第四章紫外-可见分光光度法

*第四章

紫外-可见分光光度法第一节紫外-可见分光光度法的基本原理PrincipleofUltraviolet–visibleSpectrometry第二节紫外-可见分光光度计Ultraviolet–visibleSpectrometer第三节分析条件的选择SelectionofAnalyticCondition第四节定量分析方法AnalysisinquantityUltraviolet-visibleSpectrometry，UV*通过研究物质分子对紫外光或可见光的吸收情况进行定性、定量和结构分析的方法。紫外-可见分光光度法*第一节紫外-可见分光光度法的基本原理一、电磁辐射与电磁波谱

ElectromagneticradiationandElectromagneticspectrum1.光是电磁辐射（电磁波）以巨大速度（2.998×108m.s-1）通过空间、不需要任何物质作为传播媒介的一种能量。*lnch·h·E==2.电磁辐射的性质具有波、粒二象性λ

，Ec：速度：波长：频率σ：波数Plank

常数：h=6.626×10-34

J.s对光波来说，产生感光作用与生理作用的是电场强度E

。

粒子性波动性*光的波长越短（频率越高），其能量越大。远紫外区

10-200nm

（真空紫外区）近紫外区

200-400nm

（UV光谱的研究区域）紫外光区可见光区400-760nm**电磁辐射按波长顺序排列，称电磁波谱。3.电磁波谱γ射线→

X射线→紫外光→可见光→红外光→微波→无线电波电磁波谱分区见表4-1（p49）**1.吸收光谱的产生吸收光谱吸收的辐射能量必须正好等于物质基态与激发态的能量差ΔE=E2-E1=hν=hc

/λ二、紫外-可见吸收光谱的产生

ProductionofUv-spectrometry当物质与辐射能相互作用，物质内部发生能级跃迁:记录辐射强度与波长关系*物质在吸收光时产生基态至激发态的跃迁。物质的基态与各激发态间的能量差固定，被吸收光的能量和能量差ΔE相等，所以物质在吸收光时就只能吸收特定波长的光。ΔE＝hΔE光

hvE0E1*紫外吸收谱

λ=200~400nm可见吸收光谱λ=400~760nm物质分子对辐射能的选择性吸收而得到的光谱称为紫外-可见吸收光谱，又称为分子吸收光谱。分子光谱主要可以分为：电子光谱

紫外可见区振动光谱

近红外、中红外区

转动光谱

远红外、微波区*△E=△E电子

+△E振动

+△E转动其中：△E电子：1～20eV△E振动：0.05～1eV△E转动：<0.05eV△E电子》

△E振动》△E转动即：2.分子的总能量E的组成*三种不同的能级跃迁（1）转动能级间的能量差

ΔΕr：0.005～0.050eV

远红外光谱或分子转动光谱（2）振动能级的能量差

ΔΕv约为：0.05～１eV

红外光谱或分子振动光谱（3）电子能级的能量差

ΔΕe较大:1～20eV

紫外—可见光谱*电子能级间跃迁的同时，总伴随有振动和转动能级间的跃迁。即电子光谱中总包含有振动能级和转动能级间跃迁产生的若干谱线而呈现宽谱带(带状光谱）。电子跃迁*分光光度计的类型*3.紫外-可见吸收光谱及其特征吸收光谱用不同波长的紫外-可见光（200~760nm）依次照一定浓度的被测样品溶液时，就会发现部分波长的光被吸收。如果以波长λ为横座标（单位nm），吸收度（absorbance）A为纵座标作图，即得到紫外-可见吸收光谱（ultraviolet-visiblespectra，简称UV）。*1,3-丁二烯的紫外光谱图*在科学论文中还常用摩尔吸收度ε（或lgε）为纵座标。香芹酮的紫外光谱图λmax=239nmλmax=320nm*最大吸收最小吸收

肩峰末端吸收特征值定性依据λA肩峰末端吸收λminλminλmaxλmaxλsh谱图特征*三、紫外-可见吸收光谱与分子结构的关系RelationofUltraviolet-visibleSpectrometryandMolecularStructure白光是复合光，两种相应颜色的光按适当的比例混合可成为白光，这两种光互称为互补光。近似波长范围（nm）颜色互补色近似波长范围（nm）颜色互补色

400--450紫

黄绿

560--580黄绿

紫

450--480蓝

黄

580--600黄

蓝

480--490青

橙

600--650橙

绿蓝

490--500蓝绿

红

650--760红

蓝绿

500--560绿

红紫光的互补性*单键（σ）－形成单键的电子称σ键电子双键（π）－形成双键的电子称π键电子原子与原子形成分子时，电子的成键方式有：n电子－未共享的电子称为非键电子。基本概念*有机化合物的紫外—可见吸收光谱，是其分子中外层价电子跃迁的结果。σ电子π电子

n电子**分子中分子轨道有成键轨道与反键轨道。它们的能级高低为：σ<π<n<π*<σ*

σ电子

→饱和的σ键

价电子

π电子

→不饱和的π键

n电子

→孤对电子跃迁能量大小：

σ→σ*>

n→σ*>π→π*>

n→π**（1）σ→σ*跃迁

饱和烃（甲烷，乙烷）

能量很高，λ<150nm（远紫外区）（2）n→σ*跃迁

含杂原子饱和基团（—OH，—NH2）

能量较大，λ150~250nm（真空紫外区）（3）π→π*跃迁

不饱和基团（—C＝C—，—C＝O）

能量较小，λ∼200nm；ε>104，强吸收

体系共轭，E更小，λ更大分子中常见的电子跃迁类型*（4）n→π*跃迁

含杂原子不饱和基团（—C≡N，C＝O）

能量最小，λ200~400nm（近紫外区）ε=10~100，弱吸收跃迁能量大小：

σ→σ*>

n→σ*>

π→π*>

n→π**电子跃迁类型与吸收波长的关系σ→σ*n→σ*π→π*n→

π*σ*反键轨道π*反键轨道σ成键轨道π成键轨道n非键轨道200300λ（nm）∆E*四、光的吸收定律PrinciplesofOpticalAbsorption（一）吸收光谱法基本定律

--朗伯-比尔定律(Lamber-BeerLaw)

描述物质对单色光吸收强弱与液层厚度和待测物浓度的关系。*被吸收光强度为IaI0=Ia+It+IrI0IrIt待测溶液和参比溶液使用同样的吸收池，反射光强度基本相同，影响抵消：I0=Ia+It透光度和吸光度*定义：透光度（或透光率）T

为因此：T↗、吸收↘定义：吸光度A*----朗伯-比尔定律

b----比色池的厚度c----溶液的浓度

k----吸光系数在设定条件为：（1）单色、平行光，垂直照射（2）溶液透明均匀:浓度均一（C=const.）

溶液的吸光度A只与溶液的浓度和溶液的厚度有关。朗伯-比尔定律kbcTA=-=log*物理意义：吸光物质在单位浓度及单位厚度时的吸光度。讨论：①

k=f（组分性质，温度，溶剂，λ）当组分性质、温度和溶剂一定，k=f（λ）

②不同物质在同一波长下k可能不同（选择性吸收）；同一物质在不同波长下k一定不同吸光系数（AbsorptivityandSpectrometry）吸光系数（k）*

③k↑，物质对光吸收能力↑,定量测定灵敏度↑

定性、定量依据（1）摩尔吸光系数ε：

在一定λ下，C=1mol.L-1，l=1cm时的吸光度（2）百分含量吸光系数/比吸光系数：在一定λ下，C=1g/100ml，l=1cm时的吸光度（3）两者关系吸光系数（k）的两种表示方式*（二）偏离比尔定律的因素

ElementsofdeviatedBeerLaw按照比尔定律，吸光度（A）与浓度（c）关系应该是过原点的直线。Ac负偏离正偏离偏离Beer定律的主要因素表现为以下两个方面：光学因素化学因素*1.光学因素（1）非单色光Beer定律成立的重要前提—入射光为单色光ΔA1>ΔA2相同的Δλ，但ΔA1ΔλΔλΔA2Aλ*照射物质的光经单色器分光后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非单色光的原因:*选择较纯单色光（Δλ↓，单色性↑）选λmax作为测定波长（ΔA↓，灵敏度S↑且成线性）结论*2.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关系偏离定律溶质因解离、缔合以及与溶剂作用偏离定律Cr2O72-+H2O⇌2H++2CrO42-

例如：*3.反射光和散射光的影响反射光和散色光均是入射光谱带宽度内的光直接对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*第二节紫外-可见分光度计紫外-可见分光光度计*光源单色器吸收池检测器信号处理及显示器紫外-可见分光光度计的基本组成模块（generalprocess）一、分光光度计的主要部件

MajorComponentsofspectrometer

*在整个紫外光区或可见光谱区可以发射连续光谱，具有足够的辐射强度、较好的稳定性、较长的使用寿命。1.光源可见光区：钨灯或卤钨灯作为光源，其辐射波长范围在320～2500nm。紫外光区：氢灯或氘灯。发射185～400nm的连续光谱。***2.单色器将光源发射的连续光谱按波长顺序色散（复合光分解成单色光）并从中分离出一定波长宽度单色光的光学系统。*①

进口狭缝光源的光由此进入单色器②

准直镜透镜或反射镜使入射光成为平行光束

③

色散元件将复合光分解成单色光

（棱镜或光栅）

④聚焦装置透镜或凹面反射镜，将分光后所得单色光聚焦至出口狭缝。

⑤出口狭缝*色散元件光栅（grating):平面反射光栅棱镜（prism)：玻璃、石英*3.吸收池(samplecell)吸收池石英池：紫外-可见光区玻璃池：可见光区（能吸收UV光）*4.检测器利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号，常用的有光电池、光电管或光电倍增管。*蓝敏光电管：阴极Cs、Sb

λ∈[200,625]nm红敏光电管：阴极Cs2O、Ag

λ∈[625,1000]nm光阳极光敏阴极放大器指示器RE真空管90v*二、紫外可见分光光度计的类型

TypesofUltraviolet–visible

Spectrometer简单，价廉，适于在给定波长处测量吸光度或透光度，一般不能作全波段光谱扫描，要求光源和检测器具有很高的稳定性。1.单波长单光束紫外可见分光光度计**

自动记录，快速全波段扫描。可消除光源不稳定、检测器灵敏度变化等因素的影响，特别适合于结构分析。仪器复杂，价格较高。2.单波长双光束紫外可见分光光度计****将不同波长的两束单色光(λ1、λ2)快束交替通过同一吸收池而后到达检测器。产生交流信号。无需参比池。△=1～2nm。两波长同时扫描即可获得导数光谱。3.双波长紫外可见分光光度计**4.配置光多道二极管阵列监测器的分光光度计*一、仪器条件的选择

SelectionofInstrumentalCondition

1.入射光（测量）波长的选择λA肩峰末端吸收λminλminλmaxλmaxλsh

选择最大吸收波长λmax为入射光波长，这样在测定时可得到最大的灵敏度。最大吸收原则第三节分析条件的选择*2.吸光度范围的选择测量误差（ΔT）来自于仪器的噪声（noise）根据朗伯-比尔定律：A=-lgT=bc*1.00.80.60.40.2T246810Δc/c%

通常取ΔT≈0.01，以

T对

Δc/c%

作图，得到下图。*Δc/c的相对误差最小时，有：

T=0.368,A=0.434

时误差最小；当ΔT=0.01时，Δc/c

最小为2.7%。*测定结果相对误差较小适宜测量范围求得：*3.狭缝宽度的选择狭缝宽度通常是可调的。狭缝宽度↗，检测器对透过光的响应↗，单色性↘，灵敏度↘。4.吸收池的选择选择均匀厚度、透光性能好的吸收池。*二、溶剂的选择

SelectionofSolvent溶剂对吸收光谱的影响：（1）溶剂极性增大，精细结构消失λAλA在溶液中在气态物质处于气态时，其吸收光谱由孤立分子给出，因而转动、振动光谱也能表现出来，即为所谓的精细结构。*（2）溶剂极性改变大，对溶质的影响越大。ππ*ππ*非极性极性△E非△E极即：π*易受溶剂极性影响，降低能量大

△E非>

△E极溶剂极性增大，由π→π*跃迁谱带移向长波，即红移。原因：激发态π*的极性

>

基态π极性*溶剂极性增大，由n→π*跃迁谱带移向短波，即蓝移。原因：非键电子与极性溶剂（如水、乙醇等）形成氢键，能量降低大。nπ*nπ*非极性极性△E非△E极△E极>△E非实例见书表表4-4。*（3）溶剂本身在紫外区有吸收，与被测物的

吸收峰有重叠。将妨碍物质吸收。因此选择溶剂应注意其截止波长。见书表4-3。尽可能使用极性小的溶剂如果要与标准品的吸收光谱比较，必须采用相同的溶剂*第四节定量分析方法一、单组分定量分析A=εbcc=?一般方法绝对法：已知ε或

a，求c标准曲线法ACAxCx标准对照法：cs→As，cx(?)→Ax吸光系数法、λmax已知，求c*二、多组分定量方法仪器A∑AiAi=εibci不同的波长λj

有：(j=1,2,3,······,l)1.对于两组分：l=2,j=1—n(n>2)上述方程称为病态方程，未知物浓度与取点有关。（特别是在计算法）（一