紫外—可見吸收光譜分析方法
4.3.1.1 定性分析
無機(jī)元素的定性分析應(yīng)用紫外—可見分光光度法比較少，主要采用原子發(fā)射光譜法或化學(xué)分析法。在有機(jī)化合物的定性分析鑒定及結(jié)構(gòu)分析方面，由于紫外-可見吸收光譜較為簡(jiǎn)單，光譜信息少，特征性不強(qiáng)，并且不少簡(jiǎn)單官能團(tuán)在近紫外光區(qū)及可見光區(qū)沒有吸收或吸收很弱，在應(yīng)用時(shí)也有較大的局限性。但是，這種方法可適用于不飽和有機(jī)化合物，尤其是共軛體系的鑒定，以此推斷未知物的骨架結(jié)構(gòu)。此外，還可配合紅外光譜法、核磁共振波譜法和質(zhì)譜法等常用的結(jié)構(gòu)分析法進(jìn)行定性鑒定和結(jié)構(gòu)分析，不失為一種有利的輔助方法。
吸收光譜的形狀、吸收峰的數(shù)目和位置及相應(yīng)的摩爾吸光系數(shù)，是定性分析的光譜依據(jù)，而最大吸收波長(zhǎng)λmax及相應(yīng)的εmax是定性分析的最主要參數(shù)。比較法有標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)比較法和標(biāo)準(zhǔn)譜圖比較法兩種。利用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)比較，在相同的測(cè)量條件下，測(cè)定和比較未知物與已知標(biāo)準(zhǔn)物的吸收光譜曲線，如果兩者的光譜完全一致，則可以初步認(rèn)為它們是同一類化合物；利用標(biāo)準(zhǔn)譜圖或光譜數(shù)據(jù)比較，對(duì)于沒有標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)或標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)難于得到的物質(zhì)，此方法適用。
4.3.1.2 結(jié)構(gòu)分析
紫外—可見分光光度法可以進(jìn)行化合物某些基團(tuán)的判別，共軛體系及構(gòu)型、構(gòu)象的判斷。
(1)某些特征基團(tuán)的判別
有機(jī)物的不少基團(tuán)(生色團(tuán))，如羰基、苯環(huán)、硝基、共軛體系等，都有其特征的紫外或可見光吸收帶，紫外-可見分光光度法在判別這些基團(tuán)時(shí)，有時(shí)是十分有用的。如在270～300nm處有弱的吸收帶，且隨溶劑極性增大而發(fā)生藍(lán)移，就是羰基產(chǎn)生吸收帶的有力證據(jù)；在184nm附近有強(qiáng)吸收帶、204nm附近有中強(qiáng)吸收帶、260nm附近有弱吸收帶且有精細(xì)結(jié)構(gòu)，則是苯環(huán)的特征吸收，等等。
(2)共軛體系的判斷
共軛體系會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的K吸收帶，通過繪制吸收光譜，可以判斷化合物是否存在共軛體系或共軛的程度。如果一化合物在210nm以上無強(qiáng)吸收帶，可以認(rèn)定該化合物不存在共軛體系；若215～250nm區(qū)域有強(qiáng)吸收帶，則該化合物可能有兩至三個(gè)雙鍵的共軛體系，如1，3-丁二烯，λmax為217nm，εmax為21000；若260～350nm區(qū)域有很強(qiáng)的吸收帶，則可能有三至五個(gè)雙鍵的共軛體系，如癸五烯有五個(gè)共軛雙鍵，λmax為335nm，εmax為118000。
(3)異構(gòu)體的判斷
包括順反異構(gòu)及互變異構(gòu)兩種情況的判斷。
順反異構(gòu)體的判斷：生色團(tuán)和助色團(tuán)處于同一平面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生最大的共軛效應(yīng)。由于反式異構(gòu)體的空間位阻效應(yīng)小，分子的平面性較好，共軛效應(yīng)強(qiáng)，因此λmax及εmax都大于順式異構(gòu)體。
互變異構(gòu)體的判斷：某些有機(jī)化合物在溶液中可能有兩種以上的互變異構(gòu)體處于動(dòng)態(tài)平衡中，這種異構(gòu)體的互變過程常伴隨有雙鍵的移動(dòng)及共軛體系的變化，因此會(huì)產(chǎn)生吸收光譜的變化。最常見的是某些含氧化合物的酮式與烯醇式異構(gòu)體之間的互變。例如，乙酰乙酸乙酯就是酮式和烯醇式兩種互變異構(gòu)體，它們的吸收特性不同，酮式異構(gòu)體在近紫外光區(qū)時(shí)λmax為272nm(εmax為16000)；烯醇式異構(gòu)體的λmax則為243nm(εmax為16000)。兩種異構(gòu)體的互變平衡與溶劑有密切關(guān)系，在像水這樣的極性溶劑中，由于羰基可能與H2O形成氫鍵以降低能量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，所以酮式異構(gòu)體占優(yōu)勢(shì)；而在像乙烷這樣的非極性溶劑中，則形成分子內(nèi)的氫鍵且形成共軛體系，以使能量降低達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，所以烯醇式異構(gòu)體比率上升。
此外，紫外—可見分光光度法還可以判斷某些化合物的構(gòu)象(如取代基是平伏鍵還是直立鍵)及旋光異構(gòu)體等。
4.3.1.3 定量分析
紫外—可見分光光度法定量分析的常見方法有以下幾種。
(1)單組分的定量分析
如果在一個(gè)試樣中只要測(cè)定一種組分，且在選定的測(cè)量波長(zhǎng)下，試樣中其他組分對(duì)該組分不干擾，那么進(jìn)行單組分的定量分析較為簡(jiǎn)單。一般有標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照法和標(biāo)準(zhǔn)曲線法兩種。
標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照法：在相同條件下，平行測(cè)定試樣溶液和某一濃度cS(應(yīng)與試液濃度接近)的標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度Ax和AS，則由cS可計(jì)算出試樣溶液中被測(cè)物質(zhì)的濃度cx。
AS=KcS，Ax=Kcx，cx=cSAx/AS
由于標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照法僅使用單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，引起誤差的偶然因素較多，故結(jié)果往往較不可靠。
標(biāo)準(zhǔn)曲線法：是實(shí)際分析工作中最常用的一種方法。配制一系列不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，以不含被測(cè)組分的空白溶液作為參比，測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)系列溶液的吸光度，繪制吸光度-濃度曲線，稱為校準(zhǔn)曲線(包括標(biāo)準(zhǔn)曲線或工作曲線)。在相同條件下測(cè)定試樣溶液的吸光度，從校準(zhǔn)曲線上找出與之對(duì)應(yīng)的未知組分的濃度。
此外，有時(shí)還可以采用標(biāo)準(zhǔn)加入法(做法與原子吸收光譜法相同)。
(2)多組分的定量分析
根據(jù)吸光度具有加和性的特點(diǎn)，在同一試樣中可以同時(shí)測(cè)定兩種或兩種以上的組分。假設(shè)要測(cè)定試樣中的兩種組分為A、B，如果分別繪制A、B兩純物質(zhì)的吸收光譜，可能有三種情況，如圖4.12所示。圖4.12 a表明兩組分互不干擾，可以用測(cè)定單組分的方法分別在λ1、λ2測(cè)定A、B兩種組分；圖4.12 b表明A組分對(duì)B組分的測(cè)定有干擾，而B組分對(duì)A組分的測(cè)定無干擾，則可以在λ1處單獨(dú)測(cè)量A組分，求得A組分的濃度cA，然后在λ2處測(cè)量溶液的吸光度及A、B純物質(zhì)的和，根據(jù)吸光度的加和性則可以求出cB；圖4.12c表明兩組分彼此互相干擾，此時(shí)在λ1、λ2處分別測(cè)定溶液的吸光度
及
，而且同時(shí)測(cè)定A、B純物質(zhì)的
、
及
、
，然后列出聯(lián)立方程，解得cA、cB。
圖4.12 混合物的紫外吸收光譜
a—不重疊；b—部分重疊；c—相互重疊
顯然，如果有n個(gè)組分的光譜互相干擾，就必須在n個(gè)波長(zhǎng)處分別測(cè)定吸光度的加和值，然后解n元一次方程以求出各組分的濃度。應(yīng)該指出，這是一個(gè)煩瑣的數(shù)學(xué)處理過程，且n越多，結(jié)果的準(zhǔn)確性越差，如果使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)定結(jié)果的處理將使運(yùn)算大大簡(jiǎn)便。
(3)雙波長(zhǎng)分光光度法
當(dāng)試樣中兩組分的吸收光譜重疊較為嚴(yán)重時(shí)，用解聯(lián)立方程的方法測(cè)定兩組分的含量可能誤差較大，這時(shí)可以用雙波長(zhǎng)分光光度法測(cè)定。它可以進(jìn)行在有其他組分干擾的情況下測(cè)定某一組分的含量，也可以同時(shí)測(cè)定兩組分的含量。雙波長(zhǎng)分光光度法定量測(cè)定兩混合物組分的主要方法有等吸收波長(zhǎng)法和系數(shù)倍率法兩種。
(4)導(dǎo)數(shù)分光光度法
采用不同的實(shí)驗(yàn)方法可以獲得各種導(dǎo)數(shù)光譜曲線，包括雙波長(zhǎng)法、電子微分法和數(shù)值微分法。
導(dǎo)數(shù)分光光度法對(duì)吸收強(qiáng)度隨波長(zhǎng)的變化非常敏感，靈敏度高。對(duì)重疊譜帶及平坦譜帶的分辨率高，噪聲低?？蛇m用于痕量分析以及稀土元素、藥物、氨基酸、蛋白質(zhì)的測(cè)定，同時(shí)對(duì)廢氣或空氣中污染氣體的測(cè)定也非常有效。
(5)示差分光光度法
用普通分光光度法測(cè)定很稀或很濃的溶液的吸光度時(shí)，測(cè)量誤差都很大。若用一已知合適濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液作為參比溶液，調(diào)節(jié)儀器的100%透光率點(diǎn)(即0吸光度點(diǎn))，測(cè)量試樣溶液對(duì)該已知標(biāo)準(zhǔn)溶液的透光率，則可以改善測(cè)量吸光度的精確度，這種方法稱為示差分光光度法。
(6)光度滴定法
分光光度滴定法是利用被測(cè)組分或滴定劑或反應(yīng)產(chǎn)物在滴定過程中的吸光度的變化來確定滴定的終點(diǎn)，并由此計(jì)算試液中被測(cè)組分含量的方法。
(7)其他方法
其他紫外—可見分光光度定量分析方法還包括動(dòng)力學(xué)分光光度法、膠束增溶分光光度法等。
動(dòng)力學(xué)分光光度法是利用反應(yīng)速率與反應(yīng)物、產(chǎn)物或催化劑的濃度之間的定量關(guān)系，通過測(cè)量與反應(yīng)速率成比例關(guān)系的吸光度，從而計(jì)算待測(cè)物質(zhì)的濃度。根據(jù)催化劑的存在與否，動(dòng)力學(xué)分光光度法可分為非催化和催化分光光度法。
膠束增溶分光光度法是利用表面活性劑的增溶、增敏、增穩(wěn)、褪色、析相等作用，以提高顯色反應(yīng)的靈敏度、對(duì)比度或選擇性，改善顯色反應(yīng)條件，并在水相中直接進(jìn)行光度測(cè)量的光度分析法。
4.3.1.4 其他方面的應(yīng)用
(1)化合物相對(duì)分子質(zhì)量的測(cè)定
利用同樣生色團(tuán)骨架的分子λmax及εmax基本相同的特點(diǎn)，若一化合物在紫外—可見光區(qū)無吸收，則可將它與另一已知摩爾吸光系數(shù)ε的生色團(tuán)作用形成衍生物。測(cè)定一定質(zhì)量濃度ρ(g·L-1)的該衍生物溶液的吸光度A，可以計(jì)算該化合物的相對(duì)分子質(zhì)量，即
現(xiàn)代巖礦分析實(shí)驗(yàn)教程
式中：Mr為衍生物的相對(duì)分子質(zhì)量，扣除生色團(tuán)的相對(duì)分子質(zhì)量后得到該化合物的相對(duì)分子質(zhì)量；l為吸收介質(zhì)厚度(cm)。
(2)氫鍵強(qiáng)度的測(cè)定
溶劑效應(yīng)對(duì)吸收光譜的影響表明，溶劑極性增大，會(huì)引起吸收帶的藍(lán)移和紅移，主要是由于溶質(zhì)分子與溶劑分子的相互作用而引起的，如果它們之間具有可形成氫鍵的基團(tuán)，則是由于形成氫鍵所引起的，因而可以通過吸收波長(zhǎng)的移動(dòng)程度來測(cè)定氫鍵的強(qiáng)度。
(3)在電化學(xué)研究方面的應(yīng)用
分光光度法與電化學(xué)結(jié)合，構(gòu)成了一個(gè)嶄新的研究領(lǐng)域——光譜電化學(xué)。光譜電化學(xué)技術(shù)包括透射技術(shù)、鏡反射技術(shù)和內(nèi)反射技術(shù)三種。以分光光度法為測(cè)量手段，研究某些無機(jī)物、有機(jī)物和生物物質(zhì)在電極上的電化學(xué)行為，可以同時(shí)獲得氧化還原體系的吸收光譜和氧化還原電位，以此研究所發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)的歷程及動(dòng)力學(xué)；還可以測(cè)定發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)所轉(zhuǎn)移的電子數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)電位、摩爾吸光系數(shù)以及反應(yīng)中間產(chǎn)物或最終產(chǎn)物的擴(kuò)散系數(shù)等。光譜電化學(xué)發(fā)展很快，在研究無機(jī)、有機(jī)和生物化學(xué)氧化還原機(jī)理和均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等方面將會(huì)發(fā)揮極大的作用。
