漫反射技術用于固體有機物的定性定量分析

康 燕， 李愛民， 杜一平

（1.華東理工大學化學與分子工程學院分析測試中心，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物分析方法，能夠表征有機分子對190 ～800 nm 之間光的吸收能力，從而對其進行定性或定量分析［1-6］。通常測試有機物的紫外可見吸收光譜時，需要選擇合適的溶劑，將其溶解，檢測其在溶液狀態時的吸收光譜。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直接影響待分析目標物的吸收光譜，當某些目標物只能用特定的、不能透過紫外光的溶劑時，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損分析方法，能夠提供化合物的結構信息。漫反射光譜是對溶液樣品透射光譜分析的重要補充，當入射光投射到漫反射體上時，一部分光在漫反射體的表面發生鏡面反射，這部分光沒有進入漫反射體內部，因而不承載樣品信息；另一部分光經折射進入漫反射體內部，與漫反射體內部分子發生相互作用，經多次反射、折射、衍射、透射、吸收后，再由表面輻射出來。顯然，這部分光包含了漫反射體組成和結構信息，可用于定性或定量分析［7-14］。

采用漫反射技術測試有機化合物固體的吸收光譜時，通常是采用薄膜或是粉末固體直接進樣的方式。采用薄膜檢測時，由于成膜前需要對樣品進行前處理，通常也不能保持原有的狀態，而且還會由于薄膜樣品的厚度難以控制，導致不能得到理想的固態光譜。粉末直接進樣時，也發現樣品的吸收光譜由于濃度太高，會出現飽和現象。本文借鑒液體紫外的稀釋原理，采用硫酸鋇對有機物進行分散，通過考察不同的分散劑添加量和制樣方式，得到了理想的、攜帶樣品結構信息的固體有機物吸收光譜。此外，本工作還對待分析物液體狀態和粉末狀態吸收光譜進行了對比分析，為有機物的電子吸收光譜提供了新的表征方法。

1 實驗部分

1.1 試 劑

玫瑰紅，四苯乙烯，二氯乙烷均為分析純，購買于上海凌峰試劑有限公司；溴化鉀和硫酸鋇均為分析純，購買于國藥集團化學試劑有限公司，所有化學試劑在使用過程中均未進行再提純。

1.2 儀 器

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

2 結果與討論

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目基本一致，峰位上有一定的偏移，基本在10 nm以內。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比較寬，可能是液體樣本的溶劑化效應，待測物分子能夠完全溶解在溶劑中。而對于固體粉末，待測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

因為固體-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影響樣品的信號，因此，本工作比較了直接混合、研磨兩種制樣方式對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窮厚度（通常1 cm 左右即可）樣品的絕對漫反射率［15-16］：

漫反射吸光度定義：

式中：A為漫反射吸光度，其與K／S的關系是一條通過零點的曲線，當K／S在一定范圍內，A與K／S可用一條截距不為零的直線來近似，

K為漫反射體的吸收系數，主要取決于漫反射體的化學組成；S是散射系數，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定條件。

圖2 不同制樣方式對玫瑰紅光譜信號的影響

本工作中樣品是裝在一個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。從圖2 也可以看出，研磨的樣本出峰更加明顯，峰形更規整，是由于經過研磨的樣品粒徑更小，分布也更加均勻，散射系數S 小，也可以更好地得到控制，從而使得采集的光譜信號更加規整，提高光譜的重復性。

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，結果如圖3 所示。可以看出，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，本實驗采用BaSO4作為分散劑對待測物進行漫反射定量分析。

圖3 不同分散劑對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

當物質濃度不高時，吸光系數K 與物質濃度C 成比例，

當散射系數S保持不變，則式（3）可以變形為

式中：a、d均為系數。根據式（5），本文考察了不同濃度的玫瑰紅與其吸光度的關系，結果如圖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，譜峰也變得越來越明顯，因此，從定性的角度來分析，樣品濃度為5 mg／g 或10 mg／g 時出峰最好，適合定性分析。記錄樣品在394 nm處的吸光度值，對樣品濃度作圖，結果如圖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間。從圖可以看出，玫瑰紅樣品的線性區間在1 ～50 mg／g之間，線性相關系數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比應用分析

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，粉末樣品長波長的吸收峰更加明顯。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 以內的信號值采集不到，但是采用粉末漫反射時能夠采集到全譜。

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，隨著目標物濃度的升高，樣品的漫反射吸收峰越來越強。從圖6（b）和圖7（b）可以看出，漫反射對估計有機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 語

本工作對有機物的溶液樣本和固體粉末樣本進行了紫外可見區的吸收光譜研究。結果表明，采用漫反射技術檢測粉末狀的有機物時，能夠得到有機物的特征吸收峰，其峰位和溶液樣本的峰位基本相同，說明可以采用漫反射技術對固體樣本進行定性分析。此外，采用漫反射技術進行定量分析的研究結果表明，在1～30 mg／g的范圍內，有機物的含量與吸光度具有良好的線性關系，能夠進行定量分析。綜上所述，漫反射吸收光譜能夠分析固體有機化合物，尤其適合對一些難以溶解的或是需要在固體狀態研究其性能的有機物的定性、定量分析。