比色分析-- 比色分析的基本原理
第一節(jié) 比色分析的基本原理
比色分析是基于溶液對光的選擇性吸收而建立起來的一種分析方法，又稱吸光光度法。
有色物質(zhì)溶液的顏色與其濃度有關(guān)。溶液的濃度越大，顏色越深。利用光學(xué)比較溶液顏色的深度，可以測定溶液的濃度。
根據(jù)吸收光的波長范圍不同以及所使用的儀器精密程度，可分為光電比色法和分光光度法等。
比色分析具有簡單、快速、靈敏度高等特點，廣泛應(yīng)用于微量組分的測定。通常中測定含量在10-1～10-4mg?L-1的痕量組分。比色分析如同其他儀器分析一樣，也具有相對誤差較大（一般為1%～5%）的缺點。但對于微量組分測定來說，由于絕對誤差很小，測定結(jié)果也是令人滿意的。在現(xiàn)代儀器分析中，有60%左右采用或部分采用了這種分析方法。在醫(yī)學(xué)學(xué)科中，比色分析也被廣泛應(yīng)用于藥物分析、衛(wèi)生分析、生化分析等方面。
一、物質(zhì)的顏色和光的關(guān)系
光是一種電磁波。自然是由不同波長（400～700nm）的電磁波按一定比例組成的混合光，通過棱鏡可分解成紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等各種顏色相連續(xù)的可見光譜。如把兩種光以適當比例混合而產(chǎn)生白光感覺時，則這兩種光的顏色互為補色。圖8-1中處于同一直線關(guān)系的兩種色光（如綠與紫、黃與藍）互為補色。
當白光通過溶液時，如果溶液對各種波長的光都不吸收，溶液就沒有顏色。如果溶液吸收了其中一部分波長的光，則溶液就蜈現(xiàn)透過溶液后剩余部分光的顏色。例如，我們看到KMnO4溶液在白光下呈紫紅色，就是因為白光透過溶液時，綠色光大部分被吸收，而其他各色都能透過。在透過的光中除紫紅色外都能兩兩互補成白色，所以KMnO4溶液呈現(xiàn)紫紅色。
同理，CuSO4溶液能吸收黃色光，所以溶液呈藍色。由此可見，有色溶液的顏色是被吸收光顏色的補色。吸收越多，則補色的顏色越深。比較溶液顏色的深度，實質(zhì)上就是比較溶液對它所吸收光的吸收程度。表8-1列出了溶液的顏色與吸收光顏色的關(guān)系。
表8-1 溶液的顏色與吸收光顏色的關(guān)系
溶液顏色 綠 黃 橙 紅 紫紅 紫 藍 青藍 青 吸收光 顏色 紫 藍 青藍 青 青綠 綠 黃 橙 紅 波長／nm 400～450 450～480 480～490 490～500 500～560 560～580 580～600 600～650 650～760
二、朗伯-比爾（Lambert-Beer）定律
當一束平行單色光（只有一種波長的光）照射有色溶液時，光的一部分被吸收，一部分透過溶液（圖8-2）。
設(shè)入射光的強度為I0，溶液的濃度為c，液層的厚度為b，透射光強度為I，則
式中l(wèi)gI0/i 表示光線透過溶液時被吸收的程度，一般稱為吸光度（A）或消光度（E）。因此，上式又可寫為：
A=Kcb（8-2）
上式為朗伯-比爾定律的數(shù)學(xué)表示式。它表示一束單色光通過溶液時，溶液的吸光度與溶液的濃度和液層厚度的乘積成正比。
式中，K為吸光系數(shù)，當溶液濃度c和液層厚度b的數(shù)值均為1時，A=K，即吸光系數(shù)在數(shù)值上等于c和b均為1時溶液的吸光度。對于同一物質(zhì)和一定波長的入射光而言，它是一個常數(shù)。
比色法中常把
稱為透光度，用T表示，透光度和吸光度的關(guān)
系如下：
當c以mol?L -1 為單位時，吸光系數(shù)稱為摩爾吸光系數(shù)，用ε表示，其單位是L?mol -1 ?cm -1 。當c以質(zhì)量體積濃度（g?ml -1 ）表示時，吸光系數(shù)稱為百分吸光系數(shù)，用E1%1cm表示，單位是ml?g -1? cm -1 。吸光系數(shù)越大，表示溶液對入射光越容易吸收，當c有微小變化時就可使A有較大的改變，故測定的靈敏度較高。一般ε值在103以上即可進行比色分析。
如果測定某種物質(zhì)對不同波長單色光的吸收程度，以波長為橫坐標，吸光度為縱坐標作圖可得一條曲線，即物質(zhì)對光的吸收曲線，可準確地描述物質(zhì)對光的吸收情況。
圖8-3是幾種不同濃度的KMnO4溶液的吸收曲線，溶液對波長525nm附近的綠光吸收量最強，而對其他波長的光吸收較弱。光吸收程度最大處的波長叫做吸收波長，用λmax表示。不同濃度的KMnO4溶液所得的吸收曲線，最大吸收波長都一致，只是相應(yīng)的光被吸收的程度不同。
吸收曲線可作為比色分析中波長選定的依據(jù)，測定時一般選擇λmax 的單色光作為入射光。這樣即使被測物質(zhì)含量較低也可得到較大的吸光度，因而可使分析的靈每度較高。
若所測定的溶液無色，可在測定前加入適當?shù)娘@色劑，通過與待測成分的化學(xué)反應(yīng)使溶液 色即可測定此待測成分。
例如， 已知在525nm處KnO 4 溶液的ε=2235L? mol -1 ?cm -1 ，若用2cm比色皿，為使所測得的透光率介于20%～65%之間，溶液的濃度范圍應(yīng)是多少？
解：若T=20%
則
c=-lg65%/2235*2.0=4.19*10 -5 (mol?L -1 )
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