紫外-可见分光光度法(研2014)

§6紫外吸收光谱法

UltravioletSpectrophotometry,UV

§6.1分子吸收光谱§6.2朗伯－比尔定律§6.3紫外－可见吸收光谱仪§6.4分析条件的选择§6.5紫外－可见吸收光谱的应用§6.1

分子吸收光谱分子吸收光谱：分子状态的样品对特定波长的光进行选择性的吸收，根据吸收的程度进行定性定量的方法研究物质在紫外、可见光区（200~800nm）的分子吸收光谱的分析方法称为紫外-可见吸收光谱法

1原理：在分子中，除了价电子相对于原子核的运动外，还有内部原子在平衡位置的振动和分子绕其质心的转动。这三种运动能量都是量子化的，并对应有一定能级，因此分子的能量为：E分子=E电子+E振动+E转动一分子吸收光谱的产生§6.1.1紫外－可见吸收光谱的产生

2能级组成：

ΔE电子：1-20eV;ΔE振动：0.05-1eV;ΔE转动：<0.05eV

电子能级间隔比振动能级和转动能级间隔大1～2个数量级，在发生电子能级跃迁时，伴有振-转能级的跃迁

由于三种能级跃迁所需能量不同，所以需要不同波长的电磁辐射使它们跃迁，即在不同的光学区出现吸收谱带，形成所谓的带状光谱

二分子吸收光谱的分类

1转动光谱或远红外光谱：分子的转动能级差一般在0.005~0.05eV，产生此能级的跃迁，需吸收波长约为250~25m的远红外光

2振-转光谱或红外光谱：分子的振动能级差一般在0.05~1eV，需吸收波长约为25~1.25m的红外光，在分子振动时同时有分子的转动运动

3电子光谱或紫外、可见吸收光谱：电子能级的跃迁能差约为1~20eV，所吸收光的波长约为12.5~0.06m，主要在真空紫外到可见光区

不同物质结构不同或者说其分子能级的能量间隔各异，因此不同物质将选择性地吸收不同波长或能量的外来辐射，这是UV-Vis定性分析的基础

苯蒸气的吸收曲线问题：是否所有分子都有紫外吸收？三紫外－可见吸收光谱跃迁类型价电子：σ电子→形成单键（头碰头）

π电子→形成双键（肩并肩）

n电子→孤对电子(不成键)分子轨道理论要点（1）分子轨道理论认为，在分子中电子不是属于某个特定的原子，电子是在分子轨道中运动（2）分子轨道是由分子中原子的原子轨道线性组合而成，形成的分子轨道数目与组合前的原子轨道数目相等（3）原子轨道线性组合成分子轨道，分子轨道中能量高于原来原子轨道者称为反键分子轨道，能量低于原来原子轨道者称为成键分子轨道

原子轨道在组合成分子轨道时，要遵循对称性匹配原则、能量相近原则和轨道最大重叠原则成键轨道与反键轨道：σ<π<n<π*<σ*不饱和化合物共轭体系化合物四相关的基本概念1吸收光谱（吸收曲线）：不同波长光对样品作用不同，吸收强度不同,以A~λ作图所得的曲线2吸收光谱特征：定性依据

吸收峰→λmax

吸收谷→λmin

肩峰→λsh

末端吸收→饱和σ-σ跃迁3生色团（发色团）：分子中含有非键或π键的电子体系，能吸收紫外可见光的原子基团或结构单元例：C＝C；C＝O；C＝N；—N＝N—注：当出现几个发色团共轭，则几个发色团所产生的吸收带将消失，代之出现新的共轭吸收带，其波长将比单个发色团的吸收波长长，强度也增强4助色团:本身无紫外吸收，含有孤对电子，可使生色团吸收峰向长波方向移动并提高吸收强度的一些官能团生色团实例溶剂max/nmmax跃迁类型烯C6H13CH=CH2正庚烷17713000→*炔C5H11C≡CCH3正庚烷17810000→*羰基CH3COCH3异辛烷27913n→*CH3COH异辛烷29017n→*羧基CH3COOH乙醇20441n→*酰胺CH3CONH2水21460n→*偶氮基CH3N=NCH3乙醇3395n→*硝基CH3NO2异辛烷28022n→*亚硝基C4H9NO乙醚300100n→*硝酸酯C2H5ONO2二氧六环27012n→*助色团化合物溶剂max/mmax/(L.mol-1.cm-1)--CH4,C2H6气态150,165___---OHCH3OH正己烷177200---OHC2H5OH正己烷186___---ORC2H5OC2H5气态1901000---NH2CH3NH2--173213---NHRC2H5NHC2H5正己烷1952800---SHCH3SH乙醇1951400---SRCH3SCH3乙醇210,2291020,140---ClCH3Cl正己烷173200---BrCH3CH2CH2Br正己烷208300---ICH3I正己烷2594005红移和蓝移：由于化合物结构变化（共轭、引入助色团取代基）或采用不同溶剂后吸收峰位置向长波方向的移动，叫红移（长移）吸收峰位置向短波方向移动，叫蓝移（紫移，短移）6增色效应和减色效应增色效应：吸收强度增强的效应减色效应：吸收强度减小的效应7强带和弱带：

εmax>105→强带;εmin<103→弱带1饱和烃及取代烃

饱和单键碳氢化合物含有C-H和C-C键，只含有σ键电子,一般在远紫外区才有吸收，又称为真空紫外区；因为小于160nm的紫外光要被空气中的氧所吸收，因此需要在无氧或真空中进行测定，所以应用不多；这类化合物在紫外吸收光谱中常用作溶剂，如己烷，庚烷，环己烷等五有机化合物的紫外－可见吸收光谱

2不饱和烃及共轭烯烃

这类化合物含有孤立双键和共轭双键，都含有π电子，吸收能量后可产生π－π*跃迁由共轭双键（两个双键被一个单键隔开时称为共轭体系）中跃迁产生的吸收带称为K（π－π*）带特点：强度大，摩尔吸收系数大，通常在104－2×104Lmol-1cm-1，吸收峰的位置一般在217－280nm；K吸收带的波长和强度与共轭体系的数目，位置和取代基的种类有关3羰基化合物（醛酮）醛酮中均含有羰基，含有n，σ和π电子，可产生n－σ*，π－π*和n－π*三个吸收带，n－π*又称为R带，落于近紫外或紫外光区，吸收带出现在270－300nm，强度低，吸收系数为10－20，并且谱带略宽醛酮的羰基与双键共轭时，形成不饱和醛酮类化合物，发生红移，强度增强4苯及其取代物苯有三个吸收带，它们都由π－π*跃迁引起的B带：由苯环本身振动及闭合环状共轭双键π-π*跃迁而产生的吸收带，是芳香族（包括杂环芳香族）的主要特征吸收带特点：在230～270nm呈现一宽峰，且具有精细结构，λmax=255nm，εmax约200，属弱吸收,常用来识别芳香族化合物气态或非极性溶剂中的B带：由于振动跃迁在基态电子跃迁上的叠加有许多的精细结构极性溶剂中的B带：溶质与溶剂分子的相互作用使这种精细结构消失E吸收带：E带也是芳香族化合物的特征吸收谱带，可以认为是苯环内三个乙烯基共轭发生的π-π*跃迁所发生的E1带：180nm（ε＞104）E2带：200nm（ε<7000El带是观察不到的，当苯环上有生色团取代且与苯环共轭时，E2带常与K带合并，吸收峰向长波移动，例如苯乙酮为苯乙酮的紫外吸收光谱,溶剂:正庚烷K带：λmax=240nm，ε=13000B带：λmax=278nm，ε=1100R带：λmax=319nm，ε=505稠环及杂环化合物与苯相比，稠环芳香族化合物的紫外吸收光谱的最大特征是共轭体系增加，使波长红移，吸收强度增强；且随着苯环数目的增多，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，喹啉与奈相似。此外，由于引入含有n电子的N原子，这类杂环化合物还可能产生n*吸收带6无机化合物的紫外可见吸收光谱产生无机化合物紫外、可见吸收光谱的电子跃迁形式，一般分为两大类：电荷迁移跃迁和配位场跃迁（1）电荷迁移跃迁

在配合物的中心离子和配位体中，当一个电子由配体的轨道跃迁到与中心离子相关的轨道上时，可产生电荷迁移吸收光谱

不少过渡金属离子与含生色团的试剂反应所生成的配合物以及许多水合无机离子，均可产生电荷迁移跃迁,εmax较大(104

以上)，可用于定量分析

此外，一些具有d10电子结构的过渡元素形成的卤化物及硫化物，如AgBr、HgS等，也是由于这类跃迁而产生颜色(二）配场跃迁过渡元素的d轨道或f轨道为简并轨道，当与配位体配合时，轨道简并解除，d或f轨道发生能级分裂。如果轨道未充满，则低能量轨道上的电子吸收外来能量时，将会跃迁到高能量的d或f轨道，从而产生吸收光谱。吸收系数εmax较小(102)，很少用于定量分析；多用于研究配合物结构及其键合理论d轨道电子云分布及在配场下的分裂示意图§6.1.2影响紫外可见吸收光谱因素一溶剂效应1对λmax影响：

吸收带正己烷CH3ClCH3OHH2O波长位移→*λmax/nm230238237243红移n→*λmax/nm329315309305紫移溶剂对亚异丙基丙酮吸收带的影响

一般来说,随着溶剂极性增大,→*跃迁吸收峰红移,n→*跃迁吸收峰紫移2对吸收光谱精细结构影响

随着溶剂极性的增大,分子振动转动受到限制,精细结构就会消失,合并为一条宽而低的吸收带吸收光谱溶剂选择依据：（1）尽量选用低极性溶剂（2）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

（3）溶剂在样品的吸收光谱区无明显吸收。下表列出紫外、可见吸收光谱中常用的溶剂，以供选择时参考溶剂使用波长范围/nm溶剂使用波长范围/nm水>210甘油>230乙醇>210氯仿>245甲醇>210四氯化碳>265异丙醇>210乙酸甲酯>260正丁醇>210乙酸乙酯>26096%硫酸>210乙酸正丁酯>260乙醚>220苯>280二氧六环>230甲苯>285二氯甲烷>235吡啶>303己烷>200丙酮>330环己烷>200二硫化碳>375二共轭体系的存在----红移如CH2=CH2,λmax165~200nm

而1,3-丁二烯,λmax=217nm

由于相间的π键与π键相互作用，产生π－π*共轭效应，生成大π键，使π*轨道的能量降低，π→π*跃迁所需的能量也减小，所以生色团的吸收谱带移向长波区和吸收强度增加共轭双键数增加，红移增大§6.2Lamber－Beer定律§6.2.1

透射比和吸光度§6.2.2

Lamber－Beer定律§6.2.3偏离Lamber－Beer定律的因素透过光的强度(Ⅰt)和入射光强度(Ⅰo)之比称为透光度（T)：

T=Ⅰt/Ⅰo为表示物质吸收光的程度引入吸光度(A)概念：§6.2.1

透光度和吸光度§6.2.1Lamber-Beer定律

1内容：描述物质对单色光吸收强弱(吸光度）与液层厚度和待测物浓度的关系A=εbc=abc(波长一定）朗伯(Lambert)像

2吸光系数（1）吸光系数的物理意义：单位浓度、单位厚度的吸光度当b以cm,c以g/L为单位时,吸光系数以a表示:

a=A/(bc)当b以cm,c以mol/L为单位时,摩尔吸光系数以ε表示ε=A/(bc)

（2）吸光系数的性质

1）吸光系数与组分性质、温度和溶剂以及波长有关

2）吸光系数越大，物质对光吸收能力↑,定量测定灵敏度↑

3Lamber-Beer定律讨论（1）Lamber-Beer定律的适用条件（前提）入射光为单色光；溶液是稀溶液（2）该定律适用于固体、液体和气体样品

（3）在同一波长下各组分吸光度具有加和性

如有一复杂试样，其中含有几个组分，各个组分都有各自的吸光系数ε，浓度c和吸光度A，那么溶液的吸光度等于各组分的吸光度之和：

A=A1+A2+A3+…+An=ε1c1b+ε2c2b+ε3c3b+…+εncnb例1某有色溶液，用1cm比色皿时其透射比为T，如改用2cm比色皿时其透射比为多少？解例2已知某一有机化合物，在波长520nm处的摩尔吸光系数为9.29×104L/（molcm)，今用2cm的吸收池，在该波长处测得的吸光度为0.89，求有色化合物的浓度？解：c=A/εb=0.89/(9.29×104×2)=4.79×10-6§6.2.3偏离朗伯－比尔定律的因素依据Lamber-Beer定律，A与C关系应为经过原点的直线偏离Lamber-Beer定律的主要因素表现为以下两个方面一光学因素二化学因素

A=εbc一光学因素1．非单色光的影响：Lamber-Beer定律应用的重要前提——入射光为单色光

一般仪器所获得的入射光是具有一定波长范围的复合光，由于物质对不同波长的光有不同的吸光系数，从而使得吸光度的变化偏离Lamber-Beer定律消除方法：选择较窄的入射狭缝宽度和提高单色器分辨率决定2．杂散光的影响：

杂散光：指与测量波长相同，在仪器内部不通过试样而到达检测器的那部分辐射，以及单色器通带范围以外的额外辐射杂散光来源：仪器本身缺陷；光学元件污染（灰尘散射，光学部件反射，散射）当杂散光可以被试样吸收，所得的吸光度大于真实值，出现正偏差；若不被吸收，吸光度小于真实值，出现负偏差消除办法：提高仪器自身的性能3．反射光和散射光的影响：反射光（吸收池内外界面间产生的）和散射光（颗粒较大的吸收质点产生的）均是入射光谱带宽度内的光直接对T产生影响，产生假吸收的现象，使T↓，A↑，吸收光谱变形※注：一般可用空白对比校正消除4．非平行光的影响：使光程↑，A↑，吸收光谱变形二化学因素Beer定律适用的另一个前提：稀溶液；浓度过高会使C与A关系偏离定律溶质浓度过高（>0.01mol/L),吸光物质分子或离子间的平均距离缩小，使相邻吸光分子的电荷分布相互影响，从而改变它对光的吸收能力，浓度越大，这种影响就越大溶质浓度改变可能会引起其离解，缔合，光化学反应，互变异构，络合物配位数变化等作用，使被测组分的吸收曲线发生变化※消除办法：采用稀溶液分析

§6.3紫外－可见吸收光谱仪器

图3.6紫外分光光度计1：光源；2：单色器；3吸收池；4检测器；5信号指示系统§

6.3.1

主要部件与性能（一）光源白炽光源：钨灯或卤钨灯－可见光源350～1000nm气体放电光源：氢灯或氘灯－紫外光源200～600nm

基本要求所需的光谱区域内能够发射连续辐射足够的辐射强度良好的稳定性辐射能量随波长的变化应尽可能小（二）单色器1单色器：能从光源辐射的复合光中分出单色光的装置2组成：狭缝、准直镜、色散元件（棱镜，光栅）3棱镜色散原理：依据不同的波长光通过棱镜时有不同的折射率而将不同波长的光分开(1)玻璃棱镜：由于玻璃可吸收紫外光，所以玻璃棱镜只能用于350~3200nm的波长范围，即只能用于可见光域内(2)石英棱镜：石英棱镜可使用的波长范围较宽，可从185~4000nm，即可用于紫外、可见和近红外三个光域4光栅原理：利用光的衍射与干涉作用制成的范围：紫外、可见及红外光域，而且在整个波长区具有良好的、几乎均匀一致的分辨能力优点：它具有色散波长范围宽、分辨本领高、成本低、便于保存和易于制备等优点缺点：各级光谱会重叠而产生干扰,可用二维色散技术克服（三）吸收池1吸收池功能：用于盛放分析试样2材料玻璃——能吸收UV光，仅适用于可见光区石英——不能吸收紫外光，适用于紫外和可见光区3要求：匹配性（对光的吸收和反射应一致），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（四）检测器

1功能：检测信号、测量单色光透过溶液后光强度变化的一种装置2检测器类型：光电池、光电管和光电倍增管3硒光电池：光的敏感范围为300~800nm，其中500~600nm最为灵敏。一般用于低档的分光光度计中4光电管：在紫外-可见分光光度计上应用较为广泛5光电倍增管：检测微弱光最常用的光电元件，它的灵敏度比一般的光电管要高200倍，因此可使用较窄的单色器狭缝，从而对光谱的精细结构有较好的分辨能力（五）信号指示系统作用：放大信号并以适当方式指示或记录下来常用装置：直读检流计、电位调节指零装置，数字显示或自动记录装置§6.3.2紫外-可见吸收光谱仪的类型单光束分光光度计双光束分光光度计双波长分光光度计特点：使用时来回拉动吸收池（轮流通过参比溶液和样品溶液）→移动误差结构简单，操作方便，维修容易（一）单光束分光光度计光电倍增管斩波器光闸试样单色器单光束分光光度计原理图（二）双光束分光光度计特点：不用拉动吸收池，可以减小移动误差;可以自动扫描吸收光谱（三）双波长分光光度计

特点：定量基础：ΔA=(ε1-ε2)bC；可消除干扰和吸收池不匹配引起的误差，不需要参比溶液；适用于分析多组分混合物，混浊试样（如生物组织液）§6.4分析条件的选择仪器测量条件的选择显色反应条件的选择一仪器测量条件的选择

1入射光波长的选择：入射光的波长对测定结果的灵敏度和准确度都有很大的影响，一般用最大吸收波长，如有干扰则选用其他波长2吸光度读数范围的选择：吸光度读数误差是常数，但不同读数范围误差不同；通常可通过调节溶液浓度或改变光程b来控制A的读数在

0.15-1.00

范围内，此时吸光度读数误差最小3参比溶液：又称空白溶液，在光度分析法中，利用参比溶液调节仪器的吸光度零点、消除显色溶液中其他有色物质的干扰，抵消比色皿壁及溶液对入射光的反射和吸收的影响等二显色反应条件的选择（一）显色反应和显色剂1显色反应：被测元素（金属离子）在某种试剂作用下,转变为有色化合物的反应2显色剂：所用的试剂3对显色反应的要求:（1）选择性好（2）灵敏度要高（3）有色配合物的组成一定并且稳定（二）影响显色反应的条件1显色剂用量：配位数与显色剂用量有关；在形成逐级配合物，其用量更要严格控制2溶液酸度：配位数和水解等与pH有关3显色时间、温度、放置时间通过条件实验确定显色反应条件pH范围配合物组成颜色<4Fe(C7H4O3)+紫红色(1:1)4-7Fe