上海光谱-吸收分光光度法(分析仪器评论)

  分析化学家完成的大量测定中, 依据比尔定律并使用分光光度计完成的测定所占的比例一直在增长。虽然可通过测最吸收值将范围较宽的电磁光谱用来测定气相、液相或固相中原子、自由基和分子的浓度, 然而这类测量大多是在可见或紫外区进行的。这部分是因为所发展的这一部分光谱的检测器件具有较高的效率和快速的响应; 部分是因为分辨不同分子产生的特征吸收所需要的设备相对简单的缘故。因此, 木评论只限于专为测量可见及紫外电磁光谱吸收而设计的仪器设备。要追溯最早出现的这类仪器是困难的, 因为摄谱仪配上光密度计就不知不觉地变成了分光光度计。然而, 可以说自二次大战结束以来, 这类仪器的复杂程度已愈来愈高。

   最近的发展是引入了微处理机, 该项发展的意义是如此之深远, 以致应对它作出适当的评论。测量吸收时听得的结果是入射光束被一些性质完全不同且各自独立的过程所衰减的总和。如果设入射光束在进入不含有直径与入射光波长相当的分散颗粒的各向同性介质时, 折光率发生了较大的变化, 那么下列过程将对光束的衰减起重要作用:界面上的反射; 介质中的瑞利及拉曼散射, 辐射的吸收。以上每一过程都与角度有关。假设散射是在整个妞立体角内发生的, 则第二种过程将具有随检测器入射孔径大小而变化的效应。此外, 吸收过程本身是复杂的, 并且还可能涉及发光、光离解或其他光化学过程、外碎灭或内无辐射跃迁等形式的辐射。这些过程还可能取决于辐射的波氏和强度以及温度等因素。重要的是记住理论上比尔定律只对单一波长和一种类型的相互作用才是正确的, 虽然, 也许有些意外的是它也能用于许多更为复杂的系统。迄今为止我们只考虑了人射光束和介质, 但是介质必须盛在某种容器中;入射光束必须借助于光学元件进行准直、选择波长以及定向。每一光学表面都可能对光束的选择吸收、色散和散射有一定贡献, 尽管并不大。仅由这些原因就可看出测量吸收有些类似于化学反应的活化能测量。这两种场合都是测量基本为经验性质的量。因此, 如发现这些测量的结果有时会对仪器的类型、年龄或操作方式敏感就不足为奇了。下面将对不同年龄及不同复杂程度的仪器作一些有趣的比较, 它们将能说明这一点。在这一讨论中仅考虑了理论模型, 而实际情况要复杂得多。为记录一个完整的吸收光谱( 以吸收值对波长、波数或频率作图) 需要一个连续辐射光源。这类光源很容易以钨丝灯或高压气体放电管等形式获得, 但它们的输出在整个光谱区域是远非均匀的。如果使用了某种色散元件, 那么, 来自这种光源的辐射将会以发射光谱的形式发散开来。假如再插入一个吸收体, 则得到的光谱将在两个方面有所区别。由于上面已叙述的那些过程, 在每一波长处光谱强度将降低;此外, 某些区域的强度会有选择性的明显下降。这些区域就是该吸收物质所特有的吸收带。为确定浓度而在某特定波长处进行的吸收测量就是在这些带内进行的。进行这种测量所涉及的问题可以最简单的形式来加以说明。我们需要一些测量无吸收体时入射光强度的方法, 同时也需要一些测量吸收体存在时入射光衰减的方法。在理想情况下, 插入吸收体应不影响进入吸收介质的光束的强度。

  对此问题最早的解决方法是用一块感光板作为入射辐射和透射辐射的检测器。用感光板作为检测器有两个很大的优点: 可同时记录所有的波长射到相板上的辐射是随时间而累积的。因而灯的强度随时间的变化是次要因素。但感光板作为检测器的根本缺点是它的不重现性, 这里还不计其显影所需耗费的时间。对任一给定的光强及显影时间来说, 影象的黑度取决犷感光乳胶的涂布量, 而这一点不仅各块感光板间不相同, 就是同一块板的不同部分也不尽相同。然而, 在四十年代以前大多数吸收测量是用感光板作检测的。用测光密度的方法来比较入射及透射光束强度的这种耗时的作业由于使用S eP kk er 光度计而得以减轻。在这里提到这种设备是因为它说明了下面将讨论到的光电分光光度计的发展所涉及的一些原理。来自光源的辐射波被分为接近相等的两束。一束通过盛有吸收剂的吸收池, 而另一束则通过一相同的吸收池, 但其中只盛有溶解吸收剂所用的溶剂。进入样品池的光束通过一个固定光孔, 而进入溶剂池的光束则通过一可变光孔( 光栏)。光栏的大小也即进人池的辐射量可用机械调节, 两个光孔大小的比值直接在一校准为吸收值的标尺上指示出来。在同一块感光板上按不同的可变光性大小并排地摄下若干对光谱。通过检视感光板上等黑度的部分即可作出吸收光谱图。用摄谱法进行吸收测量的误差据称可低到2%。但在常规分析中未必能达到这种水平, 而很可能一1一倍于该值。当用某些光电装置代替感光板时, 可十分显著地降低吸收测量的不定性。

  用光电检测法来作吸收光谱的概念是完全不一样的。在摄谱法中摄取的是整个光谱, 光束的强度是由可变光栏的大小来决定的。在不同的光栏大小即不同的光束强度下记录一系列的光谱, 然后检视显影后的感光板来制作吸收光谱图。在光电法中则必须在比较窄的波长范围内即时测量光强。这时需要用一个象单色仪这样的装置来分离出这个比较窄的光谱区域。然后调节单色仪, 在不同波长处连续测定光的强度,从而作出吸收光谱图。由此可立即看出, 灯的强度变化已不再能接受, 而必须使其降低到最小。同时, 检测器的灵敏度必须不随时间变化。具备了这样的稳定性后就可看到, 光电分光光度计最适宜在给定波长处测量吸收值, 也就是这一特点促使了它们快速的商业发展和广泛的采用。