紫外可见分光光度计及其应用
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紫外可见分光光度计及其应用

 
  摘要主要介绍了紫外-可见分光光度计的结构、原理、特点及应用。 关键词紫外-可见分光光度计;结构;原理;特点;应用
  分光光度计是杜包斯克(Duboscq)和奈斯勒(Nessleir) 等人在1854年将朗伯比尔定律应用于定量分析化学领 域,并且设计了第一台比色计。到1918年,美国国家 标准局制成了第一台紫外可见分光光度计。此后,紫 外可见分光光度计经不断改进,又出现自动记录、自 动打印、数字显示、微机控制等各种类型的仪器,使 光度法的灵敏度和准确度也不断提高,其应用范围也 不断扩大。紫外可见分光光度法从问世以来,在应用 方面有了很大的发展,尤其是在相关学科发展的基础 上,促使分光光度计仪器的不断创新,功能更加齐全, 使得光度法的应用更拓宽了范围。目前,分光光 度法巳为工农业各个部门和科学研究的各个领域所广 泛釆用,成为人们从事生产和科研的有力测试手段。
  1结构
  一般地,紫外可见分光光度计主要由光源系统、 单色器系统、样品室、检测系统组成(图1)。

光源发 出的复合光通过单色器被分解成单色光,当单色光通 过样品室时,一部分被样品吸收,其余未被吸收的光 到达检测器,被转变为电信号,经电子电路的放大和 数据处理后,通过显示系统给出测量结果。
  图1紫外可见分光光度计结构
  分光光度计的主要部件。
  光源:发出所需波长范围内的连续光谱,有足够的 光强度,稳定。可见光区:钨灯,碘钨灯(320?250Qnm);
  紫外区:氢灯,氘灯(180?375nm;氙灯:紫外、可见光 区均可用作光源。
  单色器:将光源发出的连续光谱分解为单色光 的装置。
  棱镜:依据不同波长光通过棱镜时折射率不同。 光栅:在镀铝的玻璃表面刻有数量很大的等宽度 等间距条痕(600、1200、2400条/mm )。利用光通过光 栅时发生衍射和干涉现象而分光。
  吸收池:用于盛待测及参比溶液。可见光区:光 学玻璃池;紫外区:石英池。
  检测器:利用光电效应,将光能转换成电流讯号。 光电池,光电管,光电倍增管。
  检流计(指示器)刻度显示或数字显示、自动扫 描记录。
  2原理
  物质的吸收光谱本质上就是物质中的分子和原子 吸收了入射光中的某些特定波长的光能量,相应地发 生了分子振动能级跃迁和电子能级跃迁的结果。由于 各种物质具有各自不同的分子、原子和不同的分子空 间结构,其吸收光能量的情况也就不会相同,因此,每 种物质就有其特有的、固定的吸收光谱曲线,可根据 吸收光谱上的某些特征波长处的吸光度的高低判别或 测定该物质的含量,这就是分光光度定性和定量分析 的基础。分光光度分析就是根据物质的吸收光谱研 究物质的成分、结构和物质间相互作用的有效手段。 紫外可见分光光度法的定量分析基础是朗伯-比尔 (Lambert-Beer)定律。即物质在一定浓度的吸光度与它 的吸收介质的厚度呈正比,其数学表示式如下:
 
  A = abc
  式中:A-吸光度;a-摩尔吸光系数;b - 吸收介质的厚度;c 一吸光物质的浓度。
  2.1光学系统原理
  由光源钨灯和氘灯发出的复合光经由步进电机控 制带动反光镜M1,反射通过入射狭缝,并进入单色器 中,光栅衍射出的单色光经准直镜M2调焦,会聚通过 出射狭缝,光束到达斩光器时,一段时间内的光射成 为参比光路,另一段时间内的光透射成为样品光路。最 后两光交替地照射在检测器(光电倍增管)(图2)。
  2.2电器系统原理
 
  图2光学系统原理图
  光电倍增管检测出的信号经由前置放大器,驱 动卡传递给微机控制器,由微机控制器推动驱动卡居 中协调各部分(图3)。
  
  图3电气原理图
  3特点
  分光光度法对于分析人员来说,可以说是最常用 和有效的工具之一。几乎每一个分析实验室都离不开 紫外可见分光光度计。分光光度法具有以下主要特点。 3.1灵敏度高
  由于新的显色剂的大量合成,并在应用研究方 面取得了可喜的进展,使得对元素测定的灵敏度有所 推进,特别是有关多元络合物和各种表面活性剂的应 用研究,使许多元素的摩尔吸光系数由原来的几万提 高到数十万。
  3.2选择性好
  目前巳有些元素只要利用控制适当的显色条件就 可直接进行光度法测定,如钴、铀、镍、铜、银、 铁等元素的测定,已有比较满意的方法了。
  3.3准确度高
  对于一般的分光光度法,其浓度测量的相对误 差在1?3%范围内,如釆用示差分光光度法进行测 量,则误差可减少到0.X%。
  3.4适用浓度范围广
  可从常量(1%-50%)(尤其使用示差法)到痕量(10- 8-10-6%)(经预富集后)。
  3.5分析成本低、操作简便、快速、应用广泛 由于各种各样的无机物和有机物在紫外可见区都 有吸收,因此均可借此法加以测定。到目前为止,几 乎化学元素周期表上的所有元素(除少数放射性元素和 惰性元素之外)均可釆用此法。在国际上发表的有关分 析的论文总数中,光度法约占28%,我国约占所发表 论文总数的33%。
  4应用
  4.1检定物质
  根据吸收光谱图上的一些特征吸收,特别是最 大吸收波长^ max和摩尔吸收系数S,是检定物质的 常用物理参数。
  4.2与标准物及标准图谱对照
  将分析样品和标准样品以相同浓度配制在同一溶 剂中,在同一条件下分别测定紫外可见吸收光谱。 若两者是同一物质,则两者的光谱图应完全一致。 如果没有标样,也可以和现成的标准谱图对照进行比 较。这种方法要求仪器准确,精密度高,且测定条 件要相同。
  4.3比较最大吸收波长吸收系数的一致性
  由于紫外吸收光谱只含有2?3个较宽的吸收带, 而紫外光谱主要是分子内的发色团在紫外区产生的吸 收,与分子和其它部分关系不大。具有相同发色团的 不同分子结构,在较大分子中不影响发色团的紫外吸 收光谱,不同的分子结构有可能有相同的紫外吸收光 谱,但它们的吸收系数是有差别的。如果分析样品和 标准样品的吸收波长相同,吸收系数也相同,则可认 为分析样品与标准样品为同一物质。
  4.4反应动力学研究
  借助于分光光度法可以得出一些化学反应速度常 数,并从两个或两个以上温度条件下得到的速度数据,得出反应活化能。
  4.5纯度检验
  紫外吸收光谱能测定化合物中含有微量的具有紫 外吸收的杂质。如果化合物的紫外可见光区没有明显 的吸收峰,而它的杂质在紫外区内有较强的吸收峰, 就可以检测出化合物中的杂质。
  4.6氢键强度的测定
  不同的极性溶剂产生氢键的强度也不同,这可 以利用紫外光谱来判断化合物在不同溶剂中氢键强度, 以确定选择哪一种溶剂。
  4.7络合物组成及稳定常数的测定
  金属离子常与有机物形成络合物,多数络合物 在紫外可见区是有吸收的,我们可以利用分光光度 法来研究其组成。
  5结语
  紫外可见分光光度法具有仪器价格低廉适用性广 泛,尤其是釆用微机控制以来,该技术得到了突飞猛 进的发展。紫外可见分光光度计的光、机、电、算等 任何一方面的新技术都可能再推动紫外可见分光光度 计整体性能的进步。在追求准确、快速、可靠的同时, 小型化、智能化、在线化、网络化成为了现代紫外可 见分光光度计新的增长点。紫外可见分光光度计 作为一项产业,用户的需求是其发展的根本动力。
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