摘要 本文介紹了紫外可見分光光度法的發(fā)展、原理、特點及應(yīng)用，并列舉多項實例說紫外可見分光光度法在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞 有機分析吸收光譜 紫外可見分光光度法
1.發(fā)展
人們在實踐中早已總結(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)的這些特性可對它進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)的顏色深淺程度來對物質(zhì)的含量進行估計，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，顏色的強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)計了第一臺比色計。到1918年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)局制成了第一臺紫外可見分光光度計。此后，紫外可見分光光度計經(jīng)不斷改進，又出現(xiàn)自動記錄、自動打印、數(shù)字顯示、微機控制等各種類型的儀器，使光度法的靈敏度和準(zhǔn)確度也不斷提高，其應(yīng)用范圍也不斷擴大。
紫外可見分光光度法從問世以來，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)各個部門和科學(xué)研究的各個領(lǐng)域所廣泛采用，成為人們從事生產(chǎn)和科研的有力測試手段。我國在分析化學(xué)領(lǐng)域有著堅實的基礎(chǔ)，在分光光度分析方法和儀器的制造方面國際上都已達(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的光能量，相應(yīng)地發(fā)生了分子振動能級躍遷和電子能級躍遷的結(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處的吸光度的高低判別或測定該物質(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，分子(或離子)就會在可見區(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)分子中含有一個或更多的生色基因(即具有不飽和鍵的原子基團)，輻射就會引起分子中電子能量的改變。常見的生色團有：
CO， -N=N-， -N=O，-C N，CS
如果兩個生色團之間隔一個碳原子，則形成共軛基團，會使吸收帶移向較長的波長處(即紅移)，且吸收帶的強度顯著增加。當(dāng)分子中含有助色基團(有未共用電子對的基團)時，也會產(chǎn)生紅移效應(yīng)。常見的助色基團有：-OH -NH2， -SH， -Cl,-Br, -I。
3.特點
分光光度法對于分析人員來說，可以說是最有用的工具之一。幾乎每一個分析實驗室都離不開紫外可見分光光度計。分光光度法的主要特點為：
(1)應(yīng)用廣泛
由于各種各樣的無機物和有機物在紫外可見區(qū)都有吸收，因此均可借此法加以測定。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展，使得對元素測定的靈敏度有所推進，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)由原來的幾萬提高到數(shù)十萬。
(3)選擇性好
目前已有些元素只要利用控制適當(dāng)?shù)娘@色條件就可直接進行光度法測定，如鈷、鈾、鎳、銅、銀、鐵等元素的測定，已有比較滿意的方法了。
(4)準(zhǔn)確度高
對于一般的分光光度法，其濃度測量的相對誤差在1～3%范圍內(nèi)，如采用示差分光光度法進行測量，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、操作簡便、快速
由于分光光度法具有以上優(yōu)點，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、制藥等部門及環(huán)境監(jiān)測系統(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定紫外可見吸收光譜。若兩者是同一物質(zhì)，則兩者的光譜圖應(yīng)完全一致。如果沒有標(biāo)樣，也可以和現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)譜圖對照進行比較。這種方法要求儀器準(zhǔn)確，精密度高，且測定條件要相同。
4.3 比較最大吸收波長吸收系數(shù)的一致性
由于紫外吸收光譜只含有2～3個較寬的吸收帶，而紫外光譜主要是分子內(nèi)的發(fā)色團在紫外區(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)色團的不同分子結(jié)構(gòu)，在較大分子中不影響發(fā)色團的紫外吸收光譜，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
例1 紫外吸收光譜能測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光區(qū)沒有明顯的吸收峰，而它的雜質(zhì)在紫外區(qū)內(nèi)有較強的吸收峰，就可以檢測出化合物中的雜質(zhì)。
例2 檢測乙醇樣品含有的苯的雜質(zhì)。苯的最大吸收波長在256nm，而乙醇在此波長處沒有吸收。在紫外吸收光譜上就能很明顯地看出來。
如果化合物在紫外可見有吸收，可用吸收系數(shù)檢測其純度。
例3 還可以用差示法來檢測樣品的純度。取相同濃度的純品在同一溶劑中測定作空白對照，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 推測化合物的分子結(jié)構(gòu)
(1) 推測化合物的共軛體系和部分骨架
如果一個化合物在紫外區(qū)是透明的，沒有吸收峰，則說明不存在共軛體系 (指不存在多個相間雙鍵)。它可能是脂肪族碳?xì)浠衔铩�、腈、醇等不含雙鍵或環(huán)狀結(jié)構(gòu)的化合物。
如果在210-250nm有強吸收，則可能有兩個雙鍵共軛系統(tǒng)(如共軛二烯或幔-不飽和酮)。
如果在250-300nm有強吸收，則可能具有3-5個不飽和共軛系統(tǒng)。
如果在260-300nm有中強吸收(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
(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和吸收強度都不同，由于反式構(gòu)型沒有空間障礙，偶極矩大，而順式構(gòu)型有空間障礙，因此反式的吸收波長和強度都比順式的來得大。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。
在有機化學(xué)中，會有異構(gòu)體的互變現(xiàn)象，通過紫外光譜也可鑒別。
4.6 氫鍵強度的測定
實驗證明，不同的極性溶劑產(chǎn)生氫鍵的強度也不同，這可以利用紫外光譜來判斷化合物在不同溶劑中氫鍵強度，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)的測定
金屬離子常與有機物形成絡(luò)合物，多數(shù)絡(luò)合物在紫外可見區(qū)是有吸收的，我們可以利用分光光度法來研究其組成。
4.8 反應(yīng)動力學(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)，并從兩個或兩個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)的動力學(xué)研究中就是一個成功的例子。
4.9 在有機分析中的應(yīng)用
有機分析是一門研究有機化合物的分離、鑒別及組成結(jié)構(gòu)測定的科學(xué)，它是在有機化學(xué)和分析化學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的綜合性學(xué)科。在國民經(jīng)濟的許多領(lǐng)域都用有機分析。
波長在190-800nm的電磁光譜對于判斷有機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之類的發(fā)色團是一個很好的手段，具有強烈的吸收，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)，因而檢測靈敏度很高。對于一些特列類型的結(jié)構(gòu)，可通過簡單的數(shù)學(xué)運算確定最大吸收。如果發(fā)色團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發(fā)色團的吸收之和。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，有時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。以下通過實例說明分光光度法在有機分析中的應(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行定量分析時，可將待測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，由待測未知樣品吸光度對照標(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 紫外可見分光光度法儀器價格低廉適用性廣泛，尤其是采用微機控制以來，該技術(shù)得到了突飛猛進的發(fā)展。近年來我國儀器制造廠可以生產(chǎn)出與國外等同水平的紫外分光光度計，成為分析者的最佳選擇。
