|
簡體中文|
English| 發(fā)布日期：2023-03-13 |
紫外-可見吸收光譜的原理
紫外吸收光譜和可見光吸收光譜都屬于分子光譜，他們都是由于價電子的躍遷產(chǎn)生的。紫外-可見吸收光譜分析技術是利用物質(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、含量和結構進行分析、測定和推斷的技術。
在有機或分子化合物中存在σ電子、π電子以及孤對n電子，當分子吸收輻射能時，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)部的結構有密切的關系，這就是紫外-可見吸收光譜能夠用于有機或分子化合物分析的理論基礎。
在無機化合物中，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，若由共價鍵和配位鍵結合，這種變化則會非常明顯。
紫外-可見吸收光譜儀
紫外-可見光吸收光譜儀由如下4個部件組成：
（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，實驗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)，這是因為玻璃在紫外區(qū)具有較強的吸收，這會對紫外吸收的檢測結果造成較大的干擾。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，在本光學教學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。
在本光學教學套件中搭建的紫外-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-可見光吸收光譜的應用
紫外-可見吸收光譜儀廣泛應用于冶金、機械、化工、醫(yī)療衛(wèi)生、臨床檢驗、生物化工、環(huán)境保護、食品、材料科學等領域中，特別適合對各種物質(zhì)進行定量及定性分析。
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，基于這種技術的分析方法已被列入眾多國標方法中，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，還有很多的國標檢測方法中都采用了紫外-可見吸收光譜技術。
紫外-可見吸收光譜法還非常適合于藥物的分析檢測，這是因為大部分藥物都是有機物，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-吸收光譜對藥物進行定性分析，還可以通過與標準樣品光譜相對比來評價藥物的一致性等。
紫外-可見吸收光譜分析技術的應用十分廣泛，在此不一一展開論述。
紫外-可見吸收光譜分析技術的特點
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確度的要求；
儀器價格較低；
操作簡單、測量快速等。
實驗示例：苯酚的紫外光譜的繪制及定量測量
實驗原理
本實驗以苯酚為實驗對象，展示紫外-吸收光譜設備的搭建方法，和紫外-可見吸收光譜的定量分析方法。
由于具有環(huán)狀共軛結構的分子如苯、苯酚等，易產(chǎn)生π→π*躍遷，因此具有這種環(huán)狀共軛結構的分子在紫外光譜均有較強的特征吸收峰。例如，苯在紫外光區(qū)會產(chǎn)生三個特征吸收帶，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準曲線。
實驗儀器和試劑
本實驗所需的儀器和試劑如下表所示：
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，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，可以廣泛應用在理化分析、生物樣品、半導體材料檢測，光學檢測和材料檢測等領域。
相比于傳統(tǒng)CCD探測器，CMOS探測器的應用，在紫外波段具有更好的響應。利用紫外差分吸收光譜技術，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，能夠應用于定性、定量檢測場景。
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，單獨開關控制，具備光路熱開關。氘燈使用時長計時器記錄使用時長，鹵素光源強度線性可調(diào)。氘燈壽命2000小時，鹵素燈壽命6000小時。光源輸出采用SMA905標準光纖接口。
四通液體光譜測量池
比色皿光譜測量支架，含四個準直鏡四通，帶限位卡槽及濾光片插槽，含遮光蓋。
實驗過程
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，這就完成了整個實驗設備的搭建。搭建設備如下圖所示：
3.光譜的采集：
（1）打開氘鎢燈的總開關，再打開氘燈與鎢燈的分控開關，先預熱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：關閉光源的總閘開關，采集一條光譜，該光譜即為暗光譜，再點擊“保存暗光譜”；
（4）保存參比光譜：本次實驗以純水為參比，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，采集一條光譜，再點擊“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，點擊“透射率”按鈕，再點擊“透反輻”，選擇顯示模式為“吸光度”，點擊“保存數(shù)據(jù)”，此時就保存了全譜段的吸光度數(shù)據(jù)。
4.標準曲線的繪制：
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-濃度標準曲線。
5.未知待測樣品濃度的測定。
實驗結果
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個較強的吸收峰，分別為194 nm、219 nm，以及276 nm，并隨著濃度的增加，樣品的特征峰強度也隨之增強。經(jīng)查閱文獻，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276nm處的吸光度
然后，繪制苯酚定量分析的標準曲線，如下圖3所示。
圖3. 不同濃度苯酚溶液特定峰強處的吸光度與濃度關系線性擬合曲線。
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關系，線性擬合系數(shù)為0.9961，標準曲線的方程式是： C = 84.74A - 14.40 最后，將未知樣品的吸光度0.4196代入標準曲線的方程式中，得出未知苯酚樣品的濃度為24.97 mg/L，而真實的濃度為25.00 mg/L，實驗的測量誤差 △ = - 0.03 mg/L。 實驗結論 苯酚在紫外光區(qū)中有3個較強的吸收峰，分別為194 nm、219 nm、276nm；以276nm處的吸光度得到苯酚濃度-吸光度的標準曲線，R2=0.9961，標準曲線的方程式是：C = 84.74 A - 14.40；當未知待測樣品的吸光度為0.4646時，可計算得到苯酚的濃度為24.97 mg/L，測量誤差 △ = - 0.03 mg/L。
