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微区紫外-可见分光光度计的设计与应用


实验7 微区紫外-可见分光光度计的设计与应用
利用物质分子或者离子对某一波长范围的吸收作用, 对物质进行 定性分析、定量分析、以及结构分析,所依据的光谱是分子或者离子 吸收入射光中特定波长的光而产生的吸收光谱。 按照所吸收的波长区 域不同可以分为紫外分光光度法和可见分光光度法, 合称为紫外-可 见分光光度法。物质对光的吸收是选择性的,利用被测物质对某波长 的光的吸收来了解物质的特性,这就是光谱法的基础。通过实验掌握 紫外-可见吸收光谱分析所依据的物理原理,初步掌握微区紫外-可 见分光光度计的设计方法,并利用实验室设备搭建测量光路。初步掌 握利用吸收谱分析染料的能级结构和光学参数的方法。

一、 实验目的
1. 掌握紫外-可见吸收光谱分析所依据的物理原理 2. 初步掌握微区紫外-可见分光光度法测量物质吸收谱的光路设计 方法,并利用实验室设备搭建测量光路。 3. 初步掌握利用吸收谱分析染料的能级结构和光学参数的方法。

二、实验原理
光谱分析可以分为发射光谱分析和吸收光谱分析两大类。当构成 物质的分子或原子受到激发而发光,产生的光谱称为发射光谱,发射 光谱的谱线与组成物质的元素及其外围电子的结构有关。 吸收光谱是 指光通过物质被吸收后的光谱,吸收光谱则决定于物质的化学结构,

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与分子中的双键有关。物质对光的吸收,与其分子结构有密切关系, 因而不同物质因结构的差异,产生不同的吸收光谱,亦即吸收曲线。

(一)分子吸收谱的产生
分子吸收谱的形成机理是由于能级之间的跃迁所引起的, 在分子 中除了电子相对于原子核的运动外, 还有原子核的相对振动和分子作 为整体绕其质心的转动。分子的这三种运动状态都对应一定能级,它 们之间的关系为: ?Eelec > ?Evib > ?Erot 处在同一电子能级的分子,可能由于振动能量的不同,处在不 同的振动能级上。分子处在同一电子能级和振动能级时,可能由于转 动能级的不同而处在不同的转动能级上。 所以分子的总能量是三种能 量的总和

Emol = Eelec + Evib + Erot

(1)

当用频率为 v 的光照射分子, 而该分子的较高能级与较低能级之 差 ?E 恰好等于 hv 时,此时在微观上出现分子由较低能级跃迁到较高 能级, 在宏观上体现为光的强度变弱。 若用一连续频率的光照射分子, 将照射前后光强度的变化变为电信号记录下来, 就可以得到一张光强 度变化对波长的关系曲线。即分子吸收光谱图。 图 1 是双原子分子的能级示意图。从图中可看出,在同一电 子能级中有几个振动能级,而在同一振动能级中又有几个转动能级。 电子能级间的能量差一般为 l~20 电子伏特(eV)。因此,由电子能级

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跃迁而产生的吸收光谱,位于紫外及可见光部分。这种由价电子跃迁 而产生的分子光谱称为电子光谱。

图 1 双原子分子中电子振动和转动能级示意图 A 和 B 为电子能级; V '(0,1, 2,3, 4) 和 V ''(0,1, 2,3, 4) 为振动能级;
J '(0,1, 2,3, 4) 和 J ''(0,1, 2,3, 4) 为转动能级;

在电子能级变化时, 不可避免地伴随着分子振动和转动的能级的 变化。因此,分子的电子光谱通常比原子的线状光谱复杂得多,呈带 状光谱。由分子振动能级(能级间的能量差约 0.05~1eV)和转动能级 (能级间的能量差小于 0.05eV)的跃迁而产生的吸收光谱,成为振动 —转动光谱或红外吸收光谱。 各种物质的分子对红外光的选择吸收与 其分子结构密切相关,故红外吸收光谱法可应用于分子结构的研究。

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(二)光谱吸收曲线 测量某种物质对不同波长单色光的吸收程度,以波长为横坐标, 吸光度为纵坐标作图,得到一条吸收光谱曲线或光吸收曲线,它能清 楚地描述物质对光的吸收情况。 光吸收程度最大处的波长叫做最大吸 收波长,用 λmax 表示。吸收峰所处的波长位置,是由于产生谱带的 跃迁能级间的能量差决定的。反映的是分子内能级的分布状况。 (三)光吸收定律 光分为几种:单色光:单一波长的光。复色光:由不同波长组成 的光。互补光:按适当的强度比例可混合成白光的两种单色光。 1、透光率和吸光度 当一束单色光通过均匀的媒质时,入射光强度为 I0,吸收光强度 为 Ia, 透射光强度为 It, 反射光强度为 Ir, 则: 0 = Ia + It + Ir I 透射光的强度 It 与入射光强度 I0 之比:T = I t / I 0 称为透光率。 透光率的负对数 A = ? lg T = lg I 0 / I t 称为吸光度。A 值越大表示它对光的吸收越大。 2、朗伯-比尔定律 朗伯定律:当一适当波长的单色光通过一固定浓度的溶液时,其 吸光度与光通过的液层厚度成正比。即 A = k1b (5) (4) (2) (3)

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式中 b 为液层厚度,k1 为比例系数,它与被测物质性质、入射光 波长、溶剂、溶液浓度及温度有关,Lambert 定律对所有的均匀介质 都是适用的。 比尔定律: 当一适当波长的单色光通过溶液时, 若液层厚度一定, 则吸光度与溶液浓度成正比。即:A = k2c (6)

式中 c 为物质的量浓度(或质量浓度),k2 为与吸光物质种类、溶 剂、入射光波长、液层厚度和溶液温度有关的常数。Beer 定律仅适 用于单色光。 朗伯-比尔定律:将(5)和(6)两式合并为: A = ebc (7)

式中 b 的单位为 cm,c 为物质的量浓度(mol×L-1),e 为摩尔吸 光系数,单位为 L×mol -1×cm-1。若用质量浓度 r(g×L-1)代替物质的 量浓度 c, A = abr , 则 式中的 a 为质量吸光系数, 单位为 L× g -1×cm-1。 朗伯-比尔定律是光吸收的基本定律, 是分光光度法的依据和基 础。

三、 实验装置
(一)分光光度计基本部件 分光光度计一般按工作波长范围分类,紫外、可见分光光度计主 要应用于无机物和有机物含量的测定, 红外分光光度计主要用于结构

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分析。分光光度计又可分为单光束和双光束两类。本实验中采用单光 束法。分光光度计的基本部件有:光源、单色器、比色皿(样品池)、 检测器和显示装置,下图是微区紫外-可见分光光度计的方框图:
光源 显示器 微聚焦部分 样品池 单色器 检测器

图 2 微区紫外-可见分光光度计的方框图 1、光源 通常用钨丝灯作可见光区的光源,发出的连续光谱在 360~800 nm 范围内。氘灯主要为紫外区光源,光源应该稳定,即要 求电源电压保持稳定。为此,通常在仪器内同时配有电源稳压器。也 可以采用氙灯光源,光谱范围为 250~1800 nm。 2、 单色器 单色器的作用是将光源发出的连续光谱分解为单色光 的装置。分为棱镜和光栅。下图是单色器光路:

图3

单色器光路

棱镜是根据光的折射原理而将复合光色散为不同波长的单色光, 然后再让所需波长的光通过一个很窄的狭缝照射到吸收池样品上。 它 由玻璃或石英制成。玻璃棱镜用于可见光范围,石英棱镜则在紫外和 可见光范围均可使用。

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光栅是根据光的衍射和干涉原理将复合光色散为不同波长的单 色光,然后再让所需波长的光通过狭缝照射到吸收池上。它的分辨率 比棱镜大,可用的波长范围也较宽。 3、比色皿 也称吸收池。用于盛放样品的容器。也可以换成样品 台。 4、 检测器 检测器的作用是接受从比色皿发出的透射光并转换成 电信号进行测量。一般用光电倍增管,适用波长范围为 160~700nm。 5、 显示装置 显示装置的作用是把放大的信号以吸光度 A 或透射 比 T 的方式显示或记录下来。 (二)测试样品 用染料测量吸收谱。

四、实验内容
1.利用紫外-可见分光光度法设计光吸收谱实验光路图; 2.以设计的实验光路图为基础,利用实验室提供的设备,动手 搭建实际测量光路; 3.测量染料的吸收谱; 4.染料吸光度的计算以及结构的分析。

五、实验报告要求
1. 画出微区紫外-可见分光光度计的光路图,指明各组成部

分的元件参数和所实现的功能。 2. 画出染料的光吸收谱,并分析染料的结构特点。
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3.

讨论:

(1) 微区紫外-可见分光光度法与传统紫外-可见分光光度法 有什么不同? (2)微区紫外-可见分光光度法测吸收谱光路可以如何改进, 从而实现同一区域的反射谱和吸收谱的测量?

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