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English| 發(fā)布日期：2022-06-02 |
紫外吸收光譜和可見光吸收光譜都屬于分子光譜，他們都是由于價(jià)電子的躍遷產(chǎn)生的。紫外-可見吸收光譜分析技術(shù)是利用物質(zhì)的分子或離子對紫外和可見光的吸收所產(chǎn)生的紫外可見光譜，對吸收物質(zhì)的組成、含量和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、測定和推斷的技術(shù)。
在有機(jī)或分子化合物中存在σ電子、π電子以及孤對n電子，當(dāng)分子吸收輻射能時(shí)，這些電子就會躍遷到較高的能級，躍遷形式包括σ→σ*、n→σ*、π→π*和n→π*四種類型，各種躍遷類型所需要的能量依下列次序減?。害摇?>n→σ*>π→π*>n→π*，這種躍遷同分子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系，這就是紫外-可見吸收光譜能夠用于有機(jī)或分子化合物分析的理論基礎(chǔ)。
在無機(jī)化合物中，紫外-可見吸收光譜主要是由電荷轉(zhuǎn)移躍遷和配位場躍遷產(chǎn)生的。
電荷轉(zhuǎn)移躍遷是指分子中的原子在輻射下原定于在金屬M(fèi)軌道上的電荷轉(zhuǎn)移到配位體L的軌道上，或按相反的方向轉(zhuǎn)移的躍遷形式。這種躍遷所產(chǎn)生的吸收光譜也稱為荷移光譜。
配位躍遷包括d-d配位場躍遷、f-f配位場躍遷，以及金屬離子影響下的配位體內(nèi)π→π*躍遷。d-d躍遷是指在配體的作用下過渡金屬離子的d軌道吸收輻射后產(chǎn)生的躍遷；f-f躍遷是鑭系、錒系的f軌道裂分吸收輻射后產(chǎn)生的躍遷；配位體內(nèi)π→π*躍遷是指由于金屬離子的微擾引起的配位躍遷，這種躍遷與成鍵性質(zhì)有關(guān)，若由共價(jià)鍵和配位鍵結(jié)合，這種變化則會非常明顯。
紫外-可見光吸收光譜儀由如下4個(gè)部件組成：
（1）輻射源：必須具有穩(wěn)定的、有足夠輸出功率的、能提供儀器使用波段的連續(xù)光譜，實(shí)驗(yàn)室常用氘鎢燈來作為輻射源。
（2）樣品池：又稱吸收池，用于盛放試液進(jìn)行吸光度的測量，常見的樣品池有石英池和玻璃池兩種，前者適用于紫外到可見光區(qū)，后者只適用于可見光區(qū)，這是因?yàn)椴Ａг谧贤鈪^(qū)具有較強(qiáng)的吸收，這會對紫外吸收的檢測結(jié)果造成較大的干擾。樣品池的的測量光程一般為0.5～10 cm。
（3）檢測器：又稱光電轉(zhuǎn)換器，常用的有光電管、光電倍增管和電耦合器件（CCD），CCD較前二者更靈敏，特別適用于檢測較弱的輻射，在本光學(xué)教學(xué)套件中使用的檢測器就是電耦合器件。
（4）顯示裝置：通常將光譜儀與電腦相連，可以使圖譜、數(shù)據(jù)和操作條件都顯示出來。
在本光學(xué)教學(xué)套件中搭建的紫外-可見吸收光譜儀包括：氘鎢燈、四通液體測量池、光纖、光纖光譜儀。
紫外-可見吸收光譜儀廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械、化工、醫(yī)療衛(wèi)生、臨床檢驗(yàn)、生物化工、環(huán)境保護(hù)、食品、材料科學(xué)等領(lǐng)域中，特別適合對各種物質(zhì)進(jìn)行定量及定性分析。
在冶金行業(yè)中，紫外-可見吸收光譜分析法可用于有色金屬材料、黑色金屬材料的元素含量分析，基于這種技術(shù)的分析方法已被列入眾多國標(biāo)方法中，如《GB/T 6730.9-2016 鐵礦石硅含量的測定硫酸亞鐵銨還原-硅鉬藍(lán)分光光度法》中就是利用硫酸亞鐵銨將硅鉬雜多酸還原為硅鉬藍(lán)后，在波長760nm處測量吸光度，借此測定鐵礦石中硅的含量，除此之外，還有很多的國標(biāo)檢測方法中都采用了紫外-可見吸收光譜技術(shù)。
紫外-可見吸收光譜法還非常適合于藥物的分析檢測，這是因?yàn)榇蟛糠炙幬锒际怯袡C(jī)物，因此大部分藥物能夠在紫外區(qū)產(chǎn)生吸收峰。如可以利用紫外-吸收光譜對藥物進(jìn)行定性分析，還可以通過與標(biāo)準(zhǔn)樣品光譜相對比來評價(jià)藥物的一致性等。
紫外-可見吸收光譜分析技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，在此不一一展開論述。紫外-可見吸收光譜分析技術(shù)的特點(diǎn)是：
靈敏度較高，一般可以測量的濃度下限為10-6g·ml-1，適用于微量和痕量分析；
精密度和準(zhǔn)確度較高，和其他儀器分析方法相比其相對誤差一般在0.2 %～0.5 %，能滿足微量分析對準(zhǔn)確度的要求；
儀器價(jià)格較低；
操作簡單、測量快速等。
實(shí)驗(yàn)原理
本實(shí)驗(yàn)以苯酚為實(shí)驗(yàn)對象，展示紫外-吸收光譜設(shè)備的搭建方法，和紫外-可見吸收光譜的定量分析方法。
由于具有環(huán)狀共軛結(jié)構(gòu)的分子如苯、苯酚等，易產(chǎn)生π→π*躍遷，因此具有這種環(huán)狀共軛結(jié)構(gòu)的分子在紫外光譜均有較強(qiáng)的特征吸收峰。例如，苯在紫外光區(qū)會產(chǎn)生三個(gè)特征吸收帶，分別出現(xiàn)在180nm、204nm左右、以及255nm處，而苯酚在270nm處有特征吸收峰。由于苯酚在紫外光區(qū)的吸光度與含量成正比關(guān)系，符合Lambert-Beer定律，因此可以利用紫外-可見吸收光譜法繪制苯酚含量的標(biāo)準(zhǔn)曲線。
實(shí)驗(yàn)儀器和試劑
本實(shí)驗(yàn)所需的儀器和試劑如下表所示：
光譜儀 | MS11639光纖光譜儀 |
軟件 | UspectralPlus軟件 |
光源 | DH2000氘鹵二合一光源 |
光纖 | DH2000氘鹵二合一光源 |
樣品池 | 石英比色皿 |
四通液體光譜測量池 |
MS11639光纖光譜儀：
MS11639是一款光譜范圍為200nm-1100nm的光纖光譜儀。檢測器采用濱松COMS探測器， 16-bit A/D采樣和75%的量子效率為光譜儀提供高信噪比和大的動態(tài)范圍。 該光譜儀在UV-VIS-NIS具有良好的響應(yīng)性能。相對常見產(chǎn)品， 采用雙閃耀光柵，優(yōu)化了UV 和NIR波段的光譜響應(yīng)，且提升了光譜儀靈敏度20%效率，并有效降低了50%的雜散光。配置雙閃耀光柵的MS11639光譜儀，有效平衡全譜段響應(yīng)，可以廣泛應(yīng)用在理化分析、生物樣品、半導(dǎo)體材料檢測，光學(xué)檢測和材料檢測等領(lǐng)域。
相比于傳統(tǒng)CCD探測器，CMOS探測器的應(yīng)用，在紫外波段具有更好的響應(yīng)。利用紫外差分吸收光譜技術(shù)，非常適合一氧化氮、二氧化硫的檢測。MS11639在0-40℃，光譜波長偏移< 0.1nm，具備良好熱穩(wěn)定性，能夠應(yīng)用于定性、定量檢測場景。
項(xiàng)目 | 值 |
尺寸 | 126mm×91.5mm×40mm |
重量 | ~420g |
探測器 | Hamamatsu 11639 |
波長范圍 | 200-1100nm |
光柵 | 雙閃耀光柵 |
消除高階衍射 | 可選3種前置、4種后置濾光片，以消除光譜中的鬼線 |
光學(xué)平臺 | M型對稱非交叉 C-T式光路 |
狹縫 | 100um |
焦距 | 98mm |
像素 | 2048 pixels |
光學(xué)分辨率（FWHM） | <2.6nm |
信噪比 | 400:1 |
動態(tài)范圍 | 3000:1 |
積分時(shí)間 | 4ms-65 second |
連接器 | Micro USB |
運(yùn)行環(huán)境 | Windows XP，Win7，Win8，Win10 |
適配軟件 | Uspectral Plus（支持?jǐn)?shù)據(jù)自動保存） |
DH2000氘鹵二合一光源：
DH2000氘鹵二合一光源是一款桌面式紫外-可見光源，其光譜范圍為200-2500nm，覆蓋從紫外到近紅外的光譜曲線。氘鹵合束輸出，單獨(dú)開關(guān)控制，具備光路熱開關(guān)。氘燈使用時(shí)長計(jì)時(shí)器記錄使用時(shí)長，鹵素光源強(qiáng)度線性可調(diào)。氘燈壽命2000小時(shí)，鹵素?zé)魤勖?000小時(shí)。光源輸出采SMA905標(biāo)準(zhǔn)光纖接口。
項(xiàng)目 | 值 |
預(yù)熱時(shí)間 | 10 分鐘 |
燈泡壽命 | 氘燈：2000小時(shí) 鹵素?zé)簦?0000小時(shí) |
連接器 | SMA 905 |
能 耗 | 3A @ 24 VDC |
輸入電壓 | 220VAC |
尺寸 | 168×93×53mm |
重量 | 7．0KG |
輸出功率 | 24 W(氘燈) ，5W(鹵素?zé)? |
四通液體光譜測量池：
比色皿光譜測量支架，含四個(gè)準(zhǔn)直鏡四通，帶限位卡槽及濾光片插槽，含遮光蓋。
實(shí)驗(yàn)過程
1.苯酚溶液的配制：
配制濃度分別為5、10、16、25、35、40、45、50（mg/L）的苯酚溶液，其中25 mg/L的溶液作為未知濃度的待測樣品。
2.紫外-可見吸收光譜儀的搭建：
用一根抗紫外石英光纖連接氘鹵二合一光源與四通液體測量池，用另一根光纖連接四通液體光譜測量池與光纖光譜儀；給光譜儀及光源接上電源；再用一根USB數(shù)據(jù)線連接光譜儀與電腦；打開UspectralPlus軟件，這就完成了整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的搭建。搭建設(shè)備如下圖所示：
圖1.吸光度實(shí)驗(yàn)裝置搭建示意圖
3.光譜的采集：
（1）打開氘鎢燈的總開關(guān)，再打開氘燈與鎢燈的分控開關(guān)，先預(yù)熱3至5分鐘；
（2）打開UspectralPlus軟件，選擇透射模式；
（3）保存暗背景光譜：關(guān)閉光源的總閘開關(guān)，采集一條光譜，該光譜即為暗光譜，再點(diǎn)擊“保存暗光譜”；
（4）保存參比光譜：本次實(shí)驗(yàn)以純水為參比，在比色皿中注入純水，將比色皿放入四通液體測量池，蓋上測量池的遮光蓋，打開總閘開關(guān)，采集一條光譜，再點(diǎn)擊“保存明光譜”；
（5）樣品光譜的測量：依次用移液槍將苯酚樣品注于石英比色皿中，將石英比色皿放入四通液體光譜測量池中，點(diǎn)擊“透射率”按鈕，再點(diǎn)擊“透反輻”，選擇顯示模式為“吸光度”，點(diǎn)擊“保存數(shù)據(jù)”，此時(shí)就保存了全譜段的吸光度數(shù)據(jù)。
4.標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制：
選擇苯酚的最大吸收波長，即276nm處的吸光度填入表中，再做出吸光度-濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線。
5.未知待測樣品濃度的測定。
五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果
紫外-可見吸收光譜儀所采集到的不同濃度苯酚溶液的吸收光譜如圖2所示：
圖2. 不同濃度苯酚溶液的吸收光譜
從圖2中可以看到，苯酚在紫外光區(qū)有3個(gè)較強(qiáng)的吸收峰，分別為194 nm、219 nm，以及276 nm，并隨著濃度的增加，樣品的特征峰強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)。經(jīng)查閱文獻(xiàn)，得知常選用276nm處的特征峰作為定量分析的依據(jù)。將276nm處的吸光度填寫在表1。
表1：苯酚在276 nm處的吸光度
編號 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
濃度（mg/L） | 5 | 10 | 16 | 35 | 40 | 45 | 50 | --- |
平均吸光度 | 0.2202 | 0.2863 | 0.3680 | 0.6053 | 0.6290 | 0.7065 | 0.7461 | 0.4646 |
然后，繪制苯酚定量分析的標(biāo)準(zhǔn)曲線，如下圖3所示。
圖3. 不同濃度苯酚溶液特定峰強(qiáng)處的吸光度與濃度關(guān)系線性擬合曲線
由圖得知苯酚溶液的吸光度與其濃度具有較大的線性相關(guān)關(guān)系，線性擬合系數(shù)為0.9961，標(biāo)準(zhǔn)曲線的方程式是：
C = 84.74A - 14.40
最后，將未知樣品的吸光度0.4196代入標(biāo)準(zhǔn)曲線的方程式中，得出未知苯酚樣品的濃度為24.97 mg/L，而真實(shí)的濃度為25.00 mg/L，實(shí)驗(yàn)的測量誤差 △ = - 0.03 mg/L。
六、實(shí)驗(yàn)結(jié)論
苯酚在紫外光區(qū)中有3個(gè)較強(qiáng)的吸收峰，分別為194 nm、219 nm、276 nm；以276nm處的吸光度得到苯酚濃度-吸光度的標(biāo)準(zhǔn)曲線，R2=0.9961，標(biāo)準(zhǔn)曲線的方程式是：C = 84.74 A - 14.40；當(dāng)未知待測樣品的吸光度為0.4646時(shí)，可計(jì)算得到苯酚的濃度為24.97 mg/L，測量誤差 △ = - 0.03 mg/L。
