摘要 本文介紹了紫外可見(jiàn)分光光度法的發(fā)展、原理、特點(diǎn)及應(yīng)用，并列舉多項(xiàng)實(shí)例說(shuō)紫外可見(jiàn)分光光度法在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞 有機(jī)分析吸收光譜 紫外可見(jiàn)分光光度法
1.發(fā)展
人們?cè)趯?shí)踐中早已總結(jié)出不同顏色的物質(zhì)具有不同的物理和化學(xué)性質(zhì)。根據(jù)物質(zhì)的這些特性可對(duì)它進(jìn)行有效的分析和判別。由于顏色本就惹人注意，根據(jù)物質(zhì)的顏色深淺程度來(lái)對(duì)物質(zhì)的含量進(jìn)行估計(jì)，可追溯到古代及中世紀(jì)。1852年，比爾(Beer)參考了布給爾(Bouguer)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)，這就是著名的比爾朗伯定律。1854年，杜包斯克(Duboscq)和奈斯勒(Nessler)等人將此理論應(yīng)用于定量分析化學(xué)領(lǐng)域，并且設(shè)計(jì)了第一臺(tái)比色計(jì)。到1918年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局制成了第一臺(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(lèi)型的儀器，使光度法的靈敏度和準(zhǔn)確度也不斷提高，其應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大。
紫外可見(jiàn)分光光度法從問(wèn)世以來(lái)，在應(yīng)用方面有了很大的發(fā)展，尤其是在相關(guān)學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)上，促使分光光度計(jì)儀器的不斷創(chuàng)新，功能更加齊全，使得光度法的應(yīng)用更拓寬了范圍。目前，分光光度法已為工農(nóng)業(yè)各個(gè)部門(mén)和科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域所廣泛采用，成為人們從事生產(chǎn)和科研的有力測(cè)試手段。我國(guó)在分析化學(xué)領(lǐng)域有著堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，在分光光度分析方法和儀器的制造方面國(guó)際上都已達(dá)到一定的水平。
2.原理
物質(zhì)的吸收光譜本質(zhì)上就是物質(zhì)中的分子和原子吸收了入射光中的某些特定波長(zhǎng)的光能量，相應(yīng)地發(fā)生了分子振動(dòng)能級(jí)躍遷和電子能級(jí)躍遷的結(jié)果。由于各種物質(zhì)具有各自不同的分子、原子和不同的分子空間結(jié)構(gòu)，其吸收光能量的情況也就不會(huì)相同，因此，每種物質(zhì)就有其特有的、固定的吸收光譜曲線，可根據(jù)吸收光譜上的某些特征波長(zhǎng)處的吸光度的高低判別或測(cè)定該物質(zhì)的含量，這就是分光光度定性和定量分析的基礎(chǔ)。分光光度分析就是根據(jù)物質(zhì)的吸收光譜研究物質(zhì)的成分、結(jié)構(gòu)和物質(zhì)間相互作用的有效手段。
紫外可見(jiàn)分光光度法的定量分析基礎(chǔ)是朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律。即物質(zhì)在一定濃度的吸光度與它的吸收介質(zhì)的厚度呈正比。
物質(zhì)的顏色和它的電子結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系，當(dāng)輻射(光子)引起電子躍遷使分子(或離子)從基態(tài)上升到激發(fā)態(tài)時(shí)，分子(或離子)就會(huì)在可見(jiàn)區(qū)或紫外呈現(xiàn)吸光，顏色的發(fā)生或變化是和分子的正常電子結(jié)構(gòu)的變形聯(lián)系的。當(dāng)分子中含有一個(gè)或更多的生色基因(即具有不飽和鍵的原子基團(tuán))，輻射就會(huì)引起分子中電子能量的改變。常見(jiàn)的生色團(tuán)有：
CO， -N=N-， -N=O，-C N，CS
如果兩個(gè)生色團(tuán)之間隔一個(gè)碳原子，則形成共軛基團(tuán)，會(huì)使吸收帶移向較長(zhǎng)的波長(zhǎng)處(即紅移)，且吸收帶的強(qiáng)度顯著增加。當(dāng)分子中含有助色基團(tuán)(有未共用電子對(duì)的基團(tuán))時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生紅移效應(yīng)。常見(jiàn)的助色基團(tuán)有：-OH -NH2， -SH， -Cl,-Br, -I。
3.特點(diǎn)
分光光度法對(duì)于分析人員來(lái)說(shuō)，可以說(shuō)是最有用的工具之一。幾乎每一個(gè)分析實(shí)驗(yàn)室都離不開(kāi)紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)。分光光度法的主要特點(diǎn)為：
(1)應(yīng)用廣泛
由于各種各樣的無(wú)機(jī)物和有機(jī)物在紫外可見(jiàn)區(qū)都有吸收，因此均可借此法加以測(cè)定。到目前為止，幾乎化學(xué)元素周期表上的所有元素(除少數(shù)放射性元素和惰性元素之外)均可采用此法 。在國(guó)際上發(fā)表的有關(guān)分析的論文總數(shù)中，光度法約占28%，我國(guó)約占所發(fā)表論文總數(shù)的33% 。
(2)靈敏度高
由于新的顯色劑的大量合成，并在應(yīng)用研究方面取得了可喜的進(jìn)展，使得對(duì)元素測(cè)定的靈敏度有所推進(jìn)，特別是有關(guān)多元絡(luò)合物和各種表面活性劑的應(yīng)用研究，使許多元素的摩爾吸光系數(shù)由原來(lái)的幾萬(wàn)提高到數(shù)十萬(wàn)。
(3)選擇性好
目前已有些元素只要利用控制適當(dāng)?shù)娘@色條件就可直接進(jìn)行光度法測(cè)定，如鈷、鈾、鎳、銅、銀、鐵等元素的測(cè)定，已有比較滿意的方法了。
(4)準(zhǔn)確度高
對(duì)于一般的分光光度法，其濃度測(cè)量的相對(duì)誤差在1～3%范圍內(nèi)，如采用示差分光光度法進(jìn)行測(cè)量，則誤差可減少到更低。
(5) 適用濃度范圍廣
可從常量(1%～50%)(尤其使用示差法)到痕量(10-8～10-6%)(經(jīng)預(yù)富集后)。
(6) 分析成本低、操作簡(jiǎn)便、快速
由于分光光度法具有以上優(yōu)點(diǎn)，因此目前仍廣泛地應(yīng)用于化工、冶金、地質(zhì)、醫(yī)學(xué)、食品、制藥等部門(mén)及環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。單在水質(zhì)分析中的應(yīng)用就很廣，目前能有直接法和間接法測(cè)定的金屬和非金屬元素就有70多種。
4.應(yīng)用
4.1 檢定物質(zhì)
根據(jù)吸收光譜圖上的一些特征吸收，特別是最大吸收波長(zhǎng)和摩爾吸收系數(shù)是檢定物質(zhì)的常用物理參數(shù)。這在藥物分析上就有著很廣泛的應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)外的藥典中，已將眾多的藥物紫外吸收光譜的最大吸收波長(zhǎng)和摩爾吸收系數(shù)載入其中，為藥物分析提供了很好的手段。
4.2 與標(biāo)準(zhǔn)物及標(biāo)準(zhǔn)圖譜對(duì)照
將分析樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品以相同濃度配制在同一溶劑中，在同一條件下分別測(cè)定紫外可見(jiàn)吸收光譜。若兩者是同一物質(zhì)，則兩者的光譜圖應(yīng)完全一致。如果沒(méi)有標(biāo)樣，也可以和現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)譜圖對(duì)照進(jìn)行比較。這種方法要求儀器準(zhǔn)確，精密度高，且測(cè)定條件要相同。
4.3 比較最大吸收波長(zhǎng)吸收系數(shù)的一致性
由于紫外吸收光譜只含有2～3個(gè)較寬的吸收帶，而紫外光譜主要是分子內(nèi)的發(fā)色團(tuán)在紫外區(qū)產(chǎn)生的吸收，與分子和其它部分關(guān)系不大。具有相同發(fā)色團(tuán)的不同分子結(jié)構(gòu)，在較大分子中不影響發(fā)色團(tuán)的紫外吸收光譜，不同的分子結(jié)構(gòu)有可能有相同的紫外吸收光譜，但它們的吸收系數(shù)是有差別的。如果分析樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品的吸收波長(zhǎng)相同，吸收系數(shù)也相同，則可認(rèn)為分析樣品與標(biāo)準(zhǔn)樣品為同一物質(zhì)。
4.4 純度檢驗(yàn)
例1 紫外吸收光譜能測(cè)定化合物中含有微量的具有紫外吸收的雜質(zhì)。如果化合物的紫外可見(jiàn)光區(qū)沒(méi)有明顯的吸收峰，而它的雜質(zhì)在紫外區(qū)內(nèi)有較強(qiáng)的吸收峰，就可以檢測(cè)出化合物中的雜質(zhì)。
例2 檢測(cè)乙醇樣品含有的苯的雜質(zhì)。苯的最大吸收波長(zhǎng)在256nm，而乙醇在此波長(zhǎng)處沒(méi)有吸收。在紫外吸收光譜上就能很明顯地看出來(lái)。
如果化合物在紫外可見(jiàn)有吸收，可用吸收系數(shù)檢測(cè)其純度。
例3 還可以用差示法來(lái)檢測(cè)樣品的純度。取相同濃度的純品在同一溶劑中測(cè)定作空白對(duì)照，樣品與純品之間的差示光譜就是樣品中含有雜質(zhì)的光譜。
4.5 推測(cè)化合物的分子結(jié)構(gòu)
(1) 推測(cè)化合物的共軛體系和部分骨架
如果一個(gè)化合物在紫外區(qū)是透明的，沒(méi)有吸收峰，則說(shuō)明不存在共軛體系 (指不存在多個(gè)相間雙鍵)。它可能是脂肪族碳?xì)浠衔�、胺、腈、醇等不含雙鍵或環(huán)狀結(jié)構(gòu)的化合物。
如果在210-250nm有強(qiáng)吸收，則可能有兩個(gè)雙鍵共軛系統(tǒng)(如共軛二烯或幔-不飽和酮)。
如果在250-300nm有強(qiáng)吸收，則可能具有3-5個(gè)不飽和共軛系統(tǒng)。
如果在260-300nm有中強(qiáng)吸收(吸收系數(shù)=200-1000)，則可能有苯環(huán)。
如果在250-300nm有弱吸收，則可能存在羰基基團(tuán)
(2) 區(qū)分化合物的構(gòu)型和構(gòu)象
例4 化合物二苯乙烯有順式和反式兩種構(gòu)型，它們的最大吸收波長(zhǎng)和吸收強(qiáng)度都不同，由于反式構(gòu)型沒(méi)有空間障礙，偶極矩大，而順式構(gòu)型有空間障礙，因此反式的吸收波長(zhǎng)和強(qiáng)度都比順式的來(lái)得大。為此就很容易區(qū)分順式和反式構(gòu)型了。
(3)互變異構(gòu)體的鑒別。
在有機(jī)化學(xué)中，會(huì)有異構(gòu)體的互變現(xiàn)象，通過(guò)紫外光譜也可鑒別。
4.6 氫鍵強(qiáng)度的測(cè)定
實(shí)驗(yàn)證明，不同的極性溶劑產(chǎn)生氫鍵的強(qiáng)度也不同，這可以利用紫外光譜來(lái)判斷化合物在不同溶劑中氫鍵強(qiáng)度，以確定選擇哪一種溶劑。
4.7 絡(luò)合物組成及穩(wěn)定常數(shù)的測(cè)定
金屬離子常與有機(jī)物形成絡(luò)合物，多數(shù)絡(luò)合物在紫外可見(jiàn)區(qū)是有吸收的，我們可以利用分光光度法來(lái)研究其組成。
4.8 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究
借助于分光光度法可以得出一些化學(xué)反應(yīng)速度常數(shù)，并從兩個(gè)或兩個(gè)以上溫度條件下得到的速度數(shù)據(jù)，得出反應(yīng)活化能。在丙酮的溴化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)研究中就是一個(gè)成功的例子。
4.9 在有機(jī)分析中的應(yīng)用
有機(jī)分析是一門(mén)研究有機(jī)化合物的分離、鑒別及組成結(jié)構(gòu)測(cè)定的科學(xué)，它是在有機(jī)化學(xué)和分析化學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的綜合性學(xué)科。在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域都用有機(jī)分析。
波長(zhǎng)在190-800nm的電磁光譜對(duì)于判斷有機(jī)分子中是否存在共軛體系、芳環(huán)結(jié)構(gòu)及C=C、C=O 、N=N之類(lèi)的發(fā)色團(tuán)是一個(gè)很好的手段，具有強(qiáng)烈的吸收，其摩爾吸光系數(shù)可達(dá)104-105(而紅外吸收光譜的摩爾吸光系數(shù)一般均小于103)，因而檢測(cè)靈敏度很高。對(duì)于一些特列類(lèi)型的結(jié)構(gòu)，可通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)運(yùn)算確定最大吸收。如果發(fā)色團(tuán)之間不以共軛鍵相連的話，其紫外吸收具有可加性，即總的吸收等于各單獨(dú)發(fā)色團(tuán)的吸收之和。用此性質(zhì)曾成功地推導(dǎo)出利血平及氯霉素的部分結(jié)構(gòu)。一個(gè)復(fù)雜分子的結(jié)構(gòu)，往往可以由比較化合物的紫外光譜性質(zhì)而推斷其含有何種發(fā)色團(tuán)，有時(shí)還能提供一些立體結(jié)構(gòu)及分子量的一些信息，為未知物的剖析提供有用的線索。以下通過(guò)實(shí)例說(shuō)明分光光度法在有機(jī)分析中的應(yīng)用。
例5 氯霉素分子中的硝基首先是由它的紫外光譜而確定的，在紫外光譜中298nm和278nm處出現(xiàn)芳香硝基的特征吸收。
例6 五圓環(huán)酮和羧酸酯的紅外特征吸收都在1740cm-1附近，難以區(qū)別。但在紫外光譜中只有前者在210nm以上有吸收，從而得以區(qū)別。
利用紫外分光光度法進(jìn)行定量分析時(shí)，可將待測(cè)試樣的純品配制成一系列標(biāo)準(zhǔn)溶液，事先繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，由待測(cè)未知樣品吸光度對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)曲線，就可得到其含量。當(dāng)未知物樣品為幾種組分，且這組分的最大吸收峰值互不重疊，則可用聯(lián)立方程解之。
結(jié)語(yǔ) 紫外可見(jiàn)分光光度法儀器價(jià)格低廉適用性廣泛，尤其是采用微機(jī)控制以來(lái)，該技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。近年來(lái)我國(guó)儀器制造廠可以生產(chǎn)出與國(guó)外等同水平的紫外分光光度計(jì)，成為分析者的最佳選擇。
