比色分析的基本原理
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比色分析的基本原理
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，又稱吸光光度法。
有色物質溶液的顏色與其濃度有關。溶液的濃度越大，顏色越深。利用光學比較溶液顏色的深度，可以測定溶液的濃度。
根據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光度法等。
比色分析具有簡單、快速、靈敏度高等特點，廣泛應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，由于誤差很小，測定結果也是令人滿意的。在現代儀器分析中，有60%左右采用或部分采用了這種分析方法。在醫學學科中，比色分析也被廣泛應用于藥物分析、衛生分析、生化分析等方面。
一、物質的顏色和光的關系
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的可見光譜。如把兩種光以適當比例混合而產生白光感覺時，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溶液呈現紫紅色。
比色分析的基本原理同理，CuSO4溶液能吸收黃色光，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。吸收越多，則補色的顏色越深。比較溶液顏色的深度，實質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系。
表8-1溶液的顏色與吸收光顏色的關系
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／nm400～450450～480480～490490～500500～560560～580580～600600～650650～760
二、朗伯-比爾（Lambert-Beer）定律
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）。
設入射光的強度為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lgI0/i表示光線透過溶液時被吸收的程度，一般稱為吸光度（A）或消光度（E）。因此，上式又可寫為：
A=Kcb（8-2）
上式為朗伯-比爾定律的數學表示式。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，當溶液濃度c和液層厚度b的數值均為1時，A=K，即吸光系數在數值上等于c和b均為1時溶液的吸光度。對于同一物質和一定波長的入射光而言，它是一個常數。
比色法中常把稱為透光度，用T表示，透光度和吸光度的關
系如下：
（8-3）
當c以mol·L-1為單位時，吸光系數稱為摩爾吸光系數，用ε表示，其單位是L·mol-1·cm-1。當c以質量體積濃度（g·ml-1）表示時，吸光系數稱為百分吸光系數，用E1%1cm表示，單位是ml·g-1·cm-1。吸光系數越大，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。
比色分析的基本原理如果測定某種物質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，即物質對光的吸收曲線，可準確地描述物質對光的吸收情況。
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zui強，而對其他波長的光吸收較弱。光吸收程度zui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，zui大吸收波長都一致，只是相應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，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的顯色劑，通過與待測成分的化學反應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，溶液的濃度范圍應是多少？
