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, 依據比爾定律并使用分光光度計完成的測定所占的比例一直在增長(cháng)。雖然可通過(guò)測最吸收值將范圍較寬的電磁光譜用來(lái)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(lèi)測量大多是在可見(jiàn)或紫外區進(jìn)行的。這部分是因為所發(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; 部分是因為分辨不同分子產(chǎn)生的特征吸收所需要的設備相對簡(jiǎn)單的緣故。因此, 木評論只限于專(zhuān)為測量可見(jiàn)及紫外電磁光譜吸收而設計的儀器設備。要追溯最早出現的這類(lèi)儀器是困難的, 因為攝譜儀配上光密度計就不知不覺(jué)地變成了分光光度計。然而, 可以說(shuō)自二次大戰結束以來(lái), 這類(lèi)儀器的復雜程度已愈來(lái)愈高。

   最近的發(fā)展是引入了微處理機, 該項發(fā)展的意義是如此之深遠, 以致應對它作出適當的評論。測量吸收時(shí)聽(tīng)得的結果是入射光束被一些性質(zhì)完全不同且各自獨立的過(guò)程所衰減的總和。如果設入射光束在進(jìn)入不含有直徑與入射光波長(cháng)相當的分散顆粒的各向同性介質(zhì)時(shí), 折光率發(fā)生了較大的變化, 那么下列過(guò)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(guò)程都與角度有關(guān)。假設散射是在整個(gè)妞立體角內發(fā)生的, 則第二種過(guò)程將具有隨檢測器入射孔徑大小而變化的效應。此外, 吸收過(guò)程本身是復雜的, 并且還可能涉及發(fā)光、光離解或其他光化學(xué)過(guò)程、外碎滅或內無(wú)輻射躍遷等形式的輻射。這些過(guò)程還可能取決于輻射的波氏和強度以及溫度等因素。重要的是記住理論上比爾定律只對單一波長(cháng)和一種類(lèi)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雜的系統。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)行準直、選擇波長(cháng)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, 盡管并不大。僅由這些原因就可看出測量吸收有些類(lèi)似于化學(xué)反應的活化能測量。這兩種場(chǎng)合都是測量基本為經(jīng)驗性質(zhì)的量。因此, 如發(fā)現這些測量的結果有時(shí)會(huì )對儀器的類(lèi)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雜程度的儀器作一些有趣的比較, 它們將能說(shuō)明這一點(diǎn)。在這一討論中僅考慮了理論模型, 而實(shí)際情況要復雜得多。為記錄一個(gè)完整的吸收光譜( 以吸收值對波長(cháng)、波數或頻率作圖) 需要一個(gè)連續輻射光源。這類(lèi)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)光譜區域是遠非均勻的。如果使用了某種色散元件, 那么, 來(lái)自這種光源的輻射將會(huì )以發(fā)射光譜的形式發(fā)散開(kāi)來(lái)。假如再插入一個(gè)吸收體, 則得到的光譜將在兩個(gè)方面有所區別。由于上面已敘述的那些過(guò)程, 在每一波長(cháng)處光譜強度將降低;此外, 某些區域的強度會(huì )有選擇性的明顯下降。這些區域就是該吸收物質(zhì)所特有的吸收帶。為確定濃度而在某特定波長(cháng)處進(jìn)行的吸收測量就是在這些帶內進(jìn)行的。進(jìn)行這種測量所涉及的問(wèn)題可以最簡(jiǎn)單的形式來(lái)加以說(shuō)明。我們需要一些測量無(wú)吸收體時(shí)入射光強度的方法, 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, 插入吸收體應不影響進(jìn)入吸收介質(zhì)的光束的強度。

  對此問(wèn)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(cháng)射到相板上的輻射是隨時(shí)間而累積的。因而燈的強度隨時(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)是它的不重現性, 這里還不計其顯影所需耗費的時(shí)間。對任一給定的光強及顯影時(shí)間來(lái)說(shuō), 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吸收測量是用感光板作檢測的。用測光密度的方法來(lái)比較入射及透射光束強度的這種耗時(shí)的作業(yè)由于使用S eP kk er 光度計而得以減輕。在這里提到這種設備是因為它說(shuō)明了下面將討論到的光電分光光度計的發(fā)展所涉及的一些原理。來(lái)自光源的輻射波被分為接近相等的兩束。一束通過(guò)盛有吸收劑的吸收池, 而另一束則通過(guò)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(guò)一個(gè)固定光孔, 而進(jìn)入溶劑池的光束則通過(guò)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械調節, 兩個(gè)光孔大小的比值直接在一校準為吸收值的標尺上指示出來(lái)。在同一塊感光板上按不同的可變光性大小并排地攝下若干對光譜。通過(guò)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稱(chēng)可低到2%。但在常規分析中未必能達到這種水平, 而很可能一1一倍于該值。當用某些光電裝置代替感光板時(shí), 可十分顯著(zhù)地降低吸收測量的不定性。

  用光電檢測法來(lái)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, 光束的強度是由可變光欄的大小來(lái)決定的。在不同的光欄大小即不同的光束強度下記錄一系列的光譜, 然后檢視顯影后的感光板來(lái)制作吸收光譜圖。在光電法中則必須在比較窄的波長(cháng)范圍內即時(shí)測量光強。這時(shí)需要用一個(gè)象單色儀這樣的裝置來(lái)分離出這個(gè)比較窄的光譜區域。然后調節單色儀, 在不同波長(cháng)處連續測定光的強度,從而作出吸收光譜圖。由此可立即看出, 燈的強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。具備了這樣的穩定性后就可看到, 光電分光光度計最適宜在給定波長(cháng)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。