比色分析
第一節(jié) 比色分析的基本原理
比色分析是基于溶液對(duì)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(cè)定溶液的濃度。
根據(jù)吸收光的波長(zhǎng)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(jiǎn)單、快速、靈敏度高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于微量組分的測(cè)定。通常中測(cè)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(duì)誤差較大（一般為1%～5%）的缺點(diǎn)。但對(duì)于微量組分測(cè)定來說，由于絕對(duì)誤差很小，測(cè)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(zhǎng)（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(lán)、紫等各種顏色相連續(xù)的可見光譜。如把兩種光以適當(dāng)比例混合而產(chǎn)生白光感覺時(shí)，則這兩種光的顏色互為補(bǔ)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(lán)）互為補(bǔ)色。
當(dāng)白光通過溶液時(shí)，如果溶液對(duì)各種波長(zhǎng)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(zhǎng)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?yàn)榘坠馔高^溶液時(shí)，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(bǔ)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(lán)色。由此可見，有色溶液的顏色是被吸收光顏色的補(bǔ)色。吸收越多，則補(bǔ)色的顏色越深。比較溶液顏色的深度，實(shí)質(zhì)上就是比較溶液對(duì)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(lán) | 青藍(lán) | 青 | |
| 吸收光 | 顏色 | 紫 | 藍(lán) | 青藍(lán) | 青 | 青綠 | 綠 | 黃 | 橙 | 紅 |
| 波長(zhǎng)／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(dāng)一束平行單色光（只有一種波長(zhǎng)的光）照射有色溶液時(shí)，光的一部分被吸收，一部分透過溶液（圖8-2）。
圖8-2 光吸收示意圖
設(shè)入射光的強(qiáng)度為I0，溶液的濃度為c，液層的厚度為b，透射光強(qiáng)度為I，則
（8-1）
式中l(wèi)gI0/i 表示光線透過溶液時(shí)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(shí)，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(dāng)溶液濃度c和液層厚度b的數(shù)值均為1時(shí)，A=K，即吸光系數(shù)在數(shù)值上等于c和b均為1時(shí)溶液的吸光度。對(duì)于同一物質(zhì)和一定波長(zhǎng)的入射光而言，它是一個(gè)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)
當(dāng)c以mol?L-1 為單位時(shí)，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(dāng)c以質(zhì)量體積濃度（g?ml-1 ）表示時(shí)，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(duì)入射光越容易吸收，當(dāng)c有微小變化時(shí)就可使A有較大的改變，故測(cè)定的靈敏度較高。一般ε值在103以上即可進(jìn)行比色分析。
如果測(cè)定某種物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)單色光的吸收程度，以波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)作圖可得一條曲線，即物質(zhì)對(duì)光的吸收曲線，可準(zhǔn)確地描述物質(zhì)對(duì)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(duì)波長(zhǎng)525nm附近的綠光吸收量最強(qiáng)，而對(duì)其他波長(zhǎng)的光吸收較弱。光吸收程度最大處的波長(zhǎng)叫做吸收波長(zhǎng)，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(zhǎng)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(zhǎng)選定的依據(jù)，測(cè)定時(shí)一般選擇λmax 的單色光作為入射光。這樣即使被測(cè)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(cè)定的溶液無色，可在測(cè)定前加入適當(dāng)?shù)娘@色劑，通過與待測(cè)成分的化學(xué)反應(yīng)使溶液?色即可測(cè)定此待測(cè)成分。
例如， 已知在525nm處KnO4 溶液的ε=2235L? mol-1 ?cm-1 ，若用2cm比色皿，為使所測(cè)得的透光率介于20%～65%之間，溶液的濃度范圍應(yīng)是多少？
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