第 11 章光度分析 The Photometric Analysis

第11章光度分析The Photometric Analysis

11.1概述 11.2光吸收的基本定律 11.3分光光度计 11.4显色反应及其影响因素 11.5分光光度法的灵敏度和准确度 11.6分光光度法的应用

11.1 概述 基于物质光化学性质而建立起来的分析方法--光学分析法非光谱法不以光的波长为特征讯号例如折射法，浊度法，旋光法在光（或其它能量）的作用下，通过测量物质产生的发射光、吸收光或散射光的波长和强度来进行分析的方法。光谱法吸收光谱分析发射光谱分析分子光谱分析原子光谱分析

真空紫外光度法：10～200 nm（远紫外光）紫外吸光光度法：200400 nm（近紫外区）可见吸光光度法：400760 nm红外光度法：0.761000 m 基于被测物质对光具有选择性吸收的特性而建立起来的分析方法,叫吸光光度法.包括：比色法：通过比较有色溶液颜色深浅分光光度法：根据物质对一定波长的光的吸收程度依据物质对不同波长范围光的吸收主要有：本章讨论紫外和可见光区的分光光度法。 ----- 紫外-可见分光光度法，UV-VIS

11.1.1 分光光度法的特点 几乎所有的无机离子和许多有机化合物都可直接或间接地用此法测定。 (1) 灵敏度高。测定下限可达10-5～10 -6mol·L-1, 10-4%～10-3% (2) 准确度较高。能够满足微量组分(<1%)的测定要求: Er : 1%～5%，主要用于微量分析 (3) 操作简便快速。样品处理成溶液，显色，测量，仪器设备也不复杂 (4) 应用广泛。

11.1.2 光的基本性质 光的折射光的波粒二象性  光的衍射波动性光的偏振光的干涉 E 粒子性光电效应

E：光子的能量(J, 焦耳)  ：光子的频率(Hz, 赫兹) ：光子的波长(cm) c：光速(2.99791010 cm.s-1) h：Plank常数(6.62610-34 J.s 焦耳. 秒) 结论: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.

 10-2 nm 10 nm 102 nm 104 nm 0.1 cm 10cm 103 cm 105 cm 射线 x射线紫外光红外光微波无线电波可见光光谱区间 400～760 nm 近紫外 200~400nm

11.1.3 物质的颜色与光的关系 1.单色光，复合光，互补色光单一波长的光单色光复合光由不同波长的光组合而成的光

　　当复合光照射到物体上时，一部分光被 吸收，而另一部分光则被透射过去。即：互补吸收光透射光

光的作用方式 表观现象示意光谱示意复合光完全吸收完全透过吸收黄色光物质的颜色与光的关系

绿黄青橙白光青蓝红蓝紫互补色

2.物质对光的选择性吸收 M + 热 M +h  M * M + 荧光或磷光基态激发态 E1（△E） E2 物质对光的吸收满足Plank 条件：物质的电子结构不同，所能吸收光的波长也不同，这就构成了物质对光的选择吸收基础。

MnO4-的吸收光谱 525 1.0 0.8 Absorbance 0.6 0.4 0.2 /nm 300 500 400 600 700

3.吸收曲线（吸收光谱） -----吸光度(A)~波长(λ)曲线（1）同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长λmax；（2）同一种物质不同浓度下，其吸收曲线形状相似λmax不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和λmax则不同；（3）在λmax处吸光度A随浓度变化的幅度最大。所以测定最灵敏。此特性可作为定量分析时选择入射光波长的重要依据。

B A  A 增大 c  物质对光的选择性吸收 A 定性分析基础在一定实验条件下, A∝c 定量分析基础

11.2 光吸收的基本定律 11.2.1 透光率（透射比）与吸光度入射光强度I0 透射光强度It 一束平行单色光 T 取值为0.0 % ~ 100.0 % 透光率：全部吸收 T = 0.0 % 全部透射 T = 100.0 %

100 50 0 1.0 0.5 0 A T % A c 吸光度:描述溶液对光的吸收程度朗伯－比耳定律 T T = 0.0 % A, T, C 三者的关系 A = ∞ T = 100.0 % A = 0.0 T越小，溶液对光的吸收越大；浓度越高，吸光度越大。

11.2.2 Lambert-Beer定律 光吸收基本定律 K--吸光系数 b--吸光液层的厚度(光程)， cm c--吸光物质的浓度， g / L, mol / L 当一束平行单色光通过均匀、透明的吸光介质时，其吸光度与吸光质点的浓度和吸收层厚度的乘积成正比.

吸光度的测量 用参比溶液调T=100%（A=0），再测样品溶液的吸光度，即消除了吸收池对光的吸收、反射，溶剂、试剂对光的吸收等。吸光度的加和性多组分体系中，如果各组分之间无相互作用,其吸光度具有加和性，即

11.2.3 吸光系数 物质的性质入射光波长温度吸光系数(K) 与浓度无关，只是符号、取值与浓度的单位相关 c：mol / L K  摩尔吸光系数，L · mol –1 · cm -1 c：g / L K a 质量吸光系数，　 L · g –1 · cm -1

例溶液中铁(Ⅱ)浓度为5.0×10-4 g·L-1的，与1,10-邻二氮杂菲反应，生成橙红色络合物，该络合物在波长508 nm，比色皿厚度为2cm时，测得A=0.190 。计算1,10-邻二氮杂菲亚铁的a及ε。(已知铁的相对原子质量为55.85) 解：根据比耳定律：A = a b c

例题11-2 某试液显色后用2.0 cm吸收池测定时T＝50.0 %，若用1.0 cm或5.0 cm吸收池测定，T及A各为多少？

11.3 分光光度计 11.3.1 工作原理及基本部件 0.575 显示设备光源单色器吸收池检测器

分光光度计组件 氢灯,氘灯,185 ~ 350 nm;卤钨灯，250 ~ 2000 nm. 光源基本要求：光源强，能量分布均匀，稳定作用：将复合光色散成单色光单色器棱镜玻璃, 350 ~ 2500 nm, 石英,185 ~ 4500 nm 光栅平面透射光栅，反射光栅玻璃，光学玻璃，石英样品池作用：将光信号转换为电信号并放大检测器光电管，光电倍增管，光电二极管等信号输出表头、记录仪、屏幕、数字显示

0.575 11.3.2 常用的分光光度计单波长单光束分光光度计光源单色器检测器显示吸收池简单，价廉，适于在给定波长处测量A或T，一般不能作全波段光谱扫描，要求光源和检测器具有很高的稳定性。

比值单波长双光束分光光度计光束分裂器光源单色器显示吸收池检测器自动记录，快速全波段扫描。可消除光源不稳定、检测器灵敏度变化等因素的影响，特别适合于结构分析。仪器复杂，价格较高。

其他类型分光光度计 多通道仪器：同时测量200～820nm范围内的整个光谱,比单个检测器快316倍,信噪比增加3161/2 倍. 纤维光度计: 将光度计放入样品中,原位测量. 对环境和过程监测非常重要.

11.4 显色反应及其影响因素 11.4.1 显色反应和显色剂显色反应 :将待测组分转变成可能测量的有色化合物的反应。 M + R MR 被测组分显色剂有色化合物主要有配位反应(为主)和氧化还原反应。 2+ 3 3 邻二氮菲（邻菲啰啉）桔红色 max

官能团强吸收 直接测定 UV-VIS 有机物质官能团弱吸收衍生化反应 UV-VIS 显色反应通常通过显色反应生成吸光系数大的有色物质进行测定，以提高灵敏度无机物质例如：钢中微量锰的测定，Mn2＋不能直接进行光度测定 2 Mn2＋＋5 S2O82-＋8 H2O =2 MnO4- + 10 SO42-＋ 16H+ 将Mn2＋氧化成紫红色的MnO4-后，在525 nm处进行测定。

A MR R MR R  显色反应应满足下列要求: ⒈选择性好，干扰少或干扰易消除； ⒉灵敏度高(ε≥104) ⒊有色化合物的组成恒定，化学性质稳定； ⒋显色条件易于控制，重现性好； ⒌对比度大，有色化合物的与显色剂之间的颜色差别大，显色剂在测定波长处无明显吸收。 λmax>60 nm

11.4.2 显色反应条件的确定 显色反应：M + R = MR 如:显色剂R的浓度及用量;酸度;温度;显色时间; 溶剂及共存干扰离子的掩蔽等等。选择的总原则：AMR最大且恒定

A c>c1 (a) cR c1 A c1 < c< c2 浅红橙红浅红 cR c1 c2 (c) A cR 1.显色剂用量的选择 M + R = MR 要将被测组分全部转为有色配合物。实际工作中,作 A ~ cR曲线,寻找适宜的cR范围。 (b) 选择曲线变化平坦处

A pH 2.溶液酸度的选择酸度的影响 OH- H+ 副反应 M + nR = MRn RH = R- + H+ 存在型体的变化 1 2 生成不同配比的络合物例，磺基水杨酸 – Fe 3+ pH = 2 ~ 3 FeR 紫红色 pH = 4 ~ 7 FeR2 橙色黄色 pH = 8 ~ 10 FeR3 pH>12 Fe(OH)3 沉淀选择曲线中A较大且恒定的平坦区实际工作中，作 A ~ pH 曲线，寻找适宜 pH 范围。

邻二氮菲－亚铁反应完全度与pH的关系 2+ pH3～8 柠檬酸盐介质 N + F e2+ 3 F e N 3 桔红色 max

A A T T A A T T 3.显色温度的选择作 A ~ T曲线,寻找适宜反应温度。显色反应常在室温下进行。但是，有些显色反应必需加热至一定温度才能完成。例:用硅钼蓝法测硅时生成硅钼黄的反应，在室温下需要10min以上才能成，而在沸水浴中，则只需30s便能完成。

4.反应时间的选择 有些显色反应瞬间完成，溶液颜色很快达到稳定，并在较长时间内保持不变；有些虽能迅速完成，但络合物的颜色很快就开始褪色；有些进行很缓慢，溶液颜色需经一段时间后才稳定。应据实际情况，确定最合适的时间测定。

5.溶剂的影响 有机溶剂常降低有色化合物的离解度，从而提高了显色反应的灵敏度。例，偶氮氯膦Ⅲ法测Ca2+，加乙醇后，A明显增加.此外，有机溶剂还可能提高显色反应的速度。如，氯代磺酚S测Nb，在水溶液中显色需要几个小时，加丙酮后，则只需30min。

Y X max A  6.干扰及其消除方法 ⒈ 控制溶液酸度，使干扰离子不显色 ⒉ 加入掩蔽剂(配位掩蔽剂、氧化还原掩蔽剂) ⒊ 利用参比溶液消除显色剂和共存离子干扰 ⒋ 选择适当的入射光波长(如图) ⒌ 预分离

11.5 分光光度法的灵敏度和准确度 11.5.1 灵敏度的表示方法  越大, 灵敏度越高: •  >105超高灵敏度 • =(5～10）×104 高灵敏 • =(1～5)×104 较高灵敏度  <1 × 104低灵敏度

桑德尔(Sandell)灵敏度:S 截面积为1cm2的液层在一定波长或波段处，测得 A=0.001时，所含物质的最低质量(μg/cm2) S小灵敏度高; 相同的物质, M小则灵敏度高.

例：邻二氮菲光度法测铁： ρ(Fe2+)=1.0mg/L, b=2cm , A=0.38 ,计算 ，S 解： c(Fe2+)=1.0×10-3 g/L/55.85g/mol =1.8×10-5mol/L S=M/ =55.85/1.1×104=0.0051 (g/cm2)

11.5.2 分光光度法测量条件的选择 在光度分析中，仪器测量误差是实验误差的主要因素。为使测定结果有较高的灵敏度和准确度，必须注意测量条件的选择： 1.入射光的波长的选择 “吸收最大，干扰最小”

例丁二酮肟比色法测钢中的镍， 丁二酮肟镍λmax≈470nm，试样中的铁用酒石酸钠钾掩蔽后，在470nm也有吸收，对测定有干扰。当λ测＞500nm后，干扰较小。因此，可在520nm处测定，否则，要分离铁后才能测定.

2.吸光度读数范围的选择 　 Er% 10 8 6 最佳读数范围 4 最佳值 2 (36.8) 20 40 60 80 T% 0 0.7 0.4 0.2 0.1 A 0.434 浓度测量的相对误差与T(或A)的关系实际工作中，应控制T =15～65％, A=0.2～0.8(方法：控制 c 或 b )

微分： 两式相除得：以有限值表示可得：测定结果的精度常用浓度的相对误差△c/c表示, （Δc/c）不仅与仪器的透光度误差ΔT 有关，而且与其透光度读数T 的值也有关若读数的绝对误差为△T=1%，用不同的T代入上式，可得相应浓度测量的相对误差△c/c，作图　

例某钢样含镍约0.12%，用丁二酮肟光度法（ε=1.3×104L·mol-1 ·cm-1）进行测定。试样溶解后，转入100mL容量瓶中，显色，再加入水稀释至刻度。取部分试液于波长470nm处用1cm吸收池进行测量，如果希望此时的测量误差最小，应称取试样多少？(镍: 58.69) • 解： A= εb C C=A/ εb • 将A=0.434 b=1 ε=1.3×104 L·mol-1 ·cm-1 代入上式 • C=0.434/ 1.3×104 =3.34 ×10-5 mol · L-1 • 设应称取试样 Wg，则: • W × 0.12% =100 × 10-3 × 3.34 ×10-5 ×58.69 • W=0.16g

3.参比溶液的选择 • 参比液选用原则：使测量的A真正反映待测物浓度

A c 11.6 分光光度法的应用 11.6.1 单组分含量的测定 1.标准工作曲线法先配制一系列标准溶液，在最大吸收波长处，测出它们的吸光度，作图，同条件测未知液的吸光度，从图中查出未知液的浓度 Ax cx 标准工作曲线图

2.标准对照法 只需一份标准溶液即可计算出试液的浓度，简单方便。

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