第十章 分光光度法
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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(320~2500nm) 紫外区:氢灯,氘灯(180~375nm)
单色器:将光源发出的连续光谱分解为单色光的 装置。
棱镜:玻璃350~3200nm, 石英185~4000nm
光栅:波长范围宽, 色散均匀,分辨性能好, 使用方便
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2. 显色剂
无机显色剂: SCN- [Fe(SCN)]2+
H2O2 [TiO· H2O2]2+
有机显色剂:
生色团:-N=N-,-N=O,
O O
C=S,-N
: : :
(共轭双键)πe
:
助色团-NH2,-OH,-X (孤对电子)ne
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有机显色剂
OH
OO型:
SO3H
COOH
磺基水杨酸
NN型:
N N
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桑德尔灵敏度(S):
定义:当仪器的检测极限为A=0.001时,单位
截面积光程内所检出的吸光物质的最低含量。
定义式: S=Cminb(C: g/cm3 ; b: cm) 推导式:S=M/(g/cm2)
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6.1.3 比色法和吸光光度法及仪器
1.目视比色法
观察方向
cc 12
c1
c2
c3
c3
色光垂直照射到长度为 b 的液层、浓度为 c 的溶液 时,由于溶液中吸光质点(分子或离子)的吸收,通 过溶液后光的强度减弱为It:
A=lg(I0/It)=kbc
吸光度 介质厚 度(cm)
Io 1 A lg lg I T
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吸光度与光程的关系 A = bc
吸光度
光源
0.00
检测器
吸光度
光源
化学分析与仪器分析方法比较
化学分析:常量组分(>1%), Er 0.1%~0.2% 依据化学反应, 使用玻璃仪器 仪器分析:微量组分(<1%), Er 1%~5% 灵敏度高 依据物理或物理化学性质, 需要特殊的仪器 例: 含Fe约0.05%的样品, 称0.2g, 则m(Fe)≈0.1mg
重量法 m(Fe2O3)≈0.14mg, 称不准 容量法 V(K2Cr2O7)≈0.02mL, 测不准 光度法 结果0.048%~0.052%, 满足要求
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[FeR 3 ] lg [Fe]
pH3~8为适宜
的酸度范围
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(6)干扰及其消除方法
a. 控制溶液酸度 b.加入掩蔽剂 选取的条件是掩蔽剂不与待测离子作 用,掩蔽剂以及它与干扰物质形成的络合物的颜色 应不干扰待测离子的测定。 c.利用氧化还原反应,改变干扰离子的价态 d.利用校正系数 e.用参比溶液消除显色剂和某些共存有色离子的干扰。 f.选择适当的波长 g.当溶液中存在有消耗显色剂的干扰离子时,可通过 增加显色剂的用量来消除干扰。 h.分离 以上方法均不奏效时,采用预先分离的方法。
波长等条件一定时,ε 仅与吸收物质本身的性质有
关,与待测物浓度无关;
(3)可作为定性鉴定的参数;
(4)同一吸收物质在不同波长下的ε 值是不同的。在 最大吸收波长λ 示。ε
max处的摩尔吸光系数,常以ε max表 max表明了该吸收物质最大限度的吸光能力,
也反映了光度法测定该物质可能达到的最大灵敏度
。
当c的单位用mol· L-1表示时,用表示.
-摩尔吸光系数 Molar Absorptivity
A= bc
越大, 灵敏度越高: 104~5×104 为中等灵敏度; >105为高灵敏度; <104为低灵敏度.
的单位: L· mol-1· cm1
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• 2.摩尔吸光系数ε 的讨论 (1)吸收物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数 (2)不随浓度c和光程长度b的改变而改变。在温度和
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邻二氮菲-亚铁反应完全度与pH的关系
Fe2++3R
+
β3 H+
柠檬酸 A H
FeR3
β3=1021.3
c(R)≈[R´]=10-4mol· L-1
[FeR 3 ] 3 3 ' 3 3 [Fe'][R'] Fe(A) R(H)
[FeR 3 ] lg lg 3 lg Fe(A) 3lg R(H) 3lg[R'] [Fe']
物质的颜色是因物质对不同波长的光具有 8 选择性吸收作用而产生的。
* 吸收光谱曲线或光吸收曲线( absorption curve): 以波长为横坐标,吸光度为纵坐标作图。 * 最大吸收波长(maximum absorption wavelengh ):光
吸收程度最大处的波长,用λmax表示
* 吸光度(absorbance)
0.22
b
检测器
吸光度
0.44
样品
b 样品 b 样品 光源
检测器
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吸光度与浓度的关系 A = bc
吸光度
光源
0.00
检测器 吸光度
光源
0.22
b
检测器 吸光度
0.42
b
光源
检测器
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K 吸光系数 Absorptivity
当c的单位用g· L-1表示时,用a表示,
A=abc
a的单位: L· g-1· cm-1
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3. 溶液中溶质分子对光的吸收与吸收光谱
不同颜色的可见光波长及其互补光
/nm 400-450 450-480 480-490 490-500 颜色 紫 蓝 绿蓝 蓝绿 互补光 黄绿 黄 橙 红
500-560
560-580 580-610 610-650 650-760
绿
黄绿 黄 橙 红
红紫
紫 蓝 绿蓝 蓝绿
(5)在λmax处吸光度随浓度变化的幅度最大
,所以测定最灵敏。吸收曲线是定量分析中选
择入射光波长的重要依据。
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3.目视比色法和吸光光度法的特点
• 特点
– 灵敏度高:测定下限可达10-5~10-6mol/L, 10-4 %~10-5 % – 准确度能够满足微量组分的测定要求: 相对误差2~5% (1~2%) – 操作简便快速 – 应用广泛c
c4
c4
方便、灵敏,准确度差。常用于限界分析。
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2. 吸光光度法和分光光度计
通过棱镜或光栅得到一束近似的单色光.
波长可调, 故选择性好, 准确度高.
光源
单色器 吸收池 检测系统
稳压电源
分光光度法的基本部件
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722型分光光度计结构方框图
《基础分析化学实验》p93
光 源
分光 系统 吸收池 检测系统
(1)同一种物质对不同波长光的吸光度不同。 吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长 λmax (2)不同浓度的同一种物质,其吸收曲线形 状相似λmax不变。而对于不同物质,它们的吸 收曲线形状和λmax则不同。
(3)吸收曲线可以提供物质的结构信息,并 作为物质定性分析的依据之一。
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(4)不同浓度的同一种物质,在某一定波长下 吸光度 A 有差异,在λmax处吸光度A 的差异 最大。此特性可作为物质定量分析的依据。
380nm 780 nm ~ 780nm ~ 2.5 m
2.5 m ~ 50 m
6
* 单色光:具同一波长的光。 * 复合光:由不同波长组成的光。 * 紫外光:波长200~400 nm。 * 可见光:人眼能感觉到的光,波长在 400~750 nm。它是由红、橙、黄、绿、青、 蓝、紫等各种色光按一定比例混合而成的 * 波段:各种色光的波长范围不同。 * 互补色光:按一定比例混合,得到白光。
* 影响络合物的组成 • pH与吸光度关系曲线确定pH 范围。
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(2)显色剂的用量 M(被测组分)+R(显色剂) ==MR(有色络合物) 为使显色反应进行完全,需加入过量的显色剂。 但 显色剂不是越多越好。有些显色反应,显色剂加人太 多,反而会引起副反应,对测定不利。在实际工作中 根据实验结果来确定显色剂的用量。
邻二 氮菲
N OH
CH3-C-C-CH3 HO-N
OH
= =
N-OH
丁二 酮肟
ON型:
N N
PAR
NH NH
S型 :
S N N
双硫腙
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6.2.2 显色条件的选择
实验条件包括:溶液酸度,显色剂用量,试剂 加入顺序,显色时间,显色温度,有机络合物的 稳定性及共存离子的干扰等。 (1)溶液的酸度 M+HR===MR+H+ * 影响显色剂的平衡浓度和颜色 * 影响被测金属离子的存在状态
透射比愈大,表示它对光的吸收愈小;相
反,透射比愈小,表示它对光的吸收愈
大。
It T I0
16
朗伯(Lambert J H)和比尔(Beer A)分别于1760 和 1852 年研究了光的吸收与溶液层的厚度及溶液 浓度的定量关系,二者结合称为朗伯 -比尔定律,
也称为光的吸收定律。
当一束强度为I0的平行单
-频率
E-光量子具有的能量 单位:J(焦耳),eV(电子伏特)
4
波粒二象性
c E=h = h n
真空中:E h
c
结论:一定波长的光具有一定的能量,波长越
长(频率越低),光量子的能量越低。
5
光学光谱区
远紫外
(真空紫外)
50 m ~300 m
近紫外 可见
近红外
中红外
远红外
10nm~200nm 200nm ~380nm
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吸收池:(比色皿)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
指示器:
低档仪器:刻度显示(p307,图8.12) 中高档仪器:数字显示,自动扫描记录
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Hale Waihona Puke 色器棱镜:依据不同波长光通过棱镜时折射率不同
800
λ1
c(R)
c(R)
c(R)
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(3)显色反应时间
有些显色反应瞬间完成,溶液颜色很快达到稳 定状态,并在较长时间内保持不变 ;有些显色反应 虽能迅速完成,但有色络合物的颜色很快开始褪 色;有些显色反应进行缓慢,溶液颜色需经一段时 间后才稳定。制作吸光度-时间曲线确定适宜时间。 ( 4 )显色反应温度 :显色反应大多在室温下进行。 但是,有些显色反应必需加热至一定温度完成。 (5)溶剂:有机溶剂降低有色化合物的解离度,提 高显色反应的灵敏度。如在 Fe(SCN)3 的溶液中加 入丙酮颜色加深。还可能提高显色反应的速率, 影响有色络合物的溶解度和组成等。
1
准确度高
6.1 概述
(1) 定义:吸光光度法是基于物质对光
的选择性吸收而建立起来的分析方法,包 括比色法、可见及紫外吸光光度法及红外 光谱法等。我们重点讨论可见光区的吸光 光度法。
2
1.光的基本性质 电磁波的波粒二象性
波动性
光的传播速度:
c V = = n
c-真空中光速 2.99792458×108m/s
在可见光,KMnO4溶液 对波长525 nm附近绿色光 的吸收最强,而对紫色和 红色的吸收很弱。λmax= 525 nm。浓度不同时, 光吸收曲线形状相同, λmax不变,吸光度不同。
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苯 (254nm) A
甲苯 (262nm)
230
250
270
苯和甲苯在环己烷中的吸收光谱
10
吸收曲线的讨论:
白光
600
500
λ2
入射狭缝 准直透镜 棱镜 聚焦透镜 出射狭缝
400
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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 )。 原理: 利用光通过光栅时
平面透 射光栅 透 镜
光屏
M1
发生衍射和干涉现象而 分光.
M2
光栅衍射示意图
出 射 狭 缝
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检测器
h Au,Ag Ag、Au
~3.0 ×108m/s λ-波长,单位:m,cm,mm,m,nm,Å 1m=10-6m, 1nm=10-9m, 1Å=1010m ν-频率,单位:赫芝(周)Hz 次/秒 n-折射率,真空中为1
3
微粒性 光量子,具有能量。
E h
h-普朗克(Planck)常数 6.626×10-34J· s
I I a It I r
' 0
14
在吸光光度分析法中,试液和空白溶
液分别置于同样质料及厚度的吸收池中,
然后让强度为I’0的单色光分别通过这两个
吸收池,再测量其透过光的强度。此时反
射光强度基本上是不变的,且其影响可以
相互抵消。
I I a It
' 0
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透射比或透光度 (Transmittance) 透过光强度 It 与人射光强度 Io 之比称 为透射比或透光度,用 T 表示。溶液的
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6.1.2 光吸收的基本定律
1. 朗伯-比尔定律 (Lambert-Beer law) 当一束平行单色光通过任何均匀、非散射的固 体、液体或气体介质时,一部分被吸收,一部分 透过介质,一部分被器皿的表面反射。如图6-3所 示,设人射光强度为I'0,吸收光强度为Ia,透过光 强度为It,反射光强度为Ir。
半导体
Se
硒光电池
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光电管
h Ni环(片)
碱金属 光敏阴极
红敏管 625-1000 nm 蓝敏管 200-625 nm
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光电倍增管
160-700 nm
待扫描
1个光电子可产生106~107个电子
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6.2 光度分析法的设计
6.2.1 显色反应
1. 显色反应的选择
*灵敏度高,一般ε>104 *选择性好 *显色剂在测定波长处无明显吸收。 对照性好, λmax>60 nm . *反应生成的有色化合物组成恒定,稳定。 *显色条件易于控制,重现性好。