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光线穿过溶液。有些光线会在某些颜色下消失。科学家利用这一原理来研究材料。紫外可见光谱法是化学领域的一个重要工具。人们将其应用于医学、环境监测、食品安全等领域。本指南将解释其工作原理、功能以及用途。
紫外-可见光谱的基本原理
紫外可见光谱法的工作原理是光与材料相互作用。它基于两个主要理念：
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光吸收：材料会吸收光。当紫外光 (200-400 nm) 或可见光 (400-800 nm) 照射到样品时，材料中的电子会吸收光能。它们跃迁到更高的能态。这使得光束变弱。
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数学规则：朗伯-比尔定律： 这是测量数量的关键规则：
A = ε * b * c-
A= 吸光度 - 样品吸收的光量（无单位） -
ε=摩尔吸光率- 每种材料都有一个对应的数值(L·mol⁻¹·cm⁻¹)。它表示材料对特定颜色光的吸收强度。 -
b= 路径长度 - 光穿过样品的距离（厘米）。通常为玻璃支架的宽度。 -
c= 浓度 (mol·L⁻¹)
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这条规则体现了一个简单的关系：如果光色和光程保持不变，吸光度 (A) 与浓度 (c) 成正比。这就是我们使用紫外可见分光光度计测量物质含量的原因。绘制吸光度与浓度的关系图（校准曲线）是一项常见的工作。
紫外可见分光光度计的工作原理：主要部件
紫外可见分光光度计由几个协同工作的关键部件组成：
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光源：
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紫外光：氘灯（D₂ 灯）- 波长约为 190-400 nm，可发出稳定光。
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可见光： 钨丝灯或卤素灯 - 波长范围约为 350-2500 nm。
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切换： 机器会在 350 nm 左右的光源之间切换。
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选择灯光颜色（波长选择器）：
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工具：光栅或棱镜将白光分成不同的颜色。
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狭缝：狭缝控制带宽，这会影响颜色的清晰度和光线的亮度。较小的开口会产生更清晰的颜色，但光线会更暗。
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样品去向（样品室）：
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样品和参比液（通常仅含溶剂）静置比色皿是一种特殊的容器。石英比色皿适用于紫外光。玻璃比色皿仅适用于可见光。
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光程 (b) 是固定的，通常为 1 cm。
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测量光线（探测器）：
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光电倍增管（PMT）： 非常擅长识别弱光（例如紫外线）。
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光电二极管阵列 (PDA) 或 CCD 检测器： 可以一次性检测所有颜色。这使得扫描整个光谱非常快速。非常适合观察快速反应或连接到其他仪器，例如高效液相色谱 (HPLC)。
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计算机和输出：
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探测器的微弱信号变得更强。
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计算机软件：进行数学运算：透射率 (
T% = I/I₀ * 100%），吸光度 (A = log₁₀(I₀/I))，保存数据，绘制定量图表（校准曲线），并帮助识别材料（查找峰值）。
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机器的重要事项： 良好的结果需要正确的颜色（波长精度），正确的吸光度数值（光度精度），以及低杂散光（到达检测器的光颜色错误；过多的杂散光会影响深色样品的测量）。
我们在哪里使用紫外可见光谱法
紫外可见光谱法的应用范围很广：
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衡量数量（定量分析）：
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医药： 测量药物中的活性成分（如维生素、抗生素）。
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环境： 检查水中是否存在有害物质，例如重金属（首先需要使用特殊化学品）、硝酸盐、亚硝酸盐或某些污染物（如苯）。
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生物学：测量蛋白质含量（Bradford/Lowry/280 nm 方法）、DNA/RNA 含量和纯度（A260/A280 比值），或酶的作用速度（通过观察光变化）。
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识别事物（定性分析):
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它是什么？ 最大的峰面积 (λmax)、峰形和摩尔吸光率 (ε) 可以提供有关该物质的线索（例如，它是否含有双键或特殊的吸光基团）。
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它是纯净的吗？ 查看整个光谱可以发现杂质造成的额外峰。
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观看反馈：
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如何快？：观察光吸收随时间的变化可以告诉我们反应进行的速度。我们可以计算速度值 (k) 和半衰期 (t½)。
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平衡点：：确定指示剂的 pKa 值，或者复合物的结合强度 (K)。
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检查质量 (QC)：
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快速测试原材料、制造过程中的零件以及最终产品，包括颜色、不良率等重要指标那里有什么好东西，或者有多少好东西。
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示例：为了测定饮用水中的硝酸盐 (NO₃⁻)，我们利用了它在 220 nm 附近的强光吸收。我们使用已知硝酸盐含量的样品绘制校准曲线图。然后，我们在 220 nm 波长下测试水样，并根据该曲线图确定其硝酸盐含量。这有助于保障水质安全。
紫外-可见光谱法的优缺点
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优点：
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简单快捷： 样品制备通常很简单（溶解、稀释）。使用这台仪器并不难。
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灵敏准确： 它可以检测到非常微量的样品（对于许多物质，其浓度可低至 10⁻⁶ – 10⁻⁷ mol/L）。它非常适合测量常见物质。
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更便宜：与 HPLC 或 MS 等大型仪器相比，购买和维护成本更低。
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通常不会破坏样品：您通常可以取回样品。
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缺点：
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容易混淆：如果混合物中的不同物质吸收相同的光，就会产生问题。我们可能需要先将它们分离（使用高效液相色谱法）或将它们阻断。
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主要用于液体： 难以直接测试固体（虽然有特殊附件，但比较棘手）。
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结构信息有限： 主要提供吸光部分的信息，而不是完整的详细结构（例如红外、核磁共振或质谱仪）。
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紫外-可见光谱的未来发展方向是什么？
小型仪器：手持式紫外可见分光光度计可让人们随时随地进行检测——例如检测河水中的水质或识别假药。
与其他仪器配合使用：紫外可见分光光度计通常是HPLC、IC 或 FIA 系统的检测器。这将分离能力与紫外可见光测量相结合。
更加自动化：机器和软件更加智能。现在许多机器都配备了自动进样器，可以单独测试多个样品。
更智能的数学： 特殊的计算机程序（化学计量学）有助于从混乱的混合物中得出结果。
重要提醒： 良好效果需要：
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样品清洁（无污垢，浓度合适）。
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比色皿非常干净（指纹、划痕或残留物会导致错误）。
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一台校准良好的仪器（检查颜色和吸光度数值是否正确）。
紫外-可见光谱：简单词汇表
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吸光度 (A)： 样品吸收的光量；
A = log₁₀(I₀/I) -
透射率 (T%)：有多少光能够穿过；
T% = (I/I₀) * 100% -
摩尔吸光系数 (ε)：1 mol/L 溶液在 1 cm 容器中的吸光度。每种材料都有一个特殊数字。
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路径长度 (b)：光在样本中传播的距离（厘米）。
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波长 (λ)：光的颜色，以纳米 (nm) 为单位。
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光谱带宽：从选择器输出的颜色范围。
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杂散光：错误颜色的光照射到探测器上，会导致错误。
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单色仪：拾取一种光色的部分（包含光栅/棱镜和狭缝）。
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比色皿：用于盛放样品的小玻璃容器（紫外-可见光分光光度计使用石英，可见光分光光度计仅使用玻璃）。
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光电倍增管 (PMT) 一种非常灵敏的光探测器。
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光电二极管阵列 (PDA)：一种可同时检测所有颜色的探测器。
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朗伯-比尔定律（比尔-朗伯定律）：
A = ε * b * c；用于测量数量的规则。 -
参考溶液：用于将仪器归零的液体（通常是纯溶剂）。
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最大吸收值 (λmax) 材料吸收光最多的颜色。
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发色团：分子中吸收光的部分。
紫外可见光谱法有助于准确快速地测量物质含量。它成本低廉。科学家和工厂经常用它来检测药品、水和产品。了解它的工作原理对于正确使用它和理解结果至关重要。随着机器变得越来越小、越来越智能，并能与其他工具协同工作，紫外可见光谱法仍将是一个非常有用的工具。
实验室提示： 请务必先在所有波长 (190-800 nm) 下测试新样品。这会显示样品在哪个波长下吸收光线最佳 (λmax)。切勿在吸收光线较差的颜色下测量浓度。光谱是您的参考。
