第三章紫外吸收光谱分析

1、第三章第三章 紫外吸收光谱分析紫外吸收光谱分析1. 紫外紫外-可见吸收光谱概述可见吸收光谱概述 紫外紫外可见（可见（Ultraviolet-visible）分光光度法是利用某些物质）分光光度法是利用某些物质分子能够吸收分子能够吸收200 800 nm光谱区的辐射来进行分析测定的方光谱区的辐射来进行分析测定的方法。利用分子在紫外可见谱区的吸收光谱进行无机和有机物质法。利用分子在紫外可见谱区的吸收光谱进行无机和有机物质的定量测定，辅助定性分析（如配合的定量测定，辅助定性分析（如配合IR）。）。 分析依据的信息是组成分子的原子外层价电子的运动特征。分析依据的信息是组成分子的原子外层价电子的运动特征。

2、 光谱分析的紫外区：通过石英（光谱分析的紫外区：通过石英（SiO2）、且不为氧所吸收的）、且不为氧所吸收的200420nm谱区；可见光谱区为谱区；可见光谱区为420760nm。1.1 分子吸收光谱的产生分子吸收光谱的产生 在分子中，除了电子相对于原子核的运动外，还有核间相对位在分子中，除了电子相对于原子核的运动外，还有核间相对位移引起的振动和转动。这三种运动能量都是量子化的，并对应移引起的振动和转动。这三种运动能量都是量子化的，并对应有一定能级。下图为分子的能级示意图。有一定能级。下图为分子的能级示意图。图1. 分子中电子能级、振动能级和转动能级示意图分子总能量：分子总能量： E分子分子 =

3、E电子电子 + E振动振动 + E转动转动 当用频率为当用频率为n的电磁波照射分子，而该分子的较高能级与的电磁波照射分子，而该分子的较高能级与较低能级之差较低能级之差E恰好等于该电磁波的能量恰好等于该电磁波的能量 hn时，即有：时，即有： E = hn （ h为普朗克常数）为普朗克常数） 此时，在微观上出现分子由较低能级跃迁到较高的能级；在宏观上则透此时，在微观上出现分子由较低能级跃迁到较高的能级；在宏观上则透射光的强度变小。射光的强度变小。 用一连续用一连续-辐射的电磁波照射分子，将照射前后光强度的变化转变为电信辐射的电磁波照射分子，将照射前后光强度的变化转变为电信号，并记录下来，然后以波长

4、为横坐标，以电信号（吸光度号，并记录下来，然后以波长为横坐标，以电信号（吸光度 A）为纵坐标，）为纵坐标，就可以得到一张光强度变化对波长的关系曲线图就可以得到一张光强度变化对波长的关系曲线图-紫外吸收光谱图，如下：紫外吸收光谱图，如下： 也称吸收定律，也称吸收定律，A称为吸光度（称为吸光度（absorbance），吸），吸收度或光密度（收度或光密度（OD，optical density），），a称为吸收系数称为吸收系数(absorotiviry),是化合物分子的特性，它与浓度（是化合物分子的特性，它与浓度（c）和光）和光透过介质的厚度（透过介质的厚度（b）成正比。当）成正比。当c为摩尔浓度，为

5、摩尔浓度，b以厘米以厘米为单位（为单位（l），），a即以即以来表示，称为摩尔吸光系数或摩尔来表示，称为摩尔吸光系数或摩尔消光系数（消光系数（molar absorptivity）。）。 Lambert-Beer定律定律 1.2 分子吸收光谱类型分子吸收光谱类型 分子的转动能级差一般在分子的转动能级差一般在0.005 0.05eV（1eV=1.610-9焦焦耳耳 ）。能级跃迁需吸收波长约为）。能级跃迁需吸收波长约为250 25mm的远红外光，的远红外光，因此，形成的光谱称为因此，形成的光谱称为转动光谱或远红外光谱转动光谱或远红外光谱。 分子的振动能级差一般在分子的振动能级差一般在0.05 1 e

6、V，需吸收波长约为，需吸收波长约为25 1.25mm的红外光才能产生跃迁。在分子振动时同时有分子的红外光才能产生跃迁。在分子振动时同时有分子的转动运动。称为振的转动运动。称为振-转光谱，转光谱，就是红外光谱就是红外光谱。 电子的跃迁能级差约为电子的跃迁能级差约为1 20 eV，比分子振动能级差要大，比分子振动能级差要大几十倍，所吸收光的波长约为几十倍，所吸收光的波长约为1.25 0.06mm，主要在真空，主要在真空紫外到可见光区，对应形成的光谱称为紫外到可见光区，对应形成的光谱称为电子光谱或紫外电子光谱或紫外-可可见吸收光谱。见吸收光谱。 吸收带：吸收带：通常，分子是处在基态振动能级上。当用紫

7、通常，分子是处在基态振动能级上。当用紫外、可见光照射分子时，电子可以从基态激发到激发态的外、可见光照射分子时，电子可以从基态激发到激发态的任一电子能级上。因此，电子能级跃迁产生的吸收光谱，任一电子能级上。因此，电子能级跃迁产生的吸收光谱，包括了大量谱线，并由于这些谱线的重叠而成为连续的吸包括了大量谱线，并由于这些谱线的重叠而成为连续的吸收带，这就是为什么分子的紫外收带，这就是为什么分子的紫外-可见光谱不是线状光谱，可见光谱不是线状光谱，而是带状光谱的原因。而是带状光谱的原因。 不同物质不同物质结构不同结构不同或者说其或者说其分子能级的分子能级的能量间隔各异能量间隔各异，因此不，因此不同物质将同

8、物质将选择性选择性地吸收地吸收不同波长或不同波长或能量能量的外来辐射，这是的外来辐射，这是UV-VisUV-Vis定性定性分析的基础。分析的基础。苯蒸气的吸收曲线苯蒸气的吸收曲线2. 紫外紫外-可见光谱的仪器原理可见光谱的仪器原理2.1. 紫外吸收仪器原理图紫外吸收仪器原理图 以下分别是单光束、双光束分光光度计的示意图以及仪器照片2.2 仪器部件介绍仪器部件介绍0.575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器器A. 光源光源 用于提供足够用于提供足够强度强度和和稳定稳定的的连续光谱连续光谱。分光光度计中常用的光源有热辐射光源和气。分光光度计中常用的光源有热辐射光源和气体放电光源

9、两类。体放电光源两类。 热辐射光源用于可见光区，一般用白炽灯，如热辐射光源用于可见光区，一般用白炽灯，如钨丝灯和卤钨灯；钨灯和碘钨灯可使钨丝灯和卤钨灯；钨灯和碘钨灯可使用的范围在用的范围在340 2500nm。 气体放电光源用于紫外光气体放电光源用于紫外光区，如氢灯和氘灯区，如氢灯和氘灯,它们它们可在可在160 360 nm范围范围内产生连续光源。内产生连续光源。B. 分光系统分光系统 分光系统也叫分光系统也叫单色器单色器。 单色器是能从光源辐射的单色器是能从光源辐射的复合光复合光中分出中分出单色光单色光的光学装置，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其主要功能：产

10、生光谱纯度高的光波且波长在紫外可见区域内任意可调。内任意可调。 能起分光作用的色散元件主要是能起分光作用的色散元件主要是棱镜和光栅。棱镜和光栅。a. 性能要求：性能要求： 高效能 宽波长范围 容易调节波长 好的波长精度和重现性 高的光谱纯度 好的机械稳定性 b. 滤光片单色器滤光片单色器 组成组成: 入口狭缝、入口狭缝、 滤光片、滤光片、出口狭缝出口狭缝 性能：性能： 吸收滤片 干涉滤光片光谱通带宽度（nm） 20-30 10-15透 过 率（T% ） 5-20% 40-60%准直镜狭缝c. 棱镜和光栅单色器棱镜和光栅单色器 光谱通带宽度光谱通带宽度 少于少于 1nm 组成组成: 狭缝、色散元

11、件、准直元件（狭缝、色散元件、准直元件（ 透镜透镜 、反射镜、反射镜 ） C. 吸收池吸收池 吸收池用于盛放分析试样，一般有吸收池用于盛放分析试样，一般有石英和玻璃材料石英和玻璃材料两种。石英池两种。石英池适用于可见光区及紫外光区，玻璃吸收池只能用于可见光区。为减适用于可见光区及紫外光区，玻璃吸收池只能用于可见光区。为减少光的损失，吸收池的光学面必须完全垂直于光束方向。在高精度少光的损失，吸收池的光学面必须完全垂直于光束方向。在高精度的分析测定中（紫外区尤其重要），吸收池要挑选配对。因为吸收的分析测定中（紫外区尤其重要），吸收池要挑选配对。因为吸收池材料的本身吸光特征以及吸收池的光程长度的精度

12、等对分析结果池材料的本身吸光特征以及吸收池的光程长度的精度等对分析结果都有影响。紫外光谱仪吸收池恰好安排在光电转换前。都有影响。紫外光谱仪吸收池恰好安排在光电转换前。D. 光检测系统光检测系统 检测器，用于检测光信号。利用光电效应将检测器，用于检测光信号。利用光电效应将光强度信光强度信号号转换成转换成电信号电信号的装置，也叫光电器件。的装置，也叫光电器件。 常用的光检测系统主要有常用的光检测系统主要有光电池、光电管和光电倍增光电池、光电管和光电倍增管管。 几种光检测器性能的比较几种光检测器性能的比较 光电池：光电池：用半导体材料制成的光电转换器。用得最多的是硒光电池。其结构和作用原理硒光电池硒

13、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：12341 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； 光电效应的原理：当一定强度的光照射到阴极上时，光电效应的原理：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

14、场的作用下要流光的大小成正比，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流的大小与照射到光敏物质上的光的强度的大小成正比。比。 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。其灵敏度比前的光转换成电流。其灵敏度比前2种都要高得多。它是利用种都要高得多。它是利用二次电子发射以放大光电流二次电子发射以放大光电流，放大倍数可达到，放大倍数可达到108倍。倍。外加电压外加电压+-打拿极打拿极h对检测器的要求：

15、对检测器的要求： 必须在一个宽的波长范围内对辐射有响应必须在一个宽的波长范围内对辐射有响应 低辐射功率时的反应要敏感低辐射功率时的反应要敏感 对辐射的响应要快对辐射的响应要快 产生的电信号容易放大产生的电信号容易放大 噪音要小噪音要小 更重要的是产生的信号应正比十入射光强度更重要的是产生的信号应正比十入射光强度E. 信号指示系统信号指示系统 它的作用是放大信号并以适当方式指示或记录下来。它的作用是放大信号并以适当方式指示或记录下来。常用的信号指示装置有直读检流计、电位调节指零装置常用的信号指示装置有直读检流计、电位调节指零装置以及数字显示或自动记录装置等。很多型号的分光光度以及数字显示或自动记

16、录装置等。很多型号的分光光度计装配有微处理机，一方面可对分光光度计进行操作控计装配有微处理机，一方面可对分光光度计进行操作控制，另一方面可进行数据处理。制，另一方面可进行数据处理。总结：总结： 分光光度计的类型分光光度计的类型0.575光源光源单色单色器器吸收吸收池池检测检测器器显显示示单光束分光光度计单光束分光光度计 特点是：结构简单，价格便宜。主要适用于定量分析，而不适用于作定性分析。另外，结果受电源的波动影响较大。单波长双光束分光光度计单波长双光束分光光度计比值比值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光束分裂器光束分裂器 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

17、的光的强度，它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，它不受不受光源（电源）变化的影响。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，并自动记录下各波长下的吸光度，很快双光束分光光度计还能进行波长扫描，并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。所以能用于就可得到试液的吸收光谱。所以能用于定性分析。定性分析。2.3 紫外光谱图例图紫外光谱图例图 横坐标：波长（横坐标：波长（nm）纵坐标：）纵坐标：A, K, e, loge, T%最大吸收波长：最大吸收波长：max 最大吸收峰最大吸收峰值：值： max例：丙酮：例：丙酮： max = 279nm

18、 (=15)Wavelength (nm)200300400500600Absorbance (AU)00.20.40.60.811.2231404277 吸光度值最大值所对应的波长就是样品的最大吸收波长。 3. 紫外紫外-可见吸收光谱的原理可见吸收光谱的原理3.1 什么是紫外什么是紫外可见分光光度法可见分光光度法 由于氧、氮、二氧化碳、水等在真空紫外区（由于氧、氮、二氧化碳、水等在真空紫外区（60 200 nm）均有吸收，因此在测定这一范围的光谱时，必）均有吸收，因此在测定这一范围的光谱时，必须将光学系统抽成真空，然后充以一些惰性气体，如氦、须将光学系统抽成真空，然后充以一些惰性气体，如氦、

19、氖、氩等。鉴于真空紫外吸收光谱的研究需要昂贵的真氖、氩等。鉴于真空紫外吸收光谱的研究需要昂贵的真空紫外分光光度计，故在实际应用中受到一定的限制。空紫外分光光度计，故在实际应用中受到一定的限制。我们通常所说的紫外我们通常所说的紫外-可见分光光度法，实际上是指近非可见分光光度法，实际上是指近非真空紫外、可见分光光度法（真空紫外、可见分光光度法（200 800 nm）。）。3.2 化合物紫外化合物紫外可见光谱的产生可见光谱的产生 在紫外和可见光谱区范围内，有机化合物的吸收带主要由五种分在紫外和可见光谱区范围内，有机化合物的吸收带主要由五种分子轨道间的下述四种跃迁：子轨道间的下述四种跃迁：*、 *、n

20、 *、n *及电荷及电荷迁移跃迁产生。无机化合物的吸收带主要由电荷迁移和配位场跃迁迁移跃迁产生。无机化合物的吸收带主要由电荷迁移和配位场跃迁（即（即dd跃迁和跃迁和ff跃迁）产生。跃迁）产生。 *和和 n *跃迁，吸收波长：跃迁，吸收波长：104)较强带较强带 （104 max 103）弱带弱带 （ max C=O基团。 C=O基团主要可产生 * 、 n * 、 n *三个吸收带， n *吸收带又称R带，落于近紫外或紫外光区。醛、酮、羧酸及羧酸的衍生物，如酯、酰胺等，都含有羰基。由于醛酮这类物质与羧酸及羧酸的衍生物在结构上的差异，因此它们n *吸收带的光区稍有不同。 苯及其衍生物苯及其衍生物

21、苯有三个吸收带，它们都是由 *跃迁引起（K带带）。 E1带出现在180nm（ MAX = 60，000）； E2带出现在204nm（ MAX = 8，000 ）； B带出现在255nm （ MAX = 200）。 在气态或非极性溶剂中，苯及其许多同系物的B谱带有许多的精细结构，这是由于振动跃迁在基态电子上的跃迁上的叠加而引起。在极性溶剂中，这些精细结构消失。 当苯环上有取代基时，苯的三个特征谱带都会发生显著的变化，其中影响较大的是E2带和B谱带。稠环芳烃及杂环化合物稠环芳烃及杂环化合物 稠环芳烃，如萘、蒽、芘等，均显示苯的三个吸收带，但是与苯本身相比较，这三个吸收带均发生红移，且强度增加。随着

22、苯环数目的增多，吸收波长红移越多，吸收强度也相应增加。 当芳环上的-CH基团被氮原子取代后，则相应的氮杂环化合物（如吡啶、喹啉）的吸收光谱，与相应的碳化合物极为相似，即吡啶与苯相似，喹啉与萘相似。 在有机物和高聚物的紫外光谱谱带分析中，往往将谱带分为四种类型，即R吸收带、K吸收带、B吸收带和E吸收带。(1) R吸收带吸收带 NH2、NR2、OR的卤素取代烷烃可产生这类谱带。它是 *跃迁形成的吸收带，由于很小，吸收谱带较弱，易被强吸收谱带掩盖，并易受溶剂极性的影响发生偏移。(2) K吸收带吸收带 共轭烯烃、取代芳香化合物可产生这类谱带。它是n *跃迁形成的吸收带、 MAX10000，吸收谱带较强

23、。6. 吸收谱带的四种类型吸收谱带的四种类型(3) B吸收带吸收带 B吸收带是芳香化合物及杂芳香化合物的特征谱带。在这个吸收带有些化合物容易反映出精细结构。溶剂的极性、酸碱性等对精细结构的影响较大。苯和甲苯在唤己烷溶液中的B吸收带精细结构在230-270nm，如图26所示。苯酚在非极性溶剂乙醇中则观察不到精细结构。(4) E吸收带吸收带 它也是芳香族化合物的特征谱带之一。吸收强度大， 为2000-14000，吸收波长偏向紫外的低波长部分，有的在真空紫外区。 常见有机化合物的生色团的紫外吸收峰常见有机化合物的生色团的紫外吸收峰 7. 紫外紫外-可见光谱的影响因素可见光谱的影响因素 化学环境：化学

24、环境： 试样的化学环境对谱带的波长位移及强度变化有着重要的影响，其中对谱带位移产生较大影响的主要有酸度和溶剂效应。(1) 酸度的影响酸度的影响：由于酸度的变化会使有机化合物的存在形式发生变化，从而导致谱带的位移。 例如，苯酚随着PH值的增高，谱带就会红移，吸收峰分别从211 nm和270 nm位移到236 nm和287nm。又如苯胺随着pH值的降低，谱带会蓝移，吸收峰分别从230 nm和280 nm处位移到203 nm和254 nm处。 另外酸度的变化还会影响到络合平衡，从而造成有色络合物的组成发生变化，而使得吸收带发生位移，例如Fe (III) 与磺基水杨酸的络合物，在不同pH时会形成不同的

25、络合比，从而产生紫红、橙红、黄色等不同颜色的络合物。(2) 溶剂效应：溶剂效应： 紫外吸收光谱中有机化合物的测定往往需要溶剂，而溶剂尤其是极性溶剂，常会对溶质的吸收波长、强度及形状产生较大影响。 在极性溶剂中，紫外光谱的精细结构会完全消失，其原因是极性溶剂分子与溶质分子的相互作用，限制了溶质分子的自由转动和振动，从而使振动和转动的精细结构随之消失。 仪器的测试性能仪器的测试性能 影响紫外及可见吸收谱带的另一主要因素，即是仪器的测试性能。其中最主要的有：(1) 仪器的单色性仪器的单色性（即仪器的分辨率）：一般要求对于双光束紫外及可见分光光度计在260 nm处，仪器应该能够分辨间隔为0.3 nm的

26、谱线。分辨率低有时就会使相邻峰无法分开，而给定性或结构分析带来困难。对于定量分析来说，就会产生误差。(2) 仪器的波长精度仪器的波长精度：波长误差会使紫外光谱发生严重位移而导致分析结果错误，因此必须对仪器进行定期的经常校正。(3) 仪器的测光精度仪器的测光精度：指的是仪器上测得的透光度或吸光度与真实值之间的偏差。精密的紫外光谱仪可以达到0.001 A。 除了上述的主要影响因素外，影响紫外及可见光谱的测量因素还有很多，这里就不一 一介绍了。8.紫外紫外-可见光谱的应用可见光谱的应用8.1 紫外光谱定性分析紫外光谱定性分析解析程序：解析程序：（1）由紫外光谱图找出最大吸收峰对应的波长）由紫外光谱图

27、找出最大吸收峰对应的波长max，并算出，并算出（摩尔（摩尔吸光系数，吸光系数，A吸光度用吸光度用 表示）；表示）；（2）推断该吸收带属何种吸收带及可能的化合物骨架结构类型；）推断该吸收带属何种吸收带及可能的化合物骨架结构类型；（3）与同类已知化合物紫外光谱进行比较，或将预定结构计算值与实）与同类已知化合物紫外光谱进行比较，或将预定结构计算值与实测值进行比较；测值进行比较；（4）与标准品进行比较对照或查找文献核对。）与标准品进行比较对照或查找文献核对。根据有机化合物的紫外光谱，可以大致地推断出该化合物的主要生根据有机化合物的紫外光谱，可以大致地推断出该化合物的主要生色团及其取代基的种类和位置以及

28、该化合物的共轭体系的数目和位色团及其取代基的种类和位置以及该化合物的共轭体系的数目和位置，这些就是紫外吸收光谱在定性、结构分析中的最重的应用。例置，这些就是紫外吸收光谱在定性、结构分析中的最重的应用。例如（如（1）在）在210-250nm间有吸收峰，间有吸收峰，较大，说明可能有两个共轭双较大，说明可能有两个共轭双键。（键。（2）260-300nm间，有吸收峰，间，有吸收峰，较大，可能有较大，可能有3-5个共轭双键。个共轭双键。（3）250-300nm间有吸收峰，但间有吸收峰，但较小，且增加溶剂极性会蓝移，较小，且增加溶剂极性会蓝移，说明可能有羰基存在。（说明可能有羰基存在。（4）250-300

29、nm间有吸收峰，中等强度，伴间有吸收峰，中等强度，伴有振动精细结构，说明有苯环存在有振动精细结构，说明有苯环存在对于有机化合物的分析与鉴定，通常采用的方法是与标准的有机化对于有机化合物的分析与鉴定，通常采用的方法是与标准的有机化合物的图谱对照。但由于物质的紫外光谱基本上是其分子中的生色合物的图谱对照。但由于物质的紫外光谱基本上是其分子中的生色团和助色团的特性，具有相同生色团及助色团的化合物的紫外光谱团和助色团的特性，具有相同生色团及助色团的化合物的紫外光谱大致上是相同的，因此单根据紫外光谱只能知道是否存在某些基团，大致上是相同的，因此单根据紫外光谱只能知道是否存在某些基团，不能完全决定其结构，还必须与其它谱学方法结合起来，才能进行不能完全决定其结构，还必须与其它谱