紫外可见分光光度计原理和应用

中国教育装备采购网2013-08-16 17:22围观483次我要分享

摘要  本文介绍了紫外可见分光光度法的发展、原理、特点及应用,并列举多项实例说紫外可见分光光度法在各个领域中的应用。

关键词  有机分析吸收光谱 紫外可见分光光度法

1.发展

人们在实践中早已总结出不同颜色的物质具有不同的物理和化学性质。根据物质的这些特性可对它进行有效的分析和判别。由于颜色本就惹人注意,根据物质的颜色深浅程度来对物质的含量进行估计,可追溯到古代及中世纪。1852年,比尔(Beer)参考了布给尔(Bouguer)1729年和朗伯(Lambert)在1760年所发表的文章,提出了分光光度的基本定律,即液层厚度相等时,颜色的强度与呈色溶液的浓度成比例,从而奠定了分光光度法的理论基础,这就是著名的比尔朗伯定律。1854年,杜包斯克(Duboscq)和奈斯勒(Nessler)等人将此理论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,分光光度法已为工农业各个部门和科学研究的各个领域所广泛采用,成为人们从事生产和科研的有力测试手段。我国在分析化学领域有着坚实的基础,在分光光度分析方法和仪器的制造方面国际上都已达到一定的水平。

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。

物质的颜色和它的电子结构有密切的关系,当辐射(光子)引起电子跃迁使分子(或离子)从基态上升到激发态时,分子(或离子)就会在可见区或紫外呈现吸光,颜色的发生或变化是和分子的正常电子结构的变形联系的。当分子中含有一个或更多的生色基因(即具有不饱和键的原子基团),辐射就会引起分子中电子能量的改变。常见的生色团有:

CO, -N=N-, -N=O,-C N,CS

如果两个生色团之间隔一个碳原子,则形成共轭基团,会使吸收带移向较长的波长处(即红移),且吸收带的强度显著增加。当分子中含有助色基团(有未共用电子对的基团)时,也会产生红移效应。常见的助色基团有:-OH -NH2, -SH, -Cl,-Br, -I。

3.特点

分光光度法对于分析人员来说,可以说是最有用的工具之一。几乎每一个分析实验室都离不开紫外可见分光光度计。分光光度法的主要特点为:

 (1)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)均可采用此法 。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% 。

(2)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)选择性好

目前已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。

(4)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,如采用示差分光光度法进行测量,则误差可减少到更低。

(5) 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)。

(6) 分析成本低、操作简便、快速

由于分光光度法具有以上优点,因此目前仍广泛地应用于化工、冶金、地质、医学、食品、制药等部门及环境监测系统。单在水质分析中的应用就很广,目前能有直接法和间接法测定的金属和非金属元素就有70多种。

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和摩尔吸收系数是检定物质的常用物理参数。这在药物分析上就有着很广泛的应用。在国内外的药典中,已将众多的药物紫外吸收光谱的最大吸收波长和摩尔吸收系数载入其中,为药物分析提供了很好的手段。

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 纯度检验

例1 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。

例2 检测乙醇样品含有的苯的杂质。苯的最大吸收波长在256nm,而乙醇在此波长处没有吸收。在紫外吸收光谱上就能很明显地看出来。

如果化合物在紫外可见有吸收,可用吸收系数检测其纯度。

例3 还可以用差示法来检测样品的纯度。取相同浓度的纯品在同一溶剂中测定作空白对照,样品与纯品之间的差示光谱就是样品中含有杂质的光谱。

4.5 推测化合物的分子结构

(1) 推测化合物的共轭体系和部分骨架

如果一个化合物在紫外区是透明的,没有吸收峰,则说明不存在共轭体系 (指不存在多个相间双键)。它可能是脂肪族碳氢化合物、胺、腈、醇等不含双键或环状结构的化合物。

如果在210-250nm有强吸收,则可能有两个双键共轭系统(如共轭二烯或幔-不饱和酮)。

如果在250-300nm有强吸收,则可能具有3-5个不饱和共轭系统。

如果在260-300nm有中强吸收(吸收系数=200-1000),则可能有苯环。

如果在250-300nm有弱吸收,则可能存在羰基基团

(2) 区分化合物的构型和构象

例4 化合物二苯乙烯有顺式和反式两种构型,它们的最大吸收波长和吸收强度都不同,由于反式构型没有空间障碍,偶极矩大,而顺式构型有空间障碍,因此反式的吸收波长和强度都比顺式的来得大。为此就很容易区分顺式和反式构型了。

(3)互变异构体的鉴别。

在有机化学中,会有异构体的互变现象,通过紫外光谱也可鉴别。

4.6 氢键强度的测定

实验证明,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。

4.8 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。在丙酮的溴化反应的动力学研究中就是一个成功的例子。

4.9 在有机分析中的应用

有机分析是一门研究有机化合物的分离、鉴别及组成结构测定的科学,它是在有机化学和分析化学的基础上发展起来的综合性学科。在国民经济的许多领域都用有机分析。

波长在190-800nm的电磁光谱对于判断有机分子中是否存在共轭体系、芳环结构及C=C、C=O 、N=N之类的发色团是一个很好的手段,具有强烈的吸收,其摩尔吸光系数可达104-105(而红外吸收光谱的摩尔吸光系数一般均小于103),因而检测灵敏度很高。对于一些特列类型的结构,可通过简单的数学运算确定最大吸收。如果发色团之间不以共轭键相连的话,其紫外吸收具有可加性,即总的吸收等于各单独发色团的吸收之和。用此性质曾成功地推导出利血平及氯霉素的部分结构。一个复杂分子的结构,往往可以由比较化合物的紫外光谱性质而推断其含有何种发色团,有时还能提供一些立体结构及分子量的一些信息,为未知物的剖析提供有用的线索。以下通过实例说明分光光度法在有机分析中的应用。

例5  氯霉素分子中的硝基首先是由它的紫外光谱而确定的,在紫外光谱中298nm和278nm处出现芳香硝基的特征吸收。

例6  五圆环酮和羧酸酯的红外特征吸收都在1740cm-1附近,难以区别。但在紫外光谱中只有前者在210nm以上有吸收,从而得以区别。

利用紫外分光光度法进行定量分析时,可将待测试样的纯品配制成一系列标准溶液,事先绘制标准曲线,由待测未知样品吸光度对照标准曲线,就可得到其含量。当未知物样品为几种组分,且这组分的最大吸收峰值互不重叠,则可用联立方程解之。

结语  紫外可见分光光度法仪器价格低廉适用性广泛,尤其是采用微机控制以来,该技术得到了突飞猛进的发展。近年来我国仪器制造厂可以生产出与国外等同水平的紫外分光光度计,成为分析者的最佳选择。

来源:上海创赛科学仪器有限公司作者:上海创赛科技有限公司

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