使用分光光度計(jì)必備的基礎(chǔ)知識(shí)

• 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(jiǎn)單，但是其原理及一些基礎(chǔ)知識(shí)想必有許多小伙伴也是不了解的，今天鑠思百檢測(cè)小編整理了一部分分享給大家，希望能對(duì)大家有所幫助。

一、分光光度計(jì)原理

1、物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收

當(dāng)光束照射到物質(zhì)上時(shí)，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(guò)某一有色溶液時(shí)，一些波長(zhǎng)的光被溶液吸收，另一些波長(zhǎng)的光則透過(guò)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(jué)到的光定義為可見(jiàn)光。在可見(jiàn)光區(qū)，不同波長(zhǎng)的光呈現(xiàn)不同的顏色，因此溶液的顏色由透射光的波長(zhǎng)所決定。透射光與吸收光可組成白光，故稱(chēng)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(shí)，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(gè)作用稱(chēng)為物質(zhì)對(duì)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(jí)，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(shí)，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(jí)，其基態(tài)和激發(fā)態(tài)能量差也不相同。所以物質(zhì)對(duì)光的吸收具有選擇性。

（3） 吸收曲線

吸收曲線，也稱(chēng)為吸收光譜，描述了物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的光的吸收能力。將不同波長(zhǎng)的光透過(guò)某一固定濃度和厚度的有色溶液，測(cè)量每一波長(zhǎng)下有色溶液對(duì)光的吸收程度（即吸光度），然后以波長(zhǎng)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(zhǎng)不變。若在最大吸收波長(zhǎng)處測(cè)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(cè)定波長(zhǎng)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(guò)液層厚度為b的有色溶液時(shí)，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(guò)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(jiàn)分光光度法等各類(lèi)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(zhǎng)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(guò)單一均勻、非散射的吸光物質(zhì)溶液時(shí)，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(zhǎng)和溶劑的情況下的一個(gè)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(shí)，常以被測(cè)物質(zhì)的總濃度代替吸光物質(zhì)的濃度，實(shí)際上時(shí)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(méi)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)

二、主要部件盡管光度計(jì)種類(lèi)型號(hào)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(cè)系統(tǒng)。

1、光源

在測(cè)量吸光度時(shí)，要求光源發(fā)出所需波長(zhǎng)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(shí)間內(nèi)能保持穩(wěn)定。

在可見(jiàn)光區(qū)測(cè)量時(shí)，通常使用鎢絲燈作為光源。鎢絲加熱到白熾狀態(tài)時(shí)會(huì)發(fā)出波長(zhǎng)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(dòng)會(huì)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(cè)量時(shí)，常采用氫燈或氘燈產(chǎn)生波長(zhǎng)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(gè)紫外可見(jiàn)光區(qū)的連續(xù)輻射，強(qiáng)度應(yīng)比較高，且隨波長(zhǎng)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(zhǎng)。氙燈的強(qiáng)度一般高于氫燈，但欠穩(wěn)定，波長(zhǎng)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(gè)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(zhǎng)的分析測(cè)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(cè)量便于自動(dòng)化，工作波段廣。

3、吸收池

也稱(chēng)為比色皿，是盛放樣品溶液的容器，具有兩個(gè)互相平行、透光且具有精確厚度的平面。

玻璃吸收池光程長(zhǎng)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(duì)光不是完全透明，在做定量分析時(shí)，對(duì)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(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)包括檢測(cè)器和記錄顯示裝置。

檢測(cè)器是一種光電轉(zhuǎn)換設(shè)備，將光強(qiáng)度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)顯示出來(lái)。

常用的檢測(cè)器有光電池、光電倍增管和光二極管陣列檢測(cè)器等。

光電池的光電流較大，不用放大，用于初級(jí)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(lái)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(cè)器由于全部波長(zhǎng)同時(shí)被檢測(cè)，掃描速度快，可在0.1s內(nèi)完成對(duì)190-800nm波長(zhǎng)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(cè)量數(shù)據(jù)，裝有屏幕顯示、打印機(jī)和繪圖儀等。

三、測(cè)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(shí)，首先要把待測(cè)組分轉(zhuǎn)變成有色化合物，然后進(jìn)行比色或光度測(cè)定。

將待測(cè)組分轉(zhuǎn)變成有色化合物的反應(yīng)叫顯色反應(yīng)，與待測(cè)組分形成有色化合物的試劑稱(chēng)為顯色劑。（1）顯色反應(yīng)的選擇

顯色反應(yīng)分兩類(lèi)，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(lái)說(shuō)，當(dāng)ε為104-105時(shí)，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(gè)組分或少數(shù)幾個(gè)組分發(fā)生顯色反應(yīng)。

顯色劑在測(cè)定波長(zhǎng)處無(wú)明顯吸收。通常把兩種有色物質(zhì)最大吸收波長(zhǎng)之差稱(chēng)為對(duì)比度，一般要求顯色劑與有色化合物的對(duì)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(cè)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(guò)量越多，越有利于待測(cè)組分形成有色絡(luò)合物。但是過(guò)量顯色劑的加入有時(shí)會(huì)引起副反應(yīng)，對(duì)測(cè)定反而不利。

酸度對(duì)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(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定的。確定的方法是固定待測(cè)組分及顯色劑的濃度，改變?nèi)芤簆H值，測(cè)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(duì)應(yīng)的pH值作為測(cè)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(guò)一定的時(shí)間才能完成，其長(zhǎng)短與溫度的高低有關(guān)，也會(huì)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(guò)實(shí)驗(yàn)作出在一定溫度下的吸光度-時(shí)間關(guān)系曲線，得到適宜的顯色時(shí)間。

四、干擾的消除

1、干擾的類(lèi)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(cè)定。

a.干擾離子本身有顏色

b.干擾離子本身無(wú)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(cè)定，若生成的配合物無(wú)色，也降低了顯色劑的濃度，影響被測(cè)離子與顯色劑的反應(yīng)，而產(chǎn)生誤差。

c.干擾離子與被測(cè)離子反應(yīng)生成配合物或沉淀，影響被測(cè)離子的測(cè)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(zhǎng)以消除干擾。

e.采用適當(dāng)?shù)姆蛛x方法。

五、吸光度測(cè)量條件的選擇

1、入射光波長(zhǎng)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(shí)的波長(zhǎng)作為入射光的波長(zhǎng)。如顯色劑與鈷絡(luò)合物在420nm波長(zhǎng)處均有最大吸收峰。如用此波長(zhǎng)測(cè)定鈷，則未反應(yīng)的顯色劑會(huì)造成干擾而降低測(cè)定的準(zhǔn)確度。因此必須選擇在500nm波長(zhǎng)處測(cè)定，在此波長(zhǎng)下顯色劑不發(fā)生吸收。而鈷絡(luò)合物則有一吸收平臺(tái)。

2、參比溶液的選擇

（1）如果僅待測(cè)物與顯色劑的反應(yīng)產(chǎn)物有吸收，可用純?nèi)軇?/span>作參比溶液。

（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(wú)吸收時(shí)，可用試樣溶液作參比溶液，當(dāng)顯色劑略有吸收時(shí)，可在試液中加入適當(dāng)掩蔽劑將待測(cè)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(shí)，測(cè)量的相對(duì)誤差最小。

可用兩種方法來(lái)調(diào)整被測(cè)溶液的吸光度：

（1）控制被測(cè)溶液的濃度。如改變?nèi)恿?，改變?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(zhǎng)的比色皿，吸光度大的溶液要用光程短的比色皿。