紫外可见光分光光度法

1、logo 紫外可见光分光光度法紫外可见光分光光度法 ultraviolet spectrometry, uv 制作制作/主讲：陈主讲：陈 一一 1.紫外吸收光谱的基本原理紫外吸收光谱的基本原理 分子的紫外-可见吸收光谱法是基于分子内 电子跃迁产生的吸收光谱进行分析的一种常用 的光谱分析法。分子在紫外-可见区的吸收与其 电子结构紧密相关。紫外光谱的研究对象大多 是具有共轭双键结构的分子。 分子在吸收能量产生电子跃迁的同时，伴随 着振动转动能级的跃迁 带状光谱。 用途用途:结构鉴定和定量分析结构鉴定和定量分析 1.1紫外吸收光谱的吸收范围紫外吸收光谱的吸收范围 波长范围：100-800 nm. (

2、1) 远紫外光区: 100-200nm (2) 近紫外光区: 200-400nm (3)可见光区:400-800nm 1.2吸收能量的转化吸收能量的转化 分子对电磁辐射的吸收是分 子总能量变化的和，即：e = eel + evib + erot，式中e代表分子的总能 量，eel，evib，erot分别代表电子 能级的能量、振动能级的能量以 及转动能级的能量。右图表示分 子在吸收过程中发生电子能级跃 迁的同时伴随振动能级和转动能 级的能量变化。一般原子对电磁 辐射的吸收只涉及原子核外电子 能量的变化，是一些分离的特征 锐线，而分子的吸收光谱是由成 千上万条彼此靠得很紧的谱线组 成，看起来是一条连

3、续的吸收带。 分子光谱是带状光谱分子光谱是带状光谱 总结总结 （1） 转动能级间的能量差转动能级间的能量差r：0.0050.050ev，跃，跃 迁产生吸收光谱位于远红外区。远红外光谱或分子转迁产生吸收光谱位于远红外区。远红外光谱或分子转 动光谱；动光谱； （2） 振动能级的能量差振动能级的能量差v约为：约为：0.05ev，跃，跃 迁产生的吸收光谱位于红外区，红外光谱或分子振动迁产生的吸收光谱位于红外区，红外光谱或分子振动 光谱；光谱； （3） 电子能级的能量差电子能级的能量差e较大较大120ev。电子跃迁。电子跃迁 产生的吸收光谱在紫外产生的吸收光谱在紫外可见光区，紫外可见光区，紫外可见光谱可

4、见光谱 或分子的电子光谱；或分子的电子光谱； （4）吸收光谱的波长分布是由产生谱带的跃迁能级间）吸收光谱的波长分布是由产生谱带的跃迁能级间 的能量差所决定，反映了分子内部能级分布状况，是的能量差所决定，反映了分子内部能级分布状况，是 物质定性的依据；物质定性的依据； 由图可见，在每一个电子能级上有许多间距较小的振动 能级，在每一个振动能级上又有许多间距更小的转动能级。 由于这个原因，处在同一电子能级的分子，可能因振动能量 不同而处于不同的能级上。同理，处于同一电子能级和同一 振动能级上的分子，由于转动能量不同而处于不同的能级上。 当用光照射分子时，分子就要选择性的吸收某些波长 （频率）的光而由

5、较低的能级e跃迁到较高能级e上，所吸 收的光的能量就等于两能级的能量之差：e= ee 其光的频率为：=e/h 或光的波长为：=hc/e 1.3电子能级和跃迁电子能级和跃迁 有机化合物的紫外可见吸收光谱是三种电子跃 迁的结果：电子、电子、n电子。 有机物分子内各种电子的能级高低次序如图所示， * *n 。标有*者为反键电子。 * * 所需能量最大；电子只有吸收远紫外光的能量才能 发生跃迁； 饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫区； 吸收波长200 nm； 例：甲烷的max为125nm , 乙烷max为135nm。 s s p p * s s * rk e,b n p p e n n s s* * 含

6、有未共享电子对的取代基都可能发生n s*跃迁。 因此，含有s，n，o，cl,br，i等杂原子的饱和烃衍生物 都出现一个n s*跃迁产生的吸收谱带。n s*跃迁 也是高能量跃迁，一般lmax200 nm，落在远紫外区。但 跃迁所需能量与n电子所属原子的性质关系很大。杂原子 的电负性越小，电子越易被激发，激发波长越长。有时也 落在近紫外区。如甲胺，lmax =213 nm。 化合物 ch3oh 184 150 ch3cl 173 200 (ch3)2o 185 2520 (ch3)2nh 215 600 max max *所需能量较少，并且随双键共轭程度增加，所 需能量降低。若两个以上的双键被单键

7、隔开，则所呈现 的吸收是所有双键吸收的叠加；若双键共轭，则吸收大 大增强，波长红移， max和max均增加。如单个双键， 一般max为150-200nm，乙烯的max ；而共轭双键如丁 二烯max = 217nm，己三烯max = 258nm。 p* p p* p h （1） 不饱和烃不饱和烃*跃迁跃迁 乙烯*跃迁的max为162nm，max为: 1104 lmol- 1cm1。 k带共轭非封闭体系的p p* 跃迁 （2 2）共轭烯烃中的）共轭烯烃中的 p p p p* * 165nm 217nm p p p p p p p （3）羰基化合物共轭烯烃中的羰基化合物共轭烯烃中的 p p p p*

8、 oc r y y=h,r n s* 180-190nm p p* 150-160nm n p* 275-295nm y= -nh2,-oh,-or 等助色基团 关于此类化合物的吸收频率改变关于此类化合物的吸收频率改变 我们后面将详细研究我们后面将详细研究 （4 4）芳香烃及其杂环化合物芳香烃及其杂环化合物 苯苯： e1带180184nm； =47000 e2带200204 nm =7000 苯环上三个共扼双键的 p p*跃迁特征吸收带；b带230- 270 nm =200 p p*与苯环振动引起； lmax（nm） max 苯254200 甲苯261300 间二甲苯263300 1，3，5-

9、三甲苯266305 六甲苯272300 nn n *所需能量最低，在近紫外区，有时在可见区。但 *跃迁几率大，是强吸收带；而n *跃迁几率小， 是弱吸收带，一般max500。许多化合物既有电子又 有n电子，在外来辐射作用下，既有 *又有n * 跃迁。如-coor基团， *跃迁max=165 nm， max=4000；而n *跃迁max=205nm，max=50。 *和n *跃迁都要求有机化合物分子中含有不饱 和基团，以提供轨道。含有键的不饱和基团引入饱 和化合物中，使饱和化合物的最大吸收波长移入紫外-可 见区。 酮(ch3)2c=o 28016n* 醛 ch3ch=o29312n* 其它ch3

10、c(nh2)=o21460n* ch3no2 28022n* ch3n=nch3 3395n* 吸收带总结吸收带总结 1.4 1.4 常用名词解析常用名词解析 生色团: （chromophore） 有机物中含有n * 或* 跃迁的基团；产生紫外-可见 吸收的官能团，如一个或几个不饱和c=c,c=o,n=n,n=o等 称为生色团（chromophore）。 助色团： （uxochrome） 带有非键电子对的基团，本身在200 nm以上不产生吸收可使 生色团吸收峰向长波方向移动并提高吸收强度的一些官能团， 常见助色团助色顺序为： -f-ch3-br-oh-och3-nh2-nhch3- nh(ch

11、3)2 -nhc6h5-n(ch3)2-nh2-oh-och3-nhcoch3 -ococh3-ch2ch2cooh-h 吸电子基的作用强度顺序是：-n+(ch3)3-no2-so3h -coh-coo-cooh-cooch3-cl-br-i 3. 3. 空间位阻空间位阻 空间阻碍使共轭体系破坏，空间阻碍使共轭体系破坏，max蓝移，蓝移，max减小。减小。 从烷基取代硝基苯、偶氮苯顺反异构体的紫外吸收谱图也可以清楚地看 到空间阻碍对分子吸收光谱的影响。与硝基苯相比，2, 4, 6-三丁基硝基 苯在255nm附近的吸收峰已经消失；偶氮苯反式异构体的摩尔吸光系数 则远远大于顺式，且吸收峰位红移。

12、4. 4. 溶剂效应溶剂效应 改变溶剂的极性，会引起吸收带改变溶剂的极性，会引起吸收带 形状的变化。改变溶剂的极性，形状的变化。改变溶剂的极性， 还会使吸收带的最大吸收波长发还会使吸收带的最大吸收波长发 生变化。生变化。 一般溶剂极性增大，p p* 跃迁吸收带红移,n p*跃 迁吸收带蓝移,如图所示。分 子吸光后，成键轨道上的电 子会跃迁至反键轨道形成激 发态。一般情况下分子的激 发态极性大于基态。溶剂极 性越大，分子与溶剂的静电 作用越强，使激发态稳定,能 量降低。即p*轨道能量降低大 于p轨道能量降低，因此波长 红移。而产生n p*跃迁的 n电子由于与极性溶剂形成氢 键，基态n轨道能量降低

13、大， n p*跃迁能量增大，吸收 带蓝移。 下表为溶剂对一种丙酮紫外吸收光谱的影响。下表为溶剂对一种丙酮紫外吸收光谱的影响。 正己烷正己烷 chcl3 ch3oh h2o pppp* 230 238 237 243 n pp* 329 315 309 305 如左图，n-亚硝基二甲胺在不同溶剂中的紫外吸收光谱显示，溶剂极性增大，吸 收峰呈规律性红移。而右图则表明，极性溶剂往往使吸收峰的振动精细结构消失。 1.7 1.7 无机金属离子紫外光谱分析无机金属离子紫外光谱分析 过渡金属离子的 过渡金属离子的d轨道轨道在对称性不同的配位场中发生不同形在对称性不同的配位场中发生不同形 式的分裂式的分裂,

14、就会有就会有吸收峰吸收峰数目数目, 波长和强度不同的吸收光谱。波长和强度不同的吸收光谱。 吸收光谱的不同吸收光谱的不同 金属离子所处的几何环境金属离子所处的几何环境 的差异的差异 络合物的立体结构络合物的立体结构 1.配体微扰的金属离子配体微扰的金属离子d-d电子跃迁和电子跃迁和 f - f 电子跃迁电子跃迁 在配体的作用下过渡金属离子的在配体的作用下过渡金属离子的d轨道和镧系、锕系的轨道和镧系、锕系的f轨道裂分，轨道裂分， 吸收辐射后，产生吸收辐射后，产生d-d、 f -f 跃迁；在配体的配位场作用下才可能跃迁；在配体的配位场作用下才可能 产生也称产生也称配位场跃迁配位场跃迁； 摩尔吸收系数

15、摩尔吸收系数很小，对定量分析意义不大。很小，对定量分析意义不大。 2.金属离子微扰的配位体内电子跃迁金属离子微扰的配位体内电子跃迁 金属离子的微扰，将引起配位体吸收波长和强度的变化。变化与成键性金属离子的微扰，将引起配位体吸收波长和强度的变化。变化与成键性 质有关，若共价键和配位键结合，则变化非常明显。质有关，若共价键和配位键结合，则变化非常明显。 3.电荷转移吸收光谱电荷转移吸收光谱 电荷转移跃迁：辐射下，分子中原定域在金属电荷转移跃迁：辐射下，分子中原定域在金属m轨道上的电荷转移到配轨道上的电荷转移到配 位体位体l的轨道，或按相反方向转移，所产生的吸收光谱称为的轨道，或按相反方向转移，所产

16、生的吸收光谱称为荷移光谱荷移光谱。 ultraviolet spectrometer 2.2.紫外紫外- -可见分光光度计可见分光光度计 2.1 2.1 分光光度计的主要部件和工作原理：分光光度计的主要部件和工作原理： 0.57 5 光源光源单色器单色器 吸收池吸收池 检测器检测器显示显示 热辐射光源用于可见光区，如钨丝灯和卤钨灯；气 体放电光源用于紫外光区，如氢灯和氘灯。钨灯和 碘钨灯可使用的范围在340 2500nm。 氢灯和氘灯。可在160 375 nm范围内产生连续光 源。 另外，为了使光源发出的光在测量时稳定，光源 的供电一般都要用稳压电源，即加有一个稳压器。 光源：光源： 用于提供

17、足够强度和稳定的连续光谱。分光光度计中 常用的光源有热辐射光源和气体放电光源两类。 分光系统：分光系统： 分光系统也叫单色器。单色器是能从光源辐射的复合光中分出单色光的光 学装置，其主要功能：产生光谱纯度高的光波且波长在紫外可见区域内任 意可调。 单色器一般由入射狭缝、准光器（透镜或凹面反射镜使入射光 成平行光）、色散元件、聚焦元件和出射狭缝等几部分组成。其核心部分 是色散元件，起分光的作用。 光栅单色器棱镜单色器 吸收池（比色皿）：吸收池（比色皿）： 在紫外可见分光光度法中，一般都是用液体溶液进行测定 的，用于盛放试液的器皿就是吸收池或比色皿。有玻璃和 石英两种。 光检测系统： 用于检测光信

18、号。利用光电效应将光强度信号转换成电 信号的装置，也叫光电器件。 常用的光检测系统主要有光电池光电池、光电管光电管和光电倍增管光电倍增管。 硒光电池硒光电池 光电池：光电池： 光电管：光电管： 它是在抽成真空或充有惰性气体的玻璃或石英泡内装上2个电极构成，其 结构如图： 1 2 4 3 1是光电管的阳极，它由一个镍环或镍片组成； 2是光电管的阴极，它由一个金属片上涂一层光敏物质构成，如涂上 一层氧化铯。涂上的光敏物质具有这样一个特性：当光照射到光敏 物质上时，它能够放出电子； 3为电池，其作用是在阴、阳极之间加上一电压； 4为放大器，放大由光电管产生的电信号； 光电管将光强度信号转换成电信号的

19、过程 是这样的：当一定强度的光照射到阴极上 时，光敏物质要放出电子，放出电子的多 少与照射到它的光的大小成正比，而放出 的电子在电场的作用下要流向阳极，从而 造成在整个回路中有电流通过。而此电流 的大小与照射到光敏物质上的光的强度的 大小成正比。这就是光电管产生光电效应 的原理。 红敏管红敏管 625-1000 nm 蓝敏管蓝敏管 200-625 nm 光电倍增管：光电倍增管： 它是一个非常灵敏的光电器件，可以把微弱的光转换成电流。 其灵敏度比前2种都要高得多。它是利用二次电子发射以放大 光电流，放大倍数可达到108倍。 1 个个 光光 电电 子子 可可 产产 生生 106 107 个个 电电

20、 子子 2.2 2.2 分光光度计的主要类型分光光度计的主要类型 单光束分光光度计：单光束分光光度计： 0.57 5 光源光源单色器单色器 吸收池吸收池 检测器检测器显示显示 这类分光光度计的特点是：这类分光光度计的特点是：结构简单，价格便宜。结构简单，价格便宜。主要适用主要适用 于于定量分析，而不适用于作定性分析定量分析，而不适用于作定性分析。另外，结果受电源的。另外，结果受电源的 波动影响较大。波动影响较大。 单波长双光束分光光度计：单波长双光束分光光度计： 双光束分光光度计是自动比较了透过参比溶液和样品溶液 的光的强度，它不受光源（电源）变化的影响。 双光束分光光度计还能进行波长扫描，并

21、自动记录下各波 长下的吸光度，很快就可得到试液的吸收光谱。所以能用于 定性分析。 双波长双光束分光光度计：双波长双光束分光光度计： 将不同波长的两束单色光(1、 2) 快束交替通过同一吸收池而 后到达检测器。产生交流信号。 无需参比池。l= 12nm。 两波长同时扫描即可获得导数 光谱。 3.3.紫外光谱分析紫外光谱分析 l lmax (nm) 异环双烯的基数异环双烯的基数 214 同环双烯的基数同环双烯的基数 253 增量增量, 对于对于: 扩延共轭双键扩延共轭双键 +30 烷基取代或环的剩余部分烷基取代或环的剩余部分 +5 环外双键环外双键 +5 烷氧基烷氧基(ro) +6 烷硫基烷硫基(

22、rs) +30 卤素卤素(cl, br) +5 溶剂校正溶剂校正 +0 l lmax= 总数总数 3.1共轭双烯共轭双烯l lmax计算规律计算规律 l l max = 214 ( 基数基数) +45(烷基或环的剩余部分烷基或环的剩余部分) + 5 (环外双键环外双键) =239 nm 实验值为实验值为l lmax 241nm 例 2 1 2 3 胆甾-3,5-二烯 l lmax =214(基数基数) +35(环的剩余部分环的剩余部分) + 5 (环外双键环外双键) =234 nm 观察值为观察值为l lmax235 nm( 19,000) 例 3 1 2 3 胆甾-2,4-二烯 l lmax =253(基数基数) +35(环的剩余部分环的剩余部分) + 5 (环外双键环外双键) =273