紫外和可见光谱分析通则

MV_RR_CNJ_0022 紫外和可见吸收光谱通则 1. 紫外和可见吸收光谱方法通则的说明 编号 JY/T 022—1996 名称 (中文) 紫外和可见吸收光谱方法通则 (英文) General rules for ultraviolet and visible absorption spectrometry 归口单位 国家教育委员会 起草单位 国家教育委员会 主要起草人 秦建侯 批准日期 1997 年 1 月 22 日 实施日期 1997 年 4 月 1 日 替代规程号 无 适用范围 本通则给出了紫外和可见吸收光谱法的方法原理、定性和定 量测定方法。 本通则适用于单光束、双光束或双波长紫外和可见吸收光谱仪， 波长在 200nm～850nm 之间无机元素和有机化合物的定性分析和定量 测定。 主要技术要求 1. 方法原理 2. 试剂 3. 紫外和可见吸收光谱仪 4. 样品和溶液 5. 分析步骤 6. 分析结果的述 是否分级 无 检定周期(年) 附录数目 无 出版单位 科学技术文献出版社 检定用物质 相关技术文件 备注 2. 紫外和可见吸收光谱方法通则的摘要 本通则给出了紫外和可见吸收光谱法的方法原理、定性分析和定量测定方法。 本通则适用于单光束、双光束或双波长紫外和可见吸收光谱仪，波长在 200nm～850nm 之间无机元素和有机化合物的定性分析和定量测定。 3 方法原理 溶液中待测组分分子中的价电子能够选择性地吸收紫外或可见光，分子吸收光子的能量 后，其外层电子从基态跃迁到激发态，形成紫外可见吸收光谱。根据各种组分的紫外可见吸 收光谱中吸收峰的形状和数目及摩尔吸收系数的大小，可以对待测组分进行定性分析。 定性分析最常用的是对比法，对比法可借助于现有的各种有机化合物的紫外和可见标准 谱图，以及电子光谱多种数据，进行定性分析。采用纯试样的吸收光谱与待测试样的吸收光 谱进行比较，也可作为定性分析的依据。 从光源辐射出的光，经仪器单色器分光后成为单色光。当单色光通过溶液时，一部分被 吸收，吸收的大小与溶液的厚度和浓度的关系符合朗伯－比尔定律。朗伯－比尔定律为 A＝lg(1/gT)＝εbc (1) 式中 A——溶液的吸光度 T——溶液的透过率 b——溶液厚度，cm c——溶液浓度，mol/L ε——摩尔吸收系数，1/mol·cm 当光程长度和摩尔吸收系数一定时，吸光度 A 与溶液中待测组分浓度成正比，利用此 定律进行定量分析。 4 试剂 4.1 水 配制溶液的水应符合 GB 6682-86 实验室用水的规格。如用于痕量测定，则需用一级 水。 4.2 试剂 实验中所用的制剂和溶液应按 GB/602 化学试剂，杂质测定用标准溶液的制备和 GB/603 化学试剂，试验方法中所用制剂和制品的制备中所规定的方法配制。 在使用有机溶剂时，选择有机溶剂的原则为：对试样有良好的溶解能力和选择性；溶剂 不与待测组分发生化学反应；在测定波段溶剂本身无明显吸收，而待测组分在溶剂中有良好 的吸收峰；溶剂挥发性小、不易燃、无毒性且价格便宜。 5 紫外和可见吸收光谱仪 5.1 仪器的组成 紫外和可见吸收光谱仪由光源、单色器、样品室、检测器、控制系统和显示系统等六部 分组成。配有微型计算机的吸收光谱仪，提高了仪器的性能，增加了仪器的功能，并能完成 数据处理和自动操作等。 5.2 仪器的性能和指标 紫外和可见吸收光谱仪的主要性能及技术指标应满足表 1 所示： 表 1 主要性能和技术指标 仪器级别 仪器主要性能 一级 二级 波长准确度 ±0.3nm ±0.5nm 波长重复性 0.2nm 0.5nm 分辨率或光谱带宽 分辨深度＞20% 光谱带宽＜2nm 透过率准确性 ±0.3% ±0.5% 透过率重复性 0.2% 0.5% 基线平直度 ±0.001A ±0.01A 漂 移 ＜0.001A(500nm) ＜0.002A(500nm) 杂散光 ＜0.001%(220 nm) ＜0.02%(220 nm) 6 样品和溶液 6.1 试验溶液 实验室样品应具有充分的代表性，并按分析化学中常规方法处理。在处理过程中，应防 止试样被污染和被测组分的丢失。无机试样用合适的酸、混酸溶解或用碱熔融，有时需先经 湿法或干法消化样品，然后再转化为适合于光度测定的溶液。有机试样用合适的有机溶剂溶 解或抽提，由试验溶液制备供测定用的样品溶液。样品溶液应清澈透明，不能有气泡或悬浮 物质存在。 6.2 空白试验溶液 空白试验溶液的配制方法与试验溶液相同，但不含被测物质。空白试验溶液应符合 GB10713—89 中 3.7 的要求。 6.3 标准溶液 在进行定量测定时，必须配制标准溶液。为保证量值的溯源，应尽可能使用标准物质来 制备标准溶液。无标准物质可供使用时，应用能满足具体工作要求的相应纯物质配制标准溶 液。 6.4 缓冲溶液 缓冲溶液用于样品溶液在测定时保持一定的 pH值。常用于分光光度测定的缓冲溶液有： NaH2PO4＋HCl(pH＝3)，NaAc＋HCl(pH＝5)，KH2PO4＋NaOH(pH＝7)，H3BO3＋KCl(pH＝ 9)和 H3BO3＋NaOH(pH＝11)。 7 分析步骤 7.1 仪器准备 仪器的各项性能和指标应按检定规程定期进行检定或校验，必要时在测定前对波长准确 度、分辨率、光度准确度等指标进行校验。 7.1.1 开机和校验 启动仪器前应作好电源检查、联接件的连接、样品室的检查、笔和记录纸等准备工 作，按仪器说明书要求，接通电源。 7.1.2 仪器测定条件的选择 a) 波长范围 在选择紫外区或可见光区进行全波长范围扫描，有时为了突出测定波 长，可以限制在某一特定波长区扫描。应选择最大吸收波长作为测定波长，但在测定高浓度 样品溶液时，可选用灵敏度较低的吸收峰波长作为测定波长。 b) 吸光度和透过率 根据测定需要，选择合适的吸光度或透过率。 c) 狭缝 狭缝宽可以获得较高的信噪比，但过宽将降低光度准确度和光谱细节的分 辨率，狭缝过窄将增加噪音。本标准提出了各种试样测定时的狭缝：气体试样 0.05nm～ 0.25nm，液体或固体试样 0.25nm～2nm，高吸收试样 2nm～5nm，固定波长测定 1nm～2nm。 d) 响应 响应时间取决于样品性质、狭缝和信噪比。对于高吸收样品应选择长的响 应时间；在快扫描速度下，选用快响应时间。 e) 扫描速度 扫描速度的选择取决于试样性质、谱带宽度和响应时间。对于锐的吸 收光谱，应选用慢扫描速度；对宽的吸收光谱，采用较快的扫描速度。 f) 纵坐标范围 对于未知样品溶液，应先用仪器提供光度范围，如 0％～100％T 或 0A～3A 范围内扫描。如已知最大的 T 或 A，应选择合适的刻度扩展，使最大的 A 或 T 控 制在 70％～80％。 7.1.3 吸收池的准备 吸收池必须非常干净。吸收池可按下述方法清洗：将吸收池浸泡在 2％(W/V)碳酸钠和 少量液体合成洗涤剂中，浸泡约 10min，必要时可加热至 40℃～50℃，用水洗净，再在硝 酸(1＋5)和少量过氧化氢溶液中浸泡约 30min，再用水冲净，倒放在滤纸上，存放在干燥器 中。如果急需使用，先用 95％乙醇清洗，再用少量丙酮清净，放置干燥。洗净后的吸收池， 不能用手指触摸光学玻璃的表面。 样品溶液的吸收波长在 350nm 以下时，使用石英吸收池；吸收波长在 350nm 以上时， 用石英或玻璃吸收池。在没有特别规定吸收池厚度时，使用厚度为 10mm 的吸收池。 7.2 测定步骤 按下列步骤进行测定： a) 将实验室样品进行预处理，称量、溶解和定容，配制成试验溶液； b) 按规定次序分别加入一定量显色剂、酸或碱、缓冲液、掩蔽剂和稳定剂等； c) 根据需要进行加热或放置； d) 加入溶剂，定容，配制成样品溶液； e) 按规定要求，准备好吸收光谱仪和吸收池； f) 选择测定条件； g) 绘制吸收光谱曲线； h) 对标准溶液和样品溶液进行测定。 对试验溶液进行定性分析时，可以省去 a、b、c 等步骤。 7.3 定性分析 由于紫外和可见吸收光谱谱带数目少，且特征性不大，物质结构上的改变对吸收光谱影 响不大，具有同一基团的不同物质具有相似的吸收光谱；此外，某些组分的强吸收带常掩蔽 某些弱吸收带。上述这些因素为定性分析带来困难。但是紫外和可见吸收光谱作为一种辅助 鉴定工具，配合红外光谱、核磁共振波谱和质谱，在有机化合物定性鉴定上还是有用的。 有机化合物定性分析的一般规律为： 如果该化合物在 220nm～800nm 波长范围内无吸收(ε＞1)，则该化合物不含直链或环 状共轭体系，也不含有醛基、酮基或溴和碘。 如果该化合物在 270nm～350nm 波长内出现一低强度的吸收峰(ε＝10～100)，而且在 200nm 附近无其它吸收，则该化合物含有一简单的、非共轭的并含有 n 电子的生色团。 如果在 250nm～300nm 波长内出现中等强度的吸收峰(ε＝1000～10000)，并含有振 动跃迁的精细结构，说明有苯环存在。当吸收峰的ε＞10000，则苯环上有一个取代的共 轭生色团。 如果在 210nm～250nm 波长内有一强吸收峰，表明该化合物含有两个共轭体系。如果 ε在 10000～20000 之间，说明是一简单的不饱和酮或二烯。如果在 260nm、300nm、330nm 附近有高强度吸收峰，表示该化合物含有三个、四个或五个共轭体系。 如果该化合物出现许多吸收峰，它可能含有一长链共轭或多环芳香生色团。如果化合物 具有颜色，在可见光区则有选择性吸收。 7.4 定量测定方法 根据朗伯－比尔定律建立的各种吸收光谱分析方法广泛用于常量组分、微量组分、 痕量组分的测定。随着各种显色试剂的开发和应用，经过适当的处理(包括显色剂浓度、 溶液酸度、显色时间、温度等)，绝大多数金属离子与显色试剂生成有色络合物，实现金 属离子的定量测定。 在进行定量测定时，应选择吸收光谱最大吸收峰波长，进行吸光度的测定。吸光度的读 数应在 0.2～0.8 之间，必要时可调节浓度或吸收池的厚度，使溶液的吸光度在此范围内。 7.4.1 单组分定量测定 单组分定量测定常用标准曲线或回归线法。在进行测定时，用与待 测组分相同的标准溶液配制标准溶液系列。当试验溶液组成比较复杂，标准溶液与待测试验 溶液的基体和其它组分不易匹配时，采用标准加入法。 在所选择的仪器测定条件下，测定标准溶液系列的吸光度，根据标准溶液的吸光度和浓 度数据，绘制标准曲线，或用最小二乘法进行线性回归分析，求得回归方程： A＝a＋bc (2) 式中 a、b——回归方程的两个常数。它们按下式计算： b＝( i ∑ = n 1 ciAi－—1n ( i∑= n 1 ci)( i ∑ = n 1 Ai))/( i ∑ = n 1 c2i －—1n (i∑= n 1 ci) 2) (3) a＝—1n i ∑ = n 1 Ai－b·—1n i ∑ = n 1 ci (4) 式中 ci和Ai——第i个标准溶液的浓度和吸光度 n——标准溶液数 在相同仪器条件下，测定样品溶液的吸光度值，由回归方程(2)计算或从标准曲线查出 样品溶液的浓度。 根据被测样品溶液的吸光度 A 和浓度 c，由式(1)计算摩尔吸收系数ε。ε的大小反映被 测物质定量测定的灵敏度。 7.4.2 多组分同时测定方法 当溶液中存在n个组分时，各组分均遵循比尔定律，而且最大 吸收峰互不重叠，此时可以进行多组分同时测定。在测定时，在n个波长分别测定样品溶液 的吸光度，根据吸光度的加和性，列出相应的n个方程。例如，三组分溶液分别在三个波长 测定的吸光度，得到三个方程组成的联立方程组： A1＝ε11c1＋ε12c2＋ε13c3 A2＝ε21c1＋ε22c2＋ε23c3 (5) A3＝ε31c1＋ε32c2＋ε33c3 式中 εij——波长i组分j的摩尔吸收系数 Ai——波长 i 的溶液总吸光度 ci——i 组分的浓度 解上述联立方程组，求得各组分的浓度ci。新型的带有计算机的分光光度计，一般提供这种 软件。 7.4.3 差示吸收光谱法 在用吸收光谱仪进行定量测定时，样品溶液浓度过大或过低，均会 使测量误差增大。为了克服这种缺点，改用标准溶液作为参比溶液来调节仪器的100％或0 ％透过率，测量样品溶液对标准溶液的透过率。 差示吸收光谱法根据参比溶液的不同有三种测定方法。 a) 高吸收法 用一个比样品溶液浓度稍低的标准溶液作参比溶液，调节仪器的透过率 为 100％，然后测定样品溶液的吸光度，这种方法适用于测定高含量的样品。 b) 低吸收法 用一个比样品溶液浓度稍高的标准溶液作参比溶液，将透过率调到 0％， 再测定样品溶液的吸光度，这种方法适用于痕量物质的测定。 c) 高精密法 选择两个组分相同而浓度不同的标准溶液作参比溶液，样品溶液的浓度 介于两者之间。先用一个比样品溶液浓度大的作参比，调节透过率为 0％；再用一个比样品 溶液浓度小的作参比，调节透过率为 100％，然后测定样品溶液的吸光度。 7.4.4 光度滴定法 光度滴定法是利用样品溶液、滴定液、反应产物在滴定过程中的吸光度 变化来确定滴定终点。这种方法能在底色较深的溶液中和无色溶液中进行滴定，能够准确地 确定滴定终点，抗干扰能力强，参与滴定反应的有色物质会产生干扰。 7.4.5 导数吸收光谱法 紫外和可见光谱是一宽阔的光谱，多组分溶液容易产生重叠吸收， 痕量组分则显示微小的“肩”形，限制了这些组分的定量测定。利用带有微型计算机的吸收 光谱仪，可以直接获得1～4阶导数光谱。 导数光谱法灵敏度高，对重叠谱带和平坦谱带的分辨能力高，噪音低，常用于痕量物质 分析、混合物鉴别、异构化合物鉴定以及复杂物质的分析。 导数光谱的测定步骤为： a) 将仪器调整到导数光谱测定状态； b) 选择合适的导数光谱的阶数(n)； c) 选择合适的狭缝； b) 选择合适的绘制导数光谱的步长(Δλ)； e) 确定合适的扫描速度； f) 将记录器的记录笔调到记录纸的中间，即约 50％透过率的地方； h) 测定标准溶液和样品溶液的导数光谱； g) 从导数光谱上量取导数值，绘制标准曲线或进行回归分析。 导数值的量取有三种方法： a) 基线法(或切线法) 在两个相邻的极大或极小处，画一条公切线，并由其中间的极 值作一条平行于纵坐标的直线交于公切线一点，该线段的大小即为导数值。 b) 峰－谷法 用两个极值之间的距离作为导数值。 c) 峰－零法 由峰到零线的垂直距离作为导数值。 导数值与样品溶液浓度呈线性关系，从导数光谱的标准曲线和相同条件下样品溶液的导 数值，得到样品溶液的浓度。 7.4.6 双波长吸收光谱法 双波长吸收光谱法是利用双波长吸收光谱仪进行吸收光谱测定。 由光源发射的光线分别经两个单色器，得到两条不同波长的单色光，交替照射同一溶液吸收 池，得到吸光度差值ΔA。ΔA 与溶液浓度之间具有： ΔA＝(ελ2－ελ1)bc (6) 式中 ελ1和ελ2——溶液在波长为λ1和λ2的摩尔吸收系数。利用ΔA与样品浓度的正比关 系进行定量测定。 在双波长吸收光谱测定时，必须选择合适的波长λ1 和λ2。其基本要求是在两个波长处， 待测组分与干扰组分应有相同的吸光度，且在两个波长处应有足够大的吸光度值。为满足上 述要求，λ2选在待测组分的吸收峰处，λ1 取在干扰组分的等吸收点。若无等吸收点可利用， 则λ1 取在吸收光谱下端某一波长处。 8 分析结果的表述 8.1 定性分析 给出波长与透过率(或吸光度)的吸收光谱谱图。带有计算机的仪器，在谱图上应标出吸 收峰位置、测定条件和测定日期等。根据吸收光谱吸收峰的位置、形状、数目以及吸收峰的 强度，判断待测组分的性质。 8.2 定量分析 定量分析应给出待测组分的含量、测定精密度、准确度和一定置信度下的置信区间。 8.2.1 待测组分的含量 根据样品溶液的吸光度，从标准溶液的回归方程或标准曲线，得到样品溶液的浓度，按 式(7)计算样品溶液的平均值，最后计算出实验室样品待测组分的含量。 c- ＝—1n i ∑ = n 1 ci (7) 式中 ci——单次测定的浓度值 c- ——n 次重复测定的平均浓度值 8.2.2 精密度 精密度用于表示多次测定某一量时所得测定值的离散程度，用标准差或相对标准差表 示，计算方法如下。 S＝ ⁄ i ∑ = n 1 (ci－c- )2/(n－1) (8) RSD＝S√—c ×100% (9) 式中 S——单次测定的标准差 n——重复测定的次数 RSD——相对标准差 8.2.3 准确度 在实际工作中，用标准样品或标准方法进行对照试验。或加入被测定组分的纯物质进行 回收试验来估计与确定准确度。当用回收试验时，以回收率 R 表征准确度。 ct－coR＝ ca 100% (10) 式中 co——初始测定值 ca——加入量 ct——加入 ca 后的测定值 8.2.4 置信区间 在有限次测定中，只能求得样品溶液的平均值 c- ，不能获得总体的真值μ。在统计上利 用置信区间来估计平均值与真值之间的近似程度，计算方法如下： μ＝c- ± tα,f S/√—n (11) 式中：tα，f是在显著性水平α(α＝0.05)和自由度f (f＝n－1)下的置信系数，可从数理统计书 中t分布表查得。 注: 需要查阅全文, 请与出版发行单位联系.