第8章紫外吸收光谱法 紫外-可见分子吸收光谱法( (ultraviolet- visible molecular absorption pectrometry, UVⅥS),又称紫外-可见分光光度法( ultraviolet-visible spectrophotometry)它是研究分子吸收190-750nm波长范围内的吸收光谱。紫 外可见吸收光谱主要产生与分子价电子在电子能级间的跃迁,是研究物质电子 光谱的分析方法。通过测定分子对紫外-可见光的吸收,可以用于鉴定和定量测 定大量的无机化合物和有机化合物。在化学和临床实验室所采用的定量分析技术 中,紫外可见分子吸收光谱法是应用最广泛的方法之 §9-1光吸收定律 朗伯-比尔定律 分子吸收光谱法是基于测定在光程长度为b(cm)的透明池中,溶液的透射 比T或吸光度A进行定量分析。通常被分析物质的浓度c与吸光度A呈线性关 系,可用下式表示 (9-1) 式中各参数的定义如表9-1所示。该式是朗伯比尔定律的数学表达式,它指出: 当一束单色光穿过透明介质时,光强度的降低同入射光的强度、吸收介质的厚度 以及光路中吸光微粒的数目呈正比。 由于被分析物质的溶液是放在透明的吸收池中测量,在空气吸收池壁以及 吸收池壁溶液的界面间会发生反射,因而导致入射光和透射光的损失。如当黄 光垂直通过空气坡璃或玻璃空气界面时,约有85%的光因反射而被损失。此外, 光束的衰减也来源于大分子的散射和吸收池的吸收。故通常不能按表9-1所示的 定义直接测定透射比和吸光度。为了补偿这些影响,在实际测量中,采用在另
第 8 章 紫外吸收光谱法 紫 外 - 可 见 分 子 吸 收 光 谱 法 (ultraviolet-visible molecular absorption spectrometry,UV-VIS ）， 又 称 紫 外 - 可见分光光度法（ ultraviolet-visible spectrophotometry）。它是研究分子吸收 190~750nm 波长范围内的吸收光谱。紫 外-可见吸收光谱主要产生与分子价电子在电子能级间的跃迁，是研究物质电子 光谱的分析方法。通过测定分子对紫外-可见光的吸收，可以用于鉴定和定量测 定大量的无机化合物和有机化合物。在化学和临床实验室所采用的定量分析技术 中，紫外-可见分子吸收光谱法是应用最广泛的方法之一。 §9-1 光吸收定律 一、朗伯-比尔定律 分子吸收光谱法是基于测定在光程长度为 b（cm）的透明池中，溶液的透射 比 T 或吸光度 A 进行定量分析。通常被分析物质的浓度 c 与吸光度 A 呈线性关 系，可用下式表示： 0 lg t I A abc I = = (9-1） 式中各参数的定义如表 9-1 所示。该式是朗伯-比尔定律的数学表达式，它指出： 当一束单色光穿过透明介质时，光强度的降低同入射光的强度、吸收介质的厚度 以及光路中吸光微粒的数目呈正比。 由于被分析物质的溶液是放在透明的吸收池中测量，在空气/吸收池壁以及 吸收池壁/溶液的界面间会发生反射，因而导致入射光和透射光的损失。如当黄 光垂直通过空气/玻璃或玻璃/空气界面时，约有 8.5%的光因反射而被损失。此外， 光束的衰减也来源于大分子的散射和吸收池的吸收。故通常不能按表 9-1 所示的 定义直接测定透射比和吸光度。为了补偿这些影响，在实际测量中，采用在另一
等同的吸收池中放入溶剂与被分析溶液的透射强度进行比较。 二、吸光度的加和性 当溶液中含有多种对光产生吸收的物质,且各组分间不存在相互作用时,则 该溶液对波长λ光的总吸收光度A等于溶液中每一成分的吸光度之和,即吸光 度具有加和性。可用下式表示 (9-2) 吸光度的加和性在多组分的定量测定中极为有用 三、比尔定律应用的局限性 从式(9-1)可以看出,吸光度与试样溶液的浓度和光程长度呈正比。即当 吸收池的厚度恒定时,以吸光度对浓度作图应得到一条通过原点的直线。但在实 际工作中,测得的吸光度和浓度之间的线性关系常常出现偏差,即不再遵守比尔 定律。引起偏离比尔定律的原因主要来源两个方面:①比尔定律本身的局限性; ②实验条件的因素,它包括化学偏离和仪器偏离。 (-)比尔定律本身的局限性 严格地说,比尔定律只适用于稀溶液,从这个意义上讲,它是一个有限定条 件的定律。在高浓度(>0.01molL·)时,将引起吸收组分间的平均距离减小 以致毎个粒子都可影响其相邻粒子的电荷分布,导致它们的摩尔吸收系数ε发生 改变,从而吸收给定波长的能力发生变化。由于相互作用的程度与其浓度有关, 故使吸光度和浓度间的线性关系偏离了比尔定律。不难想像,在吸收组分低,但 其它组分(特别是电解质)浓度高的溶液中也会产生类似的效应。 (二)化学偏离 在某些物质的溶液中,由于分析物质与溶剂发生缔合、离解、及溶剂化反应
等同的吸收池中放入溶剂与被分析溶液的透射强度进行比较。 二、吸光度的加和性 当溶液中含有多种对光产生吸收的物质，且各组分间不存在相互作用时，则 该溶液对波长 λ 光的总吸收光度 A 等于溶液中每一成分的吸光度之和，即吸光 度具有加和性。可用下式表示： 1 n i i A A = = （9-2） 吸光度的加和性在多组分的定量测定中极为有用。 三、比尔定律应用的局限性 从式（9-1）可以看出，吸光度与试样溶液的浓度和光程长度呈正比。即当 吸收池的厚度恒定时，以吸光度对浓度作图应得到一条通过原点的直线。但在实 际工作中，测得的吸光度和浓度之间的线性关系常常出现偏差，即不再遵守比尔 定律。引起偏离比尔定律的原因主要来源两个方面：①比尔定律本身的局限性； ②实验条件的因素，它包括化学偏离和仪器偏离。 （一）比尔定律本身的局限性 严格地说，比尔定律只适用于稀溶液，从这个意义上讲，它是一个有限定条 件的定律。在高浓度（>0.01mol·L-1）时，将引起吸收组分间的平均距离减小， 以致每个粒子都可影响其相邻粒子的电荷分布，导致它们的摩尔吸收系数 ε 发生 改变，从而吸收给定波长的能力发生变化。由于相互作用的程度与其浓度有关， 故使吸光度和浓度间的线性关系偏离了比尔定律。不难想像，在吸收组分低，但 其它组分（特别是电解质）浓度高的溶液中也会产生类似的效应。 （二）化学偏离 在某些物质的溶液中，由于分析物质与溶剂发生缔合、离解、及溶剂化反应
产生的生成物与被分析物质具有不同的吸收光谱,出现化学偏离。这些反应的进 行,会使吸光物质的浓度与溶液的示值浓度不呈正比例变化,因而测量结果将偏 离比尔定律。例如,未加缓冲剂的重铬酸钾溶液存在下列平衡 Cr 0--+hO 2HCrO- 2Cr02-+2H 在大多数波长处,重铬酸根离子和其它两种铬酸根离子的摩尔吸收系数并不相 同,而溶液的总吸光度与其二聚体和单体间的浓度不成比例变化。而这一比值又 明显地与溶液的稀释程度有关,因此在不同浓度测得的吸光度值和铬(Ⅵ)的总 浓度间的线性关系发生偏离。 (三)仪器偏离 仪器偏离主要是指由于单色光不纯引起的偏离。由于只有采用真正的单色辐 射,才能观测到吸收体系严格遵守比尔定律。事实上,通过波长选择器从连续光 源中分离的波长,只是包括所需波长的波长带,即从连续光源中获得单一波长的 辐射是很难办到的。 实验证明,在吸收物质的吸光度随波长变化不大的光谱区内,采用多色光所 引起的偏离不会十分明显,相反在变化较大的光谱区内所引起的偏离则十分严 重。 §92紫外及可见分光光度计 现在许多紫外及可见分光光度计的测定范围可以延长到近红外光区。它们通 常由5个部分组成⑨①一个或多个辐射源;②波长选择器洶式样容器(吸收池); ④辐射换能器;⑤信号处理器和读出装置。本节则主要介绍在185~3000nm光区 范围的光源和试样池。 辐射源
产生的生成物与被分析物质具有不同的吸收光谱，出现化学偏离。这些反应的进 行，会使吸光物质的浓度与溶液的示值浓度不呈正比例变化，因而测量结果将偏 离比尔定律。例如，未加缓冲剂的重铬酸钾溶液存在下列平衡： 2 2 2 2 7 2 4 4 Cr O H O HCrO CrO H 2 2 2 − − − + + + 在大多数波长处，重铬酸根离子和其它两种铬酸根离子的摩尔吸收系数并不相 同，而溶液的总吸光度与其二聚体和单体间的浓度不成比例变化。而这一比值又 明显地与溶液的稀释程度有关，因此在不同浓度测得的吸光度值和铬（Ⅵ）的总 浓度间的线性关系发生偏离。 （三）仪器偏离 仪器偏离主要是指由于单色光不纯引起的偏离。由于只有采用真正的单色辐 射，才能观测到吸收体系严格遵守比尔定律。事实上，通过波长选择器从连续光 源中分离的波长，只是包括所需波长的波长带，即从连续光源中获得单一波长的 辐射是很难办到的。 实验证明，在吸收物质的吸光度随波长变化不大的光谱区内，采用多色光所 引起的偏离不会十分明显，相反在变化较大的光谱区内所引起的偏离则十分严 重。 §9-2 紫外及可见分光光度计 现在许多紫外及可见分光光度计的测定范围可以延长到近红外光区。它们通 常由 5 个部分组成：①一个或多个辐射源；②波长选择器；③式样容器（吸收池）； ④辐射换能器；⑤信号处理器和读出装置。本节则主要介绍在 185~3000nm 光区 范围的光源和试样池。 一、辐射源
对光源的主要要求是,在仪器操作所需的光谱区域内,能发射连续的具有足 够强度和稳定的辐射,并且辐射能随波长的变化尽可能小,使用寿命长。 紫外及可见区的辐射光源有白炽光源和气体放电光源两类。 在可见和近红外光区的常用光源为白炽光源,如钨灯和碘钨灯等。钨灯可使 用的范围在320nm-2500nm。在可见光区,钨灯的能量输出大约随工作电压的四 次方而变化,为了使光源稳定,必须严格控制电压。碘钨灯是在钨灯泡中引入了 少量的碘蒸气,以防止在高温下工作时,钨蒸气不断在冷的灯泡内壁沉积,从而 延长了灯的使用寿命。 紫外光区主要采用氢灯、氘灯和氙灯等放电灯。当氢气压力为10Pa时,用 稳压电源供电,放电十分稳定,因而光强恒定。放电灯在波长375nm~160nm范 围内发出连续光谱,但在165nm以下为线光谱。在波长>400nm时,氢放电产生 了叠加于连续光谱之上的发射线,所以在这一波长范围内的分析,一般用白炽光 源。氘灯与氢灯的特性相似,不同的是氘灯的辐射强度约高2-3倍,寿命较长 成本较高。应该指出,由于受石英吸收窗的限制,通常紫外光区波长的有效范围 为350nm-200n 氙灯是让电流通过氙气产生强辐射。其强度高于氢灯,但欠稳定。光谱在 20onm-l000nm发射连续光谱,在约50onm处强度最大。为了获得高强度 般通过一个电容器间隙式放电。 二、吸收池 在紫外及可见分光光度法中,一般使用液体试液,试样放在分光光度计光束 通过的液体池中。对吸收池的要求,主要是能透过有关辐射线。紫外光区用石英 吸收池,可见光区可以用玻璃吸收池,而石英吸收池也能透过可见光及3μm的
对光源的主要要求是，在仪器操作所需的光谱区域内，能发射连续的具有足 够强度和稳定的辐射，并且辐射能随波长的变化尽可能小，使用寿命长。 紫外及可见区的辐射光源有白炽光源和气体放电光源两类。 在可见和近红外光区的常用光源为白炽光源，如钨灯和碘钨灯等。钨灯可使 用的范围在 320nm~2500nm。在可见光区，钨灯的能量输出大约随工作电压的四 次方而变化，为了使光源稳定，必须严格控制电压。碘钨灯是在钨灯泡中引入了 少量的碘蒸气，以防止在高温下工作时，钨蒸气不断在冷的灯泡内壁沉积，从而 延长了灯的使用寿命。 紫外光区主要采用氢灯、氘灯和氙灯等放电灯。当氢气压力为 102Pa 时，用 稳压电源供电，放电十分稳定，因而光强恒定。放电灯在波长 375nm~160nm 范 围内发出连续光谱，但在 165nm 以下为线光谱。在波长>400nm 时，氢放电产生 了叠加于连续光谱之上的发射线，所以在这一波长范围内的分析，一般用白炽光 源。氘灯与氢灯的特性相似，不同的是氘灯的辐射强度约高 2~3 倍，寿命较长， 成本较高。应该指出，由于受石英吸收窗的限制，通常紫外光区波长的有效范围 为 350nm~200nm。 氙灯是让电流通过氙气产生强辐射。其强度高于氢灯，但欠稳定。光谱在 200nm~1 000nm 发射连续光谱，在约 500nm 处强度最大。为了获得高强度，一 般通过一个电容器间隙式放电。 二、吸收池 在紫外及可见分光光度法中，一般使用液体试液，试样放在分光光度计光束 通过的液体池中。对吸收池的要求，主要是能透过有关辐射线。紫外光区用石英 吸收池，可见光区可以用玻璃吸收池，而石英吸收池也能透过可见光及 3μm 的
近红外光区 为了减小反射光的损失,吸收池的窗口应完全垂直于光束。典型的可见和紫 外光吸收池的光程长度,般为lcn但变化范围是很大的可从几十毫米到10cm 或更长。由于测得的吸光度数据主要取决于吸收池的匹配情况和被污染的程度 因此在测定时应注意如下几点:①参照池和吸收池应是一对经校正好的匹配吸收 池;②在使用前后都应将吸收池洗净,测量时不能用手接触窗口;③已匹配好的 吸收池不能用炉子或火焰干燥,以免引起光程长度上的改变。 分光光度计的类型 ()单光束分光光度计 束经过单色器的光,轮流通过参比溶液和试样溶液,以进行光强度测量。 单光束仪器的缺点是测量结果受电源的波动影响较大,容易给定量结果带来 较大的误差,因此要求光源和检测系统有很高的稳定度。此外,单光束仪器特别 适用于只在一个波长处作吸收测量的定量分析。 双光束分光光度计 许多现代的光度计和分光光度计都是双光束型。一般双光束型的仪器可分为 两类:按时间区分和按空间区分。它是通过一个快速转动的扇形镜将经单色器的 光一分为二,然后用另一个扇形镜将脉冲辐射再结合进入换能器。目前,一般自 动记录分光光度计是双光束的。它可以连续地绘出吸收(或透射)光谱曲线。由 于两光束同时分别通过参照池和测量池,因而可以消除光源强度变化带来的误 差 闫双波长分光光度计 单光束和双光束分光光度计,就测量波长而言,都是单波长的。它们由一个
近红外光区。 为了减小反射光的损失，吸收池的窗口应完全垂直于光束。典型的可见和紫 外光吸收池的光程长度，一般为 1cn，但变化范围是很大的，可从几十毫米到 10cm 或更长。由于测得的吸光度数据主要取决于吸收池的匹配情况和被污染的程度， 因此在测定时应注意如下几点：①参照池和吸收池应是一对经校正好的匹配吸收 池；②在使用前后都应将吸收池洗净，测量时不能用手接触窗口；③已匹配好的 吸收池不能用炉子或火焰干燥，以免引起光程长度上的改变。 三、分光光度计的类型 ㈠ 单光束分光光度计 一束经过单色器的光，轮流通过参比溶液和试样溶液，以进行光强度测量。 单光束仪器的缺点是测量结果受电源的波动影响较大，容易给定量结果带来 较大的误差，因此要求光源和检测系统有很高的稳定度。此外，单光束仪器特别 适用于只在一个波长处作吸收测量的定量分析。 ㈡ 双光束分光光度计 许多现代的光度计和分光光度计都是双光束型。一般双光束型的仪器可分为 两类：按时间区分和按空间区分。它是通过一个快速转动的扇形镜将经单色器的 光一分为二，然后用另一个扇形镜将脉冲辐射再结合进入换能器。目前，一般自 动记录分光光度计是双光束的。它可以连续地绘出吸收（或透射）光谱曲线。由 于两光束同时分别通过参照池和测量池，因而可以消除光源强度变化带来的误 差。 ㈢ 双波长分光光度计 单光束和双光束分光光度计，就测量波长而言，都是单波长的。它们由一个