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紫外可见分光光度法的原理及应用

来源：本站时间：2020-08-21 11:46:30 浏览：23077次

紫外-可见分光光度法，又称紫外-可见吸收光谱法（ultraviolet and visible spectrum），是以紫外线-可见光区域（通常200-800 nm）电磁波连续光谱作为光源照射样品，研究物质分子对光吸收的相对强度的方法。物质中的分子或基团，吸收了入射的紫外-可见光能量，电子间能级跃迁产生具有特征性的紫外-可见光谱，可用于确定化合物的结构和表征化合物的性质。紫外-可见吸收光谱在化学、材料、生物、医学、食品、环境等领域都有广泛的应用。

紫外-可见分光光度法原理及应用演示参考图1

图1 紫外-可见分光光度计（Ultraviolet-visible Spectrophotometer）

物质的吸收光谱本质上就是物质中的分子、原子等，吸收了入射光中某些特定波长的光能量，并相应地发生跃迁吸收的结果。紫外-可见吸收光谱就是物质中的分子或基团，吸收了入射的紫外可见光能量，产生了具有特征性的带状光谱。

1. 紫外-可见吸收光谱法原理

1.1 分子光谱的产生以及类型

分子中有电子的运动，组成分子的各原子间的振动，以及分子作为整体的转动，这三种不同的运动状态都对应一定的能级。光和物质相互作用时，分子中电子能级、振动能级和转动能级产生变化，使分子对光产生了吸收、发射或散射，从而得到分子光谱。分子从外界吸收光能，从基态跃迁到激发态，把被吸收的辐射强度按波长顺序记录下来，便得到吸收光谱，如图2所示。

紫外-可见分光光度法原理及应用演示参考图2

图2 吸收光谱示意图

紫外-可见分光光度法原理及应用演示参考图3

图3 光谱分类

根据光辐射的波长范围和作用形式的不同，如图3所示，分子光谱包括紫外-可见光谱、红外光谱、微波谱、荧光光谱和拉曼光谱等。

1.2 紫外-可见吸收光谱的电子跃迁

有机化合物的紫外吸收光谱：基态有机化合物的价电子包括成键δ电子、成键π电子和非键电子n。分子的空轨道包括反键δ*和反键π*轨道。因此，可能得跃迁为δ→δ*、π→π*、n→δ*、n→π*等。由图4可见，各种跃迁所需能量大小为：δ→δ*＞n→δ*≥π→π*＞n→π*。

紫外-可见分光光度法原理及应用演示参考图4

图4 有机化合物中电子跃迁类型

无机化合物的紫外吸收光谱：①电荷迁移跃迁：化合物中的电荷发生重新分布，导致电荷从化合物的一部分迁移至另一部分。②配位场跃迁：在配位的配位场作用下，产生d→d*和f→f*跃迁。当过渡金属离子与显色剂形成络合物时，既存在电荷转移吸收，又存在配位体吸收。

1.3 辐射吸收定律（朗伯-比耳定律）

如图5所示，当一束平行单色光照射溶液时，一部分光被溶液吸收，一部分被界面反射，其余光则透过溶液。我们把透射光强度(It)与入射光强度(Io)的比值It/Io称为透光度（Transmittance, T）。溶液对光的吸收程度常用吸光度（Absorbance, A）表示。吸光度A定义为透光度的负对数或透光度倒数的对数，即A=-lgT。

紫外-可见分光光度法原理及应用演示参考图5

图5 光通过溶液的情况

朗伯-比耳定律的物理意义是当一束平行单色光通过单一均匀的、非散射的吸光物质溶液时，溶液的吸光度与溶液浓度和液层厚度的乘积成正比。如果物质中只有一种吸光组分，则朗伯-比耳定律的数学表达式为A=K·C·L，吸收系数K与入射辐射的波长以及吸收物质的性质有光，K的单位为L/g·cm。若浓度的单位为mol/L，则K的单位为L/mol·cm，也称为摩尔吸收系数ε。

2. 紫外-可见分光光度计结构

分光光度法使用的仪器是分光光度计。分光光度计是由光源、分光系统（单色器）、吸收池、检测器和测量信号显示系统（记录装置）这五个基本部件组成的，如图6所示。由光源产生的复合光通过单色器分解为单色光，当单色光通过吸收池时，一部分光被样品吸收，未被吸收的光到达接收放大器，将光信号转变成电信号并加以放大，放大后的电信号再显示或记录下来。

紫外-可见分光光度法原理及应用演示参考图6

图6 紫外-可见分光光度计基本结构示意图

光源：对光源的的基本要求是在广发的光谱区域内发射连续光谱；有足够的辐射强度；光源有良好的稳定性；辐射能量随波长没有明显的变化。在紫外及可见分光光度计上，常用的光源是钨丝灯和氢灯（氘灯）。钨丝灯受热造成钨蒸发损耗，可加入适量卤素或卤化物构成卤钨灯，延长使用寿命。

单色器：将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出任一波长单色光的光学系统。如图8所示，主要由狭缝、色散原件和透镜系统组成。

紫外-可见分光光度法原理及应用演示参考图7

图7 不同光源适用波长范围

紫外-可见分光光度法原理及应用演示参考图8

图8 单色器光路示意图

吸收池：又叫比色皿，如图9所示，用于盛放待测溶液和决定透光液层厚度的器件。主要由石英吸收池和玻璃吸收池两种。石英吸收池适用于紫外及可见光区，玻璃吸收池只能用于可见光区。

图9 不同型号的比色皿

检测器：利用光电效应将透过吸收池的光信号转变为电信号。常用的有光电管、光电倍增管、光电二极管、光电摄像管等。

3. 测试分析及应用

3.1试样制备

溶剂的选择：选择溶剂的一般原则是对试样有良好的溶解能力和选择性；测定在该波段溶剂本身无明显吸收；溶剂不与被测组分发生化学反应；被测组分在溶剂中具有良好的吸收峰形。尽量选用低极性溶剂，溶剂极性较高时物质的精细结构消失，只得到很宽的吸收峰。

比色皿的使用：透光面要用擦镜纸由上而下擦拭干净，注意比色皿的配对使用，比色皿内的溶液以皿高的2/3至4/5为宜。

3.2 定性分析

①把试样的光谱特征，如吸收峰的数目、位置、强度（摩尔吸收系数）以及吸收峰的形状（极大、极小和拐点），与纯化合物或者文献报道的标准紫外光谱图做比较，推测化合物的结构，检查化合物的纯度。

紫外-可见分光光度法原理及应用演示参考图10

图10 ALE-ZnONPs、ALE和ZnSO4的紫外-可见吸收光谱图

实例：沙特阿拉伯国王大学Mansour S. Al-Said等人[1]利用紫外-可见吸收光谱确定所制备的样品ALE-ZnONPs中含有氧化锌纳米颗粒。如图10所示，样品ALE-ZnONPs在375 nm出现了特征峰，制备样品的原材料ALE和ZnSO4在该处无特征峰。根据文献报道，纳米氧化锌的特征峰在358-375 nm之间，由此证实了氧化锌纳米颗粒的生成。

②根据吸收峰的强弱对比比较样品的相关性质。一种化合物可能拥有多个吸收峰，这些峰的相对强弱变化可以推测出化合物的相关性质。首先是根据文献了解化合物的每个吸收峰所代表的含义，再进行对比。

紫外-可见分光光度法原理及应用演示参考图11

图11 P2-rn、P3-rn溶解性光学照片和紫外-可见吸收光谱图。

（溶剂：1,2,4-三氯苯，浓度：2-10-5mol/L）

实例：以基于异靛蓝的聚合物P2-rn和P3-rn为例进行说明[2]。在这类基于异靛蓝的 D-A聚合物中，一般具有两个吸收带，band I和band II。band I又细分为0-0峰和0-1峰等，其中0-0峰表示分子的聚集状态，越高说明聚集越强。这两个聚合物结构的差异仅在其中一条烷基侧链的大小不同，P3-rn的烷基侧链比P3-rn的多出8个C原子。

从图11中紫外-可见吸收光谱图可以看出，从P2-rn到P3-rn，0-0峰的强度/0-1峰的强度减小，说明P3-rn在溶液中的聚集更弱，这和溶解性对比图所示相吻合，相同浓度下，P3-rn的溶解性明显较好，即分子更不易聚集，分散的更好。

3.3 半定量分析

根据吸收峰的强弱对比比较样品的浓度大小关系。

实例：四川大学的郭熠等人[3]利用紫外-可见吸收光谱对比了溶液中多硫化锂的含量，从而进一步对比了样品GSVm和GSm对多硫化锂的吸附能力的强弱。将样品GSVm和GSm分别放入相同浓度的多硫化锂溶液中，静置一段时间。样品吸附多硫化锂后，溶液中的多硫化锂浓度改变。如图12所示，测定吸附后溶液的紫外-可见吸收光谱，对比吸收峰的强弱，可以看出相较于原始的多硫化锂溶液，加入样品GSVm和GSm吸附后的多硫化锂溶液吸收峰强度均降低，并且加入样品GSVm吸附后的多硫化锂溶液吸收峰强度下降更多，说明样品GSVm吸附多硫化锂能力更强，使溶液中多硫化锂浓度下降更多。

紫外-可见分光光度法原理及应用演示参考图12

图12 浸泡了GSVm和GSm的 Li2Sn 溶液的光学照片(插图)和吸附后对应溶液的紫外-可见吸收光谱图。

3.4 定量分析

单组分定量分析：①标准曲线法：直接分取标准溶液进行光度测定或显色测定所测得的吸光度与浓度作图得到的曲线（图13）。②标准加入法（增量法）：把未知试样溶液分成体积相同的若干份，除其中的一份不加入被测组分标准试样外，在其他几份中都分别加入不同量的标准试样，然后测定各份试液的吸光度，并绘制吸光度对增量的校正曲线（图14）。

紫外-可见分光光度法原理及应用演示参考图13

图13 标准曲线法校正曲线

紫外-可见分光光度法原理及应用演示参考图14

图14 增量法校正曲线

多组分定量分析：在多组分体系中，如果各组分对光都有吸收并且无相互作用，这时体系的总吸光度则等于各个组分的吸光度加和，这就是光吸收的加和特性。解决多组分混合物中各个组分测定的基础是吸光度的加和性。对于一个含有多种吸光组分的溶液，在某一测定波长下，其总吸光度应为各个组分的吸光度之和。

示差分光光度法：普通分光光度测定在很低或者很高吸光度范围内进行定量分析时相对误差较大，因此不适于高含量或痕量物质的分析，可以采用示差分光光度法进行测定。示差分光光度是用一个已知浓度的标准溶液作为参比，与未知浓度的试样溶液比较，测量其吸光度。

紫外-可见分光光度法原理及应用演示参考图15

图15 示差法校正曲线

实例：昆明医科大学的邓菊庆等人[4]采用紫外分光光度法测定了5种柑橘皮中总黄酮的含量。将样品溶液、芦丁标准液、空白对照液显色后在200～800nm波长进行扫描，选定最大吸收峰510 nm作为测定波长。于510 nm波长下测定不同浓度芦丁标准液的吸光度，以芦丁标准品浓度为横坐标、吸光度为纵坐标绘制标准曲线（图16），进行线性回归。从线性相关方程计算出相应的黄酮浓度C，再换算成提取液中总黄酮的质量，从而计算出总黄酮含量。

紫外-可见分光光度法原理及应用演示参考图16

图16 芦丁标准曲线

3.5 原位紫外-可见吸收光谱法

通过原位紫外-可见吸收光谱图中吸收峰位置或者强度的变化可以分析样品在反应过程中的成分变化或者浓度变化。

紫外-可见分光光度法原理及应用演示参考图17

图17（A）原位紫外-可见吸收光谱法测试电池装置示意图；（B）不同硫化物在电解液中的光学照片；（C）锂硫电池放电时电压-容量曲线图；（D）不同硫化物在电解液中的紫外-可见吸收光谱图；电极S-rGO（E）和电极S-GSH（F）在放电过程中的紫外-吸收光谱图

实例：为了探究锂硫电池在放电过程中巯基与硫共聚物的反应机理，苏州大学的Na Xu等人[5]利用原位紫外-可见吸收光谱法测试了锂硫电池在第一次放电时硫化物成分的变化情况。图17A为测试装置示意图。首先制备了L2S、Li2S2、Li2S3、Li2S4、Li2S6、Li2S8溶液（溶剂为电解液），通过紫外-吸收光谱法得到了对应的吸收峰(图17D)作为参考。测定电池在放电过程中的紫外-可见吸收光谱，通过比对吸收峰的位置，确定了电极S-GSH（图17F）在放电过程中并未有长链多硫化锂（Li2S6、Li2S8）的产生。

3.6 误差分析：对朗伯-比耳定律的偏离

标准曲线法测定未知溶液的浓度时，发现标准曲线经常发生弯曲，这种现象称为对朗伯-比耳定律的偏离，如图18所示。

紫外-可见分光光度法原理及应用演示参考图18

图18 光度分析的工作曲线

主要原因是目前仪器不能提供真正的单色光，实际上仪器所提供的入射光是由波长范围较窄的光带组成的复合光。由于物质对不同波长光的吸收程度不同，因此引起了偏离。

为克服非单色光引起的偏离，首先应选择较好的单色器，此外还应将入射波长选定在待测物质的最大吸收波长且吸收曲线较平坦处。另外，当溶液浓度较大时，吸光质点可能发生缔合等相互作用，影响对光的吸收。因此，朗伯-比耳定律只适用于稀溶液。

参考文献

[1] Ali K, Dwivedi S, Azam A, et al. Aloe vera extract functionalized zinc oxide nanoparticles as nanoantibiotics against multi-drug resistant clinical bacterial isolates[J]. Journal of colloid and interface science, 2016, 472: 145-156.

[2] Guo Y, Zhang Y, Zhang Y, et al. Interwoven V2O5 nanowire/graphene nanoscroll hybrid assembled as efficient polysulfide-trapping-conversion interlayer for long-life lithium–sulfur batteries[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2018, 6(40): 19358-19370.

[3] 陈方正. 基于异靛蓝的给体-受体型共轭聚合物及其有机薄膜晶体管器件[D].天津大学,2018.

[4] 邓菊庆,柏春玲,杨学芳,胡月新,吴怡.紫外可见分光光度法测定不同品种柑橘皮中总黄酮含量[J].安徽农业科学,2020,48(09):210-211+252.

[5] Xu N, Qian T, Liu X, et al. Greatly suppressed shuttle effect for improved lithium sulfur battery performance through short chain intermediates[J]. Nano letters, 2017, 17(1): 538-543.

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