紫外可见光谱在水质分析中的应用

摘要

目前，全国地表水污染依然较重。传统的水质检测仪器多采用实验室化学方法，它们测量周期长，所需化学试剂多，操作复杂，存在二次污染，体积大。紫外可见光谱是一种电磁光谱，它在生产和科研等方面均有广泛的应用，本文阐述了光谱法或光谱技术水质参数检测的国内外研究现状及发展趋势，提出紫外-可见光谱法水质检测的原理和方法技术及应用。基此，系统、深入开展了紫外可见光谱法水检测的水质光谱处理、水质参数解算等的关键技术问题研究。将光谱学、光电技术、环境科学、化学计量方法、信号分析与处理等学科专业知识进行了有机结合。这对进一步开展紫外-可见光谱水质检测的理论、方法技术及应用研究工作，具有重要的理论和现实意义。

关键词：紫外可见光谱；水质分析；应用

紫外可见光谱及其在水质分析中的应用

目录

引言

水是生命之源，人类在生活和生产活动中都离不开水。然而，随着我国经济的高速发展和城市化进程的加快，暴露的水环境污染问题也日趋严重，水质或水体污染事件频发，凸显了我国水环境形势不容乐观。

水质的优劣不仅与工农业生产安全和人类健康密切相关，而且还依赖于水质检测技术做保障，以此评判、预测和监测水质的优劣。诚然，传统的仪器检测设备可以对水质参数进行检测，但一般只对单一参数进行测量。例如，水质COD、TOC、TURB和NO3-N等参数的检测，其通常需要COD分析仪，TOC分析仪，浊度计，NO3-N分析仪等设备进行单独测量，这不仅不利于数据的整合，而且还增加了检测成本。近年来，作为光谱分析的水质检测技术之一的紫外可见光吸收光谱法，它不仅摒弃了化学分析和电化学分析及色谱分析等水质检测技术水样预处理繁杂、测量周期长、所需化学试剂多的缺点，而且还具有检测速度快、成本低和可实现在线、原位测量等优点，日渐为世人所瞩目。

一. 紫外可见光谱

1.1 紫外可见光谱的基本原理

电磁波可以和物质发生作用，物质吸收电磁波可以产生电磁波谱。物质的运动包括宏观运动和微观运动。在微观运动中组成分子的原子之间的键在不断振动，当电磁波的频率等于振动的频率时，分子就可以吸收电磁波，使振动加剧。原子由原子核和核外电子组成，核外电子在不断的振动着[1]。当用紫外线照射分子时，电子就会吸收紫外光跃迁到能量更高的轨道上运动，由此产生的电磁波谱称为紫外可见光谱。

紫外光的波长范围为4~400nm，其中4~200nm称为远紫外区，空气的水汽、氧气、氮气、二氧化碳等都会吸收该区域的紫外光产生紫外可见光谱。进行远紫外区的测定时，为避免空气的干扰，要使仪器的测量系统处于真空中。这样的操作很麻烦，所以应用价值不大。常用波段是200~400nm（紫外区）和400~780nm(可见区)。由于玻璃会吸收小于300nm的紫外光，因此进行波长小于300nm的测定时要使用石英器件。

分子吸收紫外可见光后就能发生电子跃迁。很少发生单纯的电子跃迁，一般情况是，从电子振动基态的若干转动状态同时发生向某个或某些电子激发态若干振动和转动状态的一系列跃迁，在光谱图上显示为一个或多个谱带系；每个谱带系代表一对电子能级间的跃迁，它包括若干个谱带；每个谱带都有伴随着同一电子跃迁发生的某一振动跃迁产生；而每个谱带又包含若干条谱线，每条谱线都由伴随着同一电子振动跃迁的某一转动跃迁产生。目前，对简单分子的气态试样已能分辨谱带系中的各条谱带；对一般的液态或固态试样，则只能记录下谱带系的带型。因而除谱带系结构可以分辨的少数场合外，一般可以把谱带系称作谱带。

分子的电子结构是有规律的。许多简单分子和配位体的分子轨道无非是对成键起重要作用的非键轨道。这些轨道间的电子跃迁常需较高的能量，谱带一般在紫外区和远紫外区。只有较大的共扼体系的谱带才可能出现在可见区。过渡金属d轨道在配位场作用下常有不同的能量，但能级差一般不大，有关的谱带常常在可见区和近红外区（5000~12000），谱带强度比较弱。还有一种类型的跃迁称为电荷转移跃迁，谱带常常在紫外或可见区，一般有较大强度。一般电子吸收光谱用于定性分析，谱带的位置和强度是重要参数。

1.2 紫外可见光谱仪

紫外-可见光谱仪涉及的波长范围是0.2--0.8微米（对应波数50000-12500厘米-1），

它在有机化学研究中得到广泛的应用。通常用作物质鉴定、纯度检查，有机分子结构的研究。在定量方面，可测定结构比较复杂的化合物和混合物中各组分的含量，也可以测定物质的离解常数，络合物的稳定常数，物质分子量鉴别和微量滴定中指示终点以及在高效液相色谱中作检测器等。

1.3 紫外可见光谱法

紫外可见光谱法又称紫外可见分光光度法是基于物质分子的紫外可见吸收光谱而建立的一种定性、定量分析方法，该方法具有灵敏度高、准确度好、选择性优操作简便、分析速度好、应用广泛等特点[2]。其测定波长范围为200-1000nm。

物质的分子的电子能级、振动能级都是量子化的，只有当辐射光子的能量恰好等于两能级间的能量差（两能级间的能量差与分子中价电子的结构有关）时，分子才能吸收能量。某一种分子的结构是确定的，所以一种分子只能吸收波长在一定范围内光子。我们就可以通过测量分子对其所吸收的光子的波长范围，来确定分子的结构。

紫外可见分光光度法在有机物定性分析中有着广泛的应用，在无机物方面用于矿物、半导体、天然产物和化合物的研究。紫外可见分光光度法在定性方面主要依靠化合物的光谱特征，如吸收锋数目、位置、形状与标准光谱相比较，来确定某些基因的存在。尽管紫外可见分光光度法是一种比较常用的方法，但是，在一些情况下它不能单独用来确定一个未知化合物，还要与其它方法连用，才能实现准确分析。

二．紫外可见光谱的应用

2.1 定性分析

利用紫外吸收光谱鉴定有机化合物，其主要依据是化合物的特征吸收特征。如吸收曲线的形状、吸收峰数目以及各吸收峰波长及摩尔吸收系数。用紫外光谱进行定性鉴定的化合物必须是纯净的，并按正确的操作方法用紫外分光光度计绘出吸收曲线，然后根据该化合物的吸收特征作出初步判断。

如果化合物的紫外光谱在220-400nm范围内没有吸收带，则可以判断该化合物可能是饱和的直链烃、脂环烃、或其它饱和的脂肪族化合物或只含一个双键的烯烃等。如果化合物只在270-350nm有弱的吸收带，则该化合物必含有n电子的简单非共轭发色基团，如羰基、硝基等。如果化合物在210-250nm范围有强的吸收带，且ε＞104，这是K吸收带的特征，则表明该化合物可能是含有共轭双键的化合物。如果吸收带出现在260-300nm 范围内，则表明该化合物存在3个或3个以上共轭双键，如吸收带进入可见光区，则表明该化合物是长共轭发色基团的化合物或是稠环化合物。如果化合物在250-300nm范围内有中等强度吸收带，ε在103-104范围内，这是B吸收带的特征，因此表明该化合物可能含有苯环。

2.2 定量分析

紫外可见光谱擅长与定量分析[3]。紫外分光光度法就是基于紫外可见吸收光谱的应用。紫外光谱在化合物含量测量方面的应用比其在化合物定性分析测定方面具有更大的优越性，方法的灵敏度高，准确性和重现性都很好，应用非常广泛。只要对金紫外光有吸收或可能吸收的化合物，均可用紫外可见分光光度法测定。

仅药物分析来说，利用紫外吸收光谱进行定量分析的例子很多，例如一些国家已将数百种药物的紫外系吸收光谱的最大吸收波长和吸收系数载入药典。紫外分光光度法可方便的用量来直接测定混合物某些组分的含量，如环己烷中的苯，四氯化碳中的二硫化碳，鱼肝油中的维生素A等。

2.3 纯度检查

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。如果一个化合物在紫外可见光区没有明显的吸收峰，而其的杂质在紫外区有较强的吸收峰，就可检出化合物中所含有的杂质（乙醇/苯，苯λmax=256nm）。如果一个化合物在紫外可见光区有明