第九章吸光光度法

第九章吸光光度法

本章介绍的吸光光度法是一种仪器分析方法(其中目视比色法不必用仪器)。一种方法能用来进行物质的定量分析，测量的物理量与被测组分的浓度之间必须存在确定的定量的关系。这是定量测量方法的理论基础。另一方面，还需要考虑仪器设备的设计和测试条件的选择，以保证方法符合定量基本关系式，并保证有较高的准确度和可操作性。

利用光信号测定物质含量的方法很多，基于物质对光具有选择吸收的特性而建立起来的分析方法，称为吸光光度法。根据产生光吸收的质点不同，又可分为分子吸收光谱法和原子吸收光谱法。本章中讨论的紫外-可见吸光光度法是分子吸收光谱法的一种。

9.1 概述

9.1.1 光的基本性质

光是一种电磁波，按照波长(或频率)排列，可得到电磁波谱图：

光具有波粒二象性，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。

具有相同能量(相同波长)的光为单色光，由不同能量(不同波长)的光组合在一起的称为复合光。若两种不同颜色的单色光按一定的强度比例混合得到白光，那么就称这两种单色光为互补光，这种现象称为光的互补。

白光是复合光，让一束白光通过分光元件，它将分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各种颜色的光。即可见光谱。

9.1.2 光与物质的作用

当光照射到物质上时，会产生反射、散射、吸收或透射现象，若被照射的物质为溶液，光的散射可以忽略。当一束白光照射某一有色溶液时，一些波长的光被溶液吸收，另一些波长的光则透过，溶液的颜色由透射光的波长所决定。吸收光与透射光互为补色光。如硫酸铜溶液吸收白光中的黄色光而呈现蓝色；高锰酸钾溶液吸收黄绿色的光而呈紫红色。

分子、原子和离子，都具有不连续的量子化能级，在一般情况下分子处于最低能态(基态)。当入射光照射物质时，分子会选择性地吸收了某些波长的光，由基态跃迁到激发态(较高能级)，其能级差E 激发

态

－E 基态与选择性吸收的光子能量h ν 的关系为：

h ν = E 激发态－E 基态 分子运动包括分子的转动、分子的振动和电子的运动。分子转动、

振动能级间隔一般小于1ev ，其光谱处于红外和远红外区。电子能级间的能量差一般为1～20ev ，由电子能级跃迁而产生的吸收光谱位于紫外及可见光区，其实验方法为比色法和可见、紫外吸光光度法。

9.1.3 定性分析及定量分析的基础

1. 定性分析基础

吸收光谱取决于分子的结构，以及分子轨道上电子的性质，不同的物质具有不同的吸收光谱，因此，吸收光谱可提供定性分析的信息。

2. 定量分析基础

对同一物质而言，浓度不同，对特定波长光的吸收强度不同，因此，吸收强度可提供定量分析的信息。

从不同浓度的高锰酸钾溶液的吸收光谱图可知，在波长535nm 处的吸光强度与浓度间存在定量的关系，可由此进行定量分析。

9.1.4 吸收定律

1. 朗伯—比尔定律

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。设入射光强度为I 0'，吸收光强度为I a ，透过光强度为I t ，反射光强度为I r 。则

r t a '0I I I I ++=

在吸光光度法中，通常将试液和空白溶液分别置于同样材质及同样厚度的吸收皿中，因此反射光的强度基本相同，其影响可以相互抵消，故可以忽略反射光的影响，可得到下式：t a o I I I +=。即光强为I 0的入射光通过试液皿后，一部分光被吸收，一部分光被透射。

I t 与I 0之比称为透光率或透光度T ， T = I t /I 0

吸光物质对光的吸收程度，还常用吸光度A 表示：

A = - lg T =lg (I 0/I t )

实验证明，当一束平行单色光垂直照射某一均匀的非散射吸光物质溶液时，溶液的吸光度A 与溶液浓度c

和液层厚度b 的乘积成正比，此即朗伯—比尔（Lambert —Beer ）定律，其数学表达式为：

Kbc

I I A t

==0

lg 2. 摩尔吸收系数和桑德尔灵敏度

当溶液浓度以mol/L 为单位时，液层厚度以cm 为单位时，K 常用ε 代替，ε 称为摩尔吸收系数，其单位为L .mol -1.cm -1。此时朗伯-比尔定律可写为：

A =εbc

摩尔吸收系数ε是吸光物质在给定波长和溶剂下的特征常数，数值上等于1mol/L 吸光物质溶液和液层厚度为1cm 时溶液的吸光度，它表示吸光物质对指定频率的光子的吸收本领。ε 越大，表示该物质对某波长光的吸收能力越强，该测定方法的灵敏度也就越高。一般认为，ε<104，则方法的灵敏度较低； ε在104~5⨯104时，方法的灵敏度为中等；ε在5⨯104~105时，灵敏度高；ε>105，属超高灵敏度。

还可用桑德尔灵敏度（灵敏度指数）S 表示方法的灵敏度，Sandell 对S 的定义是：在一定的波长下，测得的吸光度A=0.001时，1 cm 2

截面积内所含的吸光物质的量，其单位为μg/cm 2

。

S 与ε的关系的推导： A ＝0.001＝εbc ，bc ＝0.001/ε

b 为吸收池的厚度，单位为cm ，

c 的单位为mol/L ， bc 乘以待测物的摩尔质量M (g/mol)，就是单位截面积

内待测物的质量，即

S =b (cm)⨯c(mol/dm 3)⨯M (g/mol)⨯106μg/g ＝

3

0.00110M M

ε

ε⨯⨯=

(μg/cm 2)。

例1. 某试液用2cm 比色皿测量时，T =60%，若改用1cm 或3cm 比色皿，T 及A 分别等于多少？

解：设某试液用2cm 比色皿测量时的吸光度为A o ,用1cm 和3cm 比色皿测得的吸光度为A 1和A 2。因为A 与T 之间的关系是A = -lg T ，所以A o =0.22。

根据朗伯-比尔定律可知：A =εb 1c ，所以A 1=A 0b 1/b o =0.11,T 1=1

10

A -=0.78.

A 2=A 0b 2/b o =0.33, T 3=3

10

A -=0.47.

例2. 已知含Fe 2+浓度为500g/L 的溶液，用邻二氮菲比色测定铁，比色皿厚度为2cm ，在波长508nm 处测得吸光度A =0.19，计算摩尔吸收系数。

解：

L

/mol 109.885.551050066

Fe

--⨯=⨯=c

)

cm mol (L 101.1109.8219.01146---⋅⋅⨯=⨯⨯==

bc A ε

例3. 双硫腙显色法测定铅的ε＝6.8⨯104

11cm mol L --⋅⋅，求桑德尔灵敏度 S 。 解：S ＝M /ε＝207/6.8⨯104

=0.0030(μg/cm 2

)