紫外光谱的应用

紫外光谱分析的应用摘要：紫外吸收法是基于物质对不同波长的紫外光的吸收来测定物质成分和含量的方法。紫外光谱法能够适用于不饱和有机化合物，尤其是共轭体系的鉴定，以此推断未知物的骨架结构，对从分子水平去认识物质世界，推动近代有机化学的发展是十分重要的。采用现代仪器分析方法，可以快速、准确地测定有机化合物的分子结构。近年来紫外光谱在很多方面的研究与应用十分活跃，对实际工作取得了较好的效果。文章综述了近年来紫外光谱法的应用及发展动态。关键词：紫外光谱；应用；检测1、前言光谱学的研究已有一百多年的历史了。1666年，牛顿把通过玻璃棱镜的太阳光分解成了从红光到紫光的各种颜色的光谱，他发现白光是由各种颜色的光组成的。这是可算是最早对光谱的研究。其后一直到1802年，渥拉斯顿观察到了光谱线，其后在1814年夫琅和费也独立地发现它。牛顿之所以没有能观察到光谱线，是因为他使太阳光通过了圆孔而不是通过狭缝。在1814〜1815年之间，夫琅和费公布了太阳光谱中的许多条暗线，并以字母来命名，其中有些命名沿用至今。此后便把这些线称为夫琅和费暗线。实用光谱学是由基尔霍夫与本生在19世纪60年代发展起来的；他们证明光谱学可以用作定性化学分析的新方法，并利用这种方法发现了几种当时还未知的元素，并且证明了太阳里也存在着多种已知的元素。从19世纪中叶起，氢原子光谱一直是光谱学研究的重要课题之一。在试图说明氢原子光谱的过程中，所得到的各项成就对量子力学法则的建立起了很大促进作用。这些法则不仅能够应用于氢原子，也能应用于其他原子、分子和凝聚态物质。具有光学活性的化合物，在紫外一可见光区(200〜800nm)范围内，吸收一定波长的光子后，其价电子在分子的电子能级之间跃迁，由此而产生的分子吸收光谱被称为紫外一可见吸收光谱，简称紫外光谱［1］紫外光谱与电子跃迁有关，在分子中用分子轨道来描述其中电子的状态，分子轨道可以看作是由对应的原子轨道以线性组合而成的，组成分子的两个原子其原子轨道线性组合，就形成了两个不同的分子轨道。其中轨道能量低的为成键分子轨道，是由两原子轨道相加而形成的，另一轨道能量高的为反键分子轨道，是由两原子轨道相减而成的。组成键的两个电子均在能量低的成键分子轨道中，一个自旋向上，一个自旋向下，此状态为分子的基态，但当成键的两个电子分别处在成键分子轨道和反键分子轨道时，分子便处在高能态。当分子受到紫外光的照射，并且紫外光的能量恰好等于分子基态与高能态能量的差额时，就会发生能量转移，从而使电子发生跃迁。当电子从基态向激发态某一震动能级跃迁时，通常我们由基态平衡位置向激发态做垂线，若与某一震动能级的波函数最大处相交，即说明在这个能级电子跃迁的概率最大。当电子能级改变时，振动能级和转动能级也不可避免地会有变化，即电子光谱中不但包括电子跃迁产生的谱线，也有振动谱线和转动谱线，由于溶液中分子间的相互作用，使不同振动一电子跃迁引起的精细结构平滑化，所以得到的宽的紫外光谱峰。2、紫外光谱定量测定木质纤维预水解液中溶解性木素和糠醛含量在传统制浆之前增加预水解段提取木质纤维半纤维素，通过进一步转化可生产高附加值产品，如木糖醇、燃料乙醇等2］，预水解后物料可分离制备木素并获得纸浆。该技术路线复合生物质精炼发展理念，具有技术基础和成本优势。研究发现预水解分离半纤维素过程中，部分木质素也发生降解转化成低分子酚类物质进入到水解液中，这部分物质在半纤维素水解液的生物转化过程中对微生物的发酵行为有很强的活性抑制作用。而且这部分木素酚类物质分子量小，溶解性强，去除困难［3］。准确快速地定量测定预水解液中的溶解性木素酚类物质含量，是预水解液的脱毒处理和降低木素降解溶出新技术研发过程中亟待解决的一个问题。木质纤维原料和纸浆中木素定量通常采用克拉森法和酸溶木素测定法。目前水溶解性木素、借鉴酸溶木素方法，采用紫外分光光度计测定。与原料木素分析法不同，预水解过程是在高温热水体系中进行，预水解液中除了溶解性木素酚类物质外，还含有源于半纤维素和木素的降解产物，如糠醛、5-羟甲基糠醛（5-HMF）、甲酸、乙酸和乙酰丙酸等物质。由戊糖和己糖单元脱水形成的糠醛和羟甲基糠醛（HMF）物质，在280nm附近有紫外特征吸收，柴欣生等采用三波长紫外光谱技术对桉木热水提取液中糠醛和羟甲基糠醛进行了测定，证明方法的可行性。对阔叶材相思木和一年生芦苇在不同预水解条件下的水解液进行190〜600nm范围内的紫外光谱扫描，研究其光谱特征和吸收峰位置；然后对水解液中可能影响木质素测定的物质进行了紫外光谱扫描囹；最后通过硼氢化钠还原消除糠醛类物质的干扰，对水解液中溶解性木素进行了测定，同时依据该方法原理对预水解液中的糠醛类物质也进行了定量分析。a、溶解性木素的定量测定相思木木素的标准曲线reedhgmnconcentraiion/mgjU1芦苇木素的标准曲线相思木、芦苇预水解液提取木素不同浓度在280nm处吸光度工作曲线。由线性回归方程可知，提取木素NaOH溶液浓度与吸光度之间线性相关性较高，分别达到0.9994和0.9997，可用于外标法定量测定。根据水解液还原后280nm处的吸光度值和标准曲线计算各水解液中木素含量，并与传统酸溶木素测定结果进行了比较。b、糠醛的定量测定1.0,v-<).1454j-KJ.OO45(Jl.i)2.0 3.0 4.0 5.0 6.0furfuralcuncjiiilratiwn/ni^J.1糠醛标准曲线糠醛标准物的最大吸收波长为276nm,由图可见该工作曲线的线性相关系数较高，达到0.9987在糠醛类物质和木素共存的溶液体系，由硼氢化钠还原前后紫外光谱特定波长处吸收的差异，根据朗伯-比尔定律，可以计算求得醛类化合物的含量。利用紫外光谱法检测木质纤维预水解液中溶解性木素和糠醛含量，这能够更加准确的测定出木素和糠醛含量，并且通过不同条件的比较可以得出最佳方案，大大的提高了检测的精确度。3、紫外光谱分析监测水质水污染是当今世界水环境面临的最严峻的问题之一，如何有效控制水污染、合理利用和保护水资源已成为世界各国共同关注的热点之一。水质监测⑸可及时、准确、全面地反映水环境质量和污染源状况，是制定切实可行的污染防治规划和水环境保护的前提和基础。目前水质检测采用的主要技术有化学分析技术、原子光谱技术、色谱分离技术、电化学分析技术、生物传感技术以及分子光谱技术⑹。基于电化学分析技术和生物传感技术的水质分析仪虽然便携，但存在使用寿命短，维护成本高等问题。分子光谱分析技术是水环境监测中应用最广泛的技术⑺，而基于直接紫外光谱分析的水质监测是利用有机物及部分无机物吸收紫外光的特性建立紫外吸光度和水质参数浓度的相关模型来获得重要的水质参数，具有无需试剂、实时在线、体积小、成本低、多参数检测等优点，在对饮用水、地表水、工业废水等水体的在线监测中具有显著优势，满足现代水质监测对监测仪器提出的微型便携、现场实时、多参数、低成本等需求，成为水质监测仪器的重要发展方向。水体中的有机污染物特别是不饱和有机物以及部分无机离子对紫外光存在吸收，所以可通过测量水体紫外吸收光谱并结合相关算法来得到相应水质监测数据。水体中的污染物对特定波长紫外光的吸收遵循朗伯一比尔定律，如式(1)所示，当一束平行单色光通过均匀、非散射的稀溶液时，溶液对光的吸收程度与溶液的浓度及吸收层厚度的乘积成正比。A=logI0/I=KCL(1)式中：A为吸光度；I0为入射光强度；I为透射光强度；K为摩尔吸收系数(L-(mol-cm)-1)；c为吸光物质的摩尔浓度(mol-L-1)；L为吸收层厚度(cm)。实际测量过程当中，式(1)中K和L皆为常数，吸光度A与浓度c成正比，且吸光度具有加和性特点，即溶液对某一波长光的吸收等于溶液中各个成分对该波长光的吸收之和，如式(2)所示A=A1+A2+A3+.....+AN(2)直接紫外光谱分析法按照检测方式主要有单光谱检测、连续光谱检测两种方式。单光谱检测主要利用朗伯一比尔定律，通过特定波长处的吸光度求解吸收物质浓度；连续光谱检测在朗伯一比尔定律及其加和性的基础上，结合多元分析方法测量各水质参数，其原理图如图所示：首先将训练样本经过国家标准分析方法和连续紫外光谱采集分别得到样本点浓度矩阵Y和吸光度矩阵X；把训练样本水样的吸光度矩阵X和浓度矩阵Y作为参数输入，运用多元分析方法建立水质参数定量检测模型；然后将未知水样的吸光度矩阵Xtest代入相应水质参数定量检测模型中，预测得到该水样水质参数的浓度值Xtest。基于紫外光谱分析的水质监测主要用于监测水体中的如化学需氧量㈤(COD)、生化需氧量(BOD)、总有机碳(TOC)等有机物综合指标以及部分无机物如硝氮(NO3-N)含量指标。直接紫外光谱分析法按照检测方式主要有以下单光谱检测、连续光谱检测两种方式。单光谱检测：单光谱检测通常采用单管探测器探测水质参数特征波长处的紫外光吸光度，通过对水样进行大量的测量分析，得出测量的吸光度值与水质COD/BOD等参数的回归曲线，即可根据相应关系计算出未知水样的COD/BOD等参数值与传统测试方法相比，单光谱检测具有无需化学试剂、仪表结构简单、维护工作量小等优点。但对于不同性质的水体，由于单光谱法仅用单波长或双波长处吸光度值来反演COD/BOD等水质参数值，存在相关性差、测量精度低等问题。连续光谱检测：连续光谱检测方法为通过扫描水样连续紫外光谱区得到水样吸光度信息，运用多元分析方法提取水质参数光谱数据特征信息，并建立光谱数据和各水质参数浓度之间的校正模型，再根据校正模型演算未知水样的COD/BOD等水质参数值。连续光谱检测方法可解决单光谱检测方法的相关性差、适用范围低、不适合复杂水样测量、精度低等问题，通常结合化学计量学方［9］进行快速分析，是近年来国际上研究的热点。基于紫外光谱分析的水质监测［10］具有实时快速、微型便携、无需试剂、无二次污染、低成本及多参数监测的特点，可广泛应用于饮用水、地表水、工业废水等水体的在线监测。随着分析仪器的微型化发展和分析技术的自动化、网络化发展，基于微型紫外光谱仪和机器学习方法的多参数水质监测微系统网络将成为水质监测领域的一个重要发展方向。该微系统网络将更全面、快速地反映监测区域水质信息，并大大降低如试剂消耗及人工维护等成本，可广泛应用于工业水污染和流域水质监测各领域，具有广大的市场和重大的社会效益。4、紫外光谱法监测阿司匹林合成体系中的阿司匹林和水杨酸阿司匹林,即乙酰水杨酸，是一种常用的解热镇痛和抗风湿类药。阿司匹林由水杨酸和乙酸酐或乙酰氯催化反应制得。氨基磺酸催化合成阿司匹林经济环保、产品收率高、反应时间短，但依靠某一固定时刻来判断反应终点，存在一定的误差。目前，需要一种可实现实时或接近实时的方法保证合成阿司匹林的质量。乙酰水杨酸易水解成水杨酸，以中性乙醇为溶剂、酚酞为指示剂，用NaOH滴定其含量，步骤繁琐，误差较大。高效液相法(HPLC)［11］测量结果精确度高，但分析时间较长。王桂梅［12］提出近红外光谱法实时监控阿司匹林的合成过程，设备费用高。拉曼光谱法［13］可实现阿司匹林过程的监测，但背景干扰大，易受光学系统参数影响。紫外光谱法作为一种简便快速的分析测试方法，与化学计量学多元校正技术结合，能有效地解决紫外吸收光谱共线性现象。偏最小二乘法(PLS)［14］能在变量系统中提取若干对系统具有最佳解释能力的新综合变量即成分，能有效的克服多重相关性造成的信息重叠，区分系统的信息与噪声，提高系统建模的准确度。近年来，将PLS应用于光度法分析领域，在阿司匹林药片和制剂中多组分含量的同时测定方面有了一定的研究，不经分离即可实现多组分的同时测定，为多组分光谱响应重叠的解析提供了一种有效的分析方法。以氨基磺酸催化合成阿司匹林体系为研究对象，以均匀设计配比该混合体系,采集其紫外光谱［15］，结合PLS同时建立水杨酸和阿司匹林的紫外光谱定标模型。利用紫外光谱法结合PLS监测阿司匹林合成过程中的水杨酸和阿司匹林含量的可行性。利用阿司匹林和水杨酸在氨基磺酸催化合成阿司匹林［16］体系中的紫外吸收光谱特性，通过对实验条件的研究和模型的优化，使阿司匹林和水杨酸在氨基磺酸催化合成阿司匹林体系中的吸收光谱得到较好的分辨，建立了快速同时定量分析水杨酸和阿司匹林的模型。该方法快速简便、准确可靠，样品不经处理即可满足阿司匹林和水杨酸的同时测定，实现阿司匹林合成监测，较好地判断反应终点；并为氨基磺酸催化合成阿司匹林优化提供良好的研究基础，可推广应用到其他合成体系的过程监控。5、紫外光谱分析食品食品安全关乎人们健康和国计民生，由质量问题引起的食品安全事故越来越多，所以急需对农副食品品质进行快速无损检测。紫外光谱技术在检测食品中一些威胁人们健康的因素方面有着重要作用。近年来，利用紫外光谱法对食品领域［17］的研究与应用越来越多，因其具有灵敏可靠、实用性强、简便快捷的优点被推广应用。5.1紫外光谱法在检测食品含量孙延春［18］等建立了一种测定可乐饮料中咖啡因含量的紫外光谱分析方法，并将大相比离心萃取应用于仪器分析样品微制备过程。该方法将经过处理的可乐饮料进行了紫外光谱测定，操作方法简单而且快捷，重现性好，相对标准偏差小，在三种可乐饮料中加入不同浓度的咖啡因标准溶液，回收率在96.6%〜106.1%之间，线性范围为0.5〜30mg/t，相关系数为0.9999；检出限为0.001mg/L。将这种方法用于市场上出售的可乐饮料中咖啡因含量分析，取得了满意的结果。蒋琦霞［19］等结合凝胶过滤色谱技术和紫外光谱技术研究了低聚木糖的生产原料以及生产过程中形成的色素。结果表明，聚木糖粗产品中主要有三类色素存在，第一类是来源于玉米芯材料的黑色素；第二类是主要来自于蒸煮过程中产生的焦糖色素；第三类是产生于玉米芯的稀酸预处理和蒸煮过程得到的糖类物质的酸降解产物。活性炭对三类色素均有一定的去除效果，但对相对分子质量为5000的黑色素的去除效果较差.阴离子交换树脂D301-G对低聚木糖液色素的脱除很有效，几乎能够完全脱除低聚木糖液中的焦糖色素。董翠月等用纸色谱结合紫外光谱分析，对甘蓝型油菜种皮中黄酮类色素进行了分离及种类鉴定，发现甘蓝型黑、黄籽油菜种皮中均含有花色素、大量黄酮醇、少量的异黄酮苷及黄酮醇苷。不同之处在于，黑籽中除含有上述成分外还含有大量黄酮，而黄籽中含有大量异黄酮类色素。5.2紫外光谱法在鉴别食品质量叶旭君［20］等采用紫外一可见一近红外分光光度计UV-3600获取菠菜叶片样本的光谱数据，并且用常规物理化学方法和萤火虫荧光素酶生物发光技术，制备和测定细胞原生质体悬浮液及其细胞原生质体的ATP含量，并建立了基于298nm紫外光和730nm近红外光两个特征波长菠菜叶片光谱反射率的细胞原生质体ATP含量的预测模型。结果分析表明，298nm紫外光和730nm近红外光两个特征波长具有预测细胞原生质体ATP含量的潜力(R2=0.8029和0.901)，提出的基于光谱技术的蔬菜细胞ATP含量检测方法为准确、快速、无损的蔬菜新鲜度评价提供一种新的技术途径。李先端[21]等采用紫外光谱鉴别及国标规定方法，比较各种样品的变化情况，酿造白米醋在270nm下有吸收，配置白醋则没有；酿造米醋灰分平均在2.00%左右，酿造白米醋灰分在0.29%左右，配置白醋灰分在0.02%左右，酿造米醋氨基态氮平均在0.121%左右，酿造白米醋氛基态氮在0.009%左右，配置白醋氛基态氮为0。试验方法操作简便、实用可靠，可以作为鉴别酿造醋和配置醋质量真伪的优劣指标。杨研[22]在研究茶褐素的基本性质的基础上，建立了普洱茶中茶褐素的紫外光谱测定方法。结果显示，普洱茶中的茶褐素在270nm下有特征性吸收，可将270nm作为茶褐素的紫外测定波长。试验建立了茶褐素标准品的制样方法和标准曲线，测定结果表明，所建立的方法操作简单，结果也具有一定的可信度，可用于普洱茶及其制品中茶褐素的分析测定。6、总结随着科学技术的迅速发展，紫外光谱分析方法不断完善，新仪器的发展具有如下特点：分析测试的准确度和灵敏度不断提高，分析速度进一步加快。随着分析仪器的微型化发展和分析技术的自动化、网络化发展，基于微型紫外光谱仪和机器将适用于越来越多的检测。新领域、新方法不断出现，各学科的新成就被应用到分析中；联用分析技术已成为当前分析方法发展的方向。由于现代科学技术的发展，对信息量及分析速度的要求都在提高，采用一种分析技术已无法满足分析任务的要求，于是将几种分析技术结合组成联用技术，相互取长补短，从而提高方法的灵敏度、准确度以及对复杂物质的分辨能力。使操作和数据处理快速、准确和简便化、自动化，使分析方法大为改观，紫外光谱应用范围日益扩大，并已成为科学技术的先进领域和现代实验化学的重要支柱。参考文献赵全友，王慧敏，李玉春，等.基于紫外光谱法的水质化学需氧量在线检测技术[J].仪器仪表学报,2010,31(9):1927—1932.YangMingni,ChaiLianzhou,ZhangGuiqin,etaMicrowaveirradiationpromotingacidhydrolysisofstrawpoleintoreducingsugarinionicliquid[Bmin]Cl[J].CIESCJournal,2011,62(S2):90-96.ShiHaiqiang,FatehiPedram,XiaoHuining,NiYonghao.Acombinedacidification/PEOflocculationprocesstoimprovetheligninremovalfromthepre-hydrolysisliquorofkraft-baseddissolvingpulpproductionprocess[J].BioresourceTechnology,2011,102(1):5177-5182.赵旭红，石海强,张健，等.紫外光谱定量测定木质纤维预水解液中溶解性木素和糠醛含量[J].化工学报,2015,(06):2295-2302.陈玥.城币供水水质异常检测方法研究[D].浙江大学,2013.CatherineGonzalez,PhilippeQuevauviller,RichardGreenwood.RapidChemicalandBiologicalTechniquesforWaterMonitoring.Chichester:JohnWiley&SonsLtd,2009.ThomasO.UV-VisibleSpectrophotometry