利用寬頻光譜技術實現體積濃度精度
利用寬頻光譜技術實現體積濃度精度
– 檢測水成分的細微偏差
50+50=97。這不僅僅是我們統計高爾夫球成績的方式——這在科學上是正確的！你可以自己測試將50毫升的水與50毫升的乙醇互相混合。
這是發生什麼事情？我們是不是在轉移過程中損失了那3毫升？那可是整整一比色皿的液體啊！實際上發生的是分子排列緊密度的變化，水分子和乙醇分子混合在一起，就像拼圖一樣，比單獨存在時更能緊密地結合在一起。
這是一個很酷的物理化學現象，我們可以從宏觀角度看到分子間的互動。
物理化學與分析化學的交會
但如果我們想要調製出一個50%體積濃度的乙醇水溶液呢?一名高中生可能會做我們上面做的一樣，將兩者各50毫升互相混和然後結束。但是一位優秀的分析化學家知道將100毫升容量瓶裝滿50毫升的溶質(在這裡是乙醇)然後加入溶劑(在這裡是水)直到100毫升的刻度。
我們從我們的97毫升結果知道我們要添加超過50毫升的水來達到100毫升，因此，50%體積濃度 EtOH(aq)溶液的水分比例會略高。換個角度想，50%體積濃度 H2O(EtOH)溶液的乙醇比例會略高。
這看起來可能是一個微不足道的差異，但是對於要求精確濃度來達到最佳產量的製程(像是藥物合成)，這就會是最重要的。紫外光譜學提供一種即時方法來區分這些溶液與確定它們的精準濃度。
實驗設置
我們製備了兩個如上所述的50%體積濃度水溶液，以及一個1%體積濃度EtOH(aq)溶液標準品來做比較，然後我們在1公分的石英比色皿中觀察。使用寬頻氘燈-鹵素燈源來獲得從200nm開始的吸收訊號。使用SR4與HR6光譜儀讀取訊號；SR4以高光譜解析度而聞名、而HR6則提供增強的靈敏度。
結果
每個系統在 220 nm 附近都表現出明顯的乙醇活性，凸顯了氘燈的必要性。
因為這些乙醇含量的微小變化，每個系統的峰值吸收度訊號變化約為25~30%，這能清楚分辨出哪個是哪個。儘管這只是毫等級的吸收度變化，這完全在此類系統的運作敏感度範圍內。1%濃度溶液在兩台光譜儀上分別是1.5mAU與4.5mAU，這代表這兩台光譜儀都能用在低含量檢測上；但這也代表每個系統需要自己的濃度回歸來提供準確的吸收度與乙醇含量相關性。
儘管是在討論紫外光範圍，其他明顯不同是在更低波長的雜訊，SR4的雜訊明顯比HR6更多。這就要回到靈敏度這方面，因為更靈敏的HR6可以在光譜末端穩定量測非常低光通量的吸收度，而SR4則難以量測低於一定閾值的訊號。
從紫外光移到可見光範圍，這裡因為液體是透明的所以當然沒看到任何吸收度反應。但是當移到更長的近紅外光範圍時，可以看到在750~900nm範圍有一些下降，它們堆疊起來就像我們紫外線趨勢的鏡像翻轉。這種負吸收度常常令人費解，但它只不過是水的簡單置換而已。水在這區段會吸收，然後我們是以純水當作吸收度模式的0%參考點。當我們加入乙醇(或其他不是水的物質)到我們的1公分光程限制的比色皿中，這會排擠了水分子的空間，然後就會看到這範圍開始出現負值。一些研究者看到這狀況會認為是令人煩惱或不想要的，但這可以當作光譜儀範圍內其他地方不具有光學訊號的極有用雜質輔助指標。如果你沒辦法直接看到雜質，你至少可以看到有東西正替換掉水分。
結論
分析化學的核心在於精確掌握每一個細微之處，而寬頻光譜技術正是實現即時、高精度量測的關鍵工具。無論是測定精確濃度或偵測痕量雜質，這些模組化系統都能提供經濟且可高度客製化的平台，適用於水性與非水性樣品。歡迎立即諮詢光譜專家，精準掌握您的液體成分細節。
*宏惠光電為OceanOptics代理商