紫外光谱在环境分析中的应用

紫外光谱在环境分析中的应用

环境科学与工程 鲍海燕 20132129

摘要：随着现代技术的应用发展，紫外光谱得到进一步的发展和完善，尤其在环境分析中的应用越来越普遍。本文主要介绍紫外光谱在环境分析中的应用，并介绍其基本原理和仪器结构，概述了紫外光谱法的特点以及注意事项。最终得到该方法是一种具有广谱适用性的分析方法。

关键词：紫外光谱法，原理，应用

一、引言

随着全球各类污染事件的频繁发生，环境污染越来越受到社会各界的关注，无论是水体污染，还是大气污染，都需要借助于有效的监测手段和先进的监测仪器来对环境中污染物的种类及浓度进行精确的分析和评价。紫外光谱法就是其中一种最基本的分析仪器之一，在环境分析化学等领域中得到了极为广泛地应用。

二、紫外光谱的基本原理

我们知道，物质内部存在多种形式的微观运动，每种运动都有许多可能的状态，不同状态能量不同，即属于不同的能级。分子的能级有三种：电子能级、振动能级和转动能级。同一电子能级中有若干个振动能级，在同一振动能级中又有若干个转动能级。相邻两个电子能级之间的能量差ΔEe 一般在1～20 eV，所对应电磁波的波长为1000-50nm，处于紫外可见光区域，换言之，用紫外或可见光照射物质可以引起分子内部电子能级的跃迁。其跃迁类型取决于分子中价电子的分布和结合的情况。

我们知道，组成有机物分子共价键的价电子有：σ电子、π电子和n电子。分子中外层价电子的能级主要由5种分子轨道对应的能级组成，有低能级到高能级排列依次为σ <π < n <π* < σ* 。当价电子吸收了一定的能量ΔE后，即跃迁到较高能级。特定的跃迁过程有：n→π*，π→π*，n→σ*，σ→σ*等，其中，n→π*跃迁所需能量最小，对应的吸收带位于270～300nm的近紫外区。吸收强度相对较小。n→σ* 是杂原子上的未成键n电子向σ*反键轨道跃迁。跃迁所需能量较小，相应吸收带的波长在200nm附近，受杂原子性质的影响较大。吸收强度相

对较小。π→π* 跃迁所需能量较小，吸收峰波长较大。孤立双键π→π* 跃迁产生的吸收带位于160～180nm的远紫外区；但共轭双键体系中，吸收带向长波方向移动进入近紫外区。共轭体系越大，吸收带波长越长。σ→σ* 跃迁需要能量较高，相应的吸收光波长较短，在150～160nm的远紫外光区域，超出了一般紫外分光光度计检测范围，不予讨论。

紫外光谱实际上就是紫外光与分子中电子能级相互作用产生的吸收光谱，所以又被称为电子光谱。紫外吸收法是基于物质对不同波长的紫外光的吸收来测定物质成分和含量的方法[1]。水体中的有机污染物特别是不饱和有机物以及部分无机离子对紫外光存在吸收[2]，所以可以通过测量水体紫外吸收光谱并结合相关算法来得到相应水质的监测数据。水体中的污染物弟特定波长紫外光的吸收遵循朗伯比尔定律，如（1）所示，当一束平行单色光通过均匀、非散射的稀溶液时，溶液对光的吸收程度与溶液的浓度吸收层厚度的乘积成正比。 A=lgI0/I=KcL (1) 式中：A为吸光度； I0为入射光强度； I为透射光强度；

K为摩尔吸收系数（L.(mol.cm)-1）； c为吸光物质的摩尔浓度（mol/L）； L为吸收层厚度（cm）。

实际测量过程中，式（1）中K和L皆为常数，吸光度A与浓度c成正比，且吸光度具有加和特点，即溶液对某一波长的吸收等于溶液中各个成分对该波长光的吸收之和，如（2）所示

A=A1+A2+A3+...+An (2)

所以，只要共存物质不互相影响性质，即不因共存物而改变本身的吸光系数，则总吸光度是各共存物吸光度的和，而各组分的吸光度由各自的浓度与吸光系数所决定。吸光度的这种加和性质是计算分光光度法测定混合组分的依据。

三、紫外光谱的仪器组成

一般紫外分光光度计的波长范围为200~400nm，仪器主要有光源、单色器、吸收池、检测器四部分组成。

1、光源：目的是提供足够强而且稳定的光源。

2、单色器：将连续光色散成单色光。由入射狭缝、准直镜（产生平行光的准直系统）、光栅或棱镜（色散器件）、成像物镜、出射狭缝（成像系统）组成。 3、吸收池：紫外光必须用石英玻璃的吸收池。一般有参比池和样品池，应选择参数尽量一致的吸收池。

4、检测器：将光信号转化为电信号并放大。随着紫外分光光度计的发展，检测器逐渐向光电管、光电倍增器和硅二极管阵列检测器发展。

四、紫外光谱的特点

1、应用十分广泛

由于多种无机物或有机物在紫外可见区域均有吸收，因而可以利用此法进行测定。化学元素周期表上几乎所有元素都能够应用此法进行测定。 2、具有较高的灵敏性

随着新型显色剂的纷纷问世及应用，紫外分光光度计在测定元素方面的灵敏性也有了大幅度提高。 3、具有较好的选择性

有些元素只需控制显色条件即可采用紫外分光光度计法进行测定，例如，对于镍、铜、铁、钴、银、铀等多种元素已经存在系统的方法进行测定。 4、具有较高的准确性

普通的紫外分光光度计法，其相对误差已经控制在1%~3%内，如果使用示差分光光度计可将误差减少至0.5%。

五、紫外光谱在环境分析化学中的应用

1、紫外分光光度计在测定水中六价铬含量的应用

铬主要以金属铬、三价铬和六价铬的三种形式出现，金属铬是一种高熔点铁灰固体，用于制造钢及其他合金。铬金属在自然状态下不存在，它是在铬矿中提炼得到的。工业上六价铬是通过将矿物中的三价铬在有氧条件下加热得到的。铬

的第三种存在的形式( 六价铬) 对人体危害最大。六价铬还会引起其它健康问题，如果吸入较高浓度的六价铬化合物会引起流鼻涕、打喷嚏、瘙痒、溃疡和鼻中隔穿孔。若人体摄入可溶解的六价铬污染的水体，长期饮用会产生致毒和致癌的后果。因此，六价铬是衡量水质的重要指标之一，六价铬的测定意义重大。 测定水中六价铬的方法原理是在酸性溶液中，六价铬与二苯碳酰二肼反应生成紫红色化合物，于波长540nm处进行分光光度法测定。按A的值查校准曲线并计算六价铬的含量。本方法适用于地表水和工业废水中六价铬的测定。当取样体积为50ml,使用30mm比色皿，方法的最小检出量为0.2μg铬，方法的最低检出浓度为0.004mg/L;使用10mm比色皿，测定上限浓度为1mg/L。 测定水样中六价铬的实验步骤如下：

( 1) 用50ml比色管取适量样品于比色管中，用水稀释至标线 ( 2) 加入0.5ml硫酸溶液和0.5ml磷酸溶液摇匀 ( 3) 加入2ml显色剂摇匀

( 4) 使溶液等待5～10min后，在540nm波长处，用30mm的比色皿，以水做参比，测定吸光度，扣除空白试验测得的吸光度后，校准曲线上查得六价铬含量。 赵凤霞、赵红霞[3]应用T6新世纪紫外分光光度计[4]法测定水中的六价铬，并测了六价铬标准样品加标回收标准曲线等，标准曲线的线性相关系数在0.9999以上，加标回收率在95%～105%之间，标准样品的测定结果均在六价铬的标准值0.287～0.317mg/L范围之间，测定结果令人满意，且方法简单，试剂用量少，操作简便，快速准确，灵敏度高，从而提高了工作效率。 2、对苯二酚和对苯醌与明胶蛋白质相互作用的紫外光谱分析

唐世华，黎幼群，陈维竹[5]用紫外吸收光谱技术研究了HQ与明胶之间的相互作用，运用Lineweave—Burk双倒数法求得结合常数，由热力学方程推算得到分子间结合过程的热力学参数并由此推断出分子间作用的结合力类型。 为了研究对苯二酚和对苯醌与明胶蛋白质相互作用，所采用的实验方法是准确移取pH为7.30、浓度为4.0g.L-1的明胶溶液2 ml于1cm比色池中，用移液器逐次加入1.0×10-2mol.L的HQ溶液(pH=7.30)进行滴定(滴定累加体积小于40 ul)，在紫外一可见分光光度计上记录吸收光谱。

采用上述实验方法可以得出的结论为对pH=7.30条件下HQ与明胶相互作用