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,又稱吸光亮度法。
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亮度法等。
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。
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quanxiangyun.cn/hushi/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quanxiangyun.cn/jianyan/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 |
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)。
圖8-2 光吸收示意圖
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
(8-1)
式中l(wèi)gI0/i 表示光線透過溶液時被吸收的程度,一般稱為吸亮度(A)或消亮度(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:
(8-3)
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)使溶液晱色即可測定此待測成分。
例如, 已知在525nm處KnO4溶液的ε=2235L· mol-1·cm-1,若用2cm比色皿,為使所測得的透光率介于20%~65%之間,溶液的濃度范圍應(yīng)是多少?
圖8-3 KMnO4液的吸收光譜曲線
解:若T=20%
則
則 c=-lg65%/2235*2.0=4.19*10-5(mol·L-1)