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紫外可見分光光度計(jì)測物質(zhì)濃度的詳解

許多化學(xué)物質(zhì)具有顏色，有些無顏色的化合物也可以與顯色劑作用，生成有色物質(zhì)。有色溶液的濃度越大，顏色越深；濃度越小，顏色越淺。因此，可以通過比較溶液顏色深淺的方法來確定有色溶液的濃度，對(duì)溶液中所含的物質(zhì)進(jìn)行定量分析。基于比較顏色深淺對(duì)溶液進(jìn)行定量分析的方法稱為分光光度法/比色法。

溶液為什么會(huì)有顏色，顏色又為什么與濃度有關(guān)呢？

光的互補(bǔ)及有色物質(zhì)的顯色原理

1.光的波粒二象性

光是能的一種表現(xiàn)形式，是電磁波的一種。光在真空中以直線方式傳播，在不同的介質(zhì)處發(fā)生反射、折射、衍射、色散、干涉和偏振等現(xiàn)象。可用波長、頻率、傳播速度等參量來描述，即光具有"波動(dòng)性”。光的顏色即由光的波長決定，人眼能感覺到的光稱為可見光，其波長在400-750nm之間。在可見光之外是紅外光和紫外光。（一般紫外可見分光光度計(jì)的波長范圍在190-1100nm之間都包含近紅外。）

同時(shí)，光也具有‘粒子性’，光電效應(yīng)就是一個(gè)很好的例子。光的粒子性理論認(rèn)為，光是由“光子”（或稱“光量子”）所組成。在輻射能量時(shí)，光是以一份一份的能量E的形式輻射的，同時(shí)光被吸收時(shí)，能量也是一份一份被吸收的。這每一份能量的大小為HU。光子的能量與波長的關(guān)系為E=HU=HC/λ式中E為光子的能量（J：焦耳），U為頻率，H為普朗克常數(shù)（6.63×10-34J.S）,C為光速，λ為光的波長

因此，不同波長的光，其能量不同，短波能量大，長波能量小。

光的顯色原理。

若把某兩種顏色的光，按一定的強(qiáng)度比例混合，能夠得到白色光，則這兩種顏色的光叫做互補(bǔ)色。處于直線關(guān)系的兩種光為互補(bǔ)色。如綠光和紫光為互補(bǔ)色，黃光和藍(lán)光為互補(bǔ)色。

各種溶液會(huì)呈現(xiàn)不同的顏色，其原因是溶液中有色質(zhì)點(diǎn)（分子或離子）選擇性地吸收某種顏色的光。實(shí)驗(yàn)證明：溶液所呈現(xiàn)的顏色是其主要吸收光的互補(bǔ)色。如一束白光通過高錳酸鉀溶液時(shí)，綠光大部分被選擇吸收，其他的光透過溶液。透過光中只剩下紫色光，所以高錳酸鉀溶液呈紫色。

溶液顏色的深淺與濃度之間的關(guān)系可以用吸收定律來描述。它是由朗博定律和比爾定律相結(jié)合而成的，所以叫郎伯比爾定律。原子吸收分光光度計(jì)也符合這個(gè)定律。

溶液對(duì)光的吸收，當(dāng)一束強(qiáng)度為I的平行單色光照到溶液時(shí)，一部分光被溶液吸收，一部分光被界面散射，其余的光則透過溶液。

I0=Ia+Ir+It

Io 入射光強(qiáng)度Ia吸收光強(qiáng)度 Ir反射光強(qiáng)度 It透射光強(qiáng)度

通常由于Ir很小可忽略不計(jì)，上式可簡化為Io=Ia+It

透射光It與入射光強(qiáng)度Io之比為透過率或透光度，用T表示:

T=It/Ia

透光率的負(fù)對(duì)數(shù)稱為吸光度或光密度或消光度，用A表示：

A=-IgT=Ig1/T=IgIa/It

吸光度越大，表示該物質(zhì)對(duì)光的吸收越強(qiáng)。

透光度和吸光度都是用于表示入射光被吸收的程度，它們之間可據(jù)式相互換算。

實(shí)驗(yàn)證明，單色光經(jīng)過有色溶液時(shí)，透過溶液的光強(qiáng)度不僅與溶液的濃度有關(guān)，而且還與溶液的厚度以及溶液本身對(duì)光的吸收性能有關(guān)。其規(guī)律可用下式表示為

A=KCL

式中：A（E）-吸光度（或叫做光密度，也可用D表示）；

K-某溶液的消光（吸收）系數(shù)；

C-溶液的濃度；

L-光程，即溶液的厚度。

消光系數(shù)K是一個(gè)常數(shù)。一種有色溶液對(duì)于一定波長(單色光）的入射光的K值具有一定的數(shù)值。若溶液的濃度以摩爾/升表示，溶液厚度以厘米表示，則此時(shí)的K值稱為摩爾消光系數(shù)。摩爾消光系數(shù)是有色化合物的重要特性之一

，根據(jù)這個(gè)數(shù)值的大小，可以估計(jì)顯色反應(yīng)的靈敏程度。

從上式可以看出，當(dāng)K和L不變時(shí)，光密度E與溶液濃度C成正比關(guān)系，也可以說，當(dāng)一束單色入射光經(jīng)過有色溶液且入射光、消光系數(shù)和溶液厚度不變時(shí)，吸光度A是隨著溶液濃度而變化的。

這種單色光與有色溶液的關(guān)系成為郎伯比爾定律。光電比色計(jì)和分光光度計(jì)的比色分析方法就是根據(jù)這一定律來進(jìn)行的。但是，郎伯比爾定律只適用于單色光和低濃度的有色溶液。

郎伯比爾定律的應(yīng)用

等吸光度法

從郎伯比爾定律可知，當(dāng)用同一光源照射同一物質(zhì)的不同濃度溶液時(shí)，若吸光度相等，則兩溶液各自的濃度和透光液層厚度的乘積也相等。利用此關(guān)系在可見光區(qū)用眼作檢測器，即可求出待測溶液的濃度。

計(jì)算法

根據(jù)被測溶液濃度的大致范圍，先配制一已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液。用同樣的方法處理標(biāo)準(zhǔn)溶液與被測溶液，使其成色后，在同樣的試驗(yàn)條件下用同一臺(tái)儀器分別測定它們的吸光度。

在標(biāo)準(zhǔn)溶液中：As=KsCsLs

在待測溶液中：Ax=KxCxLx

如果測定時(shí)選用相同厚度的比色皿使L相等，并使用同一波長的單色光，保持溫度相同，則K也相等。將兩式相除可得。

AS/AX=CS/CX