第十章紫外2010学生冲突时文件

2023/1/111

ultraviolet-visible

spectrophotometryChapter102023/1/112本章内容§1

基本原理和概念§2紫外－可见分光光度计§3紫外－可见分光光度分析方法思考题与习题2023/1/113紫外-可见分光光度法

ultraviolet-visible

spectrophotometry；（UV-Vis）是利用某些物质的分子，吸收200～760nm光谱区的辐射来进行分析测定的方法。紫外-可见吸收光谱的产生

由于分子吸收紫外-可见光区的电磁辐射，分子中价电子（或外层电子）的能级跃迁而产生。

（吸收能量=两个跃迁能级之差）概述2023/1/114特点：

①灵敏度较高，一般可达10-4～10-7g/ml，适用于微、痕量分析。

②准确度和精密度高。准确度一般为0.5%，相对偏差一般为2%～5%。③应用范围广④仪器操作简便、快速。2023/1/115§1基本原理和概念一、电子跃迁类型二、常用概念三、吸收带及其与分子结构的关系四、影响吸收带的因素五、

Lambert-Beer定律六、偏离Beer定律的因素2023/1/116紫外吸收光谱是由分子的价电子的跃迁产生的。有机化合物分子中有几种不同性质的价电子：形成单键的电子称为σ电子；

形成双键的电子称为π电子；

O、N、S和X等杂原子上的未参与成键的孤对电子称为n电子（或p

电子）。一、电子跃迁类型1.价电子2023/1/117

轨道电子围绕分子或原子运动的几率分布叫轨道，轨道不同，电子所具备的能量不同。σ→σ﹡＞n→σ﹡≥π→π﹡＞n→π﹡2023/1/1181.σ→σ﹡跃迁

饱和烃只有能级低的σ键，跃迁需要较大的能量，饱和烃类吸收峰一般都小于150nm，超出一般紫外的测定范围。有机化合物吸收光谱的跃迁类型

2.π→π﹡跃迁

不饱和双键中的π电子，孤立的π→π﹡跃迁一般在200nm左右，其特征是吸光系数ε很大，一般ε＞104，为强吸收。2.π→π﹡跃迁

不饱和双键中的π电子，孤立的π→π﹡跃迁一般在200nm左右，其特征是吸光系数ε很大，一般ε＞104，为强吸收。2023/1/11113.n→π﹡跃迁

含有杂原子不饱和基团，如C=O、C=S、-N=N-等化合物，激发n电子跃迁到π﹡反键轨道。一般在近紫外区(200-400)，ε小（10-100），吸收强度弱。3.n→π﹡跃迁

含有杂原子不饱和基团，如C=O、C=S、-N=N-等化合物，激发n电子跃迁到π﹡反键轨道。一般在近紫外区(200-400)，ε小（10-100），吸收强度弱。4.n→σ﹡跃迁

某些含－OH，-NH2，-X，-S等基团连在分子上时，杂原子中孤对电子可产生n→σ﹡跃迁,在200nm左右，吸收强度弱。5.电荷迁移跃迁某些分子既是电子给体，又是电子受体，当电子受辐射能激发从给体外层轨道向受体跃迁时（即分子内氧化还原反应），就会产生较强的吸收，这种光谱称为电荷迁移光谱。5.电荷迁移跃迁如苯酰基取代物在光作用下的异构反应。有机物无机

当吸收紫外可见辐射后，分子中原来定域在金属M轨道上的电荷转移到配位体L的轨道，或按相反方向转移，这种跃迁称为电荷转移跃迁，所产生的吸收光谱称为荷移光谱。

例：Fe3＋与SCN－形成血红色配合物，在490nm处有强吸收峰。其实质是发生了如下反应：

[Fe3＋SCN－]

＋hν=[Fe2＋SCN]5.电荷迁移跃迁▲谱带较宽的强带▲谱带处于长波长处▲

max>1045.电荷迁移跃迁特点：配位场跃迁包括d-d跃迁和f-f跃迁。元素周期表中第四、五周期的过度金属元素分别含有3d和4d轨道，镧系和锕系元素分别含有4f和5f轨道。在配体的存在下，过度元素五个能量相等的d轨道和镧系元素七个能量相等的f轨道分别分裂成几组能量不等的d轨道和f轨道。6.配位场跃迁2023/1/1119（一）吸收光谱的特性

不同的物质有不同的吸收峰。吸收光谱上的λmax、λmin、λsh及整个吸收光谱的形状取决于物质的分子结构，可用作定性。

二、常用概念

2023/1/1120红移亦称长移：由于化合物结构改变，如，共轭作用，引如助色团以及溶剂改变等，使吸收峰向长波方向移动。蓝(紫)移亦称短移：当化合物的结构改变时或受溶剂影响使吸收峰向短波方向移动。增色效应和减色效应

由于化合物结构改变或其它原因，使吸收强度增加称增色效应或浓色效应；使吸收强度减弱称减色效应或淡色效应。强带和弱带

摩尔吸光系数εmax＞104的吸收峰称为强带

εmax＜103的吸收峰称为弱带（二）常用术语生色团：

能在紫外可见光范围内产生吸收的原子团。2023/1/1122助色团一些基团，本身并不产生吸收峰，但与生色团共存于同一分子时，可引起吸收峰的位移和吸收强度的改变。2023/1/1123R带

由n→π﹡跃迁引起的吸收带，是含杂原子的不饱和基团，如＞C=O、-NO、-NO2、

-N=N-等这一类发色团的特征。波长范围(～300nm)；是弱吸收，ε＜100。K带

相当于共轭双键中π→π﹡跃迁所产生的吸收带。吸收峰约在210～250nm，ε＞104，为强带。

三、吸收带及其与分子结构的关系（一）吸收带：

吸收峰在紫外-可见光谱中的位置。2023/1/1124B带：

→

*

与苯环振动引起；含取代基时，B带简化，红移。λmax=254nm，宽带，具有精细结构；εmax=200极性溶剂中，或苯环连有取代基，其精细结构消失E带环状共轭系统的π→π﹡跃迁所产生E1180nmεmax>104

（常观察不到）E2200nmεmax=7000强吸收苯环有发色团取代且与苯环共轭时，E2带红移（长移）2023/1/1125

(二)例：苯乙酮

根据以上各种跃迁的特点，我们可以利用它来预测一个化合物的紫外吸收带可能出现的波长范围及吸收带的类型，如：羰基双键与苯环共扼：K带强；苯的E2带与K带合并，红移；取代基使B带简化；氧上的孤对电子：R带，弱；CCH3O紫外光谱的特点：吸收谱带很少：很多电子能级之间的跃迁不能检测谱带很宽：这是因为电子能级跃迁的同时伴随着多种振动和转动能级跃迁。有机物紫外吸收与结构关系的一般规律：220～250nm有强吸收带(εmax约为104)K带：表明存在两个双键的共轭体系，如共轭二烯烃或α,β-不饱和酮;300nm以上有高强吸收带说明有更大的共轭体系存在。

270～350nm有低强度吸收带（εmax为10～100）R带:表明分子中有带n电子的生色团。若同时200nm附近无其他强吸收带，说明该生色团是孤立的。250～300nm处有中等强度吸收带（εmax约103）并且有时呈现精细结构，且在200nm附近有强吸收带，说明分子中含有苯环或杂芳环。根据吸收带位置和经验公式可以估计芳环上的助色团或生色团种类。如果谱图呈现出多个吸收带，λmax较大，甚至延伸到可见光区域，则表明有长共轭链；若谱带有精细结构则是稠环芳烃或它们的衍生物。若210nm以上检测不到吸收谱带，则被测物为饱和化合物，如烷烃、环烷烃、醇、醚等，也可能是含有孤立碳碳不饱和键的烯、炔烃或饱和的羧酸及酯。2023/1/11291.空间效应

若二个发色团由于立体阻碍它们处于同一平面上，就会影响共轭效应例如，二苯乙烯有顺反两种异构体四、影响吸收带的因素2023/1/11302.溶剂效应

影响吸收峰位置外，还影响吸收强度和光谱形状。溶剂的极性不同还会使吸收波长也发生改变。极性较大的溶剂，一般使π→π﹡跃迁谱带红移；而使n→π﹡跃迁谱带蓝移。对吸收光谱精细结构影响：溶剂极性↑，苯环精细结构消失。图表图化合物在溶液中的紫外吸收光谱受溶剂影响较大，所以一般应注明所用溶剂。2023/1/1131其原因为化合物基态较激发态极性强，它和极性溶剂形成较强烈的氢键，从而增加了跃迁的能量，导致蓝移。其原因为激发态极性较基态大，当溶剂极性增加时，激发态因生成较强的氢键，能量降低较多，因而有红移。（1）同一种物质由于使用的溶剂不同，得到的紫外—可见吸收光谱的峰形和最大吸收位置可能不一样，所以在测定物质的吸收光谱时，一定要注明所使用的溶剂（2）尽量选用低极性溶剂；（3）能很好地溶解被测物，并且形成的溶液具有良好的化学和光化学稳定性；（4）溶剂在样品的吸收光谱区无明显吸收。（5）截止波长<λmax溶剂选用的规则：2023/1/1133λmax235nm，287nmλmax210.5nm，270nm3.溶剂pH值的影响

当被测物质具有酸性或碱性基团时，溶剂的pH值对紫外吸收光谱的影响是比较普遍。4.温度的影响温度降低减小了振动和转动对吸收带的影响，呈现电子跃迁的精细结构5.跨环效应

λmax300.5nm280nmεmax292～150

2023/1/1136五、

Lambert-Beer定律

是吸收光度法的基本定律，该定律是描述物质对单色光吸收的强弱与吸光物质的浓度和厚度之间关系。2023/1/1137（一）定律推导

假设溶液是吸光物质的稀溶液（＜0.01mol/L）入射光是单色光

2023/1/1138透光率T与浓度C

或厚度L之间为指数函数的关系。

I0

为入射光强度，I为透射光强度

透光率(transmitance，T)常用百分数表示，T%

2023/1/1139

吸光度A

(absorbance)

吸光度与浓度或厚度为简单的正比关系L-B定律物理意义：

当一束单色光通过含有吸光物质的溶液后，溶液的吸光度与吸光物质的浓度及吸收层厚度成正比。2023/1/1141（二）吸光系数

吸光物质在单位浓度及单位厚度时的吸光度表明物质对某一特定波长光的吸收能力。2023/1/11421．摩尔吸光系数

在一定波长下，C=1mol/L，L=lcm

时的吸光度，用ε或E标记。2．百分吸光系数或称比吸光系数

在一定波长下，C=1g/100ml，L=lcm时的吸光度，用表示。

3.两种表示方式之间的关系

与吸光物质的性质、入射光波长及温度等因素有关,当组分性质、温度和溶剂一定，E=f（λ）它可作为定性鉴别的参数还可用来估量定量分析的灵敏度。（二）吸光系数

2023/1/1144六、偏离Beer定律的因素在推导L-B定律时包含了这样两个假设：溶液是吸光物质的稀溶液（＜0.01mol/L

）入射光是单色光

依据Beer定律，A与C关系应为经过原点的直线偏离Beer定律的主要因素表现为以下两个方面2023/1/1145（一）化学因素p.192

吸光组分发生缔合、离解、互变异构、形成配位物等。与吸光物质的性质、入射光波长及温度等因素有关,当组分性质、温度和溶剂一定，E=f（λ）(二)

光学因素

1．非单色光的影响照射物质的光经单色器分光后并非真正单色光，其波长宽度由入射狭缝的宽度和棱镜或光栅的分辨率决定。为了保证透过光对检测器的响应，必须保证一定的狭缝宽度，这就使分离出来的光具一定的谱带宽度(二)

光学因素

1．非单色光的影响2023/1/1148如：复合光(入射光强度为），透过光强度为I1+I2

，所得吸光度值为：

只有当EI=E2时，A与C

成线性。（E2－EI）的差值↑，A与C偏差线性↑

。

对策：选择较纯单色光（Δλ↓，单色性↑）

选λmax作为测定波长（ΔE↓，S↑且成线性）2．杂散光的影响杂散光：指从单色器分出的光不在入射光谱带宽度范围内，与所选波长相距较远的光。来源：仪器本身缺陷；光学元件污染造成杂散光可使吸收光谱变形，吸光度变值。对策：避免使用末端吸收波长2023/1/11503．反射光和散色光的影响吸光质点对入射光有散射，入射光在吸收池内界面之间产生反射，均是入射光带谱宽度内的光，直接对T产生影响。散射和反射使T↓，A↑，吸收光谱变形。一般可用空白对比校正消除4．非平行光的影响

倾斜光通过吸收池将比平行光的光程↑，A↑，吸收光谱变形。这是同一物质在不同仪器测定吸光系数时，产生差异的主要原因之一。2023/1/1152(三)

吸光度的测量1.

吸收波长的选择

通常选择吸光物质的λmax作为分析波长。

∵灵敏度较高、吸光系数变化不大，对Beer定律的偏离程度较小。2023/1/11532.溶剂的选择

只能选择在它吸收弱的波段使用，以免干扰被测组分的测定。2023/1/11543.透光率测定误差(浓度的选择)p.194

由于光源不稳定、实验条件的偶然变动、读数不准等因素造成测量误差。上式表明：浓度测量的相对误差△C/C

取决于溶液的透光率T和仪器的△T

大小。浓度的相对误差影响测定结果的相对误差两个因素：T和ΔTΔT影响因素：仪器噪音：暗噪音；讯号噪音2023/1/1155（1）暗噪音：

与检测器和放大电路不确切性有关，与光讯号无关。如：假定ΔT＝0.5％，代入上式，计算不同T或A值时的浓度相对误差，得曲线：当T=0.368，(A=0.4340)时，△C/C

有最小值，即测量误差最小。

A

值在0.2～0.7

，或T=70%～20%，浓度测量误差约为1.4～1.6%，这时读数误差较小，是测量最适宜范围。2023/1/1156曲线表明测量误差较小的范围一直可延至较高吸光度区，对测定有利。（2）讯号噪音：

与光讯号有关

光敏元件受光照时的电子迁移，每一单位时间中电子迁移的数量是不相等的，造成了测定光强的不确定性。2023/1/1157在测定光强时，不只是由于被测物质的吸收所致，还有溶剂和容器的吸收，光的散射和界面反射等因素，都可使透射光减弱。用空白对比可排除这些因素的干扰。用空白溶液作参比，调节仪器，使参比吸收池的A=0（即T=100%）空白是指与试样完全相同的溶液和容器，只是不含被测物质。4.空白对比

当显色剂、试剂在测定波长下均无吸收时，用纯溶剂(或H20)作参比溶液，称溶剂空白；若显色剂和其他试剂无吸收，而试液中共存的其他离子有吸收，则用不加显色剂的试液为参比溶液，称为“样品空白”

；当试剂、显色剂有吸收而试液无色时，以不加试液的试剂、显色剂按照操作步骤配成参比溶液，称为试剂空白。总之，要求用参比溶液调A=0后，测得被测组分的吸光度与其浓度的关系符合朗伯—比尔定律。

空白的选择2023/1/1159§2

紫外－可见分光光度计一、主要部件二、分光光度计的类型2023/1/1160一、主要部件光源单色器样品池检测器记录装置基本结构：2023/1/1161作用：提供能量激发被测物质分子，使之产生电子光谱谱带。要求：能发射强度足够而且稳定的、具有连续光谱的光源钨灯和卤钨灯：用于可见区，适用波长350~1000nm。氢灯或氘灯：用于紫外区，发射150~400nm的连续光谱。（一）光源2023/1/1162用于盛放分析试样的器皿

可见光区用光学玻璃制成的吸收池紫外光区用熔融石英(氧化硅)制成的吸收池为保证吸光度测量的准确性，要求同一测量使用的吸收池具有相同的特性和光程长度。两只吸收池的△T%＜0.5%,否则需校正。（三）吸收池2023/1/1163二、分光光度计的类型1.简易分光光度计

如721型，使用波长范围为360～800nm，以钨灯为光源，玻璃棱镜为色散元件，检测器采用光电管。只适用于可见光区，用对照法定量分析。2023/1/1164

以752型仪器为例，波长范围为200～1000nm，以氘灯为紫外光源，钨灯为可见光源，光栅为色散元件，光电管作检测器。2.单光束分光光度计特点：使用时来回拉动吸收池→移动误差对光源要求高比色池配对适用于常规定量分析，可用于吸光系数的的测定。图11－142023/1/11653．双光束分光光度计

双光束光路是被普遍采用的光路，光路原理：图

59特点：不用拉动吸收池，可以减小移动误差对光源要求不高可以自动扫描吸收光谱2023/1/11665.多通道仪器（MultichannelInstruments）光电二极管阵列photodiodearrays(PDAs)

同时测量200～820nm范围内的整个光谱,比单个检测器快316倍,信噪比增加3161/2倍.

三、仪器的校正当光度计使用一段时间后其波长和吸光度将出现漂移，因此需要对其进行校正。波长标度校正：

使用镨-钕玻璃（可见光区）和钬玻璃（紫外光区）进行校正。因为二者均有其各自的特征吸收峰。吸光度标度校正：

采用K2CrO4

标准液校正（在25°C时，于不同波长处测定0.04000g/L的KOH溶液（0.05mol/L）的吸光度A，调整光度计使其A达到标准吸光度。2023/1/1168§3分析方法一、定性鉴别二、纯度检测三、单组分的定量分析方法四、多组分样品的定量方法五、有机化合物分子的结构研究六、光电比色法2023/1/1169对比吸收光谱特征数据

吸收峰的位置（波长）λmax

吸收峰值的吸收系数

定性鉴别的依据→吸收光谱的特征或一、定性鉴别2023/1/1170

安宫黄体酮

(M=386.53)λmax=240±1nm

=408

炔诺酮(M=298.43)λmax=240±1nm

=5712023/1/1171

2．对比吸光度的比值例如：维生素B12的鉴别：

λ278、λ361、λ550

药典规定A361nm/A278nm＝1.70～1.88

A361nm/A55Onm＝3.15～3.45

2023/1/11723．对比吸收光谱的一致性

试祥与已知标准品配制成相同浓度的溶液，在同一条件下分别描绘吸收光谱，核对图谱是否一致或与标准图谱（如Sadtler标准图谱）对照比较。2023/1/1173

二、纯度检测

例：乙醇和环己烷中若含少量杂质苯，苯在256nm处有吸收峰，而乙醇和环己烷在此波长处无吸收。（1）峰位不重叠

主成分无吸收，杂质有吸收→直接考察杂质含量（2）峰位重叠

主成分强吸收，杂质无吸收/弱吸收→与纯品比较，E↓

杂质强吸收

>>主成分吸收→与纯品比较，E↑，1．杂质检查2023/1/1174例：肾上腺素中微量杂质——肾上腺酮含量计算

2mg/mL-0.05mol/L的HCl溶液，λ310nm下测定规定

A310≤0.05

即符合要求的杂质限量≤0.06%2．杂质的限量检测

2023/1/1175有时用峰谷吸收度的比值控制杂质的限量

碘磷定的峰谷吸收度之比值作为杂质的限量检查指标纯品碘磷定的A294/A262=3.39，如果它有杂质，则在262nm处吸收度增加，使峰谷吸收度之比小于3.39。为了限制杂质的含量，可规定一个峰谷吸收度比的最小允许值。2023/1/1176三、单组分的定量分析方法

（一）吸光系数法（绝对法）

根据Beer定律

C=A/EL，

L、E

已知，测A，求出

C。2023/1/1177例：（P.209例1）

维生素B12

的水溶液在361nm处的百分吸光系数为207，用1cm比色池测得某维生素B12溶液的吸光度是0.414，求该溶液的浓度。解：计算结果是100ml中所含克数。2023/1/1178

若用紫外分光光度法测定原料药物的含量，可按上述方法计算C

测及百分质量分数

也可将待测样品的溶液吸光度（A）换算成百分吸光系数（），然后与标准品的百分吸光系数相比来求样品的百分质量分数。2023/1/1179

例2

精密称取维生素Bl2样品25.0mg用水溶成1000ml后，盛于lcm吸收池中，在361nm处测得吸光度A为0.507，求B12的百分含量？解法1：解法2：2023/1/1180(二)标准（校正）曲线尤其适用比色分析2023/1/1181三、对照法（外标一点法）

这种方法需要标准品，但可在一定程度上克服测定条件对结果的影响，如波长的精度、狭逢宽度的影响等，是提倡使用的方法。2023/1/1182四、多组分样品的定量方法

—计算分光光度法

在多组分体系中，同时存在有a、b、c…等吸光物质：体系的总吸光度等于各组分吸光度之和，即各物质在同一波长下，吸光度具有加和性。

A总=Aa+Ab+Ac+……

=EaCaL+EbCbL+EcCcL+……

2023/1/1183四、多组分样品的定量方法

—计算分光光度法

分别按单组分定量1.两组分吸收光谱不重叠（互不干扰）2023/1/11842．两组分吸收光谱部分重叠

λ1→测A1；b组分不干扰，可按单组分定量测Caλ2→测A2；a组分干扰，按多组分定量测,

求Cb

2023/1/11853．两组分吸收光谱完全重叠——混合样品测定（1）解线性方程组法（2）等吸收双波长消去法（3）系数倍率法（4）导数光谱2023/1/1186（1）解线性方程组法:2023/1/1187（2）等吸收双波长消除法

(dual-wavelengthspectrophotometry)

消除b的干扰以测定a

从干扰的吸收光谱上选择两个吸光度相等的波长λl和λ2

。

λl为测定波长，

λ2为参比波长，测定混合物的吸光度得方程组∶双波长法2023/1/1188在λl处：

在λ2处：

则双波长给出吸光度为：2023/1/1189选择波长应注意：

①干扰组分b在这两个波长应具有相同的吸光度即：②待测组分a在这两个波长处的吸光度差值愈大，灵敏度愈高。2023/1/1190（3）导数光谱法

(derivativespectrophotometry)

2023/1/1191A．导数光谱的波型和特点：用高斯曲线模拟一个吸收峰，其一至四阶导数函数

①零阶光谱的极大时，在奇数阶(n=1，3…)的导数中相应于零。偶数阶(n=2，4…)的导数中，相应于一个极值。②零阶光谱上的拐点，在奇数阶导数中产生极值，在偶数阶导数中为零。③随着导数阶数增加，极值数目增加。2023/1/1192导数光谱能够分辩两个相互重叠的光谱，尤其是对被宽带淹没了的肩峰很敏感。它能够消除胶体悬浮物散射影响和背景吸收，提高光谱分辨率。导数光谱给出的更多信息，可应用于定性鉴别、结构分析以及痕量测定等方面。2023/1/1193B．导数光谱的定量依据

吸收光谱服从Beer定律，吸光度是波长的函数：对λ求导，有

上式表明，导数信号与浓度成正比，这是导数光谱的定量依据。2023/1/1194C．导数光谱法定量数据的测量

几何法是采用导数光谱上适宜的振幅作为定量信息的方法，常用的有①基线法(或正切法)②峰谷法③峰零法

测定前需用标准品在选定的条件下，求得测量值与浓度间的线性关系(工作曲线或直线方程)，而后在相同条件下测定。2023/1/1195例：乙醇中痕量苯的检定

乙醇中常含有痕量芳烃（苯、甲苯或二甲苯）一般紫外检查：