漫反射技术用于固体有机物的定性定量分析
2021-01-15李爱民杜一平
康 燕， 李爱民， 杜一平
（1.华东理工大学化学与分子工程学院分析测试中心，上海200237；2.珀金埃尔默公司，上海201203）
0 引 言
紫外可见吸收光谱是一种常用的有机物分析方法，能够表征有机分子对190 ～800 nm 之间光的吸收能力，从而对其进行定性或定量分析［1-6］。通常测试有机物的紫外可见吸收光谱时，需要选择合适的溶剂，将其溶解，检测其在溶液状态时的吸收光谱。由于不同溶剂具有不同的溶剂化作用，因此，有机物在不同极性的溶剂中具有不同的吸收光谱。此外，溶剂的透光波段也会直接影响待分析目标物的吸收光谱，当某些目标物只能用特定的、不能透过紫外光的溶剂时，就不能观察到其近紫外的吸收峰。漫反射光谱是一种重要的无损分析方法，能够提供化合物的结构信息。漫反射光谱是对溶液样品透射光谱分析的重要补充，当入射光投射到漫反射体上时，一部分光在漫反射体的表面发生镜面反射，这部分光没有进入漫反射体内部，因而不承载样品信息；另一部分光经折射进入漫反射体内部，与漫反射体内部分子发生相互作用，经多次反射、折射、衍射、透射、吸收后，再由表面辐射出来。显然，这部分光包含了漫反射体组成和结构信息，可用于定性或定量分析［7-14］。
采用漫反射技术测试有机化合物固体的吸收光谱时，通常是采用薄膜或是粉末固体直接进样的方式。采用薄膜检测时，由于成膜前需要对样品进行前处理，通常也不能保持原有的状态，而且还会由于薄膜样品的厚度难以控制，导致不能得到理想的固态光谱。粉末直接进样时，也发现样品的吸收光谱由于浓度太高，会出现饱和现象。本文借鉴液体紫外的稀释原理，采用硫酸钡对有机物进行分散，通过考察不同的分散剂添加量和制样方式，得到了理想的、携带样品结构信息的固体有机物吸收光谱。此外，本工作还对待分析物液体状态和粉末状态吸收光谱进行了对比分析，为有机物的电子吸收光谱提供了新的表征方法。
1 实验部分
1.1 试 剂
玫瑰红，四苯乙烯，二氯乙烷均为分析纯，购买于上海凌峰试剂有限公司；溴化钾和硫酸钡均为分析纯，购买于国药集团化学试剂有限公司，所有化学试剂在使用过程中均未进行再提纯。
1.2 仪 器
AB104-N 电子天平（Mettler Toledo instrument，Shanghai）；超纯水净化系统（≥18.2 MΩ·cm，SARTORIUS arium611DI，Germany）。紫外可见吸收光谱采用Perkin Elmer 的Lambda 950 进行测试，配备150 mm积分球进行漫反射吸收光谱分析。
2 结果与讨论
2.1 玫瑰红的吸收光谱
从图1可以看出，玫瑰红液体样本有4 个特征峰，分别位于216，246，330和506 nm，固体样本的吸收峰分别位于206，248，334和496 nm。从特征峰上可以看出，液体样本和固体样本出峰的数目基本一致，峰位上有一定的偏移，基本在10 nm以内。此外，液体样本吸收峰的半峰宽比较窄，固体样本吸收峰的半峰宽相对比较宽，可能是液体样本的溶剂化效应，待测物分子能够完全溶解在溶剂中。而对于固体粉末，待测物分子只能分散到硫酸钡颗粒上，两者之间的相互作用比较弱。
图1 玫瑰红液体吸收光谱和粉末漫反射吸收光谱
2.2 不同制样方式的影响
因为固体-固体之间的分散比液体-液体的分散要困难，样品的分散程度将会影响样品的信号，因此，本工作比较了直接混合、研磨两种制样方式对样品光谱形状的影响，所得光谱如图2 所示。与透射吸光度类似，在漫反射光谱分析中定义无穷厚度（通常1 cm 左右即可）样品的绝对漫反射率［15-16］：
漫反射吸光度定义：
式中：A为漫反射吸光度，其与K／S的关系是一条通过零点的曲线，当K／S在一定范围内，A与K／S可用一条截距不为零的直线来近似，
K为漫反射体的吸收系数，主要取决于漫反射体的化学组成；S是散射系数，主要取决于漫反射体的物理特性及粒度、松散度和入射光角度等测定条件。
图2 不同制样方式对玫瑰红光谱信号的影响
本工作中样品是装在一个能够旋紧的样品槽中，不同样品的松散度基本一致。仪器的设置是固定的，入射光角度也是固定的。不同的制样方式主要是影响样品的粒度，从而影响散射系数。从图2 也可以看出，研磨的样本出峰更加明显，峰形更规整，是由于经过研磨的样品粒径更小，分布也更加均匀，散射系数S 小，也可以更好地得到控制，从而使得采集的光谱信号更加规整，提高光谱的重复性。
2.3 不同固体分散剂的影响
采用硫酸钡、溴化钾作为分散剂，研磨5 min 后，采集50 mg／g的玫瑰红的吸收光谱，结果如图3 所示。可以看出，采用这两种分散剂都能得到玫瑰红的吸收光谱，峰形也较相似，采用KBr 作为分散剂的样本吸收峰值高于BaSO4分散剂，但是出峰不明显，半峰宽更宽。综合比较，本实验采用BaSO4作为分散剂对待测物进行漫反射定量分析。
图3 不同分散剂对玫瑰红漫反射吸收光谱的影响
2.4 不同浓度玫瑰红的吸收曲线及定量分析
当物质浓度不高时，吸光系数K 与物质浓度C 成比例，
当散射系数S保持不变，则式（3）可以变形为
式中：a、d均为系数。根据式（5），本文考察了不同浓度的玫瑰红与其吸光度的关系，结果如图4 所示。从图4（a）可以看出，随着浓度的升高，吸光度也随之升高，谱峰也变得越来越明显，因此，从定性的角度来分析，样品浓度为5 mg／g 或10 mg／g 时出峰最好，适合定性分析。记录样品在394 nm处的吸光度值，对样品浓度作图，结果如图4（b）所示，图4（b）中的插图是样品浓度与吸光度值成线性的区间。从图可以看出，玫瑰红样品的线性区间在1 ～50 mg／g之间，线性相关系数0.98，样品检出限0.5 mg／g。
图4 不同浓度玫瑰红的吸收光谱及其线性曲线
2.5 四苯乙烯与四苯乙烯衍生物的液体吸收和粉末漫反射吸收光谱的对比应用分析
从图5 可以看出，液体样本与粉末样本的出峰比较类似，由于溶剂化作用，液体样本的吸收峰比粉末样本窄，粉末样品长波长的吸收峰更加明显。此外，由于四苯乙烯在很多溶剂中溶解性差，本工作中采用二氯乙烷作为溶剂，使得240 nm 以内的信号值采集不到，但是采用粉末漫反射时能够采集到全谱。
图5 四苯乙烯和四苯乙烯衍生物的液体样本和粉末样本的吸收光谱
2.6 不同浓度四苯乙烯与四苯乙烯衍生物的粉末漫反射定量分析
从图6、7 可以看出，随着目标物浓度的升高，样品的漫反射吸收峰越来越强。从图6（b）和图7（b）可以看出，漫反射对估计有机物的线性范围基本在1 ～30 mg／g之间。
图6 不同浓度四苯乙烯的漫反射吸收光谱及其线性曲线
图7 不同浓度四苯乙烯衍生物的漫反射吸收光谱及其线性曲线
3 结 语
本工作对有机物的溶液样本和固体粉末样本进行了紫外可见区的吸收光谱研究。结果表明，采用漫反射技术检测粉末状的有机物时，能够得到有机物的特征吸收峰，其峰位和溶液样本的峰位基本相同，说明可以采用漫反射技术对固体样本进行定性分析。此外，采用漫反射技术进行定量分析的研究结果表明，在1～30 mg／g的范围内，有机物的含量与吸光度具有良好的线性关系，能够进行定量分析。综上所述，漫反射吸收光谱能够分析固体有机化合物，尤其适合对一些难以溶解的或是需要在固体状态研究其性能的有机物的定性、定量分析。
