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【干貨】使用分光光度計(jì)必備的基礎(chǔ)知識

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2022-12-06
核心提示: 分光光度法是指應(yīng)用分光光度計(jì)的分析方法,因其具有靈敏、準(zhǔn)確、快速及選擇性好等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室的元素分析,分光
 分光光度法是指應(yīng)用分光光度計(jì)的分析方法,因其具有靈敏、準(zhǔn)確、快速及選擇性好等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室的元素分析,分光光度計(jì)的使用雖然簡單,但是其原理及一些基礎(chǔ)知識想必有許多小伙伴也是不了解的,今天小編整理了一些分享給大家,希望能對你有所幫助。

原理

1、物質(zhì)對光的選擇性吸收
當(dāng)光束照射到物質(zhì)上時,光與物質(zhì)發(fā)生相互作用,產(chǎn)生反射、散射、吸收或透射。若被照射的是均勻溶液,光的散射可以忽略。

(1)溶液顏色的產(chǎn)生
當(dāng)一束白光通過某一有色溶液時,一些波長的光被溶液吸收,另一些波長的光則透過溶液。透射光或反射光刺激人眼使人感到顏色的存在。人把自身能感覺到的光定義為可見光。在可見光區(qū),不同波長的光呈現(xiàn)不同的顏色,因此溶液的顏色由透射光的波長所決定。透射光與吸收光可組成白光,故稱這兩種光互為補(bǔ)色光,兩種顏色互為補(bǔ)色。
(2)光吸收的本質(zhì)
當(dāng)一束光照射到某物質(zhì)或其溶液時,組成該物質(zhì)的分子、原子或離子與光子發(fā)生“碰撞”,光子的能量就轉(zhuǎn)移到分子、原子或離子上,是這些粒子由最低能態(tài)(基態(tài))躍遷到較高能態(tài)(激發(fā)態(tài)),這個作用稱為物質(zhì)對光的吸收。
被激發(fā)的粒子約在10-8s后回到基態(tài),并以熱或熒光等形式釋放出能量。分子、原子或離子具有不連續(xù)的量子化能級,僅當(dāng)照射光光子的能量hυ,與被照射物質(zhì)粒子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)能量之差相當(dāng)時,才能發(fā)生吸收。不同物質(zhì)微粒由于結(jié)構(gòu)不同而具有不同的量子化能級,其基態(tài)和激發(fā)態(tài)能量差也不相同。所以物質(zhì)對光的吸收具有選擇性。
(3) 吸收曲線
吸收曲線,也稱為吸收光譜,描述了物質(zhì)對不同波長的光的吸收能力。將不同波長的光透過某一固定濃度和厚度的有色溶液,測量每一波長下有色溶液對光的吸收程度(即吸光度),然后以波長為橫坐標(biāo),以吸光度為縱坐標(biāo)作圖,繪制的曲線即為吸收曲線。
不同濃度的同一物質(zhì),在吸收峰附近的吸光度隨著濃度增加而增大,但最大吸收波長不變。若在最大吸收波長處測定吸光度,則靈敏度最高。因此,吸收曲線是分光光度法中選擇測定波長的重要依據(jù)。
2、光吸收基本定律
即朗伯-比爾定律:
當(dāng)一束平行單色光通過液層厚度為b的有色溶液時,溶質(zhì)吸收了光能,光的強(qiáng)度就要減弱。溶液的濃度越大,通過的液層厚度越大,入射光越強(qiáng),則光被吸收的越多,光強(qiáng)度的減弱也越顯著。該定律是紫外可見分光光度法等各類吸光光度法定量分析的依據(jù),是由實(shí)驗(yàn)觀察得到的,不僅適用于溶液,也適用于其他均勻非散射的吸光物質(zhì)。
A=lg(I/I0)=εbc
A-吸光度;
I0-入射光強(qiáng)度,cd;
I-透射光強(qiáng)度,cd;
ε-吸光系數(shù),L/(mol˙cm);
b-液層厚度(光程長度),cm;
c-有色溶液的濃度,mol/L。
其物理意義為:當(dāng)一束平行單色光通過單一均勻、非散射的吸光物質(zhì)溶液時,溶液的吸光度與溶液濃度和液層厚度的乘積成正比。
式中ε是吸光物質(zhì)在特定波長和溶劑的情況下的一個特征常數(shù),數(shù)值上等于濃度為1mol/L的吸光物質(zhì)在1cm光程中的吸光度。ε是吸光物質(zhì)吸光能力的量度,ε值越大,方法的靈敏度越高。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算ε時,常以被測物質(zhì)的總濃度代替吸光物質(zhì)的濃度,實(shí)際上時表觀摩爾吸光系數(shù)。在多組分體系中,如果各種吸光物質(zhì)之間沒有相互作用,體系的總吸光度等于各組分吸光度之和,即吸光度具有加和性。
透光度T是透射光強(qiáng)度I與入射光強(qiáng)度I0之比,即:
T=I/I0
因此:A=lg(1/T)


主要部件

盡管光度計(jì)種類型號繁多,但它們都是由相同的基本部件組成的,包括光源、單色器、吸收池和檢測系統(tǒng)。
1、光源
在測量吸光度時,要求光源發(fā)出所需波長范圍內(nèi)的連續(xù)光譜,要具有足夠的光強(qiáng)度,并在一定時間內(nèi)能保持穩(wěn)定。
在可見光區(qū)測量時,通常使用鎢絲燈作為光源。鎢絲加熱到白熾狀態(tài)時會發(fā)出波長在320~2500nm之間的連續(xù)光譜。鎢絲燈工作溫度一般為2600~2870K,熔點(diǎn)為3680K。鎢絲燈的溫度決定于電源電壓,電源電壓的微小波動會引起鎢燈光強(qiáng)度的很大變化,因此必須使用穩(wěn)壓電源。
在紫外區(qū)測量時,常采用氫燈或氘燈產(chǎn)生波長在180~375nm之間的連續(xù)光譜作為光源。其理想光源應(yīng)具有覆蓋整個紫外可見光區(qū)的連續(xù)輻射,強(qiáng)度應(yīng)比較高,且隨波長變化能量變化不大,但在實(shí)際上難以實(shí)現(xiàn)。氘燈輻射強(qiáng)度比氫燈高2~3倍,壽命也比較長。氙燈的強(qiáng)度一般高于氫燈,但欠穩(wěn)定,波長范圍180~1000nm,常用作熒光分光光度計(jì)的激發(fā)光源。
2、單色器
單色器是將光源發(fā)射的復(fù)合光分解為單色光的裝置。
一般由5部分組成:入光狹縫、準(zhǔn)光氣(一般由透鏡或凹面反光鏡使入射光成為平行光束)、色散器、投影器(一般由一個透鏡或凹面鏡將分光后的單色光投影至出光狹縫)、出光狹縫。
色散器是單色器的核心部分,常用的色散元件是棱鏡或光柵。
棱鏡由玻璃或石英制成,玻璃棱鏡色散能力強(qiáng),但吸收紫外光,只能用于350-820nm波長的分析測定,在紫外區(qū)必須用石英棱鏡。
光柵的特點(diǎn)是:色散均勻,呈線性,光度測量便于自動化,工作波段廣。
3、吸收池
也稱為比色皿,是盛放樣品溶液的容器,具有兩個互相平行、透光且具有精確厚度的平面。
玻璃吸收池光程長度一般為1cm,也有0.1-10cm的。
由于吸收池厚度存在一定誤差,其材質(zhì)對光不是完全透明,在做定量分析時,對吸收池應(yīng)做配套性試驗(yàn),試驗(yàn)后標(biāo)記出放置方向。
紫外光區(qū)數(shù)值不跳為石英。
4、檢測系統(tǒng)
檢測系統(tǒng)包括檢測器和記錄顯示裝置。
檢測器是一種光電轉(zhuǎn)換設(shè)備,將光強(qiáng)度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栵@示出來。
常用的檢測器有光電池、光電倍增管和光二極管陣列檢測器等。
光電池的光電流較大,不用放大,用于初級的分光光度計(jì)上,疲勞效應(yīng)嚴(yán)重。
光電倍增管利用二次電子發(fā)射來放大光電流,放大倍數(shù)可高達(dá)108倍,應(yīng)用最為廣泛。
光二極管陣列檢測器由于全部波長同時被檢測,掃描速度快,可在0.1s內(nèi)完成對190-800nm波長范圍的掃描。
記錄顯示裝置包括放大器和結(jié)果顯示裝置。70年代采用數(shù)字讀出裝置。現(xiàn)代在主機(jī)中裝備有微處理機(jī)或外接微型計(jì)算機(jī),控制儀器操作和處理測量數(shù)據(jù),裝有屏幕顯示、打印機(jī)和繪圖儀等。


測量條件的選擇

1、顯色反應(yīng)及顯色條件的選擇
進(jìn)行比色分析或光度分析時,首先要把待測組分轉(zhuǎn)變成有色化合物,然后進(jìn)行比色或光度測定。
將待測組分轉(zhuǎn)變成有色化合物的反應(yīng)叫顯色反應(yīng),與待測組分形成有色化合物的試劑稱為顯色劑。(1)顯色反應(yīng)的選擇
顯色反應(yīng)分兩類,即絡(luò)合反應(yīng)和氧化還原反應(yīng),絡(luò)合反應(yīng)是最主要的顯色反應(yīng)。
選用的原則是:
選擇靈敏的顯色反應(yīng)。摩爾吸光系數(shù)ε的大小是顯色反應(yīng)靈敏度高低的重要標(biāo)志,因此應(yīng)當(dāng)選擇生成的有色物質(zhì)的ε較大的顯色反應(yīng)。一般來說,當(dāng)ε為104-105時,可認(rèn)為該反應(yīng)靈敏度較高。
盡可能選擇選擇性好的顯色劑。即顯色劑僅與一個組分或少數(shù)幾個組分發(fā)生顯色反應(yīng)。

顯色劑在測定波長處無明顯吸收。通常把兩種有色物質(zhì)最大吸收波長之差稱為對比度,一般要求顯色劑與有色化合物的對比度在60nm以上。

反應(yīng)生成的有色化合物組成恒定,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。
(2)顯色條件的選擇
吸光光度法測定的是顯色反應(yīng)達(dá)到平衡后溶液的吸光度,因此要得到準(zhǔn)確的結(jié)果,必須從研究平衡著手,了解影響顯色反應(yīng)的因素,控制適當(dāng)?shù)臈l件,使顯色反應(yīng)完全和穩(wěn)定。
根據(jù)溶液平衡原理,有色絡(luò)合物的穩(wěn)定常數(shù)越大,顯色劑過量越多,越有利于待測組分形成有色絡(luò)合物。但是過量顯色劑的加入有時會引起副反應(yīng),對測定反而不利。

酸度對顯色反應(yīng)的影響是多方面的。一種金屬離子與某種顯色劑反應(yīng)的適宜酸度范圍是通過實(shí)驗(yàn)來確定的。確定的方法是固定待測組分及顯色劑的濃度,改變?nèi)芤簆H值,測定其吸光度,作出吸光度-pH值關(guān)系曲線,選擇曲線平坦部分對應(yīng)的pH值作為測定條件。

顯色反應(yīng)一般在室溫下進(jìn)行,有的反應(yīng)需要加熱,以加速顯色反應(yīng),使之進(jìn)行完全。

大多數(shù)顯色反應(yīng)需要經(jīng)過一定的時間才能完成,其長短與溫度的高低有關(guān),也會受到空氣的氧化或發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)使眼色顏色減弱。因此必須通過實(shí)驗(yàn)作出在一定溫度下的吸光度-時間關(guān)系曲線,得到適宜的顯色時間。

干擾的消除


1、干擾的類型
光度分析中,共存離子如本身有顏色,或與顯色劑作用生成有色化合物,都將干擾測定。
a.干擾離子本身有顏色
b.干擾離子本身無顏色,但能與顯色劑反應(yīng)生成穩(wěn)定的配合物。若生成的配合物有色則直接干擾測定,若生成的配合物無色,也降低了顯色劑的濃度,影響被測離子與顯色劑的反應(yīng),而產(chǎn)生誤差。
c.干擾離子與被測離子反應(yīng)生成配合物或沉淀,影響被測離子的測定。

2、消除干擾的方法
a.控制溶液酸度。
b.加入掩蔽劑與干擾離子形成更穩(wěn)定的化合物,使干擾離子不再產(chǎn)生干擾。
c.里用參比溶液消除某些有色干擾離子的影響。
d.選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ鞑ㄩL以消除干擾。
e.采用適當(dāng)?shù)姆蛛x方法。

吸光度測量條件的選擇


1、入射光波長的選擇
應(yīng)根據(jù)吸收光譜曲線,選擇溶液具有最大吸收時的波長作為入射光的波長。如顯色劑與鈷絡(luò)合物在420nm波長處均有最大吸收峰。如用此波長測定鈷,則未反應(yīng)的顯色劑會造成干擾而降低測定的準(zhǔn)確度。因此必須選擇在500nm波長處測定,在此波長下顯色劑不發(fā)生吸收。而鈷絡(luò)合物則有一吸收平臺。
2、參比溶液的選擇
(1)如果僅待測物與顯色劑的反應(yīng)產(chǎn)物有吸收,可用純?nèi)軇┳鲄⒈热芤骸?br /> (2)如果顯色劑或其他試劑略有吸收,應(yīng)用空白溶液(不加試樣的溶液)作參比溶液。
(3)如試樣中其他組分有吸收,但不與顯色劑反應(yīng),則當(dāng)顯色劑無吸收時,可用試樣溶液作參比溶液,當(dāng)顯色劑略有吸收時,可在試液中加入適當(dāng)掩蔽劑將待測組分掩蔽后再加顯色劑,以此溶液作參比溶液。
3、吸光度讀數(shù)范圍的選擇
實(shí)踐證明,吸光度在0.2-0.5內(nèi)時,測量的相對誤差最小。
可用兩種方法來調(diào)整被測溶液的吸光度:
(1)控制被測溶液的濃度。如改變?nèi)恿浚淖內(nèi)芤旱臐饪s倍數(shù)或稀釋倍數(shù)。
(2)選擇不同的比色皿。吸光度小的溶液要用光程長的比色皿,吸光度大的溶液要用光程短的比色皿。


文章(文字)來源:網(wǎng)絡(luò)
編輯:songjiajie2010

 
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