浓度为5.0×10-4g·L-1

的溶液，与邻二氮菲以1：3的计量比生成橙色络合物。该配合物在波长508nm，比色皿厚度为2.00cm时，测得A=0.190。计算邻二氮菲铁的a和ε。解：a=A/bc=0.190/(2×5.34×10-3)=17.8L·g-1·cm-1ε=Ma=596.48×17.8=1.06×104L·mol-1·cm-1M(Fe(C12H8N2)3)=596.48g/mol18A1=e1bc1A2=e2bc2A

=e1bc1+e2bc2

根据吸光度的加和性可以进行多组分的测定以及某些化学反应平衡常数的测定。

溶液中含有对某一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度之和，三、吸光度的加和性19

a用同质材料的比色管

b配制不同量的标准溶液

c同量的显色剂，相同的实验条件，配成一套标准色阶

d待测物与标准色阶的配制条件相同，置于色阶中比较颜色度一、光度分析方法第三节光度分析的方法和仪器1、目视比色法20目视比色法标准系列未知样品特点利用自然光比较吸收光的互补色光准确度低（半定量）不可分辨多组分方法简便212.光电比色法光电比色计结构示意图通过滤光片得一窄范围的光(几十nm)22

滤光片吸收滤光片：

只允许指定的窄范围波长光通过，其他波长的光均被吸收。选择滤光片的原则：

滤光片透光率最大的光是溶液吸收最大的光,即滤光片的颜色与有色溶液的颜色互补。23

与目视比色法相比，光电比色法提高了测量准确度，而且可以通过选择滤光片来消除干扰，从而提高了选择性。但光电比色计采用钨灯光源和滤光片，只适用于可见光谱区和只能得到一定波长范围的复合光，而不是单色光束。方法：

在光电比色计上测量一系列标准溶液的吸光度，将吸光度对浓度作图，绘制工作曲线。然后根据待测组分溶液的吸光度在工作曲线上查得其浓度或含量。24用仪器代替人眼进行测量，消除了主观误差，提高了准确度；待测溶液中有其它有色物质共存时，可以选择适当的单色光和参比溶液来消除干扰，因而提高选择性；在分析大批试样时，使用标准曲线法可以简化手续，加快分析速度。3.分光光度法（1）优点250.575光源单色器吸收池检测器显示I0It参比样品入射光I0透射光It（2）分光光度计26紫外-可见分光光度计组件光源单色器样品池检测器信号输出氢灯，氘灯，185~350nm；卤钨灯，250~2000nm.作用：将复合光色散成单色光棱镜,光栅玻璃，光学玻璃，石英作用：将光信号转换为电信号，并放大。光电管，光电倍增管，光电二极管，光导摄像管表头、记录仪、屏幕、数字显示27722型分光光度计光源：钨卤素灯－12V、30W波长范围：330～800nm分光元件：光栅，1200线/mm检测器：端窗式G1030光电管 多碱阴极真空管300～850nm波长精度：2nm光谱带宽：6nm波长精度：仪器波长指示器所显示的波长值与仪器对应输出的实际波长值之间的符合程度。可用二者之差来衡量。28产品G-9操作模式主机操作或PC机操作，含联机软件波长范围190

-

1100nm光谱带宽1.8nm/1nm(optional)光学系统双光束，CT式光路；1200

线/毫米激光全息衍射光栅波长精度±0.1

nm（656.1

nm

D2）,±0.3

nm（全波长范围）波长重复率±0.1nm波长分辨率0.1nm光度范围-4

to

4A

;

0-200%T;

-9999

to

9999C光度精度±0.002A(0～0.5A)

±0.004A(0.5～1A)

±0.008A(1～2A)

±0.3%T(0～100%T)光度重复性±0.001A(0～0.5A)

±0.002A(0.5～1A)

±0.004A(1～2A)

±0.15%T(0～100%T)基线平直度±0.0008A（190～1100nm）稳定性±0.0004A/hr

@500nm

,0A光度噪声±0.0003A29分光光度计的主要部件①光源：发出所需波长范围内的连续光谱，有足够的光强度，能量分布均匀，稳定。

/nm钨灯（热辐射光源）4006008001000氙灯（气体放电光源）氢灯强度30常用光源光源波长范围(nm)适用于氢灯185~375紫外氘灯185~400紫外钨灯320~2500可见，近红外卤钨灯250~2000紫外，可见，近红外氙灯180~1000紫外、可见（荧光）能斯特灯1000~3500红外空心阴极灯特有原子光谱激光光源特有各种谱学手段31氙灯氢灯钨灯32②单色器：将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出一任波长单色光的光学系统。

入射狭缝：光源的光由此进入单色器；准光装置：透镜或返射镜使入射光成为平行光束；色散元件：将复合光分解成单色光；棱镜或光栅；聚焦装置：透镜或凹面反射镜，将分光后所得单色光聚焦至出射狭缝；出射狭缝。33棱镜：依据不同波长光通过棱镜时折射率不同.玻璃棱镜适用350～3200nm,石英棱镜适用185～4000nm。

光栅：在镀铝的玻璃表面刻有数量很大的等宽度等间距条痕(600、1200、2400条/mm)。利用光通过光栅时发生衍射和干涉现象而分光。34③吸收池(比色皿)：用于盛待测及参比溶液。

厚度(光程):0.5,1,2,3,5…cm

可见光区：光学玻璃池紫外区：石英池⑤检流计（指示器）： 低档仪器：刻度显示中高档仪器：数字显示，自动扫描记录④检测器：利用光电效应，将光能转换成电流讯号。 光电池，光电管，光电倍增管350.575光源单色器检测器显示（3)分光光度计的类型①单波长单光束分光光度计

简单，价廉，适于在给定波长处测量吸光度或透光度，一般不能作全波段光谱扫描，要求光源和检测器具有很高的稳定性。36②单波长双光束分光光度计可消除光源不稳定、检测器灵敏度变化等因素的影响，特别适合于结构分析。仪器复杂，价格较高。37

将不同波长的两束单色光(λ1、λ2)快速交替通过同一吸收池而后到达检测器。产生交流信号。无需参比池。两波长同时扫描即可获得导数光谱。③双波长紫外可见光谱仪38多通道仪器（MultichannelInstruments）光电二极管阵列(通常具有316个硅二极管)

photodiodearrays(PDAs)

同时测量200～820nm范围内的整个光谱,比单个检测器快316倍,信噪比增加3161/2倍.

其他类型分光光度计纤维光度计

将光度计放入样品中,原位测量.对环境和过程监测非常重要.39选择显色剂优化显色反应条件选择检测波长选择合适的浓度选择参比溶液建立标准曲线第四节定量分析条件40选择性好。一种显色剂最好只与被测组分起显色反应。干扰少，或干扰容易消除。

无特征吸收、无色或浅色的化合物，需要通过适当的反应定量生成对紫外可见光有显著吸收的有色化合物再测定。一、显色反应及影响因素1、显色剂的要求41灵敏度高(ε>104)。产物的化学组成稳定，对于形成不同配位比的配位反应，必须注意控制试验条件，使生成一定组成的配合物，以免引起误差。化学性质稳定。反应物和产物有明显的颜色差别(λ>60nm)。显色反应的条件要易于控制。如果要求过于严格，难以控制，测定结果的再现性差。422、显色剂无机显色剂:过氧化氢，硫氰酸铵，碘化钾显色剂反应类型滴定元素酸度

有色化合物组成颜色测定波长/nm硫氢酸盐配位Fe(Ⅲ)0.1~0.8mol/L硝酸Fe(SCN)52-红

480硫氢酸盐配位Mo(Ⅵ)1.5~2mol/L硫酸MoO(SCN)5-橙

460硫氢酸盐配位W(Ⅴ)同上WO(SCN)4-黄405硫氢酸盐配位Nb(Ⅴ)3~4mol/L盐酸NbO(SCN)4-黄420钼酸铵杂多酸Si

0.15~0.3mol/L硫酸H4SiO4.10MoO3.Mo2O3蓝670~82043偶氮类：偶氮胂III主要用于微量铀、钍、锆和稀土元素的比色测定。有机显色剂：44三苯甲烷类：

三苯甲烷酸性染料铬天菁S三苯甲烷碱性染料结晶紫测定铍、铝等金属和稀土金属。

测定铊、锌、锑、钛、镉、钨、金和汞等。45邻菲罗啉类：肟类：丁二肟

主要用于二价铁、铂、钯的比色测定。

氰化物、镍、钯的光度测定

46络合反应氧化还原反应3、显色反应类型47离子缔合反应成盐反应

484、影响因素由于大多数显色剂是有机弱酸(碱)，介质酸度变化将直接影响显色剂的离解程度和显色反应是否进行完全，改变Δl。影响待测离子的存在状态，防止沉淀。影响络合物组成。①

溶液酸度（pH值及缓冲溶液）49

实验确定金属离子与某种显色剂反应的适宜酸度范围。

固定待测组分及显色剂浓度，改变溶液的pH值，测定其吸光度值，作吸光度(A)与pH值关系曲线，选择曲线平坦部分对应的pH值作为测定条件。50②

显色剂用量生成的有色配合物稳定，对显色剂浓度控制要求不太严格，只要加入稍过量的显色剂，显色反应即能定量进行，适用于光度分析。显色剂浓度在一较窄的范围内时，吸光度值才较稳定，因此必须严格控制。显色剂浓度增大，吸光度不断增大，这种显色反应条件很难控制，一般不适用于光度分析。51③显色反应时间④显色反应温度52⑤干扰离子干扰离子本身有颜色或与显色剂反应生成有色物质，在测量条件下有吸收；干扰离子与被测组分或与显色剂反应，使显色反应不完全；干扰离子在测量条件下析出，使溶液变浑浊。

53例：测定Ti4＋，可加入H3PO4掩蔽剂使Fe3+(黄色)成为Fe(PO４)23-(无色)，消除Fe3+的干扰；用铬天菁S光度法测定Al3+时，加入抗坏血酸作掩蔽剂将Fe3+还原为Fe2+，消除Fe3+的干扰。消除办法：（1）控制酸度，提高反应的选择性。（2）加入隐蔽剂。掩蔽剂不与待测离子反应，与干扰离子反应的生成物不影响待测离子检测。（3）选择合适参比溶液、选择适当波长54二、测定波长的选择选择原则：“吸收最大，干扰最小”灵敏度选择性

一般根据吸收曲线选择溶液的最大吸收波长为测量波长。在此波长处摩尔吸光系数最大，测定灵敏度最高；在此波长处吸光度有一较小的平坦区，能够减小或消除由于单色光不纯而引起的对朗伯—比尔定律的偏离，使测定的准确度提高。55

如果最大吸收波长不在可测范围，或最大吸收波长处有其他物质的吸收干扰，则必须选用其他波长为测量波长。56三、吸光度范围控制吸光度A：0.2～0.8减少测量误差

①控制试液的浓度②选择不同厚度的比色皿。可采取以下措施：

57四、参比溶液选择消除吸收池壁和溶液对入射光的反射和吸收仪器调零扣除干扰实际上是以通过参比溶液的光强作为入射光强度。58⑶如果共存组分、辅助试剂、显色剂均无吸收时，选溶剂作参比，称为“溶剂参比”。⑵如果辅助试剂、显色剂在测定波长有吸收，而样品中共存组分无吸收时，则可按与样品显色反应相同的条件，同样加入溶剂、辅助试剂和显色剂，不加样品的溶液作参比，称为“试剂参比”；⑴如果样品中共存组分在测定波长有吸收，而显色剂无吸收且不与共存组分显色，则可按与样品显色反应相同的条件处理样品，只是不加显色剂，所得的溶液作参比，称为“样品参比”；样品溶液＝待测物（已反应）＋共存组分＋溶剂＋辅助试

剂＋显色剂59五、标准曲线制作理论基础：朗伯-比尔定律相同条件下测定不同浓度标准溶液的吸光度A。A～c作图60对朗伯-比尔定律的偏移：第五节吸光光度法的误差61一、非单色光引起的偏移

入射光的波长为Δl，对于浓度不同的溶液a和b,引起的吸光度的偏差不一样，浓度大，引起的误差大，故在高浓度时线性关系向下弯曲。62二、物理化学因素

为了消除此类误差，须尽可能使空白溶液和试样溶液的试剂的组成接近，即使用“试剂空白”。（1）非均匀介质胶体，悬浮、乳浊等对光产生散射，使实测吸光度增加，导致线性关系上弯。63（2）化学反应

显色反应条件不一致引起的误差。为了得到准确结果，必须选择适当的条件，并且使标准曲线和试样测定在同一条件下进行操作和显色。（3）溶液不符合吸收定律

吸收定律只适用于低浓度的溶液，当溶液浓度较高时，吸光物质的相互作用误差较大。在实际工作中，必须绘制标准曲线，以确定比色测定的适宜浓度范围。64吸光度标尺刻度不均匀：三、吸光度测量的误差A＝0.434

，T＝36.8%

时，测量的相对误差最小A=0.2~0.8,T=15~65%，相对误差<4%

dc/c=dA/A=dT/TlnTEr=dc/c×100％=dA/A×100％=dT/TlnT×100％65仪器设备和操作都比较简单，费用少，分析速度较快。灵敏度较高。如在紫外区直接检测抗坏血酸时，其最低检出浓度可达到10-6g/mL。有较好的选择性。通过适当的选择测量条件，一般可在多种组分共存的体系中，对某一物质进行测定。第六节定量分析方法66精密度和准确度较高。在仪器设备和其他测量条件较好的情况下，其相对误差可减小到1%~2%。满足微量组分的测定要求。用途广泛。在医药、化工、冶金、环境保护、地质等诸多领域，紫外－可见分光光度法不但可以进行定量分析，还可以对被测物质进行定性分析和结构分析，进行官能团鉴定、相对分子质量测定、配合物的组分及稳定常数的测定等等。67一、单组分的测定(纯物质或共存物质不干扰)选择合适的显色反应和显色条件绘出被测组分的吸收光谱曲线(用标液)在λmax下测一系列标准溶液的A值，绘制标准曲线A-c测未知物AX

，从工作曲线上查cX

通常采用A-c

标准曲线法定量测定。68⑴若各组分的吸收曲线互不重叠，则可在各自最大吸收波长处分别进行测定。这本质上与单组分测定没有区别。二、多组分同时测定69Aλ1=εaλ1bca

＋εbλ1bcb

Aλ2=εaλ2bca

＋εbλ2bcb

⑵若各组分的吸收曲线互有重叠，则可根据吸光度的加合性求解联立方程组得出各组分的含量。70目的：提高光度分析的准确度和精密度，解决高浓度组分(i.e.A在0.2~0.8以外)问题。特点：以标准溶液作空白准确度：读数标尺扩展,相对误差减少,

c0愈接近cx,准确度提高愈显著。三、示差吸光光度法71测得的吸光度相当于普通法中待测溶液与标准溶液的吸光度之差ΔＡΔＡ＝εbΔc根据这一原理可用标准计算法和标准曲线法进行定量分析。

原理：设标液浓度cs，待测液为cx，且cx＞cs

，Ax=εbcx

As=εbcs两式相减，得ΔA=Ax－As=εb（cx－cs）72

72

标准计算法

用两种标准溶液，且c1<c2，以c1为参比，分别测c2、cx的吸光度为A2、Ax

，即可求出cx。

标准曲线法

先配制标准系列，以浓度最小的标液作参比，测各自的ΔA及试液的ΔAx，绘制ΔA~Δc标准曲线，即可确定试液的浓度。ΔA△C△CxΔAx（cx>cs）适宜高浓度的测定73示差法提高准确度的实质：常规法TxT051050100

落在测量误差较大的范围示差法T051050100TxTsTs

落在测量误差较小的范围cs:T%=10As=1.000cx:T%=5Ax=1.301如果按常规法测得的Ts=10%的标准溶液作参比溶液，使其透光率从标尺上Ts1=10%处调至Ts2=100%处，相当于把检流计上的标尺扩展到原来的十倍，这样待测试液透光率原来为5%，改用示差法测定时，透光率则是50%，读数落在测量误差很小的区域，从而提高了测定的准确度。74目的：解决浑浊样品光度分析消除背景吸收的干扰多组分同时检测三、双波长吸光光度法使两束不同波长的单色光以一定的时间间隔交替地照射同一吸收池，测量并记录两者吸光度的差值。这样就可以从分析波长的信号中扣除来自参比波长的信号，消除各种干扰，得待测组分的含量。原理：分析方法的灵敏度、选择性及测量的精密度高。优点：75

ΔA与吸光物质浓度成正比。ΔA光源单色器单色器检测器切光器狭缝吸收池12

只用一个吸收池，以试液本身对某一波长的光的吸光度为参比，消除了因试液与参比液及两个吸收池之间的差异引起的测量误差，提高测量的准确度。76单组分的测定：进行单组分的测定，以络合物吸收峰作测量波长，参比波长的选择有：以等吸收点为参比波长;以有色络合物吸收曲线下端的某一波长作为参比波长；以显色剂的吸收峰为参比波长。双波长吸光光度法的应用：混浊试液中组分测定：一般选择待测组分的最大吸收波长为测量波长(λl)，选择与其相近而两波长相差在40~60nm范围内且有较大的ΔA值的波长为参比波长。77两组分共存时的分别测定：当两种组分的吸收光谱有重叠时，要测定其中一个组分就必须消除另一组分的光吸收。选择参比波长和测定波长的条件是:

待测组分在两波长处的吸光度之差ΔA要足够大，干扰组分在两波长处的吸光度应相等。

这样用双波长法测得的吸光度差只与待测组分的浓度成线性关系，与干扰组分无关，从而消除了干扰。78∵∴79

ΔA=Al2-Al1=(

xλ2bcx+

yl2bcy)-(

xl1bcx+

yl1bcy)在等吸光度的位置(G,F),

yl2＝

yl1，则上式成为

ΔA=(

xl2-

xl1）bcxΔA与cx成正比,可用于测定例：苯酚与2,4,6-三氯苯酚(y)混合物中苯酚(x)的双波长分光光度法测定。选l1为参比波长,l2为测量波长Al1=xl1bcx+

yl1bcyAl2=

xl2bcx+

yl2bcy80配c=[HA]+[A-]相等而pH不同的HA溶液;

用pH计测各个溶液的pH值;

在某一波长下（λmaxHAorλMaxA-）用b=1cm，测定各溶液的A值;例：一元弱酸Ka

的测定

HA=H++A-AAHAA-HA

[H+][A-]Ka

=

[HA]一、测定弱酸和弱碱的离解常数第七节吸光光度法的应用81

A=εHA[HA]+εA-[A-]

[H+]Ka

=εHAc————+εAc————...…(1)

[H+]+Ka[H+]+Ka

高酸度时，弱酸全部以酸的形式存在，即c=[HA]，从而测AHA=εHAc

低酸度时，弱酸全部以共轭碱形式存在，即c=[A-]，从而测AA=εAc82

(1)式整理：

AHA[H+]AA-Ka

A=—————+——————...…(2)

[H+]+Ka