| 发布日期：2022-06-02 |
紫外吸收光谱和可见光吸收光谱都属于分子光谱，他们都是由于价电子的跃迁产生的。紫外-可见吸收光谱分析技术是利用物质的分子或离子对紫外和可见光的吸收所产生的紫外可见光谱，对吸收物质的组成、含量和结构进行分析、测定和推断的技术。
在有机或分子化合物中存在σ电子、π电子以及孤对n电子，当分子吸收辐射能时，这些电子就会跃迁到较高的能级，跃迁形式包括σ→σ*、n→σ*、π→π*和n→π*四种类型，各种跃迁类型所需要的能量依下列次序减小：σ→σ*>n→σ*>π→π*>n→π*，这种跃迁同分子内部的结构有密切的关系，这就是紫外-可见吸收光谱能够用于有机或分子化合物分析的理论基础。
在无机化合物中，紫外-可见吸收光谱主要是由电荷转移跃迁和配位场跃迁产生的。
电荷转移跃迁是指分子中的原子在辐射下原定于在金属M轨道上的电荷转移到配位体L的轨道上，或按相反的方向转移的跃迁形式。这种跃迁所产生的吸收光谱也称为荷移光谱。
配位跃迁包括d-d配位场跃迁、f-f配位场跃迁，以及金属离子影响下的配位体内π→π*跃迁。d-d跃迁是指在配体的作用下过渡金属离子的d轨道吸收辐射后产生的跃迁；f-f跃迁是镧系、锕系的f轨道裂分吸收辐射后产生的跃迁；配位体内π→π*跃迁是指由于金属离子的微扰引起的配位跃迁，这种跃迁与成键性质有关，若由共价键和配位键结合，这种变化则会非常明显。
紫外-可见光吸收光谱仪由如下4个部件组成：
（1）辐射源：必须具有稳定的、有足够输出功率的、能提供仪器使用波段的连续光谱，实验室常用氘钨灯来作为辐射源。
（2）样品池：又称吸收池，用于盛放试液进行吸光度的测量，常见的样品池有石英池和玻璃池两种，前者适用于紫外到可见光区，后者只适用于可见光区，这是因为玻璃在紫外区具有较强的吸收，这会对紫外吸收的检测结果造成较大的干扰。样品池的的测量光程一般为0.5～10 cm。
（3）检测器：又称光电转换器，常用的有光电管、光电倍增管和电耦合器件（CCD），CCD较前二者更灵敏，特别适用于检测较弱的辐射，在本光学教学套件中使用的检测器就是电耦合器件。
（4）显示装置：通常将光谱仪与电脑相连，可以使图谱、数据和操作条件都显示出来。
在本光学教学套件中搭建的紫外-可见吸收光谱仪包括：氘钨灯、四通液体测量池、光纤、光纤光谱仪。
紫外-可见吸收光谱仪广泛应用于冶金、机械、化工、医疗卫生、临床检验、生物化工、环境保护、食品、材料科学等领域中，特别适合对各种物质进行定量及定性分析。
在冶金行业中，紫外-可见吸收光谱分析法可用于有色金属材料、黑色金属材料的元素含量分析，基于这种技术的分析方法已被列入众多国标方法中，如《GB/T 6730.9-2016 铁矿石硅含量的测定硫酸亚铁铵还原-硅钼蓝分光光度法》中就是利用硫酸亚铁铵将硅钼杂多酸还原为硅钼蓝后，在波长760nm处测量吸光度，借此测定铁矿石中硅的含量，除此之外，还有很多的国标检测方法中都采用了紫外-可见吸收光谱技术。
紫外-可见吸收光谱法还非常适合于药物的分析检测，这是因为大部分药物都是有机物，因此大部分药物能够在紫外区产生吸收峰。如可以利用紫外-吸收光谱对药物进行定性分析，还可以通过与标准样品光谱相对比来评价药物的一致性等。
紫外-可见吸收光谱分析技术的应用十分广泛，在此不一一展开论述。紫外-可见吸收光谱分析技术的特点是：
灵敏度较高，一般可以测量的浓度下限为10-6g·ml-1，适用于微量和痕量分析；
精密度和准确度较高，和其他仪器分析方法相比其相对误差一般在0.2 %～0.5 %，能满足微量分析对准确度的要求；
仪器价格较低；
操作简单、测量快速等。
实验原理
本实验以苯酚为实验对象，展示紫外-吸收光谱设备的搭建方法，和紫外-可见吸收光谱的定量分析方法。
由于具有环状共轭结构的分子如苯、苯酚等，易产生π→π*跃迁，因此具有这种环状共轭结构的分子在紫外光谱均有较强的特征吸收峰。例如，苯在紫外光区会产生三个特征吸收带，分别出现在180nm、204nm左右、以及255nm处，而苯酚在270nm处有特征吸收峰。由于苯酚在紫外光区的吸光度与含量成正比关系，符合Lambert-Beer定律，因此可以利用紫外-可见吸收光谱法绘制苯酚含量的标准曲线。
实验仪器和试剂
本实验所需的仪器和试剂如下表所示：
光谱仪 | MS11639光纤光谱仪 |
软件 | UspectralPlus软件 |
光源 | DH2000氘卤二合一光源 |
光纤 | DH2000氘卤二合一光源 |
样品池 | 石英比色皿 |
四通液体光谱测量池 |
MS11639光纤光谱仪：
MS11639是一款光谱范围为200nm-1100nm的光纤光谱仪。检测器采用滨松COMS探测器， 16-bit A/D采样和75%的量子效率为光谱仪提供高信噪比和大的动态范围。 该光谱仪在UV-VIS-NIS具有良好的响应性能。相对常见产品， 采用双闪耀光栅，优化了UV 和NIR波段的光谱响应，且提升了光谱仪灵敏度20%效率，并有效降低了50%的杂散光。配置双闪耀光栅的MS11639光谱仪，有效平衡全谱段响应，可以广泛应用在理化分析、生物样品、半导体材料检测，光学检测和材料检测等领域。
相比于传统CCD探测器，CMOS探测器的应用，在紫外波段具有更好的响应。利用紫外差分吸收光谱技术，非常适合一氧化氮、二氧化硫的检测。MS11639在0-40℃，光谱波长偏移< 0.1nm，具备良好热稳定性，能够应用于定性、定量检测场景。
项目 | 值 |
尺寸 | 126mm×91.5mm×40mm |
重量 | ~420g |
探测器 | Hamamatsu 11639 |
波长范围 | 200-1100nm |
光栅 | 双闪耀光栅 |
消除高阶衍射 | 可选3种前置、4种后置滤光片，以消除光谱中的鬼线 |
光学平台 | M型对称非交叉 C-T式光路 |
狭缝 | 100um |
焦距 | 98mm |
像素 | 2048 pixels |
光学分辨率（FWHM） | <2.6nm |
信噪比 | 400:1 |
动态范围 | 3000:1 |
积分时间 | 4ms-65 second |
连接器 | Micro USB |
运行环境 | Windows XP，Win7，Win8，Win10 |
适配软件 | Uspectral Plus（支持数据自动保存） |
DH2000氘卤二合一光源：
DH2000氘卤二合一光源是一款桌面式紫外-可见光源，其光谱范围为200-2500nm，覆盖从紫外到近红外的光谱曲线。氘卤合束输出，单独开关控制，具备光路热开关。氘灯使用时长计时器记录使用时长，卤素光源强度线性可调。氘灯寿命2000小时，卤素灯寿命6000小时。光源输出采SMA905标准光纤接口。
项目 | 值 |
预热时间 | 10 分钟 |
灯泡寿命 | 氘灯：2000小时 卤素灯：10000小时 |
连接器 | SMA 905 |
能 耗 | 3A @ 24 VDC |
输入电压 | 220VAC |
尺寸 | 168×93×53mm |
重量 | 7．0KG |
输出功率 | 24 W(氘灯) ，5W(卤素灯) |
四通液体光谱测量池：
比色皿光谱测量支架，含四个准直镜四通，带限位卡槽及滤光片插槽，含遮光盖。
实验过程
1.苯酚溶液的配制：
配制浓度分别为5、10、16、25、35、40、45、50（mg/L）的苯酚溶液，其中25 mg/L的溶液作为未知浓度的待测样品。
2.紫外-可见吸收光谱仪的搭建：
用一根抗紫外石英光纤连接氘卤二合一光源与四通液体测量池，用另一根光纤连接四通液体光谱测量池与光纤光谱仪；给光谱仪及光源接上电源；再用一根USB数据线连接光谱仪与电脑；打开UspectralPlus软件，这就完成了整个实验设备的搭建。搭建设备如下图所示：
图1.吸光度实验装置搭建示意图
3.光谱的采集：
（1）打开氘钨灯的总开关，再打开氘灯与钨灯的分控开关，先预热3至5分钟；
（2）打开UspectralPlus软件，选择透射模式；
（3）保存暗背景光谱：关闭光源的总闸开关，采集一条光谱，该光谱即为暗光谱，再点击“保存暗光谱”；
（4）保存参比光谱：本次实验以纯水为参比，在比色皿中注入纯水，将比色皿放入四通液体测量池，盖上测量池的遮光盖，打开总闸开关，采集一条光谱，再点击“保存明光谱”；
（5）样品光谱的测量：依次用移液枪将苯酚样品注于石英比色皿中，将石英比色皿放入四通液体光谱测量池中，点击“透射率”按钮，再点击“透反辐”，选择显示模式为“吸光度”，点击“保存数据”，此时就保存了全谱段的吸光度数据。
4.标准曲线的绘制：
选择苯酚的最大吸收波长，即276nm处的吸光度填入表中，再做出吸光度-浓度标准曲线。
5.未知待测样品浓度的测定。
五、实验结果
紫外-可见吸收光谱仪所采集到的不同浓度苯酚溶液的吸收光谱如图2所示：
图2. 不同浓度苯酚溶液的吸收光谱
从图2中可以看到，苯酚在紫外光区有3个较强的吸收峰，分别为194 nm、219 nm，以及276 nm，并随着浓度的增加，样品的特征峰强度也随之增强。经查阅文献，得知常选用276nm处的特征峰作为定量分析的依据。将276nm处的吸光度填写在表1。
表1：苯酚在276 nm处的吸光度
编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
浓度（mg/L） | 5 | 10 | 16 | 35 | 40 | 45 | 50 | --- |
平均吸光度 | 0.2202 | 0.2863 | 0.3680 | 0.6053 | 0.6290 | 0.7065 | 0.7461 | 0.4646 |
然后，绘制苯酚定量分析的标准曲线，如下图3所示。
图3. 不同浓度苯酚溶液特定峰强处的吸光度与浓度关系线性拟合曲线
由图得知苯酚溶液的吸光度与其浓度具有较大的线性相关关系，线性拟合系数为0.9961，标准曲线的方程式是：
C = 84.74A - 14.40
最后，将未知样品的吸光度0.4196代入标准曲线的方程式中，得出未知苯酚样品的浓度为24.97 mg/L，而真实的浓度为25.00 mg/L，实验的测量误差 △ = - 0.03 mg/L。
六、实验结论
苯酚在紫外光区中有3个较强的吸收峰，分别为194 nm、219 nm、276 nm；以276nm处的吸光度得到苯酚浓度-吸光度的标准曲线，R2=0.9961，标准曲线的方程式是：C = 84.74 A - 14.40；当未知待测样品的吸光度为0.4646时，可计算得到苯酚的浓度为24.97 mg/L，测量误差 △ = - 0.03 mg/L。
