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淺談紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)
2022年01月24日 09:11
來(lái)源：深圳市芬克儀器有限公司
1 背景
1852年，比爾(Beer)參考了布給爾(Bouguer)在1729年和朗伯(Lambert)在1760年所發(fā)表的文章，提出了分光光度的基本定律，即液層厚度相等時(shí)，顏色的強(qiáng)度與呈色溶液的濃度成比例，從而奠定了分光光度法的理論基礎(chǔ)，這就是的比爾朗伯定律。
1854年，杜包斯克(Duboscq)和奈斯勒(Nessler)等人將朗伯比爾定律應(yīng)用于定量分析化學(xué)領(lǐng)域，并且設(shè)計(jì)了臺(tái)比色計(jì)。
1918年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局制成了臺(tái)紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)。此后，紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)經(jīng)不斷改進(jìn)，又出現(xiàn)自動(dòng)記錄、自動(dòng)打印、數(shù)字顯示、微機(jī)控制等各種類型的儀器，使分光光度法的靈敏度和準(zhǔn)確度也不斷提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。
紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)是基于紫外可見(jiàn)分光光度法原理，利用物質(zhì)分子對(duì)紫外可見(jiàn)光譜區(qū)的輻射吸收來(lái)進(jìn)行分析的一種分析儀器。主要由光源、單色器、吸收池、檢測(cè)器和信號(hào)處理器等部件組成。光源的功能是提供足夠強(qiáng)度的、穩(wěn)定的連續(xù)光譜。紫外光區(qū)通常用氫燈或氘燈.見(jiàn)光區(qū)通常用鎢燈或鹵鎢燈。單色器的功能是將光源發(fā)出的復(fù)合光分解并從中分出所需波長(zhǎng)的單色光。色散元件有棱鏡和光柵兩種。可見(jiàn)光區(qū)的測(cè)量用玻璃吸收池，紫外光區(qū)的測(cè)量須用石英吸收池。檢測(cè)器的功能是通過(guò)光電轉(zhuǎn)換元件檢測(cè)透過(guò)光的強(qiáng)度，將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。常用的光電轉(zhuǎn)換元件有光電管、光電倍增管及光二極管陣列檢測(cè)器。分光光度計(jì)的分類方法有多種：按光路系統(tǒng)可分為單光束和雙光束分光光度計(jì)；按測(cè)量方式可分為單波長(zhǎng)和雙波長(zhǎng)分光光度計(jì)；按繪制光譜圖的檢測(cè)方式分為分光掃描檢測(cè)與二極管陣列全譜檢測(cè)。
2 測(cè)量原理
2.1 朗伯定律（1760年）
如果一束平行單色光照射在均勻介質(zhì)時(shí)，當(dāng)吸光物質(zhì)的濃度一定時(shí)，則均勻介質(zhì)對(duì)光的吸收度A與均勻介質(zhì)厚度b成正比。
A=lg(I0/It)=k1b
式中I0—入射光強(qiáng)度，It—透射光強(qiáng)度，k1—比例常數(shù)，它與介質(zhì)物質(zhì)、厚度、溫度以及入射光波長(zhǎng)等因素有關(guān)，b—溶液厚度。
2.2 比爾定律（1852年）
如果一束平行單色光照射在均勻介質(zhì)時(shí)，當(dāng)均勻介質(zhì)厚度一定時(shí)，則均勻介質(zhì)對(duì)光的吸收度A與介質(zhì)中吸光物質(zhì)的濃度c成正比。
A=lg(I0/It)=k2c
式中，k2—比例常數(shù)，它與介質(zhì)物質(zhì)、厚度、溫度以及入射光波長(zhǎng)等因素有關(guān)，c—試樣濃度。
2.3 朗伯—比爾定律
當(dāng)入射光強(qiáng)度一定時(shí)，介質(zhì)的吸光度A與介質(zhì)中吸光物質(zhì)的濃度c和介質(zhì)厚度b的乘積成正比。
A=lg(I0/It)=kbc
2.4 透光率T
透過(guò)率T：透射光強(qiáng)度It與入射光強(qiáng)度I0之比。
T=It/I0
T取值范圍為0.0%~100.0%，全部吸收T=0.0%，全部投射T=100.0%。
2.5 吸光度A
吸光度A：透過(guò)率T的倒數(shù)的對(duì)數(shù)值。
A=lg(I0/It)=lg(1/T)=kbc
溶液的T越大，說(shuō)明對(duì)光的吸收越小，濃度低；T越小，說(shuō)明對(duì)光的吸收越大，濃度高。
2.6 吸光系數(shù)k
(1)當(dāng)c的單位用g/L表示時(shí)，用a表示，
A=lg(I0/It)=abc
式中a—質(zhì)量吸光系數(shù)，L·(g·cm)-1。
(2)當(dāng)c的單位用mol/L表示時(shí)，用ε表示
A=lg(I0/It)==εbc
式中ε—摩爾吸光系數(shù)，L·(mol·cm)-1。
3 實(shí)際應(yīng)用
紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)主要用于物質(zhì)定性、定量分析，可以對(duì)化合物的結(jié)構(gòu)、純度、未知物含量以及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行測(cè)定與研究。紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)有著廣泛的應(yīng)用范圍，不同的實(shí)驗(yàn)使用的測(cè)定方法也有較大差異。
3.1結(jié)構(gòu)分析
紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)是根據(jù)物質(zhì)分子對(duì)波長(zhǎng)在200～760nm范圍內(nèi)電磁波吸收特性來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，其具有重現(xiàn)性較好的優(yōu)點(diǎn)。不同物質(zhì)有著不同的分子空間結(jié)構(gòu)，而且吸收光能量的情況也有著較大差異，每種物質(zhì)都有著*的吸收光譜曲線，所以在對(duì)吸收光譜上的某些特征波長(zhǎng)的吸光度進(jìn)行分析與對(duì)比后，就能確定物質(zhì)的成分以及結(jié)構(gòu)。在分析實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)人員需要遵照以下規(guī)律：第一，在220～280nm無(wú)吸收表明不含有苯環(huán)、共軛雙鍵等；第二，在210～250nm范圍內(nèi)有吸收表明含有共軛雙鍵等。
3.2純度檢驗(yàn)
在純度檢驗(yàn)中，主要是利用紫外吸收光譜測(cè)定化合物中是否含有雜質(zhì)，可以檢驗(yàn)出化合物中是否含有微量的具有紫外吸收的雜質(zhì)。實(shí)驗(yàn)人員只需要對(duì)化合物紫外可見(jiàn)光區(qū)是夠出現(xiàn)明顯的吸收峰進(jìn)行檢查，就可以判斷出是夠存在雜質(zhì)，從而達(dá)到化合物純度檢驗(yàn)的目的。
3.3 化合物的鑒定
紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)是化合物鑒定中常用的方法，實(shí)驗(yàn)人員主要是對(duì)未知純化合物的光譜和已知純化合物光譜進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)發(fā)現(xiàn)吸收峰數(shù)目、位置相對(duì)強(qiáng)度、吸收峰形狀等內(nèi)容均有較大程度的相似，則可以鑒定為同一化合物。
3.4 未知濃度的測(cè)定
紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)在測(cè)定物質(zhì)含量領(lǐng)域有著尤為廣泛的應(yīng)用，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)曲線法，對(duì)摩爾吸光系數(shù)的樣品進(jìn)行吸光度的測(cè)定，結(jié)合公式A=εbc，就可以計(jì)算出未知濃度的大小。有的樣品摩爾吸光系數(shù)不確定，則需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線法進(jìn)行測(cè)定。實(shí)驗(yàn)前，準(zhǔn)備不同含量的標(biāo)準(zhǔn)樣品，在一定波長(zhǎng)下得出吸光度值，然后繪制出吸光光譜曲線。由此可見(jiàn)，紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)具有操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，在未知濃度測(cè)定中有著良好的應(yīng)用。
3.5 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究
紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)還可以用于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究，利用分光光度法可以得出一些化學(xué)反應(yīng)速度常數(shù)，在兩個(gè)或者兩個(gè)以上的溫度條件下，得到相應(yīng)的速度數(shù)據(jù)，從而判斷出反映活化能。
3.6 絡(luò)合物組成及穩(wěn)定常數(shù)的測(cè)定
絡(luò)合物是金屬離子與有機(jī)物形成的物質(zhì)，其在紫外可見(jiàn)區(qū)具有吸收特性，所以，采用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)方法，可以了解絡(luò)合物的組成，還可以對(duì)穩(wěn)定常數(shù)進(jìn)行測(cè)定。
4 應(yīng)用領(lǐng)域
紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)無(wú)論在物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料學(xué)、環(huán)境科學(xué)等科學(xué)研究領(lǐng)域，還是在化工、醫(yī)藥、環(huán)境檢測(cè)、冶金等現(xiàn)代生產(chǎn)與管理部門，紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)都有廣泛而重要的應(yīng)用。
在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域方面，主要由以下幾類：
(1)大氣污染檢測(cè)
主要檢測(cè)氣態(tài)物質(zhì)臭氧。
(2)水體富營(yíng)養(yǎng)化檢測(cè)
水中N.P含量超標(biāo)，主要N,P兩項(xiàng)檢測(cè)手段入手，(N主要包含：亞硝酸鹽，硝酸鹽氮，氨氮，有機(jī)氮等；P主要包含可溶性總磷酸鹽，正磷酸鹽磷，總磷等。)
(3)土壤污染源中的重金屬含量的檢測(cè)
在工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中，企業(yè)會(huì)排放各種帶有污染性的重金屬?gòu)U水廢料，再加之土壤自身就帶有一定的重金屬成分，在二者的作用下造成土壤質(zhì)量下降。因此采用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)可以標(biāo)記土壤中的重金屬含量，可以有效的修復(fù)土壤，減輕土壤的負(fù)擔(dān)。
(4)有機(jī)污染(COD)
在環(huán)保監(jiān)測(cè)中屬于比較嚴(yán)重的污染問(wèn)題，特別是對(duì)于水體的污染，有機(jī)物成分復(fù)雜，加之種類繁多，很難實(shí)現(xiàn)理想的有機(jī)物定性和定量分析。在當(dāng)前的水體有機(jī)物檢測(cè)中多采用綜合指標(biāo)COD監(jiān)測(cè)，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法主要是將過(guò)量的有機(jī)物進(jìn)行回流處理，兩小時(shí)后對(duì)體系內(nèi)的剩余成分進(jìn)行回滴檢測(cè)，這種檢測(cè)方式雖然能夠準(zhǔn)確檢測(cè)結(jié)果，但繁雜的檢測(cè)方法需要專業(yè)的檢測(cè)人員進(jìn)行，且比較耗時(shí)；若是采用紫外分光光度計(jì)對(duì)水體COD進(jìn)行檢測(cè)，不僅可以發(fā)揮理想的監(jiān)測(cè)效果，而且可以有效的克服傳統(tǒng)檢測(cè)耗時(shí)長(zhǎng)的問(wèn)題，除了能夠滿足綜合指標(biāo)測(cè)定的方法外，紫外分光光度計(jì)還存在對(duì)類別指標(biāo)的測(cè)定方法，例如對(duì)有機(jī)物中石油，苯胺，揮發(fā)酚等，利用紫外分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)定，都能達(dá)到理想的檢測(cè)效果。
(5)水質(zhì)檢測(cè)
在水質(zhì)分析中，紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的應(yīng)用也很廣，目前能用直接法和間接法測(cè)定的金屬和非金屬元素就有70多種。
5 發(fā)展前景
紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)雖然是一類有著很長(zhǎng)歷史的分析類實(shí)驗(yàn)室儀器，但每一次吸收了新的技術(shù)成果都使它煥發(fā)出新的活力。紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)附件發(fā)展。紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)多一種附件就多一種功能、多一種適應(yīng)性?？v觀當(dāng)今世界上的紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)附件的發(fā)展，實(shí)在是令人眼花繚亂。這些附件大大方便了用戶，是廣大紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)使用者所歡迎的，也是紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)進(jìn)展的重要內(nèi)容之一。
紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)正在向小型化、便攜式等方向發(fā)展。由于環(huán)境監(jiān)測(cè)、野外現(xiàn)場(chǎng)分析測(cè)試、海洋深水中的分析測(cè)試等許多領(lǐng)域需要小型、便于攜帶、分析速度快的紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)。因此，目前，已有好多制造商正在研究開(kāi)發(fā)適合于各種不同使用對(duì)象的小型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)。
紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)正在向多功能方向發(fā)展。一機(jī)多用也是廣大使用者關(guān)注的問(wèn)題之一：紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的功能增多或一機(jī)多用，是目前紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)發(fā)展的又一個(gè)動(dòng)向。目前的紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)具有多種功能，既可作常規(guī)紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)使用，又可作水質(zhì)、生物酶分析的專用儀器使用，做到了一機(jī)多用。
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