《分析化学》章末总结10
第十章为吸光光度法，又称分光光度法，主要是通过不同物质对单色光的吸收能力不同而加以鉴别的方法。
10 吸光光度法
10.1 物质对光的选择性吸收和光吸收的基本定律
可见光的波长范围为400~750nm，相当于光子具有3.1~1.7eV能量。理论上将具有同一波长的光称为单色光（monochromatic light），包含不同波长的光称为复合光（compound light）。
吸光物质对可见光的吸收必须符合普朗克条件，只有当入射光能量与物质分子能级间的能量差$\Delta E$相等时，才会被吸收。由电子能级跃迁而对光产生的吸收，位于紫外及可见光部分。在电子能级变化时，不可避免的也伴随着分子振动能级和转动能级的变化。
物质对光的选择性吸收是由于单一物质的分子只有有限数量的量子化能级的缘故。
朗伯（Lambert J H）和比尔（Beer A）分别研究了光的吸收与溶液层的厚度及溶液浓度的定量关系，二者结合称为朗伯-比尔定律，这是光吸收的基本定律。朗伯-比尔定律适用于任何均匀、非散射的固体、液体或气体介质，下面以溶液为例。
设入射光强度为$I_0$，吸收光强度为$I_a$，投射光强度为$I_t$，当一束平行单色光通过溶液时：
$$
I_0 = I_a + I_t
$$
将透射光强度与入射光强度之比定义为透射比（transmittance），用$T$表示：
$$
T = \frac {I_t}{I_0}
$$
溶液的透射比越大，则说明它对光的吸收越少。
溶液对光的吸收程度与溶液浓度、液层厚度和入射光波长等因素有关，固定入射光波长，则得：
$$
A = lg \frac {I_0}{I_t} = lg \frac 1 T = Kbc
$$
上式中$A$称为吸光度（absorbance），$K$为比例系数，$b$为单色光垂直照射的液层厚度，$c$为溶液浓度。吸光度越大，说明溶液对光的吸收能力越强。$K$与吸光物质的性质、入射光波长和温度等有关。
当某一波长的单色光通过一种含多种吸光物质的溶液时，溶液的总吸光度等于各吸光物质的吸光度之和，即吸光度具有加和性。
当浓度$c$单位为$mol \cdot L^{-1}$，液层厚度$b$单位为$cm$时，$K$用另一符号表示，称为摩尔吸收系数$\kappa$（molar absorption coefficient），单位为$L\cdot mol^{-1}\cdot cm^{-1}$，此时朗伯-比尔定律表示为：
$$
A=\kappa bc
$$
朗伯-比尔定律一般使用于浓度较低的溶液，对于高浓度的有色溶液的$\kappa$值应当通过计算求得。
吸光光度分析的灵敏度常用桑德尔（Sandell）灵敏度$S$来表示：
$$
S = \frac M \kappa
$$
上式中$M$为被测物摩尔质量，$\kappa$为摩尔吸收系数，$S$的单位为$\mu g\cdot cm^{-2}$。
10.2 分光光度计及吸收光谱
分光光度计（spectrophotometerr）的构造可以简述为：光源-单色器-吸收池-检测器-数据处理装置。
单色器的作用是将光源发出的复合光分解为单色光，常用棱镜或光栅；吸收池也称比色皿，是用于盛放溶液的容器；检测器的作用是将所接收到的光经光电效应转化成电流信号进行测量。
如果测量某物质对不同波长单色光的吸收，并加以集合，以波长为横坐标，吸光度为纵坐标作图，可得物质的吸收光谱（absorption spectrum）。
从图中可看出，对同一物质，浓度不同时，同一波长下的吸光度$A$不同，但其最大吸收波长的位置和吸收光谱的形状不变；对于同一物质，在一定的波长下，随着浓度的增加，吸光度$A$也相应增大，而且由于在$\lambda _{max}$处吸光度$A$最大，在此波长下$A$随浓度的增大最为明显。
10.3 显色反应及其影响因素
当待测物质无色或只有很浅颜色时，则需要选用适当的试剂于被测物质反应生成有色化合物再进行测定。该转化反应称为显色反应（chromogenic reaction），所用试剂称为显色剂（color reagent）。
对显色反应有如下要求：
- 灵敏度足够高。
- 有色化合物组成恒定，符合一定化学式。
- 有色化合物的化学性质稳定，再测量过程中溶液的吸光度基本恒定。
- 有色化合物于显色剂之间的颜色差别很大。
吸光光度分析中应用较多的是有机显色剂，一般都含有生色团（chromophoric group）和助色团（auxochrome group）。生色团是含某些不饱和键的基团，这些基团中的电子易被激发，往往可以吸收可见光而显示出颜色；助色团是含某些孤对电子的基团，这些基团可以与不饱和键相互作用，让生色团颜色加深。
常用的有机显色剂有：
- 磺基水杨酸（Saal）。可以与很多高价金属离子形成稳定螯合物，主要用于测定$Fe^{3+}$，在不同$pH$下形成不同配位比的化合物。
- 丁二酮肟。用于测定$Ni^{2+}$，形成鲜红色配合物。
- 1,10-邻二氮菲。用于测定微量$Fe^{2+}$，生成橘红色配合物。
- 二苯硫腙。用于测定$Cu^{2+}、Pb^{2+}、Zn^{2+}、Cd^{2+}、Hg^{2+}$等重金属离子。
- 偶氮胂Ⅲ。用于测定$Th(IV)、Zr(IV)、U(IV)$和稀土金属离子等。
- 铬天青S。用于测定$Al^{3+}$。
- 结晶紫。用于测定$Tl^{3+}$。
多元配位化合物是由三种或三种以上的组分形成的配位化合物，在吸光光度分析中应用也较普遍，往往是一种金属离子加入两种配体组成三元配位化合物。
显色反应的条件也会影响显色，例如：
- 溶液酸度。会影响显色剂的平衡浓度和颜色、影响金属离子存在形式、影响配合物组成等。
- 显色剂用量。一般显色剂都是过量使用，但也不是越多越好。
- 显色反应时间。
- 显色反应温度。
- 溶剂。有机溶剂常降低有色化合物的解离度，从而提高显色反应的灵敏度。
- 干扰物质。
10.4 吸光光度分析及误差控制
为了使测定结果有较高的灵敏度，应选择被测物质的最大吸收波长的光作为入射光，这称为“最大吸收原则”。选用这种波长的光进行分析，不仅灵敏度高，而且能够减少或消除由单色光引起的对朗伯-比尔定律的偏离。
但是，如果存在其他吸光物质干扰测定，则应根据“吸收最大、干扰最小”的原则来选择入射光波长。
（ 这里将会有一个图 ）
为准确测定吸收光谱，选择恰当的参比溶液（reference solution）十分必要。参比溶液用来调整仪器的零点，消除其他误差并扣除干扰的影响。参比溶液的选择参考以下原则：
- 当试液及显色剂均无色时，可用蒸馏水作参比溶液。
- 显色剂无色，而被测试液中存在其他有色离子，可用不加显色剂的被测试液作参比溶液。
- 显色剂有颜色，可选择不加试样溶液的试剂空白作参比溶液。
- 显色剂和试液均有颜色，可将一份试液加入适当掩蔽剂，将被测组分掩蔽，使之不再与显色剂作用。
（ 总结一下就是，参比溶液中不含被测物-显色剂配合物且其他条件保持一致。目的是为消除其他条件产生的误差。 ）
由朗伯-比尔定律可知，吸光度与吸光物质的含量成正比，这是吸光光度法进行定量分析的基础，标准曲线（calibration curve）就是根据这一原理制作的。
标准曲线制作的具体方法为：在确定的测量波长和一定的实验条件下分别测量一系列不同含量的标准溶液的吸光度，以标准溶液中待测组分的含量为横坐标，吸光度为纵坐标作图，即得一条过原点的曲线。
在实际分析中，经常出现标准曲线不成直线的情况，特别是当吸光物质浓度较高时，明显地看到原点向浓度轴弯曲的现象，这种情况称为偏离朗伯-比尔定律。
偏离朗伯-比尔定律的主要原因是仪器或溶液的实际条件与朗伯-比尔定律所要求的理想条件不一致。一般可以分为：非单色光引起的偏离；介质不均匀引起的偏离；由于溶液本身的化学反应引起的偏离。
试样中存在的干扰物质会影响被测组分的测定，使得标准曲线严重偏离朗伯-比尔定律，为消除这种影响，可以采取：控制溶液酸度；加入掩蔽剂；改变干扰离子的价态；选择合适的参比溶液；增加显色剂用量；分离干扰离子。
在吸光光度分析中，除了各种化学因素引起的误差外，仪器测量不准确也是误差的主要来源。根据朗伯-比尔定律，不难得出$c$与$A$测量的相对误差完全相等；而浓度测量误差与透射比$T$的关系较复杂，透射比很小或很大时，浓度测量误差都较大，因此光度测量最好选择合适的透射比。
10.5 其他吸光光度法
其他吸光光度法，包括：
- 目视比色法。用眼睛观察、比较溶液颜色砷毒的方法。
- 示差吸光光度法。该法不是以空白溶液作为参比溶液，而是采用比待测溶液浓度稍低的标准溶液作为参比溶液，测量待测试液的吸光度，从测得的吸光度求出它的浓度，这样便可大大提高测量结果的准确度。
- 双波长吸光光度法。使用两束波长不同的单色光以一定频率交替通过试样池，最后由检测器显示出试液对波长$\lambda_1$和$\lambda_2$的光的吸光度差值$\Delta A$。$\Delta A$与吸光物质浓度成正比，且基本上消除了试样背景的影响。
- 导数光度分析法。导数光谱即吸光度随波长变化率对波长的曲线，该法优点是分辨率得到很大提高。
10.6 吸光光度法的应用
吸光光度法的定量下限一般为$10^{-5} \sim 10^{-6}mol\cdot L^{-1}$，精密度为千分之几。
下面介绍部分应用：
- 痕量金属分析。
- 临床分析。主要是通过酶催化反应监测待测物质含量。
- 食品分析。
- 测定物理化学数据。如弱酸/弱碱解离常数的测定；配位化合物组成的测定等。
总结
本章主要介绍了吸光光度法的原理及应用，是一种基于物理原理的检测方法，没有涉及太多化学反应，但是在化学中应用还是非常广泛的。