旷世神医,梦入神机

當(dāng)前位置：主頁 > 技術(shù)文章 > 使用LED 燈自制簡易分光光度計

使用LED 燈自制簡易分光光度計

更新時間：2018-10-18 點擊次數(shù)：5437

一、前言

分光光度計運用了光譜學(xué)的原理，在現(xiàn)代化學(xué)實驗室中運用較為廣泛。根據(jù)朗伯-比爾定律，當(dāng)同一波長的光通過同一物質(zhì)的不同濃度的有色溶液時會產(chǎn)生不同程度的吸收，通過溶液的吸光度就能夠計算溶液的濃度。但是由于分光光度計價格較為昂貴，很少在基礎(chǔ)教育階段使用，學(xué)生也很難接觸到分光光度計。近年來有很多研究者也運用光譜學(xué)的原理，應(yīng)用了新的技術(shù)來測定離子的濃度替代分光光度計的作用，并進(jìn)行了很多相關(guān)的實驗。有研究者通過色度計傳感器地監(jiān)測KMnO4與蔗糖的反應(yīng)進(jìn)程，初步證明非還原糖（如蔗糖）在與強(qiáng)氧化劑（如KMnO4）反應(yīng)時表現(xiàn)出還原性，實現(xiàn)了實時、連續(xù)的監(jiān)測［1］。也有研究者利用智能手機(jī)的拍照功能，用圖像處理軟件獲取溶液的RGB值，將有色溶液的濃度與RGB值之間建立關(guān)聯(lián)來測定溶液濃度［2］，實驗
操作簡單，能夠快速采集多個待測溶液的RGB值，適合作為學(xué)生實驗進(jìn)行。Jonas等人使用LED燈、樂高塊、毫

伏計、電源等制作了色度計，測定了Cu2+在黃光和橙光下的標(biāo)準(zhǔn)曲線［3］。

本研究將在Jonas 等人的研究基礎(chǔ)上，使用泡沫板、LED 燈、移動電源等簡單易得并且價格低廉的材料制作簡易分光光度計，測定不同濃度的KMnO4 溶液的吸光度，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，測定未知濃度KMnO4 溶液的濃度以分析裝置的相對誤差，并且測定KMnO4 與 H2C2O4 反應(yīng)的吸光度變化曲線。后，提出此裝置在中學(xué)階段的應(yīng)用建議。
二、實驗設(shè)計
多用表、100mL 的容量瓶、量筒、燒杯、玻璃棒、膠頭滴管、UV765 紫外可見分光光度計

（2）實驗藥品：0.01mol/L 的KMnO4 溶液、0.2mol/L

的H2C2O4 溶液、蒸餾水比色皿 LED小燈泡 VLED小燈泡泡沫板

圖1 簡易分光光度計裝置圖

2.裝置設(shè)計

簡易分光光度計（圖1）既把LED 燈作為光源，又將LED 燈作為光檢測器。因為LED 燈在通過電流的時候，以特征波長發(fā)射光（實際上在特征值附近的窄波段內(nèi)），如果LED 燈暴露于與特性波長相近或更短的光線，LED 燈的兩端也會產(chǎn)生電壓，且兩端的電壓與光的強(qiáng)度成正比，所以可以通過測量作為檢測器的 LED 燈兩端的電壓大小，比較透過溶液的光的強(qiáng)度大
小。本實驗的吸光度計算如下所示：
透光率T=V1/V0，吸光度A=lg（1/T），即A=lg（V0/V1）。 V1 為用放置有色溶液時檢測端LED 燈兩端的電壓，V0 為放置蒸餾水時檢測端LED 燈兩端的電壓。

裝置的主體是由泡沫板搭建的，泡沫板在生活中十分易得，可以通過廢物再利用來達(dá)到環(huán)保的目的。主體結(jié)構(gòu)不僅可以使用泡沫板，還可以利用其他材料作為裝置的主體，比如硬紙板、木塊等。盛放溶液的容器，也可使用體積適宜的普通透明容器替代，使用泡沫板能夠根據(jù)盛放溶液的容器靈活調(diào)整放置容器的凹槽的大小和形狀。

由于移動電源能夠提供較為穩(wěn)定的直流電，并且相較于普通電池更加的綠色環(huán)保，所以本實驗的電源部分是由移動電源改裝的。具體操作如下：剝?nèi)ヒ苿与娫磁涮椎臄?shù)據(jù)線外部的絕緣外殼，在其中一根導(dǎo)線上串聯(lián)1000Ω的電阻，形成該裝置的電源。

串聯(lián)電阻的數(shù)據(jù)線

三、實驗步驟
1.KMnO4 溶液吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線的測定

（1）根據(jù)實驗裝置圖組裝好簡易分光光度計，換上綠色的LED 燈，將數(shù)字多用表的旋鈕旋到200mV 的
量程。
（2）用100mL的容量瓶分別配制濃度為0.0001mol/L、0.0002mol/L、0.0003mol/L0.0004mol/L0.0005mol/L 的 KMnO4 溶液。

（3）在比色皿中加入蒸餾水和上述KMnO4 溶液，蓋上遮光盒，接通電源，讀取數(shù)字多用表的示數(shù)并且記錄，斷開電源，每次測量后洗凈并且擦干比色皿。

（4）用100mL的容量瓶分別配制濃度為0.0002mol/L、0.0004mol/L、0.0006mol/L、0.0008mol/L、0.001mol/L 的 KMnO4 溶液。

（5）將綠色的LED 燈取下，換上紅色的LED 燈，在比色皿中分別加入蒸餾水和上述KMnO4 溶液，以相同

的方法測量并記錄紅光下的數(shù)字多用表的電壓示數(shù)。2.未知濃度的KMnO4 溶液的測定

（1）將LED 燈換成紅色，在比色皿中放入未知濃度的KMnO4 溶液，蓋上遮光盒，接通電源，讀取數(shù)字多用表的示數(shù)并且記錄。

（2）斷開電源，換上綠色LED 燈，蓋上遮光盒，接通電源，讀取數(shù)字多用表的示數(shù)并且記錄。

（3）使用 UV765 紫外可見分光光度計，測定0.0001mol/L、0.0002mol/L、0.0003mol/L、0.0004mol/L、 0.0005mol/L 的KMnO4 溶液的吸光度，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，

并且測定和記錄未知溶液的吸光度。

3.KMnO4 和H2C2O4 反應(yīng)吸光度變化曲線的測定（1）將 LED 燈換成紅色，在比色皿中加入2mL0.2mol/L 的 H2C2O4 溶液和 2mL0.01mol/L 的酸性 KMnO4 溶液。

（2）接通電源，蓋上遮光盒，測量并記錄不同時間數(shù)字多用表的電壓示數(shù)。

四、實驗結(jié)果
1.KMnO4 溶液吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線實驗測得，在紅光下放置蒸餾水，檢測端產(chǎn)生的

電壓為6.3V，在綠光下放置蒸餾水，檢測端產(chǎn)生的電壓為1.3V。不同濃度KMnO4 溶液在紅光和綠光下的吸光度如表1 和表2 所示。

表1   紅光下不同濃度的KMnO4 溶液的吸光度
KMnO4濃度（mol/L）   0.0002   0.0004   0.0006   0.0008       0.001
電壓（mV）       5.9   5.5   5.0   4.7       4.5
吸光度       0.02849   0.05898   0.1004   0.1272       0.1461
表2   綠光下不同濃度的KMnO4 溶液的吸光度
KMnO4濃度（mol/L）   0.0001   0.0002   0.0003   0.0004       0.0005
電壓（mV）       1   0.6   0.4   0.3       0.2
吸光度       0.1139   0.3358   0.5119   0.6368       0.8129

根據(jù)表1 和2 可以繪制KMnO4 溶液的吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖3、圖4 所示。由圖3 和圖4 可知兩直線擬合度較高，且在不同顏色的LED 燈光下，相同溶液的吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線不同。同時，曲線也顯示了此裝置的缺陷，即裝置的量程有限，只能測量一定濃度范圍內(nèi)的吸光度，超過該濃度范圍就難以測量，所以在對未知溶液進(jìn)行測量的時候是具有局限性的。在對綠光下K2Cr2O7 溶液和FeCl3 溶液吸光度進(jìn)行測量時，同樣發(fā)現(xiàn)，當(dāng)濃度超過一定范圍，溶液顏色過深時，該裝置很難檢測出吸光度的變化。

2.未知濃度KMnO4 溶液的測定及裝置誤差分析

0.18               y=151.77x+0.0012
0.16               2   =0.9838
0.14               R
0.12
0.1
吸光度0.08
0.06
0.04
0.02
0   0   0.0002   0.0004   0.0006   0.0008   0.001   0.0012
           KMnO4 溶液濃度（mol/L）
       圖3 紅光下KMnO4 溶液的吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線

   0.9               y=1699x-0.0274
   0.8               2   =0.9912
   0.7               R
吸光度   0.6
   0.5
   0.4
   0.3
   0.2
   0.1
   00   0.0001   0.0002   0.0003   0.0004   0.0005   0.0006
               KMnO4 溶液濃度（mol/L）
       圖4   綠光下KMnO4 溶液的吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線

•實驗教學(xué)研究•
根據(jù)表 3 的數(shù)據(jù)可知，紅色 LED 燈的簡易分光光度計的相對誤差僅為 1.78%，而綠色 LED 燈的簡

易分光光度計相對誤差達(dá)到29.82%。由此可見，在一定濃度范圍內(nèi)，使用配有紅色LED 燈的簡易分光光度計能夠相對地測定溶液的濃度，但是配有綠色LED 燈的簡易分光光度計只能對濃度進(jìn)行粗略的測量。

   表3   不同裝置KMnO4 溶液濃度測定數(shù)據(jù)表
   裝置       分光光度計   簡易分光光度計   簡易分光光
               （紅燈）   度計（綠燈）


   電壓值（mV）       /   5.5   0.2
   吸光度值       0.7290   0.05898   0.8129
   吸光度-       y=2111x   y=151.77x   y=1699x
   濃度曲線       -0.0747   +0.0012   -0.0274
   KMnO4 濃度       0.0003810   0.0003878   0.0004946
   （mol/L）

3.KMnO4 和H2C2O4 反應(yīng)吸光度變化曲線
KMnO4 和H2C2O4 反應(yīng)過程吸光度變化曲線

描述了KMnO4 和H2C2O4 反應(yīng)過程中隨著時間的變化吸光度的變化曲線，由于吸光度與溶液的濃度呈直線關(guān)系，所以該曲線的斜率能反映KMnO4和 H2C2O4 反應(yīng)的速率。圖 5 曲線一開始十分平緩，

過了某個臨界點后曲線變得陡峭，而后又趨于平緩，表明KMnO4 和H2C2O4 的反應(yīng)先慢后快，在反應(yīng)快結(jié)束時又變得非常緩慢，吸光度變化曲線與實際符合。在測量過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溶液幾乎無色透明的時候，檢測端的LED 燈兩端的電壓仍然低于當(dāng)溶液為蒸餾水時的電壓，說明此時溶液并不是*無色的，溶液中五、應(yīng)用建議該裝置成本低廉，綠色環(huán)保，搭建過程十分簡單，學(xué)生在家即可完成，非常適合作為學(xué)生實驗進(jìn)行。對于沒有接觸過分光光度計的學(xué)生來說，是一次很好的認(rèn)識分光光度計的機(jī)會，能在一定程度上激發(fā)學(xué)生的科學(xué)興趣，培養(yǎng)他們的動手能力；而且該裝置度較高，配備紅色LED 燈的裝置相對誤差僅為 1.78%，在量程內(nèi)可以較為地測定溶液的濃度。結(jié)合上文，提出以下幾點在中學(xué)中的應(yīng)用建議。

1.測定未知濃度有色溶液的濃度。首先測定一定濃度梯度下該溶液的吸光度值，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，然后測定該未知濃度溶液的吸光度值，計算溶液濃度。比如，可以設(shè)計利用顯色劑測定水中微量金屬離子的實驗。

2.繪制反應(yīng)速率曲線，反映速率變化情況。操作與上文酸性KMnO4 和H2C2O4 反應(yīng)過程吸光度變化曲線的繪制相同。該裝置適用于反應(yīng)時間較長，有顏色深淺變化的反應(yīng)的速率測定。

3.滴定終點的確定。當(dāng)?shù)味ńK點的現(xiàn)象是由無色變?yōu)橛猩驈挠猩優(yōu)闊o色時，可以通過檢測溶液的吸光度來說明溶液是否有顏色變化，進(jìn)而確認(rèn)是否到達(dá)滴定終點。

在利用該裝置時應(yīng)該注意以下幾點：在實驗過程中要注意遮光，防止外界光線對實驗的干擾；不同溶液在不同顏色的 LED 燈光下可測的濃度范圍不同，所以在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)曲線的測定前，要首先確定大致的可測濃度范圍；要注意光本身的特性，當(dāng)溶液的顏色和LED 燈光的顏色相同時，光會全部透過導(dǎo)致難以測量，當(dāng)溶液的顏色和LED 燈光的顏色剛好是互補(bǔ)色時，光又會被全部吸收導(dǎo)致難以測量，比如在紅光下難以測量K2Cr2O7 溶液和FeCl3 溶液的吸光度。

上一篇：紫外分光光度法測定衛(wèi)生巾中可遷移性熒光增白劑

下一篇：紫外分光光度計的應(yīng)用范圍廣泛