仪器分析02-紫外可见光光谱

1、UV/Vis Spectroscopy中南民族大学紫外可见光分光光度法紫外可见光分光光度法内容内容(contents)概述概述紫外可见光谱的产生紫外可见光谱的产生光的吸收定律光的吸收定律仪器和测量方法仪器和测量方法紫外光谱和分子结构紫外光谱和分子结构为什么先讲紫外可见光谱为什么先讲紫外可见光谱?我们的世界是彩色的。为什么？发射的光(light emit)吸收的光(light absorbed)一束白光透过蓝色的玻璃，出来的是什么颜色的光？大海和天空为什么是蓝色的？什么颜色的光被吸收了？所以可见光光谱是最早发现并使用的光谱分析方法光的互补色光的互补色能复合成白光的两能复合成白光的两种颜色的光叫种

2、颜色的光叫互补互补色光。色光。物质所显示物质所显示的的颜色是吸收光颜色是吸收光的互补色。的互补色。概述概述(Overview)分光光度法：以物质对光的选择性吸收为基础的分析方法。根据物质所吸收光的波长范围不同，分光光度分析法又有紫外、可见及红外分光光度。Based on the characteristic absorption to light for different materials.本仪器方法特点(Features)：灵敏度高(good sensitivity): 1-10-5%, 微量分析(micro-assay)简单易用，仪器方便，应用广泛 widely used due to

3、 easy operation and low cost光谱光谱(Spectrum)X-rayFar UV紫外UV200-400 nm可见Visible400-800 nm红外IR2.5-15mFar IRMWRFBond breakage化学键破裂Electron transition电子跃迁Vibrational Transition振动跃迁RotationalTransition转动跃迁NuclearSpin核自转ElectronSpin电子自转核磁NMR1-5m波长Wavelength l频率Frequency n or 能量energy E紫外和可见光紫外和可见光(UV/Vis li

4、ght)光的波长和能量(some facts)紫外光近紫外(near UV): 200 400 nm, 3 6 eV真空紫外(vacuum UV): 100 200 nm, 6 12 eV可见光波长: 400 800 nm能量: 1.5 3 eV一般的电子跃迁能量变化在1 20 eV典型光谱图典型光谱图(spectrum)带状光谱：电子跃迁的同时，伴随着振动转动能级的跃迁。Transition between vibrational and rotational energy levels always occurs in electron transition, resulting in t

5、he band-shaped spectrum.物质对光的选择性吸收物质对光的选择性吸收物质吸收光之后基态变到激发态 M + hn M*因为能级的量子化，光的吸收只能是选择性的；分子结构的复杂性决定了每一种物质对于光的吸收程度都不同；用不同波长的单色光照射，测量光度-吸收曲线与最大吸收波长。M + heatM + hn2 有关吸收曲线有关吸收曲线(absorption curve)同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称为度最大处对应的波长称为最大吸收波长最大吸收波长-maxmax不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似，不同浓度的同

6、一种物质，其吸收曲线形状相似，maxmax不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和和maxmax则不同。则不同。吸收曲线可以提供物质的结构信息，并作为物吸收曲线可以提供物质的结构信息，并作为物质定性分析的依据之一。质定性分析的依据之一。有关吸收曲线有关吸收曲线(absorption curve)不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度光度 A A 有差异，在有差异，在maxmax处吸光度处吸光度A A 的差异最的差异最大。此特性可作作为物质定量分析的依据。大。此特性可作作为物质定量分析的依据。在在maxmax处吸

7、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，所以测定最灵敏。吸收曲线是定量分析中选择入所以测定最灵敏。吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。射光波长的重要依据。紫外可见光谱的产生紫外可见光谱的产生How UV/Vis spectrum is produced?紫外光谱的产生紫外光谱的产生主要是因为物质分子的能量具有量子化(quantization)的特征，也即物质分子的能量具有不连续化的特征。每个分子都具有一系列能级(energy levels)，其中包括许多电子能级、分子振动能级以及分子转动能级。分子的总能量有以下几个部分组成：Etotal = Ee + Ev + Er紫

8、外光谱的产生（紫外光谱的产生（2）n物质分子内部三种运动形式：物质分子内部三种运动形式： （1 1）电子相对于原子核的运动；）电子相对于原子核的运动； （2 2）原子核在其平衡位置附近的相对振动；）原子核在其平衡位置附近的相对振动； （3 3）分子本身绕其重心的转动。）分子本身绕其重心的转动。n分子具有三种不同能级：电子能级、振动能级和转动能级分子具有三种不同能级：电子能级、振动能级和转动能级n三种能级都是量子化的，且各自具有相应的能量。三种能级都是量子化的，且各自具有相应的能量。n分子的内能：电子能量分子的内能：电子能量Ee 、振动能量、振动能量Ev 和转动能量和转动能量Ern其中：其中：e

9、vr 能级跃迁能级跃迁(transition)电子能级间跃迁电子能级间跃迁的同时，总伴随的同时，总伴随有振动和转动能有振动和转动能级间的跃迁。即级间的跃迁。即电子光谱中总包电子光谱中总包含有振动能级和含有振动能级和转动能级间跃迁转动能级间跃迁产生的若干谱线产生的若干谱线而呈现宽谱带。而呈现宽谱带。讨论讨论（1 1） 转动能级间的能量差转动能级间的能量差r r：0.0050.0050.0500.050eVeV，跃迁产，跃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；生吸收光谱位于远红外区。远红外光谱或分子转动光谱；（2 2） 振动能级的能量差振动能级的能量差v v约为：约为：0.050.

10、05eVeV，跃迁产生，跃迁产生的吸收光谱位于红外区，红外光谱或分子振动光谱；的吸收光谱位于红外区，红外光谱或分子振动光谱；（3 3） 电子能级的能量差电子能级的能量差e e较大较大1 12020eVeV。电子跃迁产生的。电子跃迁产生的吸收光谱在紫外吸收光谱在紫外可见光区，紫外可见光区，紫外可见光谱或分子的电可见光谱或分子的电子光谱；子光谱；讨论（讨论（2）（4 4）吸收光谱的波长分布是由产生谱带的跃迁能级间的能）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，是物质定性量差所决定，反映了分子内部能级分布状况，是物质定性的依据；的依据；（5 5）吸收谱带的

11、强度与分子偶极矩变化、跃迁几率有关，）吸收谱带的强度与分子偶极矩变化、跃迁几率有关，也提供分子结构的信息。通常将在最大吸收波长处测得的也提供分子结构的信息。通常将在最大吸收波长处测得的摩尔吸光系数摩尔吸光系数maxmax也作为定性的依据。也作为定性的依据。不同物质的不同物质的maxmax有时可能相同，但有时可能相同，但maxmax不一定相同；不一定相同；（6 6）吸收谱带强度与该物质分子吸收的光子数成正比，定）吸收谱带强度与该物质分子吸收的光子数成正比，定量分析的依据。量分析的依据。光的吸收定律光的吸收定律Law of absorption for light光的吸收定律光的吸收定律LI0IA

12、 = -lg(I/I0) = -lgT = e eLCA: 吸光度， absorbanceT: 透光度， transmittanceC: 浓度，concentratione: 吸光系数，absorptivity, mostly used as molar absorptivityL: 样品在光穿透方向的长度,path length of sample吸光系数吸光系数(absorptivity)吸光系数是有色化合物的重要特性。愈大，表示该物质对某波长的光吸收能力愈强，因而光度测定的灵敏度就越高。的值，不能直接取1mol/L 这样高浓度的有色溶液来测量，而只能通过计算求得。由于溶液中吸光物质的浓度

13、常因离解、聚合等因素而改变。因此，计算时，必须知道溶液中吸光物质的真正浓度。但通常在实际工作中，多以被测物质的总浓度计算，这样计算出的值称为表观吸光系数。文献中所报道的值就是表观吸光系数值。多成分的吸收多成分的吸收假设个成分之间无相互作用无相互作用，那么多成分的吸收可以叠加:Atotal=A1+A2+An=e1LC1+e2LC2+enLCnThe total absorption can be linearly added from the absorption of each species, provided there is no interaction among the variou

14、s species.偏离光吸收定律的原因偏离光吸收定律的原因Non-ideal absorption偏离偏离LB定律定律 (deviation from LB law)以浓度为横坐标，吸光度为纵坐标作图，应得到一通过原点的直线，称为标准曲线或工作曲线。但是，在实际工作中，当有色溶液的浓度较高时，往往不成直线positivenegative偏离偏离LB定律的原因定律的原因入射光不是单色光LB定律只适合于单色光。但实际上单波长的光不可能得到。单色光纯度越差，吸光物质的浓度越高，偏离的越严重。Single wavelength light cannot be obtained.偏离偏离LB定律的原因

15、（定律的原因（2）介质的不均匀性(inhomogeneity)当被测溶液是胶体溶液、悬浊液或乳浊液时，入射光通过溶液后除一部分被吸收外，还有一部分因溶液中存在微粒的散射作用（scattering）而损失，并使透光度减小。而当胶体或其他微粒凝聚沉淀时，又会使溶液吸光度下降。偏离偏离LB定律的原因（定律的原因（3）溶液中的化学变化(chemical composition change)溶液中的化学变化如缔合(combination)、离解(dissociation)、溶剂化(solvation)、形成新的化合物(reaction)、互变异构(tautomerism)等，使吸光度不随溶液浓度而成正

16、比地改变，而导致偏离朗伯比耳定律。HIn H+ + In-偏离偏离LB定律的可能定律的可能比色皿比色皿Ce（IV）离子的吸收光谱A：使用玻璃比色皿B：使用石英比色皿虚假峰的出现（虚假吸收）LB定律应用的要求定律应用的要求单色光 (monochromatic)低浓度 (low concentration)无荧光发生 (not fluorescent)溶液均一 (homogeneous)光照下稳定 (no photochemical reaction)溶质和溶剂之间作用的稳定性 (no variable associations between solute and solvent)仪器和测量方法

17、仪器和测量方法Instruments and Measuring Methods仪器（仪器（1）仪器（仪器（2）Double beam in spaceDouble beam in time仪器（仪器（3）多通道光谱仪-阵列检测灯源灯源(light source)钨灯1200 nm maximumTungsten lamp可见和红外区域可见和红外区域灯源（灯源（2）氘灯Deuterium lamp225 nm maximum紫外区域紫外区域测量方法测量方法1标准曲线法标准曲线法配制一系列已知的具有不同浓度的标准溶液，分别在选定波长处测其吸光度A，然后以标准溶液的浓度c为横坐标，以相应的吸光度A

18、为纵坐标，绘制出Ac关系曲线。如果符合光的吸收定律，则可获得一条直线，称为标准曲线或称工作曲线。在相同条件下测量样品溶液的吸光度，就可以从标准曲线上查出样品的浓度。Ac标准工作曲线标准工作曲线测量方法测量方法2加入标准法加入标准法n 所谓的加入标准法，即在一定浓度的试样溶液测定吸光度A0后，加入合适浓度的标准溶液，再测吸光度A1，或再加几次标准溶液，得A2, A3吸光度，计算或作图外推求试样浓度的方法。即：nA0=kC样；A1=k(C样C标）n设试样体积为V0;加入的标准溶液体积为V标，则：A1=k(C样V0+ C标V标)/(V0+V标），联解方程可求出C样。或用A对C标作图，外推求出C样。二

19、元组分的测定二元组分的测定11111222221 21212121 2121212AAAccAAAcclllllllllleeee数据处理数据处理 - deconvolution数据处理数据处理 - baseline三点校正方式Three-point correction数据处理数据处理 baseline (2)基线扣除后的吸收谱误差误差 error1. 光源导致的误差 (light source)； 2. 检测器的误差 (detector)； 3. 散射光的误差(stray light); 4. 综合误差 (total error): 最小误差大致在吸收度为0.7 左右，minimum at

20、 A = 0.7紫外可见光谱和分子轨道的跃迁紫外可见光谱和分子轨道的跃迁Electronic Transitions of organic compounds etc.概要概要紫外可见光谱研究的主要对象是有机分子 (Organic compounds represent the majority of the studies made in UV/Vis.)光谱的来源主要是在这些有机分子中s、p和n轨道上的电子的跃迁。(The observed transitions involve electrons engaged in s or p or non-bonding n electron o

21、rbitals.跃迁类型有s s*, n s*, n p*, p p*, d d分子轨道分子轨道(molecular orbitals)Single bond: molecular orbital.Double bond: an molecular orbitals分子轨道的形成分子轨道的形成O + O O21s2s2pO: 1s22s22p4分子中的电子分子中的电子(electron types)Example: HCHO (formaldehyde)COHnp ps sHs s s s* * 跃迁跃迁这一类型的跃迁需要比较高的能量（真空紫外部分，吸收波长小于200 nm）饱和碳氢化合物甲烷

22、： 125 nm， 乙烷： 135 nm水也是如此，因为只有s s*, n s* 的跃迁对溶剂的要求：饱和脂肪烃。不适于对极性大的物质的检测，因为没有相应的溶剂n s s* * 跃迁跃迁含有杂原子（O、N、S和Cl）的饱和有机物质：如饱和醇苯胺的吸收 （220nm）吸光系数：100 3000 醇：180nm，醚和卤素取代物：190nm。甲醇：183nm，乙醚：190nm， 乙胺：210 nm，1-氯丁烷：179nmn p p* * 跃迁跃迁比较弱，消光系数在10 100 之间认识比较多的是羰基的吸收，对应在270 295 nm之间比如乙醛最大吸收在293 nm，但是摩尔吸光系数只有12.（溶剂

23、为乙醇）p p p p* * 跃迁跃迁对应于不饱和碳碳键，如C=C吸光系数很大，1000-15000主要吸收，比较适于定量分析单个非共轭的C=C吸收大致在170nm左右乙烯的最大吸收在165 nmdd 跃迁跃迁很多金属络合物，其中金属具有没有完全填满的d轨道主要在可见光部分例如Cu(H2O)62+和Ti(H2O)63+为蓝色，高锰酸钾为紫色生色团和助色团生色团和助色团生色团 (chromophores)有机化合物中具有紫外可见吸收的功能团如不饱和键，胺基等助色团 (auxochoromophores)该功能团本身没有紫外可见吸收但是它们的存在对生色团的吸收造成了影响如醇基，醚基等共轭效应共轭效

24、应共轭效应共轭效应隔一个的不饱和键许多p 轨道的相互作用，同样许多p *轨道的相互作用吸收往长波长方向移动同时出现许多精细结构165nm 217nm p* p p p* p* p p 芳香烃的三个吸收带芳香烃的三个吸收带红移和蓝移红移和蓝移外在原因使得某一类结构的分子吸收往短波长方向移动，称为蓝移现象(blue shift or hypsochromic effect); 反方向则为红移现象 (red shift or bathochromic effect)主要的外在原因为溶剂的极性大小溶剂的极性大小溶液的pH同样可能造成蓝移或红移例子例子判断下面三种物质的吸收波长高低abc最大吸收波长最大

25、吸收波长: bca吸收强度同样吸收强度同样: cab溶剂效应溶剂效应苯甲酮在环己烷（虚线）和乙醇（实线）中的紫外吸收谱溶剂效应溶剂效应红移红移蓝移蓝移pH的影响的影响酚酞phenolphthalein取代基和吸收位置取代基和吸收位置取代基作为助色团，影响了吸收最大波长的位置定性上可以参考前面的那些效应定量上则有经验原则Fieser-Woodward rulesScott rules应用例子应用例子推测化合物中所含有的功能团如果没有紫外可见光吸收，则可能不含双键或环状共轭体系，可能是饱和有机化合物如果在200-250 nm有强吸收峰，则可能是含有两个双键的共轭体系如果在260-350 nm有强吸收峰，则至少有3-5个共轭发色团和助色团如果在270-350 nm有弱吸收峰并且无其他的强吸收峰时，则可能是含有n电子的无共轭的发色团（-C=O, -NO2, -N=N-),因为弱峰是由n p*引起的。如果在260 nm处有吸收且具备一定的精细结构，则可