紫外可见吸收与分子荧光光谱

1、紫外紫外- -可见吸收可见吸收第四章第四章一一 分子吸收光谱的产生分子吸收光谱的产生1 分子能级分子能级E = E0 +E平平 +E转转 +E振振 +E电子电子E = E转转 + E振振 + E电子电子分子吸收电磁辐射后的能量变化分子吸收电磁辐射后的能量变化 4-1 概述概述 E电子电子 E振振 E转转2 分子吸收光谱分子吸收光谱红外光谱红外光谱 (: 0.75-1000 m)电子能级电子能级跃迁跃迁紫外、可见吸收光谱紫外、可见吸收光谱 (: 200-750 nm)10200 nm: :远紫外；远紫外；200400 nm: :近紫外近紫外400750 nm: :可见光可见光振动能级与振动能级与

2、转动能级跃迁转动能级跃迁二二 紫外、可见吸收光谱紫外、可见吸收光谱1 吸收曲线特点吸收曲线特点 连续的带状光谱连续的带状光谱 分子对辐射能的吸收具有选择性，分子对辐射能的吸收具有选择性，吸光度吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长最大处对应的波长称为最大吸收波长max。吸收曲线的形状、吸收曲线的形状、max及吸收强度等与分子及吸收强度等与分子的结构密切相关。的结构密切相关。胆甾醇异亚丙基丙酮异亚丙基丙酮共轭基团相共轭基团相同的不同分子，同的不同分子，紫外、可见吸紫外、可见吸收光谱很相似。收光谱很相似。O=CC =C两分子具有相同两分子具有相同的共轭基团的共轭基团不同浓度的同一种物质，其吸收曲线

3、形状相不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似似，max不变不变，浓度越大，吸光度越大；，浓度越大，吸光度越大；在在max处吸光度随浓度变化的幅度最大。处吸光度随浓度变化的幅度最大。2 Lambert-Beer定律定律rtaIIII 0taIII 00IITt tIITA0lg1lg KbcA K: 吸收系数吸收系数 c 单位单位 为为gL-1时，时，吸光系数吸光系数 a (Lg-1cm-1)。b: 吸收光程（液层厚度），吸收光程（液层厚度），cm。c: 吸光物质浓度吸光物质浓度。1) 吸收物质在一定波长和溶剂条件下的特征吸收物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数常数, ,不随浓度不随浓度c 和

4、光程长度和光程长度b的改变而改变。的改变而改变。在温度和波长等条件一定时，在温度和波长等条件一定时， 仅与吸收物仅与吸收物质本身的性质有关质本身的性质有关。 c 单位为单位为 molL-1时，时，摩尔吸光系数摩尔吸光系数 (L mol-1cm-1)。 2) 可作为定性鉴定的参数可作为定性鉴定的参数max 3) 可用来估量定量分析方法的灵敏度。可用来估量定量分析方法的灵敏度。 max越大，越大，定量分析的定量分析的灵敏度越高。灵敏度越高。max 104：强吸收，测量浓度范围为强吸收，测量浓度范围为10-6 10-5 molL-1。例如：例如： 4-2 有机物和无机物的紫外、可有机物和无机物的紫外

5、、可见吸收光谱见吸收光谱一一 有机物有机物的的吸收光谱与电子跃迁吸收光谱与电子跃迁（一）（一）电子跃迁电子跃迁类型类型n1. *跃迁跃迁 饱和键饱和键电子电子的能级跃迁的能级跃迁 吸收光谱在远紫外区吸收光谱在远紫外区(或真空紫外区或真空紫外区), , max 170 nm。2. n *跃迁跃迁含有含有O、N、S、Cl、Br、I 等杂原子的等杂原子的饱和烃衍生饱和烃衍生物分子物分子的电子能级跃迁的电子能级跃迁吸收光谱位于远紫外区吸收光谱位于远紫外区， max104，定量测定灵敏度高定量测定灵敏度高。电子受体电子受体电子电子给予体给予体2 配位场跃迁配位场跃迁在配体的在配体的配位场配位场作用下作用

6、下，过渡过渡元素元素5 5个个能量相等的能量相等的d轨道和镧系、锕系元素轨道和镧系、锕系元素7 7个能量相等的个能量相等的f 轨道分裂轨道分裂成几组能量不成几组能量不等的等的d轨道及轨道及f 轨道轨道，吸收辐射后，吸收辐射后，低低能态的能态的d或或f 电子分别跃迁至高能态的电子分别跃迁至高能态的d或或f轨道，即轨道，即产生产生了了d一一d 和和 f 一一f 跃迁跃迁。xydyzdxzd2zd22yxd xydxzdyzd2zd22yxd 八面体场八面体场E配位场跃迁属禁戒跃迁，吸收强度弱，配位场跃迁属禁戒跃迁，吸收强度弱，max 102，不适合用于定量分析，但可用于研究配合物的结不适合用于定量

7、分析，但可用于研究配合物的结构及无机配合键理论等。构及无机配合键理论等。蓝色蓝色 263)NH(Cu 三三 影响紫外、可见影响紫外、可见吸收光谱吸收光谱的因素的因素 1 共轭效应的影响共轭效应的影响CH2=CH2 171 nm 10000CH2=CH-CH=CH2 217 nm 21000CH2=CH-CH=CH-CH=CH2 258 nm 34000化合物化合物 max (nm) max 电子共轭体系增大，电子共轭体系增大， 红移，红移， 增大。增大。 max max 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。R=R=Hmax =294 nm, m

8、ax=27600 R=H, R=CH3, max =272 nm, max=21000 C CRR2 取代基的影响取代基的影响CCHHHH取代基取代基 -SR -NR2 -OR -Cl -CH3红移距离红移距离( (nm) ) 45 40 30 5 5助色团取代，助色团取代， *跃迁吸收带跃迁吸收带发生红移。发生红移。3 溶剂的影响溶剂的影响NCNNCNH H气态气态溶剂：环己烷溶剂：环己烷溶剂：水溶剂：水对称四嗪在蒸气态、环己烷和水中的吸收光谱对称四嗪在蒸气态、环己烷和水中的吸收光谱1) 对吸收谱带精细结构的影响对吸收谱带精细结构的影响无溶剂效应无溶剂效应极性溶剂效应极性溶剂效应 *nn *

9、能量能量2) 对对*跃迁和跃迁和n*跃迁跃迁的影响的影响溶剂极性增加，溶剂极性增加， * 跃迁吸收带红移，跃迁吸收带红移， n *跃迁吸收带蓝移。跃迁吸收带蓝移。 *和和n *跃迁的溶剂效应跃迁的溶剂效应溶剂溶剂 正己烷正己烷 CHCl3 CH3OH H2O *max/nm 230 238 237 243n *max/nm 329 315 309 305报告某物的紫外、可见吸收光谱时，需注明报告某物的紫外、可见吸收光谱时，需注明所使用的溶剂。所使用的溶剂。CH3COCHCCH3CH33) 溶剂的选择溶剂的选择a. 溶剂应能很好地溶解被测试样，溶剂对溶剂应能很好地溶解被测试样，溶剂对溶质应该是惰

10、性的。溶质应该是惰性的。b. 在溶解度允许的范围内，尽量选择极性在溶解度允许的范围内，尽量选择极性较小的溶剂。较小的溶剂。c. 溶剂在样品的吸收光谱区应无明显吸收溶剂在样品的吸收光谱区应无明显吸收 4-3 紫外紫外- -可见分光光度计可见分光光度计显示一一 基本结构基本结构1 光源光源作用作用:提供辐射能激发被测物质分子，使之产提供辐射能激发被测物质分子，使之产生电子能级跃迁吸收光谱。生电子能级跃迁吸收光谱。连续光源连续光源可见区可见区 钨灯钨灯, 碘钨灯碘钨灯紫外区紫外区 氘灯氘灯, 氢灯氢灯3 吸收池吸收池石英吸收池：紫外可见区使用。石英吸收池：紫外可见区使用。玻璃吸收池：可见区使用。玻璃

11、吸收池：可见区使用。4 检测器检测器 光电倍增管，二极管阵列检测器光电倍增管，二极管阵列检测器2 单色器单色器作用作用:由连续光源中分离出所需要的足够窄波由连续光源中分离出所需要的足够窄波段的光束。段的光束。二二 紫外紫外- -可见分光光度计类型可见分光光度计类型1 单波长分光光度计单波长分光光度计1) 单光束分光光度计单光束分光光度计缺点缺点测量结果易受光源波动性测量结果易受光源波动性的影响，误差较大的影响，误差较大2) 双光束分光光度计双光束分光光度计可自动扫描吸收光谱可自动扫描吸收光谱；自动消除光源强度变化带来的误差自动消除光源强度变化带来的误差2 双波长分光光度计双波长分光光度计1 2

12、 双波长分光光度计双波长分光光度计结构特点结构特点两个两个单色器单色器不需要不需要参比溶液参比溶液测量信号测量信号：221121)(0)(0lglg IIIIAAA 111)(0lg IIA 222)(0lg IIA 12lg IIA )(0)(021 II bAbcA111 bAbcA222 两波长处的背景两波长处的背景吸收相等吸收相等bcA)(12 定量分析关系式：定量分析关系式：自动校正背景吸收原理自动校正背景吸收原理适合测定混浊液适合测定混浊液 4-4 紫外紫外- -可见吸收光谱法的应用可见吸收光谱法的应用一一 定性分析定性分析1 吸收曲线比较法吸收曲线比较法吸收峰的数目，形状，吸收峰

13、的数目，形状， max, max等。等。1) 与标准谱图比较与标准谱图比较2) 与标准化合物的吸收光谱比较与标准化合物的吸收光谱比较CH3H3CCH3(CHCHCCH3CH)2CH2OHCH3H3CCH3(CHCHCCH3CH)2CH2OH维生素维生素A1, max: 326 nm维生素维生素A2, max: 351 nmA 合成合成维生素维生素维生素维生素A22 计算不饱和有机化合物计算不饱和有机化合物max的经验规则的经验规则1) 伍德沃德伍德沃德(Woodward-Fieser)规则规则适用于共轭烯烃适用于共轭烯烃(不多于四个双键不多于四个双键)、共轭烯酮共轭烯酮类化合物类化合物*跃迁吸

14、收峰跃迁吸收峰max的计算的计算。P79 表表4-9，表表4-10P80 例例1异环二烯异环二烯基数：基数：214环外双键：环外双键：52，3，5位烷基取代：位烷基取代：45 计算计算：239 nm12345共轭烯烃共轭烯烃例：水芹烯有两种异构体，经其他方法测定其结例：水芹烯有两种异构体，经其他方法测定其结构为构为A及及B。其紫外光谱：。其紫外光谱：体的体的max为为263 nm (max为为2500)，体的体的max为为231 nm (max为为900) 。试问试问A及及B何者为何者为体，何者为体，何者为体？体？基数：基数：214环外双键：环外双键：5烷基取代：烷基取代：25 计算计算：22

15、9 nmCH2CHCH3CH3A基数：基数：253烷基取代：烷基取代：35 计算计算：268 nmCH3CH3CHCH3B)(体体 )(体体 基数基数：215增加一个共轭双键增加一个共轭双键：30同环二烯同环二烯：39环外双键环外双键：5取代烷基取代烷基：10取代烷基取代烷基：18 计算计算：317 nmP80 例例2O 、 不饱和羰基化合物不饱和羰基化合物 例：根据红外光谱和核磁共振谱推定某一化合例：根据红外光谱和核磁共振谱推定某一化合物的结构可能为物的结构可能为 (1) 或或 (2), 其紫外光谱的其紫外光谱的 =284 nm，通过计算说明其结构为何式。通过计算说明其结构为何式。MeOHm

16、ax OOCH3CH3OH(1)OOCH3CH3OH(2)215-13-2235122239 nnm2) 斯科特斯科特(Scott)规则规则CNH2OOH适用于芳香族羰基取代衍生物适用于芳香族羰基取代衍生物max的计算的计算基数基数：230对位胺基对位胺基：58 计算计算：288 nm测定测定：288nm二二 结构分析结构分析1 判别顺反异构体判别顺反异构体顺式顺式反式反式max=280nm max=13500max=295nm max=27000C CHHC CHH2 判别互变异构体判别互变异构体CH3COCHHCOOC2H5酮式酮式:max=272nm,m

17、ax=16CH3COHOC2H5CCOH烯醇式烯醇式:max=243nm,max=16000OOHOOHOHHOH三三 纯度的控制和检验纯度的控制和检验乙醇乙醇含含10ppm苯的乙醇苯的乙醇苯溶液苯溶液含含10-6M蒽蒽的苯溶液的苯溶液a) 根据吸收光谱判断根据吸收光谱判断b) 根据根据lg判断判断例如：标准菲例如：标准菲10. 4lg)nm296max( 氯仿氯仿 现测得某菲的精制品现测得某菲的精制品 ，说明精制，说明精制品不纯。品不纯。69. 3lg)nm296max( 氯仿氯仿 四四 定量分析定量分析1 单组分定量方法单组分定量方法bcA 校准曲线法校准曲线法2 多组分定量方法多组分定量

18、方法1) 解联立方程组解联立方程组yyxxyxbcbcA111 yyxxyxbcbcA222 2) 双波长等吸收分光光度法双波长等吸收分光光度法ab (270 nm)A A 3 1 2 两个基本条件两个基本条件:选定的两个波长下干扰组分具有等吸收点选定的两个波长下干扰组分具有等吸收点选定的两个波长下待测组分的吸光度差值应足够大选定的两个波长下待测组分的吸光度差值应足够大b组分测定波长组分测定波长21 和和31 和和bbaababbaababcbcAAAbcbcAAA222211112211: bbbbbbaaabcbcbcAAA)(0)()(21212121 测定测定和和的等吸收点的等吸收点选

19、选21 aA标准曲线标准曲线 4-5 分子荧光和磷光分析分子荧光和磷光分析一一 原理原理1 荧光和磷光的产生荧光和磷光的产生 分子的多重度分子的多重度M = 2s + 1s : 电子自旋量子数的代数和电子自旋量子数的代数和单重态单重态(S): 分子中全部轨道分子中全部轨道 里的电子都是自旋配对的，里的电子都是自旋配对的，即即s = 0, 则则M = 1。S0: 基态单重态，基态单重态， S1: 第一激发单重第一激发单重态，态， S2: 第二激发单重态第二激发单重态三重态三重态 (T): 分子中具有两个自旋不配对的电子，即分子中具有两个自旋不配对的电子，即s = 1, 则则M = 3。T0: 基

20、态三重态，基态三重态，T1：第一激发三重第一激发三重态，态，T2：第二激发三重态。第二激发三重态。T1基态基态激发态激发态单重态单重态激发单重态激发单重态激发三重态激发三重态S1S0& T1的能量低于的能量低于S1的能量的能量nkShSa 00 hS (激发激发)1SSn振动弛豫，内转换振动弛豫，内转换系间窜跃系间窜跃1Tkf激发态分子从单重激发态激发态分子从单重激发态的最低振动能层经辐射回的最低振动能层经辐射回到基态的过程。到基态的过程。荧光发射荧光发射)(荧光荧光激发态分子从三重激发激发态分子从三重激发态的最低振动能层经辐态的最低振动能层经辐射回到基态的过程射回到基态的过程磷光发射

21、磷光发射nkShSa 0(激发激发)1SSn振动弛豫，内转换振动弛豫，内转换系间窜跃系间窜跃1T 0 hS 磷光磷光)( 0荧光荧光 hS 激发光谱：激发光谱：将荧光（磷光）的发射将荧光（磷光）的发射波长固定波长固定在在最大发射波长最大发射波长处处, ,改变激发波长并测定相应的改变激发波长并测定相应的荧光（磷光）强度，由此得到的荧光（磷光）强度，由此得到的荧光荧光( (磷光磷光）强强度与度与激发激发波长的关系曲线波长的关系曲线即为激发光谱。即为激发光谱。 发射光谱：发射光谱：将激发光将激发光波长固定波长固定在在最大最大激发激发波波长长处处, ,改变发射波长并测定相应的荧光（磷光）改变发射波长并

22、测定相应的荧光（磷光）强度，由此得到的强度，由此得到的荧光荧光( (磷光磷光）强度与强度与发射发射波长波长的关系曲线的关系曲线即为发射光谱。即为发射光谱。2 激发光谱和发射光谱激发光谱和发射光谱相对强度相对强度萘的激发、荧光和磷光光谱萘的激发、荧光和磷光光谱激发光谱激发光谱荧光光谱荧光光谱磷光光谱磷光光谱荧光发射光谱的特点：荧光发射光谱的特点：1) Stokes位移位移：与：与激发光谱激发光谱相比相比, ,发射光谱发射光谱的的波长波长总是出总是出现在更长的波长处。现在更长的波长处。2) 发射光谱的形状与激发波发射光谱的形状与激发波长无关长无关。3) 吸收光谱与发射光谱呈镜吸收光谱与发射光谱呈镜

23、像对称关系。像对称关系。 nm3 .269ex nm7 .370ex nm0 .448ex nm4 .465ex 维生素维生素B2荧光发射光谱荧光发射光谱1) 跃迁类型跃迁类型与与 跃迁相比，跃迁相比， 跃迁的跃迁的 大大100 1000倍，寿命较短，通过系间窜跃至三重态倍，寿命较短，通过系间窜跃至三重态的速率也较小，因此的速率也较小，因此 跃迁的荧光效跃迁的荧光效率较高。率较高。*n * *n*, n*,* 激发激发发射发射 *3 荧光和分子结构的关系荧光和分子结构的关系2) 共轭效应共轭效应化合物化合物 /nm苯苯 0.07 283萘萘 0.29 321蒽蒽 0.46 400一般而言一般而

24、言，电子共轭体系越大，荧光效率越电子共轭体系越大，荧光效率越高，且荧光光谱红移。高，且荧光光谱红移。CHCHCHCH强荧光强荧光无荧光无荧光 3) 刚性平面结构刚性平面结构酚酞酚酞(无荧光无荧光)荧光素荧光素(强荧光强荧光)刚性平面结构刚性平面结构可减少分子的振动，使可减少分子的振动，使分子与溶分子与溶剂和其它溶质分子的相互作用减小，因而有利剂和其它溶质分子的相互作用减小，因而有利于提高荧光效率。于提高荧光效率。OCOCOO-OCOOCOO-芴芴( =1.0)H2C 联苯联苯( =0.18) NNOHHOSO3Na滂铬滂铬BBR(无荧光无荧光)SO3NaONNOAl3+H2OOH2Al3+-滂铬滂铬BBR配合物配合物(橙红色荧光橙红色荧光)4) 取代基效应取代基效应化合物化合物 荧光相对强度荧光相对强度苯苯 10苯酚苯酚 18苯胺苯胺 20苯甲酸苯甲酸 3硝基苯硝基苯 0OHNH2COOHNO2 给电子基团：如给电子基团：如OH, OR, NH2, CN， NR2等，等，增强荧光。增强荧光。 吸电子基团：如吸电子基团：如COOH, , NO2, NO等，等， 减弱甚至熄灭荧光。减弱甚