《材料测试与研究方法》电子教案

1、材料测试与研究方法电子教案第一章 气相色谱分析第一节 色谱法概述色谱法是一种分离技术。在分析化学领域中是一种新型的分离分析方法。气相色谱是色谱中普遍使用的一种。1.1 色谱法的产生和发展 俄国植物学家Tsweet发明的方法后来被称为“经典液相色谱法”。 所使用的玻璃管称为色谱柱。管内的碳酸钙填充物称为固定相。淋洗液称为流动相或淋洗剂。混合物中的各组分被称为溶质。l 色谱法普遍用来分离无色物质，但色谱法这个名称一直被沿用下来。 l 1941年Martin和Synge 发现了液-液（分配）色谱法，阐述了气-固吸附色谱原理，提出气-液色谱法设想； (1952 年诺贝尔化学奖)l 色谱学成为分析化学的

2、重要分支学科，则是以气相色谱的产生、发展为标志。l 1952年Martin成功研究了气-液色谱法，解决了脂肪酸、脂肪胺的分析，并对其理论和实践作出论述；（起点）l 1954年，Ray把热导池检测器用于气相色谱仪，并对仪器作了重大改进，扩大应用范围；l 1956年，荷兰学者Van Deemter 提出气相色谱速率理论，奠定了理论基础；美国工程师Golay发明效能极高的毛细管色谱柱；l 澳大利亚学者Mcwilliam发明氢焰离子化检测器，使分离效能和检测器的灵敏度大大提高。1.2 色谱法分类（1）按两相物理状态分类：（2）按分离过程物理化学原理分类v 吸附色谱：利用固定相对不同组分的吸附性能差别分

3、离；v 分配色谱：利用不同组分在两相中分配系数差别分离；v 离子交换色谱 ：利用不同离子在离子交换固定相上的亲和力差别分离；v 凝胶色谱：利用不同组分分子量差别而先后被过滤进行分离；（3）按样品注入色谱柱的方式和流动相的用法不同分类v 冲洗法 (elution method) 流动相连续流过，在某一瞬间从色谱柱入口加入一定量的样品，由流动相将样品带入固定相中。v 顶替法（置换法） 先把样品从色谱柱入口加入，再把顶替剂通入柱中，依次把样品各组分顶替出色谱柱。v 迎头法 把样品当作流动相连续通入色谱柱中。1.3 气相色谱法的特点 ü 优点：1.高效能：可分析沸点十分接近、组分复杂的混合物

4、2.高选择性：能分离性质极为相似的组分，如同位素、异构体；3.高灵敏度：10-11g物质，可检出ppmppb含量的组分；4.快速：几分几十分钟可完成分析；5.应用范围广：气体、液体、固体；-196oC450oC范围内有2.72´10-41.36´10-2kg/cm2蒸汽压，热稳定性良好的物质；6.样品用量小。ü 缺点：1.不能直接定性；不如IR、NMR、MS等技术；2.不适用于分离沸点高、热稳定性差的化合物，应用范围受温度限制；3.定量时需要被测物的标准样品作对照。第二节 气相色谱仪2.1 基本流程和主要部件1-载气钢瓶；2-减压阀；3-净化干燥管； 4-稳流阀；

5、5-转子流量计；6-压力表； 7-汽化器(液体进样)； 8-色谱柱；9-热导检测器； 10-放大器；11-温度控制器；12-记录仪2.2 载气系统气源、气体净化、气体流速控制和测量1.常用的载气有： 氢气、氮气、氦气；氩气2. 净化干燥管: 活性炭、硅胶、分子筛等3. 载气压力和流速控制、显示2.3 进样系统包括进样器和气化室（液体进样）气体定量进样常采用六通阀2.4 色谱柱和柱箱填充柱： 内装固定相，通常为用金属(钢或不锈钢)或玻璃制成的内径26mm、长0.5-10m的U形或螺旋形的管子。毛细管柱： 将固定液均匀地涂敷在毛细管的内壁，内径0.10.5mm、长50-300m的毛细管。 2.5

6、检测系统Ø 检测器、控温装置Ø 将经色谱柱分离后的各组分按其特性及含量转化为相应的电讯号。Ø 根据检测原理不同，浓度型、质量型Ø 浓度型：热导池、电子捕获检测器Ø 质量型：氢火焰离子化、火焰光度检测器2.6 记录、数据处理系统放大器、记录仪、数据处理仪第三节 气相色谱分析理论基础Ø 气相色谱法是以气体为流动相，采用冲洗法的柱色谱分离技术。Ø 分离的主要依据：利用样品中各组分在色谱柱吸附力或溶解度的不同。Ø 色谱柱有两种：填充柱、毛细管柱3.1气-固色谱分离原理Ø 固定相：多孔性及较大表面积的吸附剂。

7、16; 反复的物理吸附-脱附过程。Ø 各组分性质不同，吸附能力有差异。3.2 气-液色谱分离原理Ø 固定相：在化学惰性的固体微粒(用来支撑固定液的，称为担体)表面，涂上一层高沸点有机化合物的液膜。（固定液）Ø 各组分的分离是基于各组分在固定液中溶解度的不同 。Ø 反复的溶解、挥发过程。 v 物质在固定相和流动相之间发生的吸附、脱附和溶解、挥发的过程称为分配过程。Ø 分配系数K 在一定温度下组分在两相之间分配达到平衡时的浓度值比称为分配系数K。 分配系数K是溶质在两相中分布平衡性质的度量，反映了溶质与固定相、流动相作用力的差别。Ø 一定

8、温度下，各物质在两相之间的分配系数是不同的。气相色谱的分离原理是基于不同物质在两相间具有不同的分配系数。3.3 气相色谱流出曲线和有关术语基线：只有载气通过时的信号，反映检测器系统噪声随时间变化的曲线。直线。保留值：试样中各组分在色谱柱中滞留时间的数值。t ，V色谱峰高：基线到峰顶的距离。色谱峰区域宽度l 根据色谱图可得到以下信息:1. 样品是否是纯化合物；2. 色谱柱效和分离情况；3. 提供色谱定性的资料和依据；4.色谱图给出的各组分的峰高和峰面积是定量测定的依据。3.4 色谱柱效能v 试样在色谱柱中的分离过程的基本理论包括两方面： 1.试样中各组分在两相间的分配情况（热力学因素）；

9、6; 各组分在两相的分配系数Ø 各物质的分子结构、性质（保留值） 2.各组分在色谱柱中的运动情况（动力学因素） Ø 各组分在流动相和固定相两相之间的传质阻力。（半峰宽度）第四节 分离条件的选择4.1 总分离效能指标Ø 一个混合物能否为色谱柱所分离，取决于固定相与混合物中各组分子间的相互作用大小是否有区别，但各种操作条件的选择是否合适，对于实现分离的可能也有很大影响。Ø 分辨率作为色谱柱的总分离效能指标。两组分怎样才达到完全分离？1.色谱峰之距离相差足够大；2.峰窄。v R越大，相邻两组分分离得越好；保留值的差别，主要决定于固定液的热力学性质，宽窄反映了色

10、谱过程的动力学性质。4.2 载气及其流速的选择根据速率理论方程，对一定的色谱柱和试样，有一个最佳的载气流速，此时柱效最高。Ø 在实际工作中，为了缩短分析时间，往往使流速稍高于最佳流速。Ø 当流速较小时，分子扩散项成为色谱峰扩张的主要因素，应采用分子量较大的载气；Ø 当流速较大时，传质项成为控制因素，宜采用低分子量的载气，此时组分在载气中有较大的扩散系数，可减少气相传质阻力，提高柱效。Ø 对于填充柱，N2的最佳实用线速为10-12cm/s,流速为40-60ml/min;Ø H2的最佳实用线速为15-20cm/s,流速为60-90ml/min;4.

11、3 柱温的选择Ø 柱温是一个重要的操作参数，直接影响分离效能和分析速度。Ø 柱温选择的原则：根据样品和固定液所允许的温度范围来选择。1.柱温不能高于固定液的最高使用范围；2.柱温高不利于分离；3.柱温太低，扩散速率减小，分配不能迅速达到平衡，峰形变宽，柱效下降。Ø 在使最难分离的组分有尽可能好的分离的前提下，尽可能采取较低的柱温，但以保留时间适宜，峰形不拖尾为度。4.4 固定相及其选择固定相对于组分的分离起着关键性作用。气-固色谱的固定相: 1.具有吸附活性的多孔固体（吸附剂） 2.具有特殊吸附活性的分子筛 3.高分子多孔聚合物(1)固定液固定液在常温下不一定为液

12、体，但在使用温度下一定呈液体状态，固定液种类繁多，一般为高沸点难挥发的有机化合物。Ø 固定液分类a. 按化学结构和官能团分：烃类、醇和聚醇、酯和聚酯、聚硅氧烷、腈类等。b. 按照固定液相对极性分： 非极性、弱极性、中等极性、强极性对固定液的要求： 挥发性小，在操作温度下有较低蒸气压，以免流失。 热稳定性好，在操作温度下不发生分解。在操作温度下呈液体状态。 对试样各组分有适当的溶解能力，否则易被载气带走而起不到分配作用。 具有高的选择性，即对沸点相同或相近的不同物质有尽可能高的分离能力。 化学稳定性好，不与被测物质起化学反应。(2) 担体Ø 对担体的基本要求： 载体表面孔径分

13、布均匀，比表面积大； 载体表面呈现化学、物理惰性； 热稳定性好,有一定的机械强度，不易破碎； 粒度均匀。40-60，60-80，80-100目Ø 担体分类： 按化学成分分为：硅藻土载体、非硅藻土载体两大类。选择担体的大致原则为： 当固定液含量大于5时，可选用硅藻土型(白色或红色)担体； 当固定液含量小于5%时，应选用处理过的担体； 对于高沸点组分，可选用玻璃微球担体； 对于强腐蚀性组分，可选用氟担体。 (3) 固定液的选择首先选择合适使用温度范围的固定液;一般根据“结构相似”和“相似相溶”的原则，即选择固定液要与被分离组分结构相似。“极性”Ø 分离非极性物质：非极性固定液-

14、沸点；Ø 分离极性物质：极性固定液-极性；Ø 极性、非极性混合物：极性固定液-非极性先、极性后；Ø 形成氢键物质：极性或氢键型-形成氢键能力大小；Ø 复杂难分离物质：混合固定液；ü 实际试样中组分往往比较复杂，实验选择。4.5 其它操作条件的选择Ø 1.柱长和柱内径的选择:填充柱柱长1-5m,柱内径36mmØ 2.进样时间和进样量：小于1秒 液体：0.15ml，气体：0.110mlü 最大允许的进样量：应控制在峰面积（峰高）与进样量呈线性关系的范围内ü 3.气化温度： 使液体试样迅速气化。在保证试样不分解

15、的情况下，适当提高气化温度，有利于分离和定量，一般比柱温高3070。第五节 色谱检测器作用：将色谱柱分离后的各组分按其特性及含量转化为相应的电信号。检测器性能的好坏直接影响色谱分析的定性定量结果。根据检测原理不同分为：浓度型检测器：测量载气中某组分浓度瞬间变化。 TCD、ECD质量型检测器：测量载气中某组分进入检测器的速度变化。FID、FPD 5.1 检测器的性能指标1. 灵敏度S：ü 单位量的物质通过检测器所给出的信号值。（QR作图，直线）ü S= DR/ DQ 浓度型检测器：ü 进样量与峰面积成正比（定量基础）；ü 进样量一定，峰面积与流速成反比 定

16、量分析保持载气流速恒定。质量型检测器：Ø 进样量与峰面积成正比（定量基础）；Ø 进样量一定，峰面积与流速无关。2.检测限D（敏感度） 检测器恰能产生和噪声相鉴别的讯号时，在单位体积或时间需向检测器进入的物质量(g)。通常认为恰能鉴别的响应讯号至少应等于检测器噪声的两倍。检测限以D表示：式中N为检测器的噪声，指基线在短时间内左右偏差的毫伏数，S为检测器的灵敏度。D值越小，仪器越敏感。3. 最小检测量Q0检测器响应值为2倍噪声水平时的试样浓度（或质量），被定义为最低检测限（或最小检测量）。Q0 与检测器的检测限成正比，但与检测限不同，Q0不仅与检测器的性能有关，还与柱效率及操作

17、条件有关。半峰宽越小， Q0越小。4. 线性范围试样量与讯号之间保持线性关系的范围，用最大进样量与最小检测量的比值来表示，这个范围越大，越有利于准确定量。5.2 热导池检测器Ø 特点：结构简单，灵敏度适宜，稳定性较好，对所有的物质都有响应。Ø 最广泛、最成熟。（1）热导池的结构池体和热敏元件组成，分为双臂、四臂热导池。（2）热导池检测器的基本原理基于不同物质具有不同的导热系数。5.3 氢火焰离子化检测器特点：Ø 对大多数有机化合物有很高的灵敏度，一般比TCD高几个数量级，选择性也更高。Ø 含碳物质氢火焰中离子化，外电场作用形成电流, 与待测物质量正比。

18、Ø 检测含碳化合物更通用。Ø 结构简单、灵敏度高、响应快、稳定性好。（1）结构与离子化作用机理火焰离子化机理：至今还不十分清楚其机理，普遍认为这是一个化学电离过程。有机物在火焰中先形成自由基，然后与氧产生正离子，再同水反应生成H3O+离子。（2）操作条件的选择Ø 气体流量-载气、H2、空气 ü 载气：N2，分离效能ü H2：与载气流量之比 1:1-1.5ü 空气：氢气与空气之比 1:10Ø 极化电压：100-300VØ 使用温度：80-200灵敏度几乎相同。第六节 定性定量方法定性，即确定每个色谱峰代表什么物质。定

19、量，即测定出已知组分的含量。 6.1 色谱定性分析方法Ø 色谱定性分析通常采用两大类方法： 1. 色谱方法定性 2. 与其它分析仪器联用定性色谱自身定性保留值ü 1.与已知化合物对照定性；ü 2.相对保留值r12作为定性参数；ü 3.利用文献保留指数定性:重现性好。Ø 根据保留值（保留时间、相对保留值、Kovats保留指数）进行定性分析是最常用的一种定性方法，有很大的局限性，如可靠性不足以鉴定完全未知的物质。保留指数I (Kovats指数)Ø 是一种重现性较其它保留数据都好的定性参数，可根据所用固定相和柱温直接与文献值对照而不需要标准

20、样品。Ø 保留指数是把物质的保留行为用两个紧靠紧它的标准物（一般是两个正构烷烃）来标定。与其它分析仪器联用定性Ø 气相色谱-质谱(GC-MS) 、NMR联用；Ø 气相色谱-富里叶变换红外光谱(GC-FTIR)联用；Ø 与化学方法配合进行定性鉴定；6.2 色谱定量分析方法Ø 在一定的操作条件下，分析组分i的重量Wi或其在载气中的浓度与检测器的相应讯号（Ai或hi)成正比:1）准确测量峰面积；2）求出比例常数；3）正确选用定量计算方法，将测得组分的峰面积换算为百分含量。6.2.1 峰高和峰面积测量(1) 峰高（h）乘半峰宽法： A = 1.065

21、h·Y1/2 适用范围：对称峰。简单快速。(2)峰高（h）乘峰底宽度法：A = h·Y适用范围：矮而宽的峰(3)峰高（h）乘平均峰宽法：6.2.2 定量校正因子v 物质量峰面积成正比关系。同一检测器对不同物质具有不同应值，2个相等量的物质得到的峰面积往往不相等。色谱定量校正因子有两种表示方法：1. 绝对定量校正因子fi， fi， = W i/AiØ 单位峰面积所代表物质的重量。 fi，主要由仪器的灵敏度所决定。Ø 既不易准确测定，也无法直接应用。2. 相对定量校正因子f i ：Ø 定量分析都用相对校正因子，即某物质与标准物质绝对校正因子之比值。

22、Ø 标准物：TCD-苯，FID-正庚烷Ø 按被测组分使用的计量单位不同，可分为重量、摩尔、体积校正因子。 6.2.3 定量分析方法1. 归一化法 ：简便、准确。条件：试样中所有组分都能流出色谱柱，并在所用检测器上都产生信号。即组分全部出峰。2内标法：使用条件：Ø 1）组分不能全部流出色谱柱；Ø 2）检测器不能对各组分都产生信号；Ø 3）分析需要只测定样品中的某几个组分。原理：Ø 将一定量的纯物质作为内标物，加入到准确称量的试样中，根据被测物和内标物的重量及其在色谱图上相应的峰面积比，求出某组分的含量。内标物的选择ü 1.试样

23、中不存在的物质；ü 2.加入的量接近于被测组分；ü 3.内标物色谱峰位置在被测组分色谱峰附近，或几个被测组分中间，并与这些组分完全分离；ü 4.物化性质相近。内标法特点ü 1.定量较准确，与归一法比，没有使用上的限制；ü 2.每次分析需准确称量试样和内标物的重量，不宜作快速控制分析。3.内标标准曲线法为了减少称样和计算数据的麻烦，适于工厂控制分析的需要，可用内标标准曲线法进行定量测定-简化的内标法。过程ü 标准曲线制作：将被测组分纯物质配成不同浓度的标准溶液。取固定量的标准溶液和内标物，混合后进样，测Ai和As，以Ai/As对标准溶液

24、浓度作图。ü 分析时，取相同量的样品和内标物，测出其峰面积比，从标准曲线上查出被测物的含量。4. 外标法（定量进样-标准曲线法）Ø 用欲测组分的纯物质来制作标准曲线。配制已知浓度被测组分的纯物质的标准样，取固定量进行色谱分析，测出各组分的峰面积（或峰高），绘制相应讯号对其含量的标准曲线。Ø 分析试样时，取同样量的试样，测得该试样的相应讯号，由标准曲线即可查出其百分含量。Ø 特点：操作简单、计算方便，但结果的准确度主要取决于进样量的重现性和操作条件的稳定性。第二章 紫外吸收光谱（Ultraviolet Absorption Spectroscopy ,UV

25、）第一节 波（光）谱分析的一般原理 一定频率或波长的电磁波（光）与物质内部分子、电子或原子核等相互作用，物质吸收电磁波的能量，从低能级跃迁到较高能级。被吸收的电磁波频率（或波长）取决于高低能级的能级差。通过测量被吸收的电磁波的频率（或波长）和强度，可以得到被测物质的特征波谱，特征波谱的频率（或波长）反映了被测物质的结构特征，被用来作定性分析，波谱的强度则与物质的含量有关，可用于定量分析。利用物质对电磁波的选择性吸收对其进行分析的方法统称为波（光）谱分析。 高能级 低能级 图1 波谱分析的一般原理一、电磁波的基本性质和分类 电磁波具有波粒两象性。光的衍射、干涉及偏振等现象证明了其波动性，电磁波的

26、波动性还体现在它有波长、频率等类似于机械波的特性。电磁波的波长、频率与光速存在着特定的关系： （1） 式中为频率，为波长，c为光速，等于31010cms-1。 电磁波的粒子性早已为量子理论所证明，而光电效应则是粒子性的最有力的实验证明。量子理论认为光（即电磁波）是由称作光子或光量子的微粒组成的，光子具有能量，其能量大小由下式决定： （2）式中E为光子的能量，h为Planck常数，其值为6.62410-34js，其余同式（1）。由式（2）可知光子的能量与频率成正比，与波长成反比。波长越长，频率越低，能量越小。已知电磁波的波长后，很容易求出其光子的能量。 电磁波的波长从10-3nm1000m，覆盖

27、了非常宽的范围，为了便于研究，根据波长大小将电磁波划分为若干个区域。（见表1）不同区域的电磁波对应于分子内不同层次的能级跃迁。表1 电磁波的分区区域波长原子或分子的跃迁能级射线10-30.1nm原子核X射线0.110nm内层电子远紫外10200nm中层电子紫外200400nm外层（价）电子可见光400760nm外层（价）电子红外光0.7650um分子振动和转动远红外501000um分子振动和转动微波0.1100cm分子转动无线电波11000m核磁共振二、分子吸收光谱的产生 物质内部存在着多种形式的微观运动，每一种微观运动都有许多种可能的状态，不同的状态具有不同的能量，属于不同的能级。当分子吸收

28、电磁波能量受到激发，就要从原来能量较低的能级（基态）跃迁到能量较高的能级（激发态），从而产生吸收光谱。分子吸收电磁波的能量不是连续的而是具有量子化的特征，即分子只能吸收等于两个能级之差的能量。 （3） 式中E1、E2分别为分子跃迁前和跃迁后的能量，其余同式（2）。不同分子的内部能级间的能量差是不同的，因而分子的特定跃迁能与分子结构有关，所产生的吸收光谱形状取决于分子的内部结构，不同物质呈现不同的特征吸收光谱，通过分子吸收光谱可以研究分子结构。 分子内部的微观运动可分为价电子运动、分子内原子在其平衡位置附近的振动、分子本身绕其重心的转动。因此，分子的能量E是这三种运动能量的总和，如 （4） 式中

29、Ee为分子的电子能量， 为分子的振动能量，为分子的转动能量。分子的每一种微观运动状态都是量子化的，都属于一定的能级。因此，分子具有电子能级、转动能级和振动能级。图2是一个双原子分子内运动能级示意图。图2 双原子分子内运动能级示意图 图2中E表示能级，它的下标字母e、v、j分别表示能级类型为电子能级、振动能级和转动能级；下标数字表示能级的状态（即相应运动的量子数）。如Ee,0表示电子基态，Ee,1表示电子第一激发态等等。从图中可以看到在同一电子能级中有若干个振动能级，在同一振动能级中还有若干个转动能级。从图中还能看出电子能级的间隔最大，振动能级的间隔比电子能级的间隔小得多，转动能级的能级差则更小

30、。 相邻的两个电子能级间的能量差一般在120eV。若用式（3）计算可得相应能量的电磁波波长约为100050nm，处于紫外和可见光区域。换言之，用紫外或可见光照射物质可以引起分子内部电子能级的跃迁，紫外吸收光谱（包括可见光谱）实际上就是紫外光（包括可见光）与分子中电子能级相互作用产生的吸收光谱。因此紫外及可见光谱又称为电子光谱。 相邻的振动能级差一般在0.051eV，相应的电磁波波长约为251um，属于红外光区域；转动能级的小于，相应的电磁波波长大于25um，落在远红外区域。由此可知，用红外光照射分子只能引起分子振动能级和转动能级跃迁，而不足于引起电子能级跃迁，红外光谱是红外光与分子振动和转动能

31、级相互作用的结果，所以红外光谱又称作分子振转光谱。 在电子能级跃迁的同时，总是伴随着多个振动和转动能级跃迁，即 （5） 所以紫外光谱并不是一个纯电子光谱，而是电子-振动-转动光谱，由于和相对小得多，伴随有不同振动和转动能级跃迁的电子能级跃迁能量稍有差别。用低分辩率仪器测定时，一般不能分辨因振动和转动能级跃迁产生的差别，测得的有机物紫外光谱大都是很宽的吸收带。如果用高分辨率的仪器，并且在气态情况下测定（此时分子转动是自由的），则可看到伴随的振动和转动能级跃迁所产生的吸收带精细结构。图3是在不同条件下测定1，2，4，5-四唑的紫外及可见光谱的一部分。在极性溶剂中测得的（d）是一个很宽的吸收带，其中

32、包含了伴随的多种振动和转动能级跃迁信息，但这些信息没有被分开；从非极性溶剂中测得的（c）中可看到伴随的振动能级跃迁产生的精细结构，而且还可以看到因伴随转动能级跃迁产生的更为精细的结构。 图3 1，2，4，5-四唑的紫外光谱（部分）三、分子吸收光谱的获得和表示方法 用于检测紫外或红外等分子吸收光谱的仪器称为分光光度计。尽管紫外吸收光谱和红外吸收光谱原理不同，且又涉及不同波长范围的光，紫外和红外分光光度计的总体设计、各部分的结构和材料也不尽相同，但它们的工作原理十分相似。图4是分光光度计的结构和工作原理示意图。图4 分光光度计的结构和工作原理示意图 分光光度计由光源、分光系统、样品池、检测器、记录

33、仪等组成。光源提供一定波长范围的连续光，例如紫外光谱仪用氢灯或氘灯作光源得到200400nm的紫外光，红外光谱仪则是用能斯特灯或硅碳棒等为光源得到2.525um的红外光。分光系统由单色器（如棱镜、光栅）和一系列狭缝、反射镜和透射镜等组成，用于将光源发出的连续光色散成具有一定带宽的单色光。样品池放置样品。单色器和样品池等部件的制作材料应对工作区域波长的光没有吸收，如用于紫外区测定的必须是对紫外光没有吸收的石英制的光栅和样品池等。检测器和记录仪分别用于检测透过样品的光强度和记录检测信号。紫外光谱仪常用的检测器是光电倍增管和光电池。 由光源发出一定波长范围的连续光，经过分光系统转变为一组单色光。不同

34、波长的单色光依次透过被测样品，如果某些波长的光能量正好等于被测样品分子的某一个能级差，即符合式（3）的条件，就被吸收，因此透过样品到达检测器的光强度减弱，产生吸收信号。另外一些波长的光因不符合吸收条件，不被样品吸收，透过样品的光强度不变。分光系统每扫描一次，就能检测记录一张吸收信号波长（或频率）的曲线，即吸收光谱图。 吸收光谱图5的横坐标是波长或频率，纵坐标是吸收强度。吸收强度一般可用两种方法表示，一是透过率（T）或百分透过率（T%），其定义如下： T%=I1/I0 （6） 式中：I0是入射光强度，I1是透过光强度； 二是吸光度（A），其定义为： A=lg(I0/I1) （7） 因此 A=lg

35、(1/T) (8) 图5 分子吸收光谱的表示方法 两种不同的表示方法得到不同形状的吸收光谱图。用百分透过率表示时，没有被吸收的那些波长的光全部透过样品被检测，处于100%透过的位置；被样品吸收的那些波长的光，光强度减弱，因此在谱图上显示为一个倒峰，光被样品吸收得越多，透过样品的部分就越少，倒峰就越大。用吸光度表示时，峰形向上，样品吸收得光越多，吸收峰的强度越大。吸收光谱图中吸收带的强度与检测时样品浓度有关，为了定量描述物质对光的吸收程度，提出摩尔吸光系数概念。所谓摩尔吸光系数是指样品浓度为1molL-1的溶液置于1cm样品池中，在一定波长下测得的吸光度值。它表示物质对光的吸收能力，是物质的特征

36、常数。在分子量未知的情况下，常用百分吸收系数或比吸收系数表示物质对光的吸收能力。它是指溶液浓度为1%（1g/100），液层厚度为1cm时，在一定波长下的吸光度值。百分吸收系数和摩尔吸光系数有如下关系： （9） 式中M为摩尔质量。第二节 紫外吸收光谱的基本原理一、紫外吸收光谱与电子跃迁 1、电子跃迁的类型 由前可知紫外吸收光谱不是一个纯电子光谱，而是电子-振动-转动光谱。但为了便于说明紫外吸收光谱的原理，我们讨论有机化合物的纯电子跃迁原理和过程。 有机化合物中有三种不同性质的价电子。根据分子轨道理论，当两个原子结合成分子时，两个原子的原子轨道线性组合成两个分子轨道。其中一个具有较低的能量叫做成键

37、轨道，另一个具有较高的能量叫做反键轨道。电子通常在成键轨道上，当分子吸收能量后可以激发到反键轨道上。有机化合物中的共价键有键和键，它们的成键轨道用和表示，反键轨道用和表示，处在相应轨道上的电子称作电子和电子；氧、氮、硫和卤素等杂原子还常有未成键的孤对电子，称作n电子，它们处在非键轨道上。在羰基中和n这三种类型的电子都存在。这些电子所处的能级轨道和可能发生的能级跃迁如图6所示。图6 羰基电子能级跃迁示意图 电子跃迁主要有四种：和。前两种属于电子从成键轨道向对应的反键轨道的跃迁，后两种是杂原子的未成键电子从非键轨道被激发到反键轨道的跃迁。由图6可知，不同轨道之间的跃迁所需的能量不同，即需要不同波长

38、的光激发，因此形成的吸收光谱谱带位置也不同。Ø 跃迁是单键中的电子在成键和反键轨道间的跃迁。与之间的能级差最大，跃迁需要较高的能量，相应的激发光波长较短，在150160nm范围，落在远紫外区域，超出了一般紫外分光光度计的检测范围。Ø 跃迁是不饱和键中的电子吸收能量跃迁到反键轨道。跃迁所需能量较跃迁的小，吸收峰波长较大。孤立双键的跃迁产生的吸收带位于160180nm，仍在远紫外区。但在共轭双键体系中，吸收带向长波方向移动（红移）。共轭体系越大，跃迁产生的吸收带波长越长。例如乙烯的吸收带位于162nm，丁二烯为217nm，1，3，5-已三烯的吸收带红移至258nm。这种因共轭体

39、系增大而引起的吸收谱带红移是因为处于共轭状态下的几个轨道会重新组合，使得成键电子从最高占有轨道到最低空轨道之间的跃迁能量大大降低。图7 共轭引起的吸收带红移Ø 跃迁是氧、氮、硫、卤素等杂原子的未成键n电子向反键轨道跃迁。当分子中含有-NH2、-SR、-X等基团时，就能发生这种跃迁。n电子的跃迁所需能量较跃迁的小，所以相应吸收带的波长较长，一般出现在200nm附近，受杂原子性质的影响较大。Ø 跃迁。当不饱和键上连有杂原子（如>C=O、-NO2）时，杂原子上的n电子能跃迁到轨道。跃迁是四种跃迁中所需能量最小的，它所对应的吸收带位于270300nm的近紫外区。如果带杂原子的

40、双键基团与其他双键基团形成共轭体系，其跃迁产生的吸收带将红移，如共轭的产生红移一样。例如丙酮的在276nm，在166nm，而4-甲基-3戊烯酮的两个相应吸收带分别红移至313nm和235nm。 以上讨论的是跃迁所需的能量，即紫外吸收带的位置问题。四种跃迁中，只有、共轭体系的和部分产生的吸收带位于近紫外区域，能被普通的紫外分光光度计所检测。由此可见紫外吸收光谱的应用范围有很大的局限性。 吸收带的强度（一般用摩尔吸光系数定量表示）与跃迁几率有关。跃迁几率与跃迁偶极矩的平方成正比。跃迁偶极矩与基态跃迁到激发态过程中所发生的电子电荷分布的变化成正比。由成键轨道向反键轨道的跃迁几率大，所以跃迁产生的是强

41、吸收，值约为104；由非键轨道向成键轨道的跃迁几率小，所以和跃迁产生的吸收带值仅100左右，为弱吸收。 2、生色团和助色团 通常把在紫外及可见光区域产生吸收带的基团称为生色团或发色团（chromophore）；把那些本身在紫外或可见光区域不产生吸收带，但与生色团相连后，能使生色团的吸收带向长波方向移动的基团称为助色团（auxochrome）。常见的生色团有>C=C<、>C=O、>C=S、>CN、-NO2、-C6H5等，它们都是不饱和基团，都含有 电子，都能发生或跃迁，所以能在近紫外光区域产生吸收带。常见的助色团有-OH、-OR、-NH2、-NHR、-SH、-Cl等

42、，它们都含有饱和的杂原子。当助色团与生色团相连时，饱和杂原子上的n电子能影响相邻生色团的轨道状态和能级大小，使吸收带向长波方向移动。 在紫外光谱研究中还有两个常用的术语红移和蓝移。所谓红移是指取代基或溶剂效应引起吸收带向长波方向的移动；而吸收带向短波方向移动称为蓝移或紫移。二、紫外吸收光谱的特点和表示方法 紫外吸收光谱是由分子中电子能级的跃迁而产生的，有机化合物中电子能级跃迁的种类很少，而且有一部分跃迁所需能量太大，吸收波长位于远紫外区，不能为一般的紫外光谱仪所检测。这就决定了紫外光谱的吸收谱带很少。由于电子能级跃迁的同时会伴有多种振动能级和转动能级的跃迁，这就造成了紫外光谱的吸收谱带很宽。在

43、一定条件下，伴随的振动和转动亚能级跃迁能被检测，可以在谱图上看到谱带的精细结构。紫外光谱主要通过谱带位置和吸收强度提供有机分子的结构信息。紫外谱带很宽，所以通常以谱带吸收强度最大处的波长表示谱带位置，称为最大吸收波长（）；是分子的特征常数，与化合物的电子结构密切相关，可用于推测化合物中生色团的类型和共轭体系大小等结构信息。谱带的吸收强度通常用最大吸收波长处的摩尔吸光系数（）表示。也是分子的特征常数和鉴定化合物的重要依据。当化合物的结构尚未确定之前，无法得知其分子量，此时可用百分吸收系数E1%代替。三、影响紫外吸收波长的因素1、共轭体系的形成使吸收红移 共轭体系的形成使分子的最高已占轨道能级升高

44、，最低空轨道能级降低，跃迁的能量降低，共轭体系越长，能量差越小，紫外光谱的最大吸收越移向长波方向，甚至到可见光部分，随着吸收的红移，吸收强度也增大，并且出现多个吸收谱带。2、超共轭效应当烷基与共轭体系相连时，可以使波长产生少量红移。这是因为烷基的C-H的电子与共轭体系的电子云发生一定程度的重叠，扩大了共轭范围，从而使跃迁能量降低，吸收红移。3、溶剂效应在跃迁中，因激发态的极性大于基态，所以在极性溶剂中，极性溶剂对电荷分散体系的稳定能力使激发态和基态的能量都有所降低，但程度不同，前者大于后者，这就导致跃迁吸收能量较在非极性溶剂中减小，故吸收带红移。在跃迁中，极性溶剂对它的影响与跃迁相反，溶剂使得

45、跃迁的吸收带随着溶剂极性增加而蓝移。4、立体效应立体效应是指因空间位阻、构象、跨环共轭等影响因素导致吸收光谱的红移或蓝移，立体效应常常伴随增色或减色效应。空间位阻妨碍分子内共轭的发色基团处于同一平面，使共轭效应减小或消失，从而影响吸收带波长的位置。如果空间位阻使共轭效应减小，则吸收峰发生蓝移，吸收强度降低；如果位阻完全破坏了发色基团间的共轭效应，则只能观察到单个发色基团各自的吸收谱带。另外，苯环上取代有发色基团或助色基团时，如果2位或2，6位有另外的取代基，取代基的空间位阻削弱了发色基团或助色基团与苯环间的有效共轭，值将减少，这种现象又称为邻位效应。跨环效应指两个发色基团虽不共轭，但由于空间的

46、排列，使它的电子云仍能相互影响，使和改变。5、pH对紫外光谱的影响的改变可能引起共轭体系的延长或缩短，从而引起吸收峰位置的改变，对一些不饱和酸、烯醇、酚及苯胺类化合物的紫外光谱影响很大，如果化合物溶液从中性变为碱性时，吸收峰发生红移，表明该化合物为酸性物质；如果化合物溶液从中性变为酸性时，吸收峰发生蓝移，表明化合物可能为芳胺。例如，在酸性溶液中，苯酚以苯氧负离子形式存在，助色效应增强，吸收波长红移，而苯胺在酸性溶液中，NH2以NH3+存在，共轭消失，吸收波长蓝移。又如酚酞在酸性介质中，分子中只有一个苯环和羰基形成共轭体系，吸收峰位于紫外区，为无色；在碱性介质中，整个酚酞阴离子构成一个大的共轭体

47、系，其吸收峰红移到可见光区，为粉红色。第三节 有机化合物的紫外吸收光谱一、饱和化合物 1、烷烃 烷烃中只有键和电子，所以只有一种电子跃迁。这种跃迁产生的吸收峰在远紫外区，超出了一般紫外分光光度计的检测范围。所以烷烃不能用紫外光谱来研究。 2、含杂原子的饱和化合物 这类化合物除了电子外还有杂原子上的n电子，所以有和两种跃迁。后者虽然所需能量低于，但大部分化合物的吸收带仍处于远紫外区，只有部分含硫、氮以及卤素原子的化合物在近紫外区有弱的吸收，在分析方面的用处不大。 由上述讨论可知，一般饱和化合物在近紫外区没有吸收，不能直接用紫外光谱进行分析。但正是因为饱和化合物在近紫外区没有吸收，对其他物质的紫外

48、检测不会造成干扰，因此可用作紫外光谱测定时的溶剂。二、非共轭的不饱和化合物 1、非共轭的烯烃和炔烃 孤立跃迁产生的吸收带波长虽然大于，但仍落在远紫外区。如乙烯的吸收带在165nm，乙炔的吸收带在173nm。所以>C=C<、-CC虽然列为生色团，但当它们不处于共轭体系中时，在近紫外区并没有吸收。 2、含不饱和杂原子的化合物 含羰基、硝基等生色团的化合物既有电子，又有电子和n电子，所以和四种跃迁方式都存在，但仅跃迁的吸收带在近紫外区。这种由跃迁产生的吸收带称为R带。R带的特征是吸收波长较长，大都在270300nm；吸收强度弱，通常在100左右。 从这一部分讨论可以看到，孤立的生色团有时

49、不能在近紫外区产生吸收；有的生色团处在某一些化合物中，其吸收带落在近紫外区，而当它在另一些化合物中，吸收带向短波方向大幅度移动。如醛、酮的羰基跃迁在270300nm出现R带，而酸、酯羰基的R吸收带出现在200nm附近。三、含共轭体系的脂肪族化合物 当生色团之间相连形成共轭体系时，最高占有轨道和最低空轨道之间的能级差变小，无论或跃迁所需的能量均下降，吸收带红移，波长总是大于200nm，吸收强度也有所增强，一般的紫外分光光度计都能检测。所以具有共轭体系的化合物是紫外吸收光谱的研究重点。由共轭跃迁产生的吸收带称作K带。K带的特点是吸收强度强，104，吸收波长与共轭体系的大小密切相关，一般每增加一个双

50、键大约红移30nm。 在理论分析和大量实验数据归纳总结基础上建立的经验公式常用于预测比较复杂有机化合物的紫外光谱。下面介绍常见的几种经验公式。 1、共轭烯烃 共轭烯烃K吸收带的位置可用表2给出的经验方法计算。这一方法是Woodward首先提出的，后经其他研究者修正，因此称为Woodward规则。使用该经验方法计算的要点是：以给出的母体结构吸收波长为基本值，然后将结构改变部分对吸收带波长的贡献一一加上。注意只有共轭体系以及与其相连部分的结构改变时，吸收带波长才会发生变化。表2 共轭烯烃吸收带波长的计算法基团对吸收带波长的贡献（nm）共轭双烯的基本骨架C=C-C=C217环内双烯36每增加一个共轭

51、双键30每一个烷基或环烷取代基5每一个环外双键5每一个助色团取代：RCOO-0 RO-6 RS-30 Cl或Br5 R2N-60例1 、计算2，3-二甲基-1，3-丁二烯K带位置（）。解：母体基本值 217nm 烷基取代两个 25计算值 227nm （实测值226nm）例2 、计算下面一个类化合物的K带最大吸收波长。解： 母体基本值 217nm 共轭双键增加2个 230 环内双键1个 36 烷基取代5个 55 环外双键3个 35 RCO2-取代1个 0 计算值 353nm （实测值 353nm） 用该规则计算四个或四个以下双键的共轭烯烃K吸收带位置时，计算结果与实测值相当吻合。超过四个双键的共

52、轭多烯可以使用Fieser-Kuhn规则。这个规则不仅可用于预测，还可以预测。式（10）和（11）是计算方程：=114+5M+n(48.0-1.7n)-16.5Rendo-10Rexo (10) =(1.74104)n (11)式中：n为共轭双键的数目，M为共轭体系上烷基或类似烷基的取代基，Rendo是共轭体系中带有桥环双键的环数目，Rexo是环外双键的数目。例3、用Fieser-Kuhn规则计算番茄红素的和。解：番茄红素共有13个双键，但只有11个双键是共轭的，n=11；在这个共轭链上有8个烷基取代，M=8；分子中既没有桥环双键，也没有环外双键，计算值为：=114+58+11（48.0-1.

53、711）-16.50-100=476nm=(1.74104)11=19.1104番茄红素以己烷为溶剂时的实测值是=474nm，=18.6104 2、-不饱和羰基化合物 分子中含有一个与烯基共轭的羰基就构成了-不饱和羰基化合物，如-不饱和酮、醛、酸等。它们的紫外光谱特征是在250200nm有一个强的K吸收带（=12104），是由共轭的跃迁产生的；另外在300nm以上有一个产生的弱的R带（小于100）。后者强度太弱，一般很不清晰，因此经验方法主要是用于预测K吸收带的位置。计算方法同Woodward规则。 羰基化合物有极性，所以-不饱和羰基化合物的K带和R带位置均与溶剂有关。溶剂极性增强使-不饱和羰

54、基化合物的K带红移，R带蓝移。孤立羰基也有同样的溶剂效应。四、芳香族化合物 芳香族化合物均含环状共轭体系，有共轭的跃迁，因此也是紫外吸收光谱研究的重点之一。 1、苯和取代苯 苯分子有三个共轭双键，因此有三个成键轨道和三个反键轨道，跃迁时情况比较复杂，可以有不同的激发态。苯有三个吸收谱带：E1带位于184nm（约为6104），E2带在204nm（为7900），B带（苯的）位于256nm（约为200）。由于E1带在远紫外区，仪器检测不到。E2带在近紫外区的边缘，对苯而言意义不大。当苯环上连有助色团或生色团时，E2带红移，且强度较大，重要性大大提高。B带的吸收强度虽然较弱，但因在气相或非极性溶剂中测

55、定时呈现出精细结构，使之成为芳香族化合物的重要特征。这种精细结构是因为在电子能级跃迁产生的吸收上叠加振动能级跃迁吸收造成的。在极性溶剂中，溶质与溶剂分子的相互作用使这种精细结构减弱或消失。 当助色团与苯环直接相连时，取代苯的E2和B带红移，吸收强度也有所增强，但B带的精细结构消失，这是由于共轭所致。分子中共轭体系的电子分布和结合情况影响紫外吸收带。如苯酚在碱性水溶液中测定时，E2和B带红移；而苯胺在酸性水溶液中测定时，E2和B带均紫移。 当生色团与苯环相连时，B带有较大的红移，同时在200250nm出现强的K带，>104。有时会将B带、E2带淹没，对光谱带的完整解释较为困难。 2、稠环芳烃 与苯环相似，稠环芳烃也有E1、E2和B三个吸收带，三个带都伴随有振转能级跃迁的精细结构。随着稠环环数的增加，共轭体系增大，三个吸收带的波长均红移，E1带出现在200nm以上，E2或B带可能进入可见光区域，吸收强度也大大增加。线性排列的稠环（萘、蒽、并四苯等）三个吸收带红移的幅度不同，E2带的移动幅度较大，因此常常出现B带被E2带淹没的情形。角型稠环（如菲等）三个吸收带移动幅度相似，保持E1、E2、B带波长增大的次序。 3、芳香族杂环化合物 芳香族杂环化合物可分为五元杂环、六元杂环以及含杂原子的稠环。它们的紫外光谱与苯系芳烃有相似之处。如吸