第12章吸光光度法和電位分析法SelectedMethodsof4/14/20251第九章儀器分析法選介

儀器分析法概述

4/14/20252第九章儀器分析法選介一、儀器分析的基本特點InstrumentalAnalysis——以被測物質的物理及物理化學性質為基礎的分析方法從二十世紀中葉開始，儀器分析得到迅速的發展，已廣泛應用于現代科學技術的各個領域。多屬微量分析，快速靈敏，相對誤差較大，但絕對誤差不大。

儀器分析法的種類很多。有光譜分析法、電化學分析法、色譜分析法及其他儀器分析方法（如質譜法，熱分析法，放射分析法等）。本章只介紹紫外－可見分光光度法（9.1），電位分析法（9.3）4/14/20253第九章儀器分析法選介二、儀器分析的發展過程

developingprocessofinstrumentanalysis分析化學的發展可分為三個發展階段，三次變革。階段一：20世紀40年代前

16世紀，天平的出現。分析化學具有了科學的內涵；

20世紀初，依據溶液中四大反應平衡理論，形成分析化學的理論基礎。分析化學由一門操作技術變成一門科學；

分析化學的第一次變革；

20世紀40年代前，化學分析占主導地位，儀器分析種類少和精度低；4/14/20254第九章儀器分析法選介階段二：

20世紀40年至80年代初，是儀器分析的大發展時期。儀器分析使分析速度加快，靈敏度提高，試劑用量減少，促進化學工業發展；化學分析與儀器分析并重，儀器分析自動化程度低；為什么儀器分析的大發展會出現在這一時期？一系列重大科學發現，為儀器分析的建立和發展奠定基礎。

（1）BlochF(布洛赫)

和PurcellEM（柏塞爾）；建立了核磁共振測定方法；諾貝爾化學獎1952年；（2）MartinAJP（馬丁）

和SyngeRLM（辛格）；建立了氣相色譜分析法；諾貝爾化學獎1952年；（3）HeyrovskyJ（海洛夫斯基），建立極譜分析法，諾貝爾化學獎1959年儀器分析的發展引發了分析化學的第二次變革。4/14/20255第九章儀器分析法選介階段三：

上世紀八十年代初至今，以計算機應用為標志的分析化學第三次變革。（1）計算機控制的分析數據采集與處理：實現分析過程的連續、快速、實時、智能化；促進化學計量學的建立。（2）化學計量學：利用數學、統計學的方法設計選擇最佳分析條件，獲得最大程度的化學信息。（3）以計算機為基礎的新儀器的出現：傅里葉變換紅外；色-質聯用儀。

4/14/20256第九章儀器分析法選介三、儀器分析方法的分類classificationofinstrumentanalyticalmethod儀器分析電化學分析法光分析法色譜分析法其他儀器分析法分析儀器聯用技術4/14/20257第九章儀器分析法選介電化學分析方法的分類classificationofelectrochemicalanalysis電化學分析法電位分析法電解分析法電泳分析法庫侖分析法極譜與伏安分析法電導分析法4/14/20258第九章儀器分析法選介色譜分析方法的分類classificationofchromatographicanalysis色譜分析法氣相色譜法薄層色譜法液相色譜法激光色譜法電色譜法超臨界色譜法4/14/20259第九章儀器分析法選介光分析法光譜分析法非光譜分析法原子光譜分析法分子光譜分析法原子吸收光譜原子發射光譜原子熒光光譜X射線熒光光譜折射法圓二色性法X射線衍射法干涉法旋光法紫外光譜法紅外光譜法分子熒光光譜法分子磷光光譜法核磁共振波譜法4/14/202510第九章儀器分析法選介三種光分析法測量過程示意圖

4/14/202511第九章儀器分析法選介其他分析方法的分類classificationofelectrochemicalanalysis其他分析法質譜分析法聯用技術熱分析法4/14/202512第九章儀器分析法選介四、儀器分析應用領域

applicationfieldsofinstrumentanalysis

社會：體育（興奮劑）、生活產品質量（魚新鮮度、食品添加劑、農藥殘留量）、環境質量（大氣、水體和土壤的污染實時檢測）、法庭化學（DNA技術，物證）

化學：新化合物的結構表征；分子層次上的分析方法；

生命科學：DNA測序；活體檢測；

環境科學：環境監測；污染物分析；

材料科學：新材料，結構與性能，無損檢測；

藥物：天然藥物的有效成分與結構，構效關系研究；

外層空間探索：微型、高效、自動、智能化儀器研制。4/14/202513第九章儀器分析法選介12.1紫外—可見分光光度法

（UltravioletandVisibleSpectrophotometry）12.1.1概述12.1.2光吸收的基本定律12.1.3

顯色反應及其影響因素12.1.4

紫外—可見分光光度計12.1.5

紫外—可見分光光度測定的方法12.1.6分光光度法的誤差和測量條件的選擇12.1.7紫外—可見分光光度法應用實例4/14/202514第九章儀器分析法選介12.1.1概述吸光光度法是基于物質對光的選擇性吸收而建立起來的分析方法，包括比色法、可見及紫外吸光光度法及紅外光譜法等。特點：靈敏度高（測定下限可達10－5～10－6mol/L）準確度高（滿足微量組分的測定要求)簡便快速

（在適當條件下，不經分離可直接測定）應用廣泛（無機、有機成分、農藥殘留、生物體內的微量成分、藥物分析、環境衛生分析）4/14/202515第九章儀器分析法選介

光是一種電磁波。所有電磁波都具有波粒二象性。光的波長、頻率與光速c的關系為：

光速在真空中等于2.9979×108m·s-1。光子的能量與波長的關系為：

式中E為光子的能量；h為普朗克常數，為6.626×10-34J·S。光的基本性質4/14/202516第九章儀器分析法選介

物質的顏色與光的關系單色光(monochromaticlight)只具有一種波長的光。混合光由兩種以上波長組成的光。白光是由紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等各種色光按一定比例混合而成的。物質的顏色是由于物質對不同波長的光具有選擇性的吸收作用而產生的。例如：硫酸銅溶液因吸收白光中的黃色光而呈藍色；高錳酸鉀溶液因吸收白光中的綠色光而呈紫色。物質呈現的顏色和吸收的光顏色之間是互補關系。4/14/202517第九章儀器分析法選介

表12-1物質顏色和吸收光顏色的關系

物質顏色

吸收光顏色

吸收光波/nm

黃綠紫400~

450

黃藍450~

480

橙綠藍480~

490

紅

藍綠490~

500

紫紅綠500~

560

紫黃綠560~

580

藍黃580~

600

綠藍橙600~

650

藍綠紅

650~760白光青藍青綠黃橙紅紫藍4/14/202518第九章儀器分析法選介當一束平行的單色光照射到有色溶液時，光的一部分將被溶液吸收，一部分透過溶液，還有一部分被器皿表面所反射。設入射光強度為I0，透過光強度為It，溶液的濃度為c，液層寬度為b，經實驗證明它們之間有下列關系：

(9-1)朗伯—比爾定律12.1.2光的吸收基本定律

4/14/202519第九章儀器分析法選介透光度T(Transmittance)透光度定義：T

取值為0.0%~100.0%全部吸收T=0.0%全部透射T=100.0%入射光I0透射光It4/14/202520第九章儀器分析法選介透光度、吸光度與溶液濃度及液層寬度的關系

（9-2）

A–吸光度

T

–透光度

K-吸光系數，與入射光波長、溶液的性質及溫度有關。當c的單位為g·L-1，b的單位為cm時，k以a表示其單位為L·g-1·cm-1，此時式（9-1）變為

(9-3)

4/14/202521第九章儀器分析法選介

如果濃度c的單位為mol·L-1，b的單位為cm，這時k常用表示。稱為摩爾吸光系數(molarabsorptivity)，其單位為L·mol-1·cm-1，它表示吸光質點的濃度為1mol·L-1，溶液的寬度為1cm時，溶液對光的吸收能力。值越大，表示吸光質點對某波長的光吸收能力愈強，故光度測定的靈敏度越高。[讀音kappa]值在103以上即可進行分光光度法測定，高靈敏度的分光光度法可達到105～106。式（9-3）可寫成為：

A=

κbc

（9-4）κ與a的關系為：

κ

=Ma

（9-5）

式中M為吸光物質的摩爾質量4/14/202522第九章儀器分析法選介朗伯—比爾定律的幾種形式入射光強度透射光強度透光度吸光度[kappa]摩爾吸光系數,L·mol–1·cm-1溶液厚度溶液濃度物理意義：一定溫度下，一定波長的單色光通過均勻的、非散射的溶液時，溶液的吸光度與溶液的濃度和厚度的乘積成正比。

4/14/202523第九章儀器分析法選介例12-1

濃度為25.0μg/50mL的Cu2+溶液，用雙環已酮草酰二腙分光光度法測定，于波長600nm處，用2.0cm比色皿測得T=50.1%，求吸光系數a和摩爾吸光系數。已知M(Cu)=64.0。解:已知T=0.501，則A=－lgT

=0.300，

b=2.0cm, 則根據朗伯—比爾定律A=abc，而κ=Ma=64.0g·mol-1×3.00×102L·g-1·cm-1=1.92×104(L·mol-1·cm-1)4/14/202524第九章儀器分析法選介例12-2

某有色溶液，當用1cm比色皿時，其透光度為T，若改用2cm比色皿，則透光度應為多少？解:由A=-lgT

=abc可得

T=10-abc

當b1=1cm時，T1=10-ac=T

當b2=2cm時，T2=10-2ac=T24/14/202525第九章儀器分析法選介

定量分析時，通常液層厚度b是相同的，按照比爾定律，濃度與吸光度之間的關系應該是一條通過直角坐標原點的直線。但在實際工作中，往往會偏離線性而發生彎曲，見圖中的虛線。偏離朗伯一比爾定律的原因：（一）物理因素；（二）化學因素偏離朗伯一比爾定律的原因CA標準工作曲線圖正誤差負誤差4/14/202526第九章儀器分析法選介

（一）物理因素：單色光不純所引起的偏離

朗伯一比爾定律只對一定波長的單色光才能成立，但在實際工作中，即使質量較好的分光光度計所得的入射光，仍然具有一定波長范圍的波帶寬度。在這種情況下，吸光度與濃度并不完全成直線關系，因而導致了對朗伯一比爾定律的偏離。所得入射光的波長范圍越窄，即“單色光”越純，則偏離越小。（二）化學因素（包括兩個方面）（1）由于溶液本身的原因所引起的偏離（2）

由于溶質的化學變化引起的偏離4/14/202527第九章儀器分析法選介（1）由于溶液本身的原因所引起的偏離

a.吸光系數k與溶液的折光指數n有關。溶液濃度在0.01mol·L-1或更低時，n基本上是一個常數，濃度過高會偏離朗伯-比爾定律。

b.朗伯-比爾定律是建立在均勻、非散射的溶液這個基礎上的。如果介質不均勻，呈膠體、乳濁、懸浮狀態，則入射光除了被吸收外，還會有反射、散射的損失，因而實際測得的吸光度增大，導致對朗伯-比爾定律的偏離(見右圖)（檢測器）（檢測器）（均勻樣品）（散射樣品）4/14/202528第九章儀器分析法選介（2）

溶質的離解、締合、互變異構及化學變化引起的偏離有色化合物的離解是偏離朗伯—比爾定律的主要化學因素。例如，顯色劑KSCN與Fe3+形成紅色配合物Fe(SCN)3，存在下列平衡：Fe(SCN)3Fe3++3SCN－溶液稀釋時，上述平衡向右，離解度增大。所以當溶液體積增大一倍時，Fe(SCN)3的濃度不止降低一半，故吸光度降低一半以上，導致偏離朗伯—比爾定律。4/14/202529第九章儀器分析法選介吸收光譜(absorptionspectrum)或吸收曲線

測定某種物質對不同波長單色光的吸收程度，以波長為橫坐標，吸光度為縱坐標作圖。光吸收程度最大處的叫做最大吸收波長，用max表示。不同濃度的KMnO4溶液所得的吸收曲線都相似，其最大吸收波長(525nm)不變，只是相應的吸光度大小不同。4/14/202530第九章儀器分析法選介顯色反應及顯色劑：

被測元素在某種試劑的作用下，轉變成有色化合物的反應叫顯色反應（colorreaction），所加入試劑稱為顯色劑(colorreagent)。常見的顯色反應大多數是生成配合物的反應，少數是氧化還原反應和增加吸光能力的生化反應12.1.3顯色反應及其影響因素4/14/202531第九章儀器分析法選介顯色反應的要求：

選擇性好

所用的顯色劑僅與被測組分顯色而與其它共存組分不顯色，或其它組分干擾少。靈敏度要足夠高

有色化合物有大的摩爾吸光系數，一般應有104-105數量級。有色配合物的組成要恒定

顯色劑與被測物質的反應要定量進行，生成有色配合物的組成要恒定。生成的有色配合物穩定性好

即要求配合物有較大的穩定常數，有色配合物不易受外界環境條件的影響，亦不受溶液中其它化學因素的影響。有較好的重現性，結果才準確。色差大

有色配合物與顯色劑之間的顏色差別要大，這樣試劑空白小，顯色時顏色變化才明顯。4/14/202532第九章儀器分析法選介影響顯色反應的因素顯色劑的用量顯色反應一般可表示為：

M+RMR

有色配合物MR的穩定常數越大，顯色劑R的用量越多，越有利于顯色反應的進行。但有時過多的顯色劑反而對測定不利。在實際工作中，常根據實驗結果來確定顯色劑的用量。c(R)4/14/202533第九章儀器分析法選介溶液的酸度

許多顯色劑都是有機弱酸或有機弱堿，溶液的酸度會直接影響顯色劑的解離程度。（1）對某些能形成逐級配合物的顯色反應，產物的組成會隨介質酸度的改變而改變，從而影響溶液的顏色。（2）某些金屬離子會隨著溶液酸度的降低而發生水解，甚至產生沉淀，使穩定性較低的有色配合物的解離。pHpH1<pH<pH24/14/202534第九章儀器分析法選介顯色溫度

有些反應需要加熱。有些顯色劑或有色配合物在較高溫度下易分解褪色。此外溫度對光的吸收及顏色深淺也有影響，要求標準溶液和被測溶液在測定過程中溫度一致。顯色時間

顯色反應有快慢，有的有色配合物容易褪色，因此不同的顯色反應需放置不同的時間，并在一定的時間范圍內進行比色測定。AtAT4/14/202535第九章儀器分析法選介副反應的影響

被測金屬離子M與顯色劑R反應，生成有色配合物MRn，此時，若M有配位效應，R有酸效應，影響M配位反應的完全程度。通常，當金屬離子有99%以上被配位時，就可認為反應基本上是完全的共存離子的影響

（1）共存離子本身有顏色或共存離子與顯色劑生成有色配合物，則吸光度增加，造成正干擾。（2）共存離子與被測組分或顯色劑生成無色配合物，被測組分或顯色劑的濃度降低，引起負干擾。4/14/202536第九章儀器分析法選介12.1.4紫外—可見分光光度計

4/14/202537第九章儀器分析法選介紫外-可見分光光度計基本構造光源單色器樣品池檢測器信號輸出氫燈，185~350nm；鹵鎢燈，250~2000nm.基本要求：光源強，能量分布均勻，穩定將光源發出的連續光譜分解為單色光的裝置(比色皿)盛待測及參比溶液。光學玻璃，石英作用：將光信號轉換為電信號，并放大光電管，光電倍增管，光電二極管表頭、記錄儀、屏幕、數字顯示棱鏡:玻璃350～3200nm,石英185～4000nm光柵:波長范圍寬,色散均勻,分辨性能好4/14/202538第九章儀器分析法選介常用的紫外—可見分光光度計

分為單波長和雙波長分光光度計兩類。單波長分光光度計又分為單光束和雙光束分光光度計。

單波長單光束分光光度計因其結構簡單、使用方便而被廣泛地應用于科研和生產等領域。其中最具代表性的是751型分光光度計。4/14/202539第九章儀器分析法選介單波長單光束分光光度計0.575光源單色器吸收池檢測器顯示4/14/202540第九章儀器分析法選介單波長雙光束分光光度計比值光源單色器吸收池檢測器顯示光束分裂器4/14/202541第九章儀器分析法選介12.1.5紫外－可見分光光度測定的方法1.標準曲線法BlankStandardSampleSampleACCxAx4/14/202542第九章儀器分析法選介

2.標準對照法(直接比較法)

將試樣溶液和一個標準溶液在相同條件測出它們的吸光度，按下式計算被測溶液的濃度。

k標=k測

b標=b測所以

要求：A與c線性關系良好，被測樣品溶液與標準溶液濃度接近。用一份標準溶液即可計算出被測溶液的含量或濃度，方便，操作簡單。4/14/202543第九章儀器分析法選介

3.吸光系數法在沒有標準品可供比較測定的條件下，按文獻規定條件測定被測物的吸光度，從樣品的配制濃度、測定的吸光度及文獻查出的吸光系數即可計算樣品的含量，因為

則樣品含量4/14/202544第九章儀器分析法選介

例12-4

已知維生素B12在361nm時，a標=20.7L·g－1·cm－1。精確稱取樣品30mg，加水溶解稀釋至1000mL，在波長361nm下，用1.00cm吸收池測得溶液的吸光度為0.618，計算樣品維生素B12的含量。解：A=a樣bc則維生素B12的含量=4/14/202545第九章儀器分析法選介12.1.6紫外—可見分光光度法的誤差和測量條件的選擇

一、分光光度法的誤差（4種系統誤差）

1.溶液不遵守朗伯—比爾定律所引起的誤差偏離朗伯－比爾定律的原因主要是：物理因素和化學因素。利用標準曲線的直線段來測定被測溶液的濃度，從而減少由入射光為非單色光引起的誤差；也可以利用試劑空白和確定適宜的濃度范圍來減少由溶液本身所引起的誤差。2.光度測量誤差吸光度與透光率是負對數關系，故吸光度的標尺刻度是不均勻的。一般來說透光率為20％~65％（吸光度為0.2-0.7）時，濃度測量的相對誤差都不太大。這就是分光光度分析中比較適宜的吸光度范圍。4/14/202546第九章儀器分析法選介3.儀器誤差比色皿的質量，檢流計的靈敏度。光源不穩定、棱鏡的性能、安裝條件及光電管的質量等都可以使分析產生誤差。4.操作誤差由分析人員所采用的實驗條件與正確的條件有差別所引起的誤差。4/14/202547第九章儀器分析法選介二、分光光度法測量條件的選擇1.入射光波長的選擇以最大吸收波長λmax為測量的入射光波長。在此波長處，摩爾吸光系數ε最大，測定的靈敏度最高。若干擾物在λmax處也有吸收，在干擾最小的條件下選擇吸光度最大的波長。有時為了消除其它離子的干擾，也常常加入掩蔽劑。4/14/202548第九章儀器分析法選介吸收光譜(absorptionspectrum)或吸收曲線

測定某種物質對不同波長單色光的吸收程度，以波長為橫坐標，吸光度為縱坐標作圖。光吸收程度最大處的叫做最大吸收波長，用max表示。不同濃度的KMnO4溶液所得的吸收曲線都相似，其最大吸收波長(525nm)不變，只是相應的吸光度大小不同。4/14/202549第九章儀器分析法選介

2.吸光度讀數范圍的選擇透光度讀數誤差ΔT是一個常數，但在不同的讀數范圍內所引起的濃度的相對誤差卻是不同的。為減小濃度的相對誤差，提高測量的準確度，一般應控制被測液的吸光度A在0.2～0.7（透光度為65%～20%）。可以通過改變稱樣量、稀釋溶液以及選擇不同厚度的比色皿來控制吸光度。4/14/202550第九章儀器分析法選介3.參比溶液的選擇原則:使試液的吸光度能真正反映待測物的濃度。利用空白試驗來消除因溶劑或器皿對入射光反射和吸收帶來的誤差。·純溶劑空白

當試液、試劑、顯色劑均為無色時，用純溶劑（或蒸餾水）作參比溶液。·試劑空白

試液無色，而試劑或顯色劑有色時，加入相同量的顯色劑和試劑,作為參比溶液。·試液空白

試劑和顯色劑均無色，試液中其它離子有色時，用不加顯色劑的溶液作為參比溶液。4/14/202551第九章儀器分析法選介12.1.7紫外—可見分光光度法應用實例

應用:

測量試樣微量組分測定配合物的組成及穩定常數、弱酸的解離常數、化學反應的速率常數、催化反應的活化能等.

根據分子的紫外或紅外光譜數據判斷分子的空間構型，確定分子結構。4/14/202552第九章儀器分析法選介1．單組分含量測定實例一：1,10-二氮菲測定微量鐵

該試劑能與Fe2+能形成3：1的紅色配離子,

λmax=512nm。在pH為3～9范圍內，反應能迅速完成，顯色穩定。在鐵含量0.5～8μg·mL－1范圍內，濃度與吸光度符合朗伯—比爾定律。用pH=4.5～5.0的緩沖液保持其酸度，并用鹽酸羥胺還原其中的Fe3+，用標準曲線法進行測定。4/14/202553第九章儀器分析法選介

實例二：磷鉬藍法測定全磷用濃硫酸和高氯酸（HClO4）處理樣品，使磷的各種形式轉變為H3PO4，然后在HNO3介質中，H3PO4與（NH4）2MoO4反應形成磷鉬黃雜多酸，反應如下：

用適當的還原劑如維生素C將其中的Mo(VI)還原為Mo(V)，即生成藍色的磷鉬藍，其最大吸收波長為λmax=660nm，用標準曲線法可測得樣品的全磷含量。3PO4+12(NH4)2MoO4+21HNO3=(NH4)3PO4·12MoO3+12NH4NO3+12H2O4/14/202554第九章儀器分析法選介吸收峰互不重疊溶液的總吸光度等于各組分的吸光度之和：

A、B兩組分的吸收峰相互不重疊，則可分別在和處用單組分含量測定法測定組分A和B。A=A1+A2+A3+……+An2．多組