吸光光度法

442 第 20 章 吸光光度法

吸光光度法(light absorption method)是基于物质对光的选择性吸收而建立起来的分析方法。包括比色法（colorimetric method）和分光光度法（spectrophotometry）。前者是通过比较有色溶液颜色深浅来确定有色物质的含量；后者是根据物质对一定波长光的吸收程度来确定物质的含量的。分光光度法包括紫外分光光度法（ultraviolet spectrophotometry）、可见光分光光度法（visible spectrophotometry）、红外分光光度法（infrared spectrophotometry）。本章主要讨论可见光分光光度法。

20.1 概 述

20.1.1 物质对光的选择性吸收

1. 光的性质

光是一种电磁波，具有波粒二象性。光的偏振、干涉、衍射、折射等现象就是其波动性的反映，波长  与频率  之间的关系式： = c （c为光速）亦反映光的波动性。光又是由大量具有能量的粒子流所组成，这些粒子称为光子。光子的能量则反映微粒性，光子的能量E与波长  的关系：E = h = hc/（h为普朗克常量）亦可用来表示光的微粒性。由上述关系可知，光子的能量与光的波长（或频率）有关，波长越短，光能越大，反之亦然。

光的能量范围很广，在波长或频率上相差大约20个数量级。不同光的波长范围及其在分析化学中的应用情况见表20-1。

表20-1 各种光的波长范围及其在分析化学中的应用情况

光的名称 波长范围 跃迁类型 分析方法

X-射线

远紫外光

近紫外光

可见光

近红外光

中红外光

远红外光

微 波

无线电波 10-1  10 nm

10  200 nm

200  400 nm

400  750 nm

0.75  2.5 μm

2.5  50 μm

50  1000 μm

0.1  100 cm

1  1000 m K和L层电子

中层电子

价电子

价电子

分子振动

分子振动

分子振动和低位振动

分子转动 X射线光谱法

真空紫外光度法

紫外光度法

比色及可见光度法

近红外光谱法

中红外光谱法

远红外光谱法

微波光谱法

核自旋共振光谱

2. 物质的颜色与其对光的选择性吸收

光可分为单色光与复合光，单色光（chromatic light）是仅具有单一波长的光，而复合光（polychromatic light）是由不同波长的光（不同能量的光子）所组成。人们肉眼所见的白光（如阳光等）和各种有色光实际上都是包含一定波长范围的复合光。 443 物质呈现的颜色与光有着密切关系。一种物质呈现什么颜色，与光的组成和物质本身的结构有关。当一束白光（日光、白炽电灯光等）通过分光器件后，就可分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等7种颜色的光，这种现象称光的色散。相反，不同颜色的光按照一定的强度比例混合后又可成为白光。如果两种适当的色光按一定的强度比例混合后形成白光，这两种光称为互补色光。图20-1中处于直线关系的两种单色光，如绿光和紫光、蓝光和黄光为互补色的光。

当用不同波长的混合光照射物质分子时，不同结构的分子只选择性地吸收一定波长的光，其他波长的光（吸收光的互补色光）会透过，这就是分子对光的选择性吸收特征。物质所呈现的颜色是未被吸收的透过光的颜色。如有一束白光照射KMnO4溶液时，KMnO4溶液会选择性地吸收白光中的绿青色光，而透过紫红色，即呈现紫红色。如果物质能把白色光完全吸收，则呈现黑色，如果对白色光完全不吸收，则呈现无色。

3. 吸收曲线

任何一种物质溶液，对于不同波长光的吸收程度是不同的。如果将各种波长的单色光依次通过一定浓度的某一物质溶液，测量该溶液对各种单色光的吸收程度，即吸光度A（absorbance），然后以波长  为横坐标，以吸光度A为纵坐标绘制的曲线称为物质对不同波长光的吸收曲线（absorption curve）。例如1,10-邻二氮杂菲亚铁配合物的吸收曲线见图20-2。曲线描述物质对不同波长光的吸收能力。

同一物质对不同波长光的吸收程度不同，在某一波长处存在最大吸收，图中  = 510nm处，吸光度A最大。最大吸光度所对应的波长称为最大吸收波长，用max表示。不同物质吸收曲线的形状和最大吸收波长不同，说明光的吸收与溶液中物质的结构有关，根据这一特性可进行物质的初步定性分析。另外，浓度不同的同种物质，最大吸收波长不变，但吸光度随浓度的增加而增大。一般在最大吸收波长处测定吸光度，以便提高测定灵敏度。因此，吸收曲线是吸光光度法中选择测定波长的重要依据。

20.1.2 吸光光度法的特点

1. 灵敏度高

吸光光度法适用于微量和痕量组分的分析，可以测定组分的浓度下限（最低浓度）可达105～106 mol·L1，相当于含量为0.001%～0.0001%的微量组分。

2. 准确度较高 图20-1 光的互补色

图20-2 1,10-邻二氮杂菲亚铁

溶液的吸收曲线

（1）0.2 μg·mL1；（2）0.4 μg·mL1；（3）0.6 μg·mL1 444 一般比色分析的相对误差为5%～20%，分光光度法的相对误差为2%～5%，其准确度虽不如滴定分析法及重量法，但对微量组分的分析而言，基本满足准确度的要求。如一滴0.02

mol·L1的KMnO4溶液稀释至100 mL时，仍可适用于比色分析；但一滴溶液所含的KMnO4的量只相当于约0.06 mg。显然，滴定分析法及重量分析法很难准确测定。

3. 选择性好

通过选择适当的测定条件，不经分离可直接测定混合体系中各组分的含量。

4. 操作简便、快速

比色法及分光光度法的仪器设备简单，操作简便。进行分析时，试样处理成溶液后，一般只经过显色和比色两个步骤，即可得到分析结果。

5. 应用广泛

几乎所有的无机离子和有机化合物都可直接或间接地用比色法或分光光度法进行测定。不仅用于组分的定性、定量分析，还可用于化学平衡及配合物组成的研究。

20.1.3 光吸收的基本定律

1. 朗伯-比尔定律

（1）吸光度与透光率

如图20-3所示，当一束平行单色光（光强度I0）通过厚度为b的均匀、非散射的溶液时，溶液吸收了光能，光的强度就要减弱。溶液的浓度越大，液层越厚，则光被吸收得越多，透过溶液的光强度（即透射光的强度It）越弱。溶液的吸光度A与光强度的关系如下

0tlgIAI （201）

在吸光度的测量中，有时也用百分透光率T（%）表示有色物质对光的吸收程度。透光率（light

transmittance）是指透过光强度It在入射光强度I0中所占有的分数，即

0tIIT （202）

由式（201）和式（202）可知，透光率与吸光度之间的关系为

A = lgT （203）

当溶液对光无吸收时，I0 = It，A = 0，T = 100%；光全部被吸收时，It = 0，A = ，T = 0。

（2）朗伯-比尔定律

吸光光度法进行定量分析的理论依据是朗伯-比尔定律。实践证明，溶液对光的吸收程度与该溶液的浓度、液层厚度以及入射光的强度等因素有关，如果保持入射光强度不变，则光的吸收程度与溶液的浓度和液层厚度之间存在定量关系，此种定量关系就是朗伯-比尔定律图20-3 光吸收示意图 It 445 （Lambert-Beer law），即光吸收的基本定律，其数学表达式为

A =  bc （204）

式中A：吸光度；

b：液层厚度（光程长度），cm；

c：溶液中物质的浓度，mol·L-1；

 ：摩尔吸光系数，L·mol-1·cm-1；

当摩尔吸光系数和液层厚度一定时，吸光度A与浓度c成线性关系，而透光率T与浓度c之间存在指数关系（T = 10- bc）。

对于多组分体系，若体系中各组分间无相互作用，则各组分i的吸光度Ai有加和性。设体系中有n个组分，则在任一波长 处的总吸光度A为

A = A1+ A2+…+ Ai +…+ An=  1bc1+ 2bc2+… + ibci+… + nbcn （205）

例20-1 取钢试样1.00 g溶解于酸中，将其中的锰氧化成KMnO4，准确配制成250 mL，测得其吸光度为1.00×10-3 mol·L-1 KMnO4溶液吸光度的1.5倍，计算钢中锰的质量分数。

解 根据 A =  bc

得 31.51.0010xxxAcbcAcb

cx =1.50×10-3 （mol·L-1）

钢样中锰的质量m = cxVAr =1.50×10-3×0.250×54.94 = 0.0206（g）

钢样中锰的质量分数wB =（0.0206/1.00）×100% = 2.06%

2. 吸光系数

由朗伯-比尔定律 =A/bc可知，吸光系数在数值上等于单位浓度、单位液层厚度时，某吸光物质在某一波长下的吸光度。吸光系数（absorbancy index）是吸光物质吸光能力的量度，在温度和波长等条件一定时，仅与吸光物质本身的性质有关。因此，吸光系数可作为定性鉴定的参数。另外，同一物质在不同波长下的吸光系数不同，在最大吸收波长max处的吸光系数最大。吸光系数越大，表明该物质的吸光能力越强，用光度法测定该物质的灵敏度越高。常见吸光物质的吸光系数可从分析化学手册中查得。

使用吸光系数时应注意吸光物质的浓度单位，若浓度以物质的量浓度mol·L1表示，则吸光系数用摩尔吸光系数 表示，其物理意义是浓度为1 mol·L1、液层厚度为1cm时该物质在某一波长下的吸光度，单位为L ·mol1·cm1；若吸光物质的浓度单位为g·L1，则吸光系数可用质量吸光系数a来表示。其物理意义与摩尔吸光系数相同，单位为L ·g1·cm1。

质量吸光系数与摩尔吸光系数可以互相转换，其关系式为

a =  / Mr （206）

式中Mr为吸光物质的相对分子质量。

例20-2 浓度为5.00104 g·L1的Fe2+ 溶液与1,10-邻二氮杂菲反应生成橙红色配合物， 该配合物在508