漫反射技術(shù)用于固體有機(jī)物的定性定量分析

康 燕， 李愛民， 杜一平

（1.華東理工大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院分析測(cè)試中心，上海200237；2.珀金埃爾默公司，上海201203）

0 引 言

紫外可見吸收光譜是一種常用的有機(jī)物分析方法，能夠表征有機(jī)分子對(duì)190 ～800 nm 之間光的吸收能力，從而對(duì)其進(jìn)行定性或定量分析［1-6］。通常測(cè)試有機(jī)物的紫外可見吸收光譜時(shí)，需要選擇合適的溶劑，將其溶解，檢測(cè)其在溶液狀態(tài)時(shí)的吸收光譜。由于不同溶劑具有不同的溶劑化作用，因此，有機(jī)物在不同極性的溶劑中具有不同的吸收光譜。此外，溶劑的透光波段也會(huì)直接影響待分析目標(biāo)物的吸收光譜，當(dāng)某些目標(biāo)物只能用特定的、不能透過(guò)紫外光的溶劑時(shí)，就不能觀察到其近紫外的吸收峰。漫反射光譜是一種重要的無(wú)損分析方法，能夠提供化合物的結(jié)構(gòu)信息。漫反射光譜是對(duì)溶液樣品透射光譜分析的重要補(bǔ)充，當(dāng)入射光投射到漫反射體上時(shí)，一部分光在漫反射體的表面發(fā)生鏡面反射，這部分光沒有進(jìn)入漫反射體內(nèi)部，因而不承載樣品信息；另一部分光經(jīng)折射進(jìn)入漫反射體內(nèi)部，與漫反射體內(nèi)部分子發(fā)生相互作用，經(jīng)多次反射、折射、衍射、透射、吸收后，再由表面輻射出來(lái)。顯然，這部分光包含了漫反射體組成和結(jié)構(gòu)信息，可用于定性或定量分析［7-14］。

采用漫反射技術(shù)測(cè)試有機(jī)化合物固體的吸收光譜時(shí)，通常是采用薄膜或是粉末固體直接進(jìn)樣的方式。采用薄膜檢測(cè)時(shí)，由于成膜前需要對(duì)樣品進(jìn)行前處理，通常也不能保持原有的狀態(tài)，而且還會(huì)由于薄膜樣品的厚度難以控制，導(dǎo)致不能得到理想的固態(tài)光譜。粉末直接進(jìn)樣時(shí)，也發(fā)現(xiàn)樣品的吸收光譜由于濃度太高，會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。本文借鑒液體紫外的稀釋原理，采用硫酸鋇對(duì)有機(jī)物進(jìn)行分散，通過(guò)考察不同的分散劑添加量和制樣方式，得到了理想的、攜帶樣品結(jié)構(gòu)信息的固體有機(jī)物吸收光譜。此外，本工作還對(duì)待分析物液體狀態(tài)和粉末狀態(tài)吸收光譜進(jìn)行了對(duì)比分析，為有機(jī)物的電子吸收光譜提供了新的表征方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試 劑

玫瑰紅，四苯乙烯，二氯乙烷均為分析純，購(gòu)買于上海凌峰試劑有限公司；溴化鉀和硫酸鋇均為分析純，購(gòu)買于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，所有化學(xué)試劑在使用過(guò)程中均未進(jìn)行再提純。

1.2 儀 器

AB104-N 電子天平（Mettler Toledo instrument，Shanghai）；超純水凈化系統(tǒng)（≥18.2 MΩ·cm，SARTORIUS arium611DI，Germany）。紫外可見吸收光譜采用Perkin Elmer 的Lambda 950 進(jìn)行測(cè)試，配備150 mm積分球進(jìn)行漫反射吸收光譜分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 玫瑰紅的吸收光譜

從圖1可以看出，玫瑰紅液體樣本有4 個(gè)特征峰，分別位于216，246，330和506 nm，固體樣本的吸收峰分別位于206，248，334和496 nm。從特征峰上可以看出，液體樣本和固體樣本出峰的數(shù)目基本一致，峰位上有一定的偏移，基本在10 nm以內(nèi)。此外，液體樣本吸收峰的半峰寬比較窄，固體樣本吸收峰的半峰寬相對(duì)比較寬，可能是液體樣本的溶劑化效應(yīng)，待測(cè)物分子能夠完全溶解在溶劑中。而對(duì)于固體粉末，待測(cè)物分子只能分散到硫酸鋇顆粒上，兩者之間的相互作用比較弱。

圖1 玫瑰紅液體吸收光譜和粉末漫反射吸收光譜

2.2 不同制樣方式的影響

因?yàn)楣腆w-固體之間的分散比液體-液體的分散要困難，樣品的分散程度將會(huì)影響樣品的信號(hào)，因此，本工作比較了直接混合、研磨兩種制樣方式對(duì)樣品光譜形狀的影響，所得光譜如圖2 所示。與透射吸光度類似，在漫反射光譜分析中定義無(wú)窮厚度（通常1 cm 左右即可）樣品的絕對(duì)漫反射率［15-16］：

漫反射吸光度定義：

式中：A為漫反射吸光度，其與K／S的關(guān)系是一條通過(guò)零點(diǎn)的曲線，當(dāng)K／S在一定范圍內(nèi)，A與K／S可用一條截距不為零的直線來(lái)近似，

K為漫反射體的吸收系數(shù)，主要取決于漫反射體的化學(xué)組成；S是散射系數(shù)，主要取決于漫反射體的物理特性及粒度、松散度和入射光角度等測(cè)定條件。

圖2 不同制樣方式對(duì)玫瑰紅光譜信號(hào)的影響

本工作中樣品是裝在一個(gè)能夠旋緊的樣品槽中，不同樣品的松散度基本一致。儀器的設(shè)置是固定的，入射光角度也是固定的。不同的制樣方式主要是影響樣品的粒度，從而影響散射系數(shù)。從圖2 也可以看出，研磨的樣本出峰更加明顯，峰形更規(guī)整，是由于經(jīng)過(guò)研磨的樣品粒徑更小，分布也更加均勻，散射系數(shù)S 小，也可以更好地得到控制，從而使得采集的光譜信號(hào)更加規(guī)整，提高光譜的重復(fù)性。

2.3 不同固體分散劑的影響

采用硫酸鋇、溴化鉀作為分散劑，研磨5 min 后，采集50 mg／g的玫瑰紅的吸收光譜，結(jié)果如圖3 所示?？梢钥闯?，采用這兩種分散劑都能得到玫瑰紅的吸收光譜，峰形也較相似，采用KBr 作為分散劑的樣本吸收峰值高于BaSO4分散劑，但是出峰不明顯，半峰寬更寬。綜合比較，本實(shí)驗(yàn)采用BaSO4作為分散劑對(duì)待測(cè)物進(jìn)行漫反射定量分析。

圖3 不同分散劑對(duì)玫瑰紅漫反射吸收光譜的影響

2.4 不同濃度玫瑰紅的吸收曲線及定量分析

當(dāng)物質(zhì)濃度不高時(shí)，吸光系數(shù)K 與物質(zhì)濃度C 成比例，

當(dāng)散射系數(shù)S保持不變，則式（3）可以變形為

式中：a、d均為系數(shù)。根據(jù)式（5），本文考察了不同濃度的玫瑰紅與其吸光度的關(guān)系，結(jié)果如圖4 所示。從圖4（a）可以看出，隨著濃度的升高，吸光度也隨之升高，譜峰也變得越來(lái)越明顯，因此，從定性的角度來(lái)分析，樣品濃度為5 mg／g 或10 mg／g 時(shí)出峰最好，適合定性分析。記錄樣品在394 nm處的吸光度值，對(duì)樣品濃度作圖，結(jié)果如圖4（b）所示，圖4（b）中的插圖是樣品濃度與吸光度值成線性的區(qū)間。從圖可以看出，玫瑰紅樣品的線性區(qū)間在1 ～50 mg／g之間，線性相關(guān)系數(shù)0.98，樣品檢出限0.5 mg／g。

圖4 不同濃度玫瑰紅的吸收光譜及其線性曲線

2.5 四苯乙烯與四苯乙烯衍生物的液體吸收和粉末漫反射吸收光譜的對(duì)比應(yīng)用分析

從圖5 可以看出，液體樣本與粉末樣本的出峰比較類似，由于溶劑化作用，液體樣本的吸收峰比粉末樣本窄，粉末樣品長(zhǎng)波長(zhǎng)的吸收峰更加明顯。此外，由于四苯乙烯在很多溶劑中溶解性差，本工作中采用二氯乙烷作為溶劑，使得240 nm 以內(nèi)的信號(hào)值采集不到，但是采用粉末漫反射時(shí)能夠采集到全譜。

圖5 四苯乙烯和四苯乙烯衍生物的液體樣本和粉末樣本的吸收光譜

2.6 不同濃度四苯乙烯與四苯乙烯衍生物的粉末漫反射定量分析

從圖6、7 可以看出，隨著目標(biāo)物濃度的升高，樣品的漫反射吸收峰越來(lái)越強(qiáng)。從圖6（b）和圖7（b）可以看出，漫反射對(duì)估計(jì)有機(jī)物的線性范圍基本在1 ～30 mg／g之間。

圖6 不同濃度四苯乙烯的漫反射吸收光譜及其線性曲線

圖7 不同濃度四苯乙烯衍生物的漫反射吸收光譜及其線性曲線

3 結(jié) 語(yǔ)

本工作對(duì)有機(jī)物的溶液樣本和固體粉末樣本進(jìn)行了紫外可見區(qū)的吸收光譜研究。結(jié)果表明，采用漫反射技術(shù)檢測(cè)粉末狀的有機(jī)物時(shí)，能夠得到有機(jī)物的特征吸收峰，其峰位和溶液樣本的峰位基本相同，說(shuō)明可以采用漫反射技術(shù)對(duì)固體樣本進(jìn)行定性分析。此外，采用漫反射技術(shù)進(jìn)行定量分析的研究結(jié)果表明，在1～30 mg／g的范圍內(nèi)，有機(jī)物的含量與吸光度具有良好的線性關(guān)系，能夠進(jìn)行定量分析。綜上所述，漫反射吸收光譜能夠分析固體有機(jī)化合物，尤其適合對(duì)一些難以溶解的或是需要在固體狀態(tài)研究其性能的有機(jī)物的定性、定量分析。