上海光譜-吸收分光光度法(分析儀器評論)

  分析化學(xué)家完成的大量測定中, 依據(jù)比爾定律并使用分光光度計(jì)完成的測定所占的比例一直在增長。雖然可通過測最吸收值將范圍較寬的電磁光譜用來測定氣相、液相或固相中原子、自由基和分子的濃度, 然而這類測量大多是在可見或紫外區(qū)進(jìn)行的。這部分是因?yàn)樗l(fā)展的這一部分光譜的檢測器件具有較高的效率和快速的響應(yīng); 部分是因?yàn)榉直娌煌肿赢a(chǎn)生的特征吸收所需要的設(shè)備相對簡單的緣故。因此, 木評論只限于專為測量可見及紫外電磁光譜吸收而設(shè)計(jì)的儀器設(shè)備。要追溯最早出現(xiàn)的這類儀器是困難的, 因?yàn)?/span>攝譜儀配上光密度計(jì)就不知不覺地變成了分光光度計(jì)。然而, 可以說自二次大戰(zhàn)結(jié)束以來, 這類儀器的復(fù)雜程度已愈來愈高。

   最近的發(fā)展是引入了微處理機(jī), 該項(xiàng)發(fā)展的意義是如此之深遠(yuǎn), 以致應(yīng)對它作出適當(dāng)?shù)脑u論。測量吸收時(shí)聽得的結(jié)果是入射光束被一些性質(zhì)完全不同且各自獨(dú)立的過程所衰減的總和。如果設(shè)入射光束在進(jìn)入不含有直徑與入射光波長相當(dāng)?shù)姆稚㈩w粒的各向同性介質(zhì)時(shí), 折光率發(fā)生了較大的變化, 那么下列過程將對光束的衰減起重要作用:界面上的反射; 介質(zhì)中的瑞利及拉曼散射, 輻射的吸收。以上每一過程都與角度有關(guān)。假設(shè)散射是在整個(gè)妞立體角內(nèi)發(fā)生的, 則第二種過程將具有隨檢測器入射孔徑大小而變化的效應(yīng)。此外, 吸收過程本身是復(fù)雜的, 并且還可能涉及發(fā)光、光離解或其他光化學(xué)過程、外碎滅或內(nèi)無輻射躍遷等形式的輻射。這些過程還可能取決于輻射的波氏和強(qiáng)度以及溫度等因素。重要的是記住理論上比爾定律只對單一波長和一種類型的相互作用才是正確的, 雖然, 也許有些意外的是它也能用于許多更為復(fù)雜的系統(tǒng)。迄今為止我們只考慮了人射光束和介質(zhì), 但是介質(zhì)必須盛在某種容器中;入射光束必須借助于光學(xué)元件進(jìn)行準(zhǔn)直、選擇波長以及定向。每一光學(xué)表面都可能對光束的選擇吸收、色散和散射有一定貢獻(xiàn), 盡管并不大。僅由這些原因就可看出測量吸收有些類似于化學(xué)反應(yīng)的活化能測量。這兩種場合都是測量基本為經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)的量。因此, 如發(fā)現(xiàn)這些測量的結(jié)果有時(shí)會對儀器的類型、年齡或操作方式敏感就不足為奇了。下面將對不同年齡及不同復(fù)雜程度的儀器作一些有趣的比較, 它們將能說明這一點(diǎn)。在這一討論中僅考慮了理論模型, 而實(shí)際情況要復(fù)雜得多。為記錄一個(gè)完整的吸收光譜( 以吸收值對波長、波數(shù)或頻率作圖) 需要一個(gè)連續(xù)輻射光源。這類光源很容易以鎢絲燈或高壓氣體放電管等形式獲得, 但它們的輸出在整個(gè)光譜區(qū)域是遠(yuǎn)非均勻的。如果使用了某種色散元件, 那么, 來自這種光源的輻射將會以發(fā)射光譜的形式發(fā)散開來。假如再插入一個(gè)吸收體, 則得到的光譜將在兩個(gè)方面有所區(qū)別。由于上面已敘述的那些過程, 在每一波長處光譜強(qiáng)度將降低;此外, 某些區(qū)域的強(qiáng)度會有選擇性的明顯下降。這些區(qū)域就是該吸收物質(zhì)所特有的吸收帶。為確定濃度而在某特定波長處進(jìn)行的吸收測量就是在這些帶內(nèi)進(jìn)行的。進(jìn)行這種測量所涉及的問題可以最簡單的形式來加以說明。我們需要一些測量無吸收體時(shí)入射光強(qiáng)度的方法, 同時(shí)也需要一些測量吸收體存在時(shí)入射光衰減的方法。在理想情況下, 插入吸收體應(yīng)不影響進(jìn)入吸收介質(zhì)的光束的強(qiáng)度。

  對此問題最早的解決方法是用一塊感光板作為入射輻射和透射輻射的檢測器。用感光板作為檢測器有兩個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn): 可同時(shí)記錄所有的波長射到相板上的輻射是隨時(shí)間而累積的。因而燈的強(qiáng)度隨時(shí)間的變化是次要因素。但感光板作為檢測器的根本缺點(diǎn)是它的不重現(xiàn)性, 這里還不計(jì)其顯影所需耗費(fèi)的時(shí)間。對任一給定的光強(qiáng)及顯影時(shí)間來說, 影象的黑度取決獷感光乳膠的涂布量, 而這一點(diǎn)不僅各塊感光板間不相同, 就是同一塊板的不同部分也不盡相同。然而, 在四十年代以前大多數(shù)吸收測量是用感光板作檢測的。用測光密度的方法來比較入射及透射光束強(qiáng)度的這種耗時(shí)的作業(yè)由于使用S eP kk er 光度計(jì)而得以減輕。在這里提到這種設(shè)備是因?yàn)樗f明了下面將討論到的光電分光光度計(jì)的發(fā)展所涉及的一些原理。來自光源的輻射波被分為接近相等的兩束。一束通過盛有吸收劑的吸收池, 而另一束則通過一相同的吸收池, 但其中只盛有溶解吸收劑所用的溶劑。進(jìn)入樣品池的光束通過一個(gè)固定光孔, 而進(jìn)入溶劑池的光束則通過一可變光孔( 光欄)。光欄的大小也即進(jìn)人池的輻射量可用機(jī)械調(diào)節(jié), 兩個(gè)光孔大小的比值直接在一校準(zhǔn)為吸收值的標(biāo)尺上指示出來。在同一塊感光板上按不同的可變光性大小并排地?cái)z下若干對光譜。通過檢視感光板上等黑度的部分即可作出吸收光譜圖。用攝譜法進(jìn)行吸收測量的誤差據(jù)稱可低到2%。但在常規(guī)分析中未必能達(dá)到這種水平, 而很可能一1一倍于該值。當(dāng)用某些光電裝置代替感光板時(shí), 可十分顯著地降低吸收測量的不定性。

  用光電檢測法來作吸收光譜的概念是完全不一樣的。在攝譜法中攝取的是整個(gè)光譜, 光束的強(qiáng)度是由可變光欄的大小來決定的。在不同的光欄大小即不同的光束強(qiáng)度下記錄一系列的光譜, 然后檢視顯影后的感光板來制作吸收光譜圖。在光電法中則必須在比較窄的波長范圍內(nèi)即時(shí)測量光強(qiáng)。這時(shí)需要用一個(gè)象單色儀這樣的裝置來分離出這個(gè)比較窄的光譜區(qū)域。然后調(diào)節(jié)單色儀, 在不同波長處連續(xù)測定光的強(qiáng)度,從而作出吸收光譜圖。由此可立即看出, 燈的強(qiáng)度變化已不再能接受, 而必須使其降低到最小。同時(shí), 檢測器的靈敏度必須不隨時(shí)間變化。具備了這樣的穩(wěn)定性后就可看到, 光電分光光度計(jì)最適宜在給定波長處測量吸收值, 也就是這一特點(diǎn)促使了它們快速的商業(yè)發(fā)展和廣泛的采用。