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紫外可見分光光度法的原理及應(yīng)用

來源：本站時間：2020-08-21 11:46:30 瀏覽：50197次

紫外-可見分光光度法，又稱紫外-可見吸收光譜法（ultraviolet and visible spectrum），是以紫外線-可見光區(qū)域（通常200-800 nm）電磁波連續(xù)光譜作為光源照射樣品，研究物質(zhì)分子對光吸收的相對強度的方法。物質(zhì)中的分子或基團(tuán)，吸收了入射的紫外-可見光能量，電子間能級躍遷產(chǎn)生具有特征性的紫外-可見光譜，可用于確定化合物的結(jié)構(gòu)和表征化合物的性質(zhì)。紫外-可見吸收光譜在化學(xué)、材料、生物、醫(yī)學(xué)、食品、環(huán)境等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

紫外-可見分光光度法原理及應(yīng)用演示參考圖1

圖1 紫外-可見分光光度計（Ultraviolet-visible Spectrophotometer）

物質(zhì)的吸收光譜本質(zhì)上就是物質(zhì)中的分子、原子等，吸收了入射光中某些特定波長的光能量，并相應(yīng)地發(fā)生躍遷吸收的結(jié)果。紫外-可見吸收光譜就是物質(zhì)中的分子或基團(tuán)，吸收了入射的紫外可見光能量，產(chǎn)生了具有特征性的帶狀光譜。

1. 紫外-可見吸收光譜法原理

1.1 分子光譜的產(chǎn)生以及類型

分子中有電子的運動，組成分子的各原子間的振動，以及分子作為整體的轉(zhuǎn)動，這三種不同的運動狀態(tài)都對應(yīng)一定的能級。光和物質(zhì)相互作用時，分子中電子能級、振動能級和轉(zhuǎn)動能級產(chǎn)生變化，使分子對光產(chǎn)生了吸收、發(fā)射或散射，從而得到分子光譜。分子從外界吸收光能，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，把被吸收的輻射強度按波長順序記錄下來，便得到吸收光譜，如圖2所示。

紫外-可見分光光度法原理及應(yīng)用演示參考圖2

圖2 吸收光譜示意圖

紫外-可見分光光度法原理及應(yīng)用演示參考圖3

圖3 光譜分類

根據(jù)光輻射的波長范圍和作用形式的不同，如圖3所示，分子光譜包括紫外-可見光譜、紅外光譜、微波譜、熒光光譜和拉曼光譜等。

1.2 紫外-可見吸收光譜的電子躍遷

有機化合物的紫外吸收光譜：基態(tài)有機化合物的價電子包括成鍵δ電子、成鍵π電子和非鍵電子n。分子的空軌道包括反鍵δ*和反鍵π*軌道。因此，可能得躍遷為δ→δ*、π→π*、n→δ*、n→π*等。由圖4可見，各種躍遷所需能量大小為：δ→δ*＞n→δ*≥π→π*＞n→π*。

紫外-可見分光光度法原理及應(yīng)用演示參考圖4

圖4 有機化合物中電子躍遷類型

無機化合物的紫外吸收光譜：①電荷遷移躍遷：化合物中的電荷發(fā)生重新分布，導(dǎo)致電荷從化合物的一部分遷移至另一部分。②配位場躍遷：在配位的配位場作用下，產(chǎn)生d→d*和f→f*躍遷。當(dāng)過渡金屬離子與顯色劑形成絡(luò)合物時，既存在電荷轉(zhuǎn)移吸收，又存在配位體吸收。

1.3 輻射吸收定律（朗伯-比耳定律）

如圖5所示，當(dāng)一束平行單色光照射溶液時，一部分光被溶液吸收，一部分被界面反射，其余光則透過溶液。我們把透射光強度(It)與入射光強度(Io)的比值It/Io稱為透光度（Transmittance, T）。溶液對光的吸收程度常用吸光度（Absorbance, A）表示。吸光度A定義為透光度的負(fù)對數(shù)或透光度倒數(shù)的對數(shù)，即A=-lgT。

紫外-可見分光光度法原理及應(yīng)用演示參考圖5

圖5 光通過溶液的情況

朗伯-比耳定律的物理意義是當(dāng)一束平行單色光通過單一均勻的、非散射的吸光物質(zhì)溶液時，溶液的吸光度與溶液濃度和液層厚度的乘積成正比。如果物質(zhì)中只有一種吸光組分，則朗伯-比耳定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為A=K·C·L，吸收系數(shù)K與入射輻射的波長以及吸收物質(zhì)的性質(zhì)有光，K的單位為L/g·cm。若濃度的單位為mol/L，則K的單位為L/mol·cm，也稱為摩爾吸收系數(shù)ε。

2. 紫外-可見分光光度計結(jié)構(gòu)

分光光度法使用的儀器是分光光度計。分光光度計是由光源、分光系統(tǒng)（單色器）、吸收池、檢測器和測量信號顯示系統(tǒng)（記錄裝置）這五個基本部件組成的，如圖6所示。由光源產(chǎn)生的復(fù)合光通過單色器分解為單色光，當(dāng)單色光通過吸收池時，一部分光被樣品吸收，未被吸收的光到達(dá)接收放大器，將光信號轉(zhuǎn)變成電信號并加以放大，放大后的電信號再顯示或記錄下來。

紫外-可見分光光度法原理及應(yīng)用演示參考圖6

圖6 紫外-可見分光光度計基本結(jié)構(gòu)示意圖

光源：對光源的的基本要求是在廣發(fā)的光譜區(qū)域內(nèi)發(fā)射連續(xù)光譜；有足夠的輻射強度；光源有良好的穩(wěn)定性；輻射能量隨波長沒有明顯的變化。在紫外及可見分光光度計上，常用的光源是鎢絲燈和氫燈（氘燈）。鎢絲燈受熱造成鎢蒸發(fā)損耗，可加入適量鹵素或鹵化物構(gòu)成鹵鎢燈，延長使用壽命。

單色器：將光源發(fā)射的復(fù)合光分解成單色光并可從中選出任一波長單色光的光學(xué)系統(tǒng)。如圖8所示，主要由狹縫、色散原件和透鏡系統(tǒng)組成。

紫外-可見分光光度法原理及應(yīng)用演示參考圖7

圖7 不同光源適用波長范圍

紫外-可見分光光度法原理及應(yīng)用演示參考圖8

圖8 單色器光路示意圖

吸收池：又叫比色皿，如圖9所示，用于盛放待測溶液和決定透光液層厚度的器件。主要由石英吸收池和玻璃吸收池兩種。石英吸收池適用于紫外及可見光區(qū)，玻璃吸收池只能用于可見光區(qū)。

圖9 不同型號的比色皿

檢測器：利用光電效應(yīng)將透過吸收池的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴３Ｓ玫挠泄怆姽?、光電倍增管、光電二極管、光電攝像管等。

3. 測試分析及應(yīng)用

3.1試樣制備

溶劑的選擇：選擇溶劑的一般原則是對試樣有良好的溶解能力和選擇性；測定在該波段溶劑本身無明顯吸收；溶劑不與被測組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；被測組分在溶劑中具有良好的吸收峰形。盡量選用低極性溶劑，溶劑極性較高時物質(zhì)的精細(xì)結(jié)構(gòu)消失，只得到很寬的吸收峰。

比色皿的使用：透光面要用擦鏡紙由上而下擦拭干凈，注意比色皿的配對使用，比色皿內(nèi)的溶液以皿高的2/3至4/5為宜。

3.2 定性分析

①把試樣的光譜特征，如吸收峰的數(shù)目、位置、強度（摩爾吸收系數(shù)）以及吸收峰的形狀（極大、極小和拐點），與純化合物或者文獻(xiàn)報道的標(biāo)準(zhǔn)紫外光譜圖做比較，推測化合物的結(jié)構(gòu)，檢查化合物的純度。

紫外-可見分光光度法原理及應(yīng)用演示參考圖10

圖10 ALE-ZnONPs、ALE和ZnSO4的紫外-可見吸收光譜圖

實例：沙特阿拉伯國王大學(xué)Mansour S. Al-Said等人[1]利用紫外-可見吸收光譜確定所制備的樣品ALE-ZnONPs中含有氧化鋅納米顆粒。如圖10所示，樣品ALE-ZnONPs在375 nm出現(xiàn)了特征峰，制備樣品的原材料ALE和ZnSO4在該處無特征峰。根據(jù)文獻(xiàn)報道，納米氧化鋅的特征峰在358-375 nm之間，由此證實了氧化鋅納米顆粒的生成。

②根據(jù)吸收峰的強弱對比比較樣品的相關(guān)性質(zhì)。一種化合物可能擁有多個吸收峰，這些峰的相對強弱變化可以推測出化合物的相關(guān)性質(zhì)。首先是根據(jù)文獻(xiàn)了解化合物的每個吸收峰所代表的含義，再進(jìn)行對比。

紫外-可見分光光度法原理及應(yīng)用演示參考圖11

圖11 P2-rn、P3-rn溶解性光學(xué)照片和紫外-可見吸收光譜圖。

（溶劑：1,2,4-三氯苯，濃度：2-10-5mol/L）

實例：以基于異靛藍(lán)的聚合物P2-rn和P3-rn為例進(jìn)行說明[2]。在這類基于異靛藍(lán)的 D-A聚合物中，一般具有兩個吸收帶，band I和band II。band I又細(xì)分為0-0峰和0-1峰等，其中0-0峰表示分子的聚集狀態(tài)，越高說明聚集越強。這兩個聚合物結(jié)構(gòu)的差異僅在其中一條烷基側(cè)鏈的大小不同，P3-rn的烷基側(cè)鏈比P3-rn的多出8個C原子。

從圖11中紫外-可見吸收光譜圖可以看出，從P2-rn到P3-rn，0-0峰的強度/0-1峰的強度減小，說明P3-rn在溶液中的聚集更弱，這和溶解性對比圖所示相吻合，相同濃度下，P3-rn的溶解性明顯較好，即分子更不易聚集，分散的更好。

3.3 半定量分析

根據(jù)吸收峰的強弱對比比較樣品的濃度大小關(guān)系。

實例：四川大學(xué)的郭熠等人[3]利用紫外-可見吸收光譜對比了溶液中多硫化鋰的含量，從而進(jìn)一步對比了樣品GSVm和GSm對多硫化鋰的吸附能力的強弱。將樣品GSVm和GSm分別放入相同濃度的多硫化鋰溶液中，靜置一段時間。樣品吸附多硫化鋰后，溶液中的多硫化鋰濃度改變。如圖12所示，測定吸附后溶液的紫外-可見吸收光譜，對比吸收峰的強弱，可以看出相較于原始的多硫化鋰溶液，加入樣品GSVm和GSm吸附后的多硫化鋰溶液吸收峰強度均降低，并且加入樣品GSVm吸附后的多硫化鋰溶液吸收峰強度下降更多，說明樣品GSVm吸附多硫化鋰能力更強，使溶液中多硫化鋰濃度下降更多。

紫外-可見分光光度法原理及應(yīng)用演示參考圖12

圖12 浸泡了GSVm和GSm的 Li2Sn 溶液的光學(xué)照片(插圖)和吸附后對應(yīng)溶液的紫外-可見吸收光譜圖。

3.4 定量分析

單組分定量分析：①標(biāo)準(zhǔn)曲線法：直接分取標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行光度測定或顯色測定所測得的吸光度與濃度作圖得到的曲線（圖13）。②標(biāo)準(zhǔn)加入法（增量法）：把未知試樣溶液分成體積相同的若干份，除其中的一份不加入被測組分標(biāo)準(zhǔn)試樣外，在其他幾份中都分別加入不同量的標(biāo)準(zhǔn)試樣，然后測定各份試液的吸光度，并繪制吸光度對增量的校正曲線（圖14）。

紫外-可見分光光度法原理及應(yīng)用演示參考圖13

圖13 標(biāo)準(zhǔn)曲線法校正曲線

紫外-可見分光光度法原理及應(yīng)用演示參考圖14

圖14 增量法校正曲線

多組分定量分析：在多組分體系中，如果各組分對光都有吸收并且無相互作用，這時體系的總吸光度則等于各個組分的吸光度加和，這就是光吸收的加和特性。解決多組分混合物中各個組分測定的基礎(chǔ)是吸光度的加和性。對于一個含有多種吸光組分的溶液，在某一測定波長下，其總吸光度應(yīng)為各個組分的吸光度之和。

示差分光光度法：普通分光光度測定在很低或者很高吸光度范圍內(nèi)進(jìn)行定量分析時相對誤差較大，因此不適于高含量或痕量物質(zhì)的分析，可以采用示差分光光度法進(jìn)行測定。示差分光光度是用一個已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液作為參比，與未知濃度的試樣溶液比較，測量其吸光度。

紫外-可見分光光度法原理及應(yīng)用演示參考圖15

圖15 示差法校正曲線

實例：昆明醫(yī)科大學(xué)的鄧菊慶等人[4]采用紫外分光光度法測定了5種柑橘皮中總黃酮的含量。將樣品溶液、蘆丁標(biāo)準(zhǔn)液、空白對照液顯色后在200～800nm波長進(jìn)行掃描，選定最大吸收峰510 nm作為測定波長。于510 nm波長下測定不同濃度蘆丁標(biāo)準(zhǔn)液的吸光度，以蘆丁標(biāo)準(zhǔn)品濃度為橫坐標(biāo)、吸光度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線（圖16），進(jìn)行線性回歸。從線性相關(guān)方程計算出相應(yīng)的黃酮濃度C，再換算成提取液中總黃酮的質(zhì)量，從而計算出總黃酮含量。

紫外-可見分光光度法原理及應(yīng)用演示參考圖16

圖16 蘆丁標(biāo)準(zhǔn)曲線

3.5 原位紫外-可見吸收光譜法

通過原位紫外-可見吸收光譜圖中吸收峰位置或者強度的變化可以分析樣品在反應(yīng)過程中的成分變化或者濃度變化。

紫外-可見分光光度法原理及應(yīng)用演示參考圖17

圖17（A）原位紫外-可見吸收光譜法測試電池裝置示意圖；（B）不同硫化物在電解液中的光學(xué)照片；（C）鋰硫電池放電時電壓-容量曲線圖；（D）不同硫化物在電解液中的紫外-可見吸收光譜圖；電極S-rGO（E）和電極S-GSH（F）在放電過程中的紫外-吸收光譜圖

實例：為了探究鋰硫電池在放電過程中巰基與硫共聚物的反應(yīng)機理，蘇州大學(xué)的Na Xu等人[5]利用原位紫外-可見吸收光譜法測試了鋰硫電池在第一次放電時硫化物成分的變化情況。圖17A為測試裝置示意圖。首先制備了L2S、Li2S2、Li2S3、Li2S4、Li2S6、Li2S8溶液（溶劑為電解液），通過紫外-吸收光譜法得到了對應(yīng)的吸收峰(圖17D)作為參考。測定電池在放電過程中的紫外-可見吸收光譜，通過比對吸收峰的位置，確定了電極S-GSH（圖17F）在放電過程中并未有長鏈多硫化鋰（Li2S6、Li2S8）的產(chǎn)生。

3.6 誤差分析：對朗伯-比耳定律的偏離

標(biāo)準(zhǔn)曲線法測定未知溶液的濃度時，發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)曲線經(jīng)常發(fā)生彎曲，這種現(xiàn)象稱為對朗伯-比耳定律的偏離，如圖18所示。

紫外-可見分光光度法原理及應(yīng)用演示參考圖18

圖18 光度分析的工作曲線

主要原因是目前儀器不能提供真正的單色光，實際上儀器所提供的入射光是由波長范圍較窄的光帶組成的復(fù)合光。由于物質(zhì)對不同波長光的吸收程度不同，因此引起了偏離。

為克服非單色光引起的偏離，首先應(yīng)選擇較好的單色器，此外還應(yīng)將入射波長選定在待測物質(zhì)的最大吸收波長且吸收曲線較平坦處。另外，當(dāng)溶液濃度較大時，吸光質(zhì)點可能發(fā)生締合等相互作用，影響對光的吸收。因此，朗伯-比耳定律只適用于稀溶液。

參考文獻(xiàn)

[1] Ali K, Dwivedi S, Azam A, et al. Aloe vera extract functionalized zinc oxide nanoparticles as nanoantibiotics against multi-drug resistant clinical bacterial isolates[J]. Journal of colloid and interface science, 2016, 472: 145-156.

[2] Guo Y, Zhang Y, Zhang Y, et al. Interwoven V2O5 nanowire/graphene nanoscroll hybrid assembled as efficient polysulfide-trapping-conversion interlayer for long-life lithium–sulfur batteries[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2018, 6(40): 19358-19370.

[3] 陳方正. 基于異靛藍(lán)的給體-受體型共軛聚合物及其有機薄膜晶體管器件[D].天津大學(xué),2018.

[4] 鄧菊慶,柏春玲,楊學(xué)芳,胡月新,吳怡.紫外可見分光光度法測定不同品種柑橘皮中總黃酮含量[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2020,48(09):210-211+252.

[5] Xu N, Qian T, Liu X, et al. Greatly suppressed shuttle effect for improved lithium sulfur battery performance through short chain intermediates[J]. Nano letters, 2017, 17(1): 538-543.

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