分光光度计基本原理与结构

分光光度计基本原理与结 构

许多化学物质具有颜色，有些无颜色的化 合物也可以与显色剂作用，生成有色物质。 实践证明，有色溶液的浓度越大，颜色越 深；浓度越小，颜色越浅。因此，可以通 过比较溶液颜色深浅的方法来确定有色溶 液的浓度，对溶液中所含的物质进行定量 分析。基于比较颜色深浅对溶液进行定量 分析的方法称为比色分析法。

溶液为什么会有颜色，颜色又为什么与浓 度有关呢？下面就讨论这个问题。 一、光的互补及有色物质的显色原理 1.光的波粒二象性 光是能的一种表现形式，是电磁波的一种。 光在真空中以直线方式传播，在不同的介 质处发生反射、折射、衍射、色散、干涉 和偏振等现象。可用波长、频率、传播速 度等参量来描述，即光具有“波动性”。 光的颜色即由光的波长决定，人眼能感觉 到的光称为可见光，其波长在400~750nrn 之间。在可见光之外是红外光和紫外光。3

同时，光也具有“粒子性”,光电效应就 是一个很好的例子。光的粒子性理论认为， 光是由“光子”(或称“光量子”)所组 成。在辐射能量时，光是以一份一份的能 量E的形式辐射的，同时光被吸收时，能量 也是一份一份被吸收的。这每一份能量的 大小为hυ。光子的能量与波长的关系为 E=hυ= hc/λ 式中E为光子的能量(J:焦耳),υ为频 率，h为普朗克常数(6.63×10-34J S), c为光速，λ为光的波长4

因此，不同波长的光，其能量不同，短波能量大，长波 能量小。 2。光的显色原理 若把某两种颜色的光，按一定的强度比例混合，能够 得到白色光，则这两种颜色的光叫做互补色。图4-1中 处于直线关系的两种光为互补色。如绿光和紫光为互补 色，黄光和蓝光为互补色等等。 各种溶液会呈现出不同的颜色，其原因是溶液中有色质 点(分子或离子)选择性地吸收某种颜色的光。实验证 明：溶液所呈现的颜色是其主要吸收光的互补色。如一 束白光通过高锰酸钾溶液时，绿光大部分被选择吸收， 其它的光透过溶液。从互补色示意图可以看出，透过光 中只剩下紫色光，所以高锰酸钾溶液呈紫色。5

二、朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律 溶液颜色的深浅与浓度之间的关系可以用 吸收定律来描述。它是由朗伯定律和比尔 定律相结合而成的，所以叫朗伯-比尔定律。 原子吸收分光光度计也符合这个定律。 溶液对光的吸收 当一束强度为I的平行单 色光照到溶液时，一部分光被溶液吸收， 一部分光被界面散射，其余的光则透过溶 液，如图4-2所示

有： I0=I a+ I r+ I t I0--入射

光强度 I a--吸收光强度 I r--反射光强度 I t--透射光强度 通常由于I r很小可忽略不计，上式可简化为 I0=I a+ I t 透射光I t与入射光强度I0之比为透光率或透光度， 用T表示： T= I t/ I a 透光率的负对数称为吸光度或光密度或消光度， 用A表示： A=-lgT=lg1/T=lgI a/ I t9

吸光度越大，表示该物质对光的吸收越强。 透光度和吸光度都是用来表示入射光被吸 收的程度，它们之间可据式相互换算。 实验证明，单色光经过有色溶液时，透 过溶液的光强度不仅与溶液的浓度有关， 而且还与溶液的厚度以及溶液本身对光的 吸收性能有关。其规律可用下式表示为 A=KCL 式中：A(E)——吸光度(或叫做光密 度，也可用D表示); K——某溶液的消光(吸收)系数； C——溶液的浓度； L——光程，即溶液的厚度。10

消光系数K是一个常数。一种有色溶液对于 一定波长(单色光)的入射光的K值具有一 定的数值。若溶液的浓度以摩尔/升表示， 溶液厚度以厘米表示，则此时的K值称为摩 尔消光系数。摩尔消光系数是有色化合物 的重要特性之一，根据这个数值的大小， 可以估计显色反应的灵敏程度。 从上式可以看出，当K和L不变时，光密 度E与溶液浓度C成正比关系，也可以说， 当一束单色入射光经过有色溶液且入射光、 消光系数和溶液厚度不变时，吸光度A是随 着溶液浓度而变化的。11

这种单色光与有色溶液的关系称为朗伯-比 尔定律。光电比色计和分光光度计的比色 分析方法就是根据这一定律来进行的。但 是，朗伯-比尔定律只适用于单色光和低浓 度的有色溶液。 三、朗伯-比尔定律的应用 1.等吸光度法 从朗伯-比耳定律可知，当用同一光源照 射同一物质的不同浓度溶液时，若吸光度 相等，则两溶液各自的浓度和透光液层厚 度的乘积也相等。利用此关系在可见光区 用眼作检测器(目视比色法),即可求出 待测溶液的浓度。12

2.计算法 根据被测溶液浓度的大致范围，先配制 一已知浓度的标准溶液。用同样的方法处 理标准溶液与被测溶液，使其成色后，在 同样的实验条件下用同一台仪器分别测定 它们的吸光度。 在标准溶液中：As=KsCsLs 在待测溶液中：Ax=KxCxLx 如果测定时选用相同厚度的比色皿使L相 等，并使用同一波长的单色光，保持温度 相同，则K也相等。将两式相除可得 As/ Ax=Cs/Cx13

由此可见，在满足上述条件下，吸光度与 溶液成正比。如果设计一种仪器，可以测 量吸光度A值，则待测溶液的浓度即可求出 Cx=Ax/ As Cs 由于仪器的性能和实验环境在不断的变 化，

所以在采用计算法时，必须每次都要 对标准液和被测液进行测量，然后利用上 式进行计算，否则会带来较大的测量误差。 由于一般光电比色计在结构上有不少偏 离朗伯一比耳定律的地方，故欲得到较准 确的结果，常采用标准曲线法。14

3.标准曲线法 这种方法分以下几步： (1)先配制五种以上标准浓度的溶液。 (2)测出每种溶液的吸光度A。 (3)做A~C标准曲线图，如图4-3所示。 有了标准工作曲线便可对溶液进行测量。 在同样的条件下，用仪器测出A后，查标准 曲线即可得被测溶液的浓度值Cx。