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1、光谱分析法第1页，共81页，编辑于2022年，星期五第第12章章 分子光谱分析法分子光谱分析法 Molecular Spectroscopic Analysis12.1 12.1 概述概述 An overviewAn overview12.2 12.2 紫外可见光分光光度法紫外可见光分光光度法紫外可见光分光光度法紫外可见光分光光度法 UV-Vis spectrophotometry12.3 12.3 分子发光分析法分子发光分析法分子发光分析法分子发光分析法 Molecular luminescence analysisMolecular luminescence analysis12.4 紫外
2、吸收光谱分析紫外吸收光谱分析 UV-absorption spectroscopic analysis第2页，共81页，编辑于2022年，星期五12.1 概述概述 An overview 在辐射能作用下，分子内能级间的跃迁产生的光谱称为分子光谱分子内能级间的跃迁产生的光谱称为分子光谱。由分子中的电子能级、振动能级和转动能级跃迁所产生的光谱分别称为电子光谱、振动光谱、转动光谱。它们所对应的波谱区范围如下：电子光谱电子光谱紫外可见区 Electronic spectrum 振动光谱振动光谱近红外、中红外区 Vibrational spectrum 转动光谱转动光谱远红外、微波区 Rotationa
3、l spectrum 因为在分子的电子能级跃迁的同时，总伴随着分子的振动能级和转动能级的跃迁，所以分子的电子光谱（紫外可见光谱）是由许多线光谱聚集的谱带组成的。第3页，共81页，编辑于2022年，星期五12.1.1 分子吸收光谱分子吸收光谱 Molecular absorption spectrum 第4页，共81页，编辑于2022年，星期五第5页，共81页，编辑于2022年，星期五 有色物质的颜色是由于吸收了不同波长的光所致。溶液能选择性地吸收某些波长的光，而让其他波长的光透过，这时溶液呈现出透过光的颜色。透过光的颜色是溶液吸收光的互补色。有色溶液对各种波长的光的吸收情况，常用光吸收曲线来描
4、述。将不同波长的单色光依次通过有色溶液，分别测出对各种波长的光的吸收程度（用字母A表示）。以波长为横坐标，吸光程度为纵坐标作图，所得的曲线称为吸收曲线或吸收光谱曲线。第6页，共81页，编辑于2022年，星期五第7页，共81页，编辑于2022年，星期五 能复合成白光的两种颜色的光叫能复合成白光的两种颜色的光叫互补色光。互补色光。物质所显示的物质所显示的颜色是吸收颜色是吸收光的互补色。光的互补色。第8页，共81页，编辑于2022年，星期五KMnO4的颜色及吸收光谱第9页，共81页，编辑于2022年，星期五叶绿素的结构和吸收光谱第10页，共81页，编辑于2022年，星期五1212.1 1.2 2 分
5、子发射光谱分子发射光谱 Molecular emission spectrum分子发光：分子发光：Molecular luminescence 处处于于基基态态的的分分子子吸吸收收能能量量（电电、热热、化化学学和和光光能能等等）被被激激发发至至激激发发态态，然然后后从从不不稳稳定定的的激激发发态态返返回回至至基基态态并并发发射射出出光光子子，此此种种现现象象称称为为分分子子发发光光。分分子子发发射射光光的的强强度度随随波波长长（或或波波数数）的的变化曲线称为分子的变化曲线称为分子的发射光谱发射光谱（曲线）。（曲线）。物质吸收物质吸收光能后光能后所产生的光辐射称之为所产生的光辐射称之为荧光和磷光
6、荧光和磷光。1.1.分子能级、荧光及磷光的产生分子能级、荧光及磷光的产生 Molecular energy level,fluorescence and phosphorescent分子能级分子能级=电子能级电子能级(Ee)+振动能级振动能级(Ev)+转动能级转动能级(Er)。其中电子能级包含其中电子能级包含振动能级和转动能级振动能级和转动能级，如图。，如图。第11页，共81页，编辑于2022年，星期五基态：基态：电子自旋配对，电子自旋配对，多重度多重度=2s+1=1，为单，为单重态，以重态，以S0表示。表示。激发单重态：激发单重态：分子吸收能分子吸收能量，电子自旋仍然配对，量，电子自旋仍然配
7、对，为单重态，称为激发单为单重态，称为激发单重态，以重态，以S1，S2表示表示激发三重态：激发三重态：分子吸收能分子吸收能量，电子自旋不再配对，量，电子自旋不再配对，为三重态，称为激发三为三重态，称为激发三重态，以重态，以T1，T2.表示。表示。三三重重态态能能级级低低于于单单重重态态（Hund规则）规则）Singlet stateTriplet stateGround state第12页，共81页，编辑于2022年，星期五 1）荧光发射）荧光发射 fluorescence-emission 分分子子的的电电子子从从单单重重激激发发态态（Kasha规规则则）的的最最低低振振动动能能级级在在很很
8、短短时时间间（10-9-10-6s）跃跃迁迁到到基基态态各各振振动动能能层层时时所所产产生生的的光光子子辐辐射射称称为为荧荧光光。由由于于各各种种去去活活化化过过程程的的存存在在，荧荧光光辐辐射射能能通通常常要要比比激激发发能能量量低低，或或者者说，荧光波长大于激发波长（说，荧光波长大于激发波长（Stokes效应）。效应）。2）磷光发射）磷光发射phosphorescence-emission 从从单单重重态态到到三三重重态态分分子子间间发发生生系系间间跨跨跃跃跃跃迁迁后后，再再经经振振动动弛弛豫豫回回到到三三重重态态最最低低振振动动能能层层，最最后后，在在10-4-10s内内跃跃迁迁到到基基
9、态态的的各各振振动动能能层层所所产产生生的的光子辐射称为磷光光子辐射称为磷光。第13页，共81页，编辑于2022年，星期五2.2.去活化过程去活化过程(Deactivation)处处于于激激发发态态分分子子不不稳稳定定，通通过过辐辐射射或或非非辐辐射射跃跃迁迁等等去去活活化化过过程程返返回回至基态至基态。这些过程包括：。这些过程包括：1）振动弛豫（）振动弛豫（Vibration Relaxation,VR）在在液液相相或或压压力力足足够够高高的的气气相相中中，处处于于激激发发态态的的分分子子因因碰碰撞撞将将能能量量以以热热的的形形式式传传递递给给周周围围的的分分子子，从从而而从从高高振振动动能
10、能层层失失活活至至低低振振动动能能层层的的过过程，称为振动弛豫。程，称为振动弛豫。2）内转换（）内转换（Internal Conversion，IC）对对于于具具有有相相同同多多重重度度的的分分子子，若若较较高高电电子子能能级级的的低低振振动动能能层层与与较较低低电电子子能能级级的的高高振振动动能能层层相相重重叠叠时时，则则电电子子可可在在重重叠叠的的能能层层之之间间通通过过振振动动耦合产生无辐射跃迁，如耦合产生无辐射跃迁，如S2-S1；T2-T1。第14页，共81页，编辑于2022年，星期五3）外转换（）外转换（External Conversion，EC）受受激激分分子子与与溶溶剂剂或或其
11、其它它分分子子相相互互作作用用发发生生能能量量转转换换而而使使荧荧光光或或磷光强度减弱甚至消失的过程，也称磷光强度减弱甚至消失的过程，也称“熄灭熄灭”或或“猝灭猝灭”。4）系间跨跃（）系间跨跃（Intersystem Conversion，ISC）系系间间跨跨跃跃是是发发生生在在两两个个不不同同多多重重态态之之间间的的无无辐辐射射跃跃迁迁，如如从从S1到到T1，该该跃跃迁迁是是禁禁阻阻的的。然然而而，当当不不同同多多重重态态的的两两个个电电子子能能层层有有较较大大重重叠叠时时，处处于于这这两两个个能能层层上上的的受受激激电电子子的的自自旋旋方方向向发发生生变变化化，即即可可通通过过自自旋旋-轨
12、道耦合而产生无辐射跃迁，该过程称为系间跨跃。轨道耦合而产生无辐射跃迁，该过程称为系间跨跃。第15页，共81页，编辑于2022年，星期五12.2 紫外可见光分光光度法紫外可见光分光光度法 UV-Vis spectrophotometry12.2.1 概述 Overview 分光光度分析法是以物质对光的选择性吸收为基础的分析方法。根据物质所吸收光的波长范围不同，分光光度分析法又有紫外、可见及红外分光光度法。本章重点讨论可见光光度法，并简单介绍紫外分光光度法。第16页，共81页，编辑于2022年，星期五1 方法的特点 Features 1.灵敏度高High sensitivity 通常，待测物质的含
13、量1105时，能够用分光光度法准确测定。所以它主要用于测定微量组分。2.应用广泛Wide applications 几乎所有的无机离子和许多有机化合物可以用分光光度法进行测定。如土壤中的氮、磷以及植物灰、动物体液中各种微量元素的测定。第17页，共81页，编辑于2022年，星期五3.操作简便、快速Simple and fast 若采用灵敏度高、选择性好的有机显色剂，并加入适当的掩蔽剂，一般不经分离即可直接进行分光光度法测定,方法的相对误差通常为510，其准确度虽不及重量分析法和容量法，但对于微量组分的测定，结果还是满意的。第18页，共81页，编辑于2022年，星期五12.2.2 基本原理基本原理
14、 Basic principle1.光吸收基本定律光吸收基本定律 Light absorption law 当一束平行的单色光照射均匀的有色溶液时，光的一部当一束平行的单色光照射均匀的有色溶液时，光的一部分被吸收，一部分透过溶液，一部分被比色皿的表面反射。分被吸收，一部分透过溶液，一部分被比色皿的表面反射。如果入射光的强度为如果入射光的强度为I I0，吸收光的强度为，吸收光的强度为Ia a，透过光的强度为I It，反射光的强度为I Ir r，则，则:I0Ia It Ir 在吸光光度法中，由于采用同样质料的比色皿进行测量，反射光的强度基本上相同，其影响可以相互抵消，上式可简化为:I0Ia It第
15、19页，共81页，编辑于2022年，星期五透过光的强度It t与入射光的强度I Io o比之比称为透光度或透光度或透光率，透光率，用T 表示。T It/Io 一束单色光通过溶液，由于一束单色光通过溶液，由于溶液吸收了一部分光能，光的溶液吸收了一部分光能，光的强度减弱。若溶液的浓度不变，强度减弱。若溶液的浓度不变，液层越厚，透过光的强度越小，液层越厚，透过光的强度越小，光线减弱的程度越大。光线减弱的程度越大。如果将液层分成许多无限小如果将液层分成许多无限小的相等的薄层，其厚度为的相等的薄层，其厚度为db。则则dI应与应与db及及I成正比，即成正比，即dI Idb，从而，从而，dI/I=k1db，
16、积分此式，得：积分此式，得：(1)(1)朗伯定律朗伯定律第20页，共81页，编辑于2022年，星期五将上式用常用对数表示，得将上式用常用对数表示，得上式称为上式称为朗伯定律朗伯定律。用。用吸光度吸光度 A=lg(I0/It)=lg(1/T),则则第21页，共81页，编辑于2022年，星期五 例例1.有一单色光通过厚度为有一单色光通过厚度为1cm的有色溶的有色溶液液,其强度减弱其强度减弱20%。若通过。若通过5cm厚度的相同厚度的相同溶液溶液,其强度减弱百分之几其强度减弱百分之几?解：解：lgT2=5lgT1=5lg0.80=-0.485 T2=32.7%,即减弱即减弱67.3%第22页，共81
17、页，编辑于2022年，星期五 当一束单色光通过液层厚度一定的溶液时，当一束单色光通过液层厚度一定的溶液时，溶液的浓度愈大，光线强度减弱愈显著。若溶液溶液的浓度愈大，光线强度减弱愈显著。若溶液的浓度增加的浓度增加dc，入射光通过溶液，强度的减弱，入射光通过溶液，强度的减弱-dI与入射光强度与入射光强度I及及dc成正比，成正比，即即-dI=k3Idc，或，或-dI/I=k3dc，积分，可得到，积分，可得到:通常称通常称比耳定律。比耳定律。(2)(2)比耳定律比耳定律 Beer law第23页，共81页，编辑于2022年，星期五(3 3)朗伯一比耳定律朗伯一比耳定律 Lambert-Beer law
18、 如果溶液浓度和液层厚度都是可变的，就要同时考虑溶液浓度c和液层厚度b对吸光度的影响。为此，将朗伯朗伯和比耳公式比耳公式合并，得到即通常所称的即通常所称的朗伯一比耳定律。第24页，共81页，编辑于2022年，星期五(4)(4)吸光系数、摩尔吸光系数和桑德尔灵敏度吸光系数、摩尔吸光系数和桑德尔灵敏度Absorptivity,molar absorptivity andAbsorptivity,molar absorptivity and Sandells sensitivitySandells sensitivity 朗伯-比耳公式中，k值决定于c，b所用的单位，与入射光的波长及溶液的性质有关。
19、当浓度c以gL-1、液层厚度b以cm表示时，常数k以a表示，此时称为吸光系数，单位为Lg-1cm-1。朗伯比耳定律可表示为:Aabc 若b以以 cm cm为单位，为单位，c c以 molL-1-1为单位时，则将k称为称为摩尔吸光系数，以符号 表示，其单位为表示，其单位为LmolLmol-1-1cm-1。的物理的物理意义表达了当吸光物质的浓度为意义表达了当吸光物质的浓度为1molL1molL-1-1，液层厚度为，液层厚度为1cm1cm时时溶液的吸光度。在这种条件下上式可改写为溶液的吸光度。在这种条件下上式可改写为:A=bc第25页，共81页，编辑于2022年，星期五 摩尔吸光系数是有色化合物的重
20、要特性。愈大，表示该物质对某波长的光吸收能力愈强，因而光度测定的灵敏度就越高。的值，不能直接取1mol/L 这样高浓度的有色溶液来测量，而只能通过计算求得。由于溶液中吸光物质的浓度常因离解、聚合等因素而改变。因此，计算 时，必须知道溶液中吸光物质的真正浓度。但通常在实际工作中，多以被测物质的总浓度计算，这样计算出的 值称为表观摩尔吸光系数。文献中所报道的 值就是表观摩尔吸光系数值。第26页，共81页，编辑于2022年，星期五桑德尔（桑德尔（Sandells)灵敏度灵敏度 桑德尔灵敏度又叫桑德尔指数，用S表示。在分光光度分析中常常使用。桑德尔灵敏度规定仪器的检测极限为A=0.001时，单位截面积
21、光程内所能检测出被测物质的最低含量，以g/cm2表示。S与的关系可如下推导：A=0.001=b c，即 cb=0.001/c为mol/1000cm3;b为cm,故cb为单位截面积光程内的物质量，即mol/1000cm2。如果cb乘以被测物质的摩尔质量M，S=cb/1000M106=cbM103 g/cm2，代入cb后,第27页，共81页，编辑于2022年，星期五(5)偏离朗伯比耳定律的原因偏离朗伯比耳定律的原因Deflecting 朗伯比耳定律朗伯比耳定律是吸光光度分析的理论基础、实际应用是吸光光度分析的理论基础、实际应用时，通常使时，通常使液层厚度保持不变液层厚度保持不变，然后测定一系列浓度
22、不同，然后测定一系列浓度不同的标准溶液的吸光度，根据的标准溶液的吸光度，根据A=kbc=kc关系式，以浓度为关系式，以浓度为横坐标，吸光度为纵坐标作图，应得到一通过原点的直线，横坐标，吸光度为纵坐标作图，应得到一通过原点的直线，称为标准曲线或工作曲线。但是，实际工作中，当有色溶称为标准曲线或工作曲线。但是，实际工作中，当有色溶液的浓度较高时，往往不成直线，这种现象称为液的浓度较高时，往往不成直线，这种现象称为偏离朗伯偏离朗伯比耳定律比耳定律。第28页，共81页，编辑于2022年，星期五 引起偏离朗伯比耳定律的原因主要有以下几个方面：(1).入射光不是单色光而引起的偏离 朗伯比耳定律只适用于单色
23、光。但实际上单波长的光朗伯比耳定律只适用于单色光。但实际上单波长的光朗伯比耳定律只适用于单色光。但实际上单波长的光朗伯比耳定律只适用于单色光。但实际上单波长的光不能得到。目前各种方法所得到的入射光是具有一定波长范不能得到。目前各种方法所得到的入射光是具有一定波长范不能得到。目前各种方法所得到的入射光是具有一定波长范不能得到。目前各种方法所得到的入射光是具有一定波长范围的波带，而非单色光。因而发生偏离朗伯一比耳定律的现围的波带，而非单色光。因而发生偏离朗伯一比耳定律的现围的波带，而非单色光。因而发生偏离朗伯一比耳定律的现围的波带，而非单色光。因而发生偏离朗伯一比耳定律的现象。象。象。象。单色光的
24、纯度愈差，吸光物质的浓度愈高，偏离朗伯单色光的纯度愈差，吸光物质的浓度愈高，偏离朗伯单色光的纯度愈差，吸光物质的浓度愈高，偏离朗伯单色光的纯度愈差，吸光物质的浓度愈高，偏离朗伯-比比比比耳定律的程度愈严重耳定律的程度愈严重耳定律的程度愈严重耳定律的程度愈严重。在实际工作中，若使用精度较高的分光。在实际工作中，若使用精度较高的分光。在实际工作中，若使用精度较高的分光。在实际工作中，若使用精度较高的分光光度计，可获得较纯的单色光。光度计，可获得较纯的单色光。光度计，可获得较纯的单色光。光度计，可获得较纯的单色光。(2).介质的不均匀引起的偏离 当被测溶液是当被测溶液是当被测溶液是当被测溶液是胶体溶
25、液、悬浊液或乳浊液胶体溶液、悬浊液或乳浊液时，入射光通时，入射光通过溶液后除一部分被吸收外，还有一部分因溶液中存在微过溶液后除一部分被吸收外，还有一部分因溶液中存在微粒的散射作用而损失，使透光度减小。而当胶体或其他微粒的散射作用而损失，使透光度减小。而当胶体或其他微粒凝聚沉淀时，又会使溶液吸光度下降。粒凝聚沉淀时，又会使溶液吸光度下降。第29页，共81页，编辑于2022年，星期五(3).溶液中的化学变化引起的偏离 溶液中的化学变化如缔合、离解、溶剂化、形成新溶液中的化学变化如缔合、离解、溶剂化、形成新溶液中的化学变化如缔合、离解、溶剂化、形成新溶液中的化学变化如缔合、离解、溶剂化、形成新的化合
26、物、互变异构等，使吸光度不随溶液浓度成正比的化合物、互变异构等，使吸光度不随溶液浓度成正比的化合物、互变异构等，使吸光度不随溶液浓度成正比的化合物、互变异构等，使吸光度不随溶液浓度成正比地改变，而导致偏离朗伯比耳定律。地改变，而导致偏离朗伯比耳定律。地改变，而导致偏离朗伯比耳定律。地改变，而导致偏离朗伯比耳定律。例如，重铬酸钾在弱酸性介质中有如下平衡：例如，重铬酸钾在弱酸性介质中有如下平衡：Cr2 2O O7 72-+H2 2O 2HCrOO 2HCrO4-在在在在450nm450nm波长处测量不同浓度重铬酸钾溶液的吸光度。波长处测量不同浓度重铬酸钾溶液的吸光度。由于在浓度低时重铬酸根的离解度
27、大，而浓度高时离由于在浓度低时重铬酸根的离解度大，而浓度高时离解度小，同时由于铬酸氢根离子（解度小，同时由于铬酸氢根离子（HCrOHCrO4-）的摩尔吸）的摩尔吸光系数比重铬酸根离子的摩尔吸光系数要小得多，因光系数比重铬酸根离子的摩尔吸光系数要小得多，因此低浓度时重铬酸根离子的吸光度降低十分显著，这此低浓度时重铬酸根离子的吸光度降低十分显著，这就使工作曲线偏离朗伯和耳定律。就使工作曲线偏离朗伯和耳定律。第30页，共81页，编辑于2022年，星期五12.2.3 12.2.3 光度分析方法和仪器光度分析方法和仪器 1 光度分析方法 Photometric analysis (1).(1).目视比色
28、法目视比色法目视比色法目视比色法Visual colorimetryVisual colorimetry 用眼睛观察、比较溶液颜色深度以确定物质含量的方用眼睛观察、比较溶液颜色深度以确定物质含量的方用眼睛观察、比较溶液颜色深度以确定物质含量的方用眼睛观察、比较溶液颜色深度以确定物质含量的方法称为目视比色法。法称为目视比色法。法称为目视比色法。法称为目视比色法。将一系列不同量的标准溶液依次加入将一系列不同量的标准溶液依次加入各比色管中，再分别加入等量的显色剂和其他试剂，并各比色管中，再分别加入等量的显色剂和其他试剂，并控制其他实验条件相同，最后稀释至同样体积，配成一控制其他实验条件相同，最后稀释
29、至同样体积，配成一套颜色逐渐加深的标准色阶。将一定量的被测溶液置于套颜色逐渐加深的标准色阶。将一定量的被测溶液置于另一比色管中，在同样条件下进行显色，并稀释至同样另一比色管中，在同样条件下进行显色，并稀释至同样体积，从管口垂直向下（有时由侧面）观察颜色。如果体积，从管口垂直向下（有时由侧面）观察颜色。如果被测溶液与标准系列中某溶液的颜色相同，则被测溶液被测溶液与标准系列中某溶液的颜色相同，则被测溶液的浓度就等于该标准溶液的浓度。如果被测试液浓度介的浓度就等于该标准溶液的浓度。如果被测试液浓度介于相邻两种标准溶液之间，则试液的浓度就介于这两个于相邻两种标准溶液之间，则试液的浓度就介于这两个标准溶
30、液浓度之间。标准溶液浓度之间。第31页，共81页，编辑于2022年，星期五(2)标准曲线法 Calibration curve methodCalibration curve method 根据朗伯比耳定律，保持液根据朗伯比耳定律，保持液根据朗伯比耳定律，保持液根据朗伯比耳定律，保持液层厚度，入射光波长和层厚度，入射光波长和层厚度，入射光波长和层厚度，入射光波长和其它测量其它测量条件也不变，则在一定浓度范围内，条件也不变，则在一定浓度范围内，所测得吸光度与溶液中待测物质的所测得吸光度与溶液中待测物质的浓度成正比。因此，配制一系列已浓度成正比。因此，配制一系列已知的具有不同浓度的标准溶液，分知的
31、具有不同浓度的标准溶液，分别在选定波长处测其吸光度别在选定波长处测其吸光度A A，然，然后以标准溶液的浓度后以标准溶液的浓度c c为横坐标，为横坐标，以相应的吸光度以相应的吸光度A A为纵坐标，绘制为纵坐标，绘制出出A Ac c关系曲线。如果符合光的吸关系曲线。如果符合光的吸收定律，则可获得一条直线，称为收定律，则可获得一条直线，称为标标标标准曲线或工作曲线准曲线或工作曲线准曲线或工作曲线准曲线或工作曲线。在相同条件下在相同条件下测量样品溶液的吸光度，就可以测量样品溶液的吸光度，就可以从标准曲线上查出样品的浓度。从标准曲线上查出样品的浓度。Ac标准工作曲线标准工作曲线第32页，共81页，编辑于
32、2022年，星期五(3).标准加入法 Standard addition methodStandard addition method 所谓的标准加入法，即在一定浓度的试样溶液测定吸光度A0后，加入合适浓度的标准溶液，再测吸光度A1，或再加几次标准溶液，得A2,A3吸光度，计算或作图外推求试样浓度的方法。即：A0=kC样；A1=k(C样C标）设试样体积为设试样体积为V0 0;加入的标准溶液体积为V V标标，则：A A1=k k(C C样样V V0+C C标V V标标)/()/(V V0 0+V V标），联解方程可求出，联解方程可求出C C样样。或用A对对C标作图，外推求出C样样。第33页，共8
33、1页，编辑于2022年，星期五(4).二元混合组分的测定二元混合组分的测定 Binary mixtureBinary mixture 混合溶液里两组分的测定有三种情况：混合溶液里两组分的测定有三种情况：（如图如图）（a）若1和2两组分的最大吸收峰互不重合，且在1组分的最大吸收波长1处，2组分没有吸收；或在2组分的最大吸收波长2处，1组分无吸收。这样比较简单，按单组分测定方法测1和2两组分即可。（b）若1和2组分在混合溶液中的吸光光谱曲线，在1组分的最大吸收波长处，2组分无吸收，所以只需在1处测定1组分。但在2处所测定吸光度是1和2的总吸收，因此必须事先测得1组分在2的，先从1测出1组分，再从叠
34、加处得的和量中减去组分1。第34页，共81页，编辑于2022年，星期五(c)若1 1和2 2组分在混合溶液中的吸光光谱曲线，在最大吸收组分在混合溶液中的吸光光谱曲线，在最大吸收波长处波长处重叠，要解一个一元二次方程。第35页，共81页，编辑于2022年，星期五第36页，共81页，编辑于2022年，星期五2 2 分光光度计分光光度计Spectrophotometer第37页，共81页，编辑于2022年，星期五A A 原理原理 Principle第38页，共81页，编辑于2022年，星期五第39页，共81页，编辑于2022年，星期五光光分分栅栅光光和和原原棱棱理理镜镜第40页，共81页，编辑于20
35、22年，星期五第41页，共81页，编辑于2022年，星期五B.B.分光光度计的类型分光光度计的类型第42页，共81页，编辑于2022年，星期五双光束光度计动画示意第43页，共81页，编辑于2022年，星期五双波长光度计光路示意图第44页，共81页，编辑于2022年，星期五C.C.光电转换器光电转换器 I.定义定义 光电转换器是将光辐射转化为可以测量的电信光电转换器是将光辐射转化为可以测量的电信号的器件。号的器件。S=kP+kd=kP k:校正灵敏度；校正灵敏度；P：辐射功率；：辐射功率；kd:暗电流（可暗电流（可通过线路补偿，使为通过线路补偿，使为0）II.理想的光电转换器要求理想的光电转换器
36、要求灵敏度高；灵敏度高；S/N大；暗电流小；大；暗电流小；响应快且在宽响应快且在宽的波段内响应恒定。的波段内响应恒定。第45页，共81页，编辑于2022年，星期五第46页，共81页，编辑于2022年，星期五1.硒光电池硒光电池+-SeFe(Cu)h 玻璃玻璃Ag(Au)透明膜透明膜-收集极收集极塑塑料料-(当外电阻当外电阻400，i=10-100 A)优点：优点：光电流直接正比于辐射能；光电流直接正比于辐射能；使用方便、便于携带（耐用、成本低）；使用方便、便于携带（耐用、成本低）；缺点：缺点：电阻小，电流不易放大；响应较慢。电阻小，电流不易放大；响应较慢。只在高强度辐射区较灵敏；只在高强度辐射
37、区较灵敏；长时间使用后，有长时间使用后，有“疲劳疲劳”(fatigue)现象。现象。第47页，共81页，编辑于2022年，星期五2.2.真空光电管真空光电管90V DC直流放大直流放大阴极阴极R-+光束光束e阳极丝（阳极丝（Ni）抽真空抽真空 阴阴极极表表面面可可涂涂渍渍不不同同光光敏敏物物质质：高高灵灵敏敏(K,Cs,Sb其其中中二二者者)、红红光光敏敏(Na/K/Cs/Sb,Ag/O/Cs)、紫紫外外光光敏敏、平平坦坦响响应应(Ga/As，响响应受波长影响小应受波长影响小)。产生的光电流约为硒光电池的。产生的光电流约为硒光电池的1/10。优点：优点：阻抗大，电流易放大；响应快；应用广。阻抗
38、大，电流易放大；响应快；应用广。缺点：缺点：有微小暗电流（有微小暗电流（Dark current，40K的放射线激发）。的放射线激发）。第48页，共81页，编辑于2022年，星期五 3.3.光电倍增管光电倍增管（photomultiplier tube,PMTphotomultiplier tube,PMT）石英套石英套光束光束1个光子产生个光子产生106107个电子个电子栅极，栅极，Grill阳极阳极屏蔽屏蔽光电倍增管示意图光电倍增管示意图共有共有9个打拿极个打拿极(dynatron)，所加直流电压共为，所加直流电压共为90 10V第49页，共81页，编辑于2022年，星期五900V dc9
39、0V123456789阳极阳极阴极阴极石英封石英封读出装置读出装置R光电倍增管（光电倍增管（PMT）电路图）电路图优优点点：高高灵灵敏敏度度；响响应应快快；适适于于弱弱光光测测定定，甚甚至至对对单单一一光光子均可响应。子均可响应。缺缺点点：热热发发射射强强，因因此此暗暗电电流流大大，需需冷冷却却（-30-30o oC)C)。不不得得置置于强光于强光(如日光如日光)下，否则可永久损坏下，否则可永久损坏 PMT PMT！第50页，共81页，编辑于2022年，星期五4.4.硅二极管硅二极管p 区区n 区区pn 结结p 区区n 区区(反向偏置反向偏置)耗尽层耗尽层空穴空穴电子电子 反向偏值反向偏值耗尽
40、层耗尽层(depletion layer)pn结电导趋于结电导趋于0(i=0)；光照光照耗尽层中形成空穴和电子耗尽层中形成空穴和电子空穴移向空穴移向p区并湮灭区并湮灭外外 加电压对加电压对pn“电容器电容器”充电充电产生充电电流信号产生充电电流信号(i 0)。特点：特点：灵敏度介于真空管和倍增管之间。灵敏度介于真空管和倍增管之间。第51页，共81页，编辑于2022年，星期五5.5.光电二极管阵列，光电二极管阵列，photodiode array(PDA)photodiode array(PDA)SiO2窗窗p 型硅型硅n 型硅基型硅基pnpnpnpnpnpn0.025mm2.5mm侧视侧视(c
41、ross section)顶视顶视(top view)光束光束说明：说明：i.在一个硅片上，许多在一个硅片上，许多 pn 结以结以一维线性排列一维线性排列，构成，构成“阵列阵列”；ii.每个每个 pn 结或元（结或元（element，64-4096个）相当于一个硅二极管检测器；个）相当于一个硅二极管检测器；iii.硅片上布有集成线路，使每个硅片上布有集成线路，使每个 pn 结相当于一个独立的光电转换器；结相当于一个独立的光电转换器；iv.硅片上置于分光器焦面上，经色散的不同波长的光分别被转换形成电信号；硅片上置于分光器焦面上，经色散的不同波长的光分别被转换形成电信号；v.实现多波长或多目标实现
42、多波长或多目标同时（同时（simultaneously）检测。检测。PDA在灵敏度、线性范围和在灵敏度、线性范围和S/N方面不如光电倍增管。应用较少。方面不如光电倍增管。应用较少。第52页，共81页，编辑于2022年，星期五 6.6.电荷转移器件电荷转移器件,CTD,CTDSiO2绝缘体绝缘体掺杂掺杂n区区衬基衬基-5V-10V电极电极h CTD侧视图（一个电荷转移单元或像素）侧视图（一个电荷转移单元或像素）光子光子空穴空穴空穴聚集（金属空穴聚集（金属-SiO-SiO2 2电容电容)a a行转换器单元行转换器单元 b b个检测单元个检测单元/行行=a=a b b个像素个像素=二维排列于一片硅片
43、上；二维排列于一片硅片上；类似胶片上的信息存贮；类似胶片上的信息存贮；测量两电极间电压变化测量两电极间电压变化CID使电荷移至电荷放大器并测量使电荷移至电荷放大器并测量CCD第53页，共81页，编辑于2022年，星期五衬基衬基5V10Vh-5V-10Ve-v1n型型Si衬基衬基5V10V+5V+10V衬基衬基5V10V-10Vv1n型型Sin型型Siv2衬基衬基5V10V+10Vn型型Si电电荷荷形形成成并并聚聚集集测测量量V1测测量量V2电电荷荷重重新新注注入入(1)CID破坏性读出破坏性读出非破坏性读出非破坏性读出第54页，共81页，编辑于2022年，星期五(2)CCD512320320
44、512 pixel高速寄存器高速寄存器123三相时钟输出三相时钟输出（存贮）（存贮）h 金属基电极金属基电极(electrode)SiO2绝缘体绝缘体(insulator)p型硅型硅-势阱势阱(potential well)On-chip preamp1234第55页，共81页，编辑于2022年，星期五CCD光电转换第56页，共81页，编辑于2022年，星期五CIDCID与与CCDCCD之比较之比较 与PDA相比，CTD最大的优势在于其二维特性，可作为影像检测器，在电视及航空等领域有广泛应用。Charge injection deviceCharge coupled device第57页，共8
45、1页，编辑于2022年，星期五12.2.4 显色反应和显色条件 Colour reaction and colour conditions1.显色反应显色反应 Colour reactionColour reaction 在光度分析法中，使被测物质在试剂（显色剂）的作用下形成有色化合物的反应称为显色反应。对于显色反应，一般必须满足下列要求：（1）选择性好。即在显色条件下，显色剂尽可能不要与溶液中其他共存离子显色，如果其他离子也和显色剂反应，干扰离子的影响应容易消除。第58页，共81页，编辑于2022年，星期五 (2)灵敏度高。显色反应的灵敏度高，才能测定低含量的物质。灵敏度可从摩尔吸光系数来判
46、断，但灵敏度高的显色反应，不一定选择性好。在实践中应全面考虑。（3）显色产物应具有固定的组成，符合一定的化学式。对于形成不同配合比的配合物的显色反应，需要严格控制实验条件，使生成一定组成的配合物，以提高其重现性。（4）显色产物的化学性质应该稳定。在测量过程中溶液的吸光度应改变很小。(5）显色产物与显色剂之间的颜色差别要大。第59页，共81页，编辑于2022年，星期五2.显色条件显色条件 Colour conditions (1).显色剂的用量显色剂的用量 Concentration 被测物质与显色剂的反应可用下列一般式表示：M 十 R MR （被测物）（显色剂）（有色配合物）为了使显色反应尽可
47、能完全，一般应加入过量的显色剂。如果配合物稳定度高，而且在一定条件下能保持稳定，显色剂不必大量过量。在分析实践中，由于待测物质的浓度未知，稍过量的显色剂是必要的。第60页，共81页，编辑于2022年，星期五 当生成不太稳定的有色配合物时，必须加入相当过量的试剂，以保证获得足够的有色配合物并有可观的吸光度。有时显色剂的用量过大，反而会引起副反应，对光度测定不利。应严格控制显色剂的用量，以保证得到正确的结果。通常，显色剂的用量是根据实验结果来确定的。第61页，共81页，编辑于2022年，星期五(2).溶液的酸度溶液的酸度 Acidity (1)酸度对显色剂的影响 显色剂多为有机弱酸（以HR表示），
48、酸度提高倾向于生成HR，使R的实际浓度降低，不利于显色反应。因此。显色时溶液的酸度不能高于某一限度。此外，在不同的酸度下，R的浓度不同，有时可引起有色配合物配位数的改变。(2）酸度对被测离子形态的影响 当被测离子是容易水解的金属离子时，若酸度低于某一限度，被测离子形成羟基配合物、多核羟基配合物、碱式盐或氢氧化物沉淀，不利于光度分析。第62页，共81页，编辑于2022年，星期五（3）对显色剂颜色的影响 许多有机显色剂具有酸碱指示剂的性质，随着pH的改变，显出不同的颜色，在选择酸度时必须考虑这种情况。例如 H2R H+HR-2H+R2-（黄色）（橙色）（红色）pH6.9pH12.4第63页，共81
49、页，编辑于2022年，星期五 3显色时间 Time 有些显色反应能瞬间完成，且有色化合物的颜色很快达到稳定状态，在较长时间内保持不变；有些显色反应虽能迅速完成，但由于空气的氧化、光的照射或其他原因使有色化合物的颜色逐渐减退；有些显色反应需要一定时间才能完成。4显色温度 Temperature （1 1）对显色反应速度的影响）对显色反应速度的影响。反应速度常随温度的升高而反应速度常随温度的升高而加快。加快。（2）由于温度的升高可能导致某些有色配合物发生分解可能导致某些有色配合物发生分解或氧化还原反应，因而会或氧化还原反应，因而会 使有色配合物破坏而不利于光度使有色配合物破坏而不利于光度测定。测定
50、。第64页，共81页，编辑于2022年，星期五 （3）温度升高会引起有色配合物离解度的增大，使其稳定性降低而导致吸光度下降。（4）温度变化会使有色配合物的摩尔吸光系数改变，从而使吸光度发生改变。必须指出，在分析实践中，并不是每一显色反应都同时存在上述四个方面的影响。通过绘制吸光度一温度曲线可以确定反应的适宜温度。5溶剂 Solvent 通常，水溶性有色配合物因加入适当有机溶剂，使溶液的介电常数降低，使配合物离解度减小，或稳定性增大。有时，可增大速度。第65页，共81页，编辑于2022年，星期五12.2.5 测量误差和测量条件 Measurement error and measuring co