【光谱实验室：陈中博士 撰文】

【仪器设备：紫外可见近红外分光光度计 SHIMADZU UV-3600 Plus】

【地点：4号楼220室 光谱实验室】

紫外可见近红外吸收光度法是利用某些物质的分子吸收紫外可见或者近红外区光谱区的辐射来进行分析测定的方法，这种分子吸收光谱产生于价电子和分子轨道上的电子在能级间的跃迁，广泛用于有机和无机物质的定性和定量测定。理化公共实验平台光谱实验室所购置的岛津的UV3600-Plus 和 UV-2700 可以实现吸光度范围-8.5~8.5 Abs 的测定，最小分辨率可以达到0.1nm，在光谱分析中可提供样品光谱的精细结构，在强大的软件配合下，能对物质进行定性鉴别和定量分析，具有光谱测定、光度测量、时间变化测定等功能，用于物质鉴定、纯度检查、结构分析、 反应动力学与溶液平衡研究等。其定量分析方法具有适用性广、分析简单、灵敏度高的特点。定量分析的方法依据吸收定律（朗伯比尔定律），下面从基本原理结合常用的几种方法系统地介绍紫外可见近红外光度法在定量分析中的应用。

（一）         理论基础

什么是吸收定律（朗伯比尔定律）?

朗伯比尔定律是紫外可见近红外光度法定量分析的基础，通过测量入射光强I₀和透射光强I的关系，计算样品的浓度c。

如何推导朗伯比尔定律?

图1 入射光经过样品后光强的变化

如图1所示，吸收池的光程为b, 截面积为S, 初始光强为I₀, 透过光强为I，建立I、I₀与浓度之间的关系？

 

     

图2  吸收率的两种表达方式：在某一区域内的吸收光强与入射光强的比值（左图）; 区域内所有分子吸收的有效面积与样品池截面积的比值（右图）。

（1）在入射光的路径X坐标位置选取一小块dx的吸收单元，表示其dx的吸收的关系。如图，入射这一单元的的初始光强此时为Ix，经过dx的厚度，被吸收掉的光强为dIx，吸收后光强减   弱，根据定义，吸收率可表示为-dIx/Ix。

（2）同样，在这一区域内，假设单个分子的吸收面积为a, 分子数为n, 则区域内分子吸收的总面积为ds=adn, 这一区域样品池的面积为定值S，所以这一区域俘获光量子的能力为ds/S=adn/S，这是吸收率的另一种表现形式。

（3）综合两者的吸收率，所以-dIx/Ix=ds/S=adn/S

（4）如果溶液中有多类分子，则

 

     

  

  
 

由上式可知，朗伯比尔定律 A=lgI₀/I=εbc 不仅在单一组份适用，还能适用多种组分的定量计算（化学计量法）。下面介绍几种紫外可见近红外光谱的几种常用定量方法。

（二）  常用方法

1.    单组份测定

（1）    直接法：根据朗伯比尔定律，C=A/εb或者C=A/ab，待测物质的吸光系数a或者摩尔吸光系数 ε 需要从手册或者相关文献中查找，但是样品的测量条件和文献测量条件不一致时容易产生误差，该法在无标准样品时采用。

（2）   标准对照法：在同样条件下，分别测定标准溶液（浓度为Cs）和样品溶液（浓度为Cx）的吸光度As和Ax。由公式：

此方法不用考虑吸光系数a或者摩尔吸光系数 ε以及样品的光程，但要求溶液浓度与被测样品的浓度接近。

（3）   标准曲线法：该法利用一系列浓度不同的标准溶液，测量其吸光度，绘制其标准曲线（图3），然后测定样品的吸光度Ax，从标准曲线上查出待测溶液的浓度Cx。此方法不需要知道待测物质的吸光系数a或者摩尔吸光系数 ε。

图3 分光光度法的标准曲线

（4）    标准加入法：该法先测量样品的吸光度Ax，

图4 标准加入法的外推作图

在待测样品的溶液中加入标准溶液，其浓度为C_∆，测其吸光度为A_x+∆，根据前面证明的吸光度的加和性，则有

(1), (2) 两式相除，即可求出

在遇到干扰不易消除、标准溶液配制麻烦、分析样品数量少及待测物质的吸光系数a或者摩尔吸光系数 ε 难以确定时，标准加入法可以采用。

2.    复杂组份测定

（1）    解联立方程组

如果有一种混合物，虽然是多组分，但组分吸收带不相重叠。在某波长一种组分的吸收很大，而其它组分在此波长则无吸收。这样就可在此波长采用上述的标准曲线法进行此组分的定量测定。 如果一个多组分混合物，其吸收带虽然相互重叠，但能遵守比耳定律，由吸收光度具有加和性，如下公式

，

可以建立方程组都求多组份中各组分的浓度。

A_i : 第i 个波长n个组份的总吸光度

ε_ij : 第j个组分在第i个波长下的摩尔吸光系数

c_j： 第 j 个组分的浓度

该法需要知道n个组份在m个波长下的摩尔吸光系数 (m>n)，然后用矩阵法求解，适合测定化学结构非常成熟的体系。

如果混合物中的几个组分吸收带相互重叠的并且不遵守比耳定律，便不能用解联立方程式的办法来解析，最好先分离纯化。

（2）    导数光谱法

导数分光光度法具有放大微弱吸收峰、分辨重叠吸收带，消除背景干扰等能力，所以在复杂组份的测定中得到广泛应用。其原理如下: A=εbc, 对λ求导后：

……

dⁿA/dλⁿ与样品溶液待测组会浓度c成正式，所以可用导数值与对应的样品组分标准溶液浓度绘制标准曲线，然后在同样波长下测定溶液中待测组分导数值，由标准曲线对应出待测组份浓度。选择导数光谱主要取决于干扰物质的吸光度与波长之间的函数关系。

如果干扰的物质吸光度与波长呈一次函数，则有：

所以一阶导数与待测组分浓度c成正比，而一次干扰组分成为常数a, 与浓度无关。

同时，如果干扰物的吸光度与波长存在二阶函数的干扰，则有

此时，二阶导数与待测组分浓度c成正比，而二次干扰组分成为常数2u, 与浓度无关。

多阶干扰同上述情况一样，通过绘制导数值与对应的样品组分的标准曲线即可求出浓度。

    以上主要总结了紫外可见近红外光度法在定量分析的基本原理和基础的应用，近几年，纳米材料为光度分析提供了新的探针材料，建立新的定量分析方法始终贯穿紫外可见近红外光度法发展的全过程，更具体的分析方法可参阅相关书籍和文献。

参考资料：

【1】 柯民侃，董慧茹。 分析化学手册第三版--分子光谱分析 化学工业出版社 2016

【2】 刘密新，罗国安，张新荣，童爱军。 仪器分析（第2版） 清华大学出版社 2002