－分子可见紫外吸收和荧光光谱

－分子可见紫外吸收和荧光光谱2023/3/192023/3/19今日学习内容—分子电子光谱第八章紫外－可见吸收光谱分析法第九章分子荧光与磷光光谱分析法思考题－课堂自修－总结－考核2023/3/19第一节紫外-可见吸收光谱基本原理principlesofUV-VISspectrometry第二节紫外－可见光谱仪UV-VISspectrometer第三节紫外－可见吸收光谱的应用applicationofUV-VISspectrometry第八章紫外－可见吸收光谱分析法UV-VISspectrometry2023/3/191.从分子的能量构成形式与能级大小讨论：

A.何为物质的电子光谱？

B.为什么分子的电子光谱是带状光谱而原子的电子光谱一般是线状光谱？

C.分子紫外－可见吸收光谱出现的根源与过程是什么？

D.常用紫外－可见吸收光谱仪的测试范围？

2.紫外－可见光谱产生的基本原理：

A.化合物分子紫外－可见吸收产生的常见电子跃迁类型及其特点是什么？

B.过渡金属配合物与稀土金属离子产生紫外－可见吸收的原因及其特点分别是什么？

3.分子紫外－可见吸收光谱仪的类型及其仪器构成如何？仪器各个部件的特点有哪些？

4.分子紫外－可见吸收光谱如何进行物质定性和定量分析？思考题2023/3/19一、紫外吸收光谱的产生formationofUV-VIS二、有机物紫外吸收光谱UV-VISspectrometryoforganiccompounds三、金属配合物的紫外吸收光谱UV-VISspectrometryofmetalcomplexometriccompounds第一节紫外-可见吸收光谱分析基本原理principlesofUV-VISspectrometry2023/3/19一、紫外吸收光谱的产生

formationofUV-VIS1.概述紫外－可见吸收光谱：分子价电子或外层电子能级跃迁。波长范围：100-800nm.(1)远紫外光区:

100-200nm(2)近紫外光区:200-400nm(3)可见光区:400-800nm可用于结构鉴定和物质定性与定量分析。电子跃迁的同时，伴随着振动转动能级的跃迁——带状光谱2023/3/192.物质对光的选择性吸收及吸收曲线M+热M+荧光或磷光E=E2-

E1=h量子化－选择性吸收用不同波长的单色光照射，测吸光度得到吸收曲线。最大吸收波长

maxM+

h

→M*基态激发态E1

（△E）E22023/3/19吸收曲线的讨论：①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最大吸收波长λmax。②不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似λmax不变，而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和λmax则不同。③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。2023/3/19④不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度A有差异，在λmax处吸光度A的差异最大，此特性可作作为物质定量分析的依据。⑤在λmax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射光波长的重要依据。2023/3/193.电子跃迁与分子吸收光谱物质分子内部三种运动形式：

（1）电子相对于原子核的运动；（2）原子核在其平衡位置附近的相对振动；（3）分子本身绕其重心的转动。分子具有三种不同能级：电子能级、振动能级和转动能级三种能级都是量子化的，且各自具有相应的能量。分子的内能：电子能量Ee、振动能量Ev、转动能量Er即:E＝Ee+Ev+Er

ΔΕe>ΔΕv>ΔΕr2023/3/19能级跃迁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。2023/3/19分子吸收光谱的基本特点（1）

转动能级间的能量差ΔΕr：0.005～0.050eV，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（2）振动能级的能量差ΔΕv约为：0.05～１eV，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（3）电子能级的能量差ΔΕe较大：1～20eV，跃迁产生的吸收光谱在紫外—可见光区——紫外—可见光谱或分子的电子光谱2023/3/19

（4）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，是物质定性的依据。（5）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摩尔吸光系数εmax也作为定性的依据。不同物质的λmax有时可能相同，但εmax不一定相同。（6）吸收谱带强度与该物质分子吸收的光子数成正比，这是进行光谱定量分析的依据。2023/3/19二、有机物吸收光谱与电子跃迁

ultravioletspectrometryoforganiccompounds1．紫外—可见吸收光谱有机化合物的紫外—可见吸收光谱是三种电子跃迁的结果：σ电子、π电子、n电子。分子轨道理论：成键轨道—反键轨道。当外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态(反键轨道)跃迁。主要有四种跃迁所需能量ΔΕ大小顺序为：n→π＊<π→π＊<n→σ＊<σ→σ＊

sp

*s*RKE,BnpECOHnpsH2023/3/192σ→σ＊跃迁所需能量最大，吸收波长λ<200nm，σ电子只有吸收远紫外光的能量才能发生跃迁。一般饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区。例：甲烷的λmax为125nm,乙烷λmax为135nm，只能被真空紫外分光光度计检测到，通常作为溶剂使用。sp*s*RKE,BnpE2023/3/193n→σ＊跃迁所需能量较大。吸收波长为150～250nm，大部分在远紫外区，近紫外区仍不易观察到。含非键电子的饱和烃衍生物(含N、O、S和卤素等杂原子)均呈现n→σ*跃迁。2023/3/194

π→π＊跃迁所需能量较小，吸收波长处于远紫外区的近紫外端或近紫外区，εmax一般在104L·mol－1·cm－1以上，属于强吸收。（1）不饱和烃π→π*跃迁乙烯π→π*跃迁的λmax为162nm，εmax为:1×104L·mol-1·cm－1。K带——共轭非封闭体系的p

→p*跃迁

C=C发色基团，但

→

*200nm。max=162nm助色基团取代

（K带)发生红移。2023/3/19165nm217nm

₃

₁

₂

(HOMOLVMO)

max

基-----是由非环或六环共轭二烯母体决定的基准值；无环、非稠环二烯母体：

max=217nm共轭烯烃（不多于四个双键）

*跃迁吸收峰位置可由伍德沃德——菲泽规则估算。

max=基+nii

（2）共轭烯烃中的→*2023/3/19异环（稠环）二烯母体：

max=214nm同环（非稠环或稠环）二烯母体：

max=253nmniI:由双键上取代基种类和个数决定的校正项

(1)每增加一个共轭双键+30(2)环外双键+5(3)双键上取代基：酰基（-OCOR）0卤素（-Cl，-Br）+5烷基（-R）+5烷氧基（-OR）+62023/3/19（3）羰基化合物共轭烯烃中的→*①Y=H,Rn→*

180-190nm

→

*

150-160nm

n→*

275-295nm②Y=-NH2,-OH,-OR等助色基团K带红移，R带兰移；R带max=205nm；10-100K

K

R

R

n

n

165nm

n

③不饱和醛酮K带红移：165250nmR

带兰移：290310nm

2023/3/19（4）芳香烃及其杂环化合物苯：E1带180184nm；=47000E2带200204nm=7000苯环上三个共扼双键的→*跃迁特征吸收带；B带230-270nm=200

→

*与苯环振动引起；含取代基时，B带简化，红移。

max（nm）

max苯254200甲苯261300间二甲苯2633001，3，5-三甲苯266305六甲苯2723002023/3/19乙酰苯紫外光谱图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，跃迁禁阻，弱。CCH3On→p*

;

R带p

→p*

;

K带2023/3/19苯环上助色基团对吸收带的影响2023/3/19苯环上发色基团对吸收带的影响2023/3/195.立体结构和互变结构的影响顺反异构：顺式：λmax=280nm；εmax=10500反式：λmax=295.5nm；εmax=29000互变异构：

酮式：λmax=204nm

烯醇式：λmax=243nm

2023/3/19立体结构和互变结构的影响2023/3/196.溶剂的影响非极性极性n

np

n<p

n

p

非极性极性n>pn

→

*跃迁：兰移；；

→*跃迁：红移；；

max(正己烷)max(氯仿)max(甲醇)max(水)230238237243n3293153093052023/3/191：乙醚2：水12250300苯酰丙酮非极性→极性n

→

*跃迁：兰移；；

→*跃迁：红移；；极性溶剂使精细结构消失2023/3/197.生色团与助色团生色团：

最有用的紫外—可见光谱是由π→π＊和n→π＊跃迁产生的。这两种跃迁均要求有机物分子中含有不饱和基团。这类含有π键的不饱和基团称为生色团。简单的生色团由双键或叁键体系组成，如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基—N＝N—、乙炔基、腈基—C㆔N等。助色团：

有一些含有n电子的基团(如—OH、—OR、—NH２、—NHR、—X等)，它们本身没有生色功能(不能吸收λ>200nm的光)，但当它们与生色团相连时，就会发生n—π共轭作用，增强生色团的生色能力(吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加)，这样的基团称为助色团。2023/3/19红移与蓝移有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长λmax和吸收强度发生变化:

λmax向长波方向移动称为红移，向短波方向移动称为蓝移(或紫移)。吸收强度即摩尔吸光系数ε增大或减小的现象分别称为增色效应或减色效应，如图所示。2023/3/19三、金属配合物的紫外吸收光谱

ultravioletspectrometryofmetalcomplexometriccompounds金属配合物的紫外可见光谱产生机理主要有三种类型：1.配体微扰的金属离子d-d电子跃迁和f-f电子跃迁在配体的作用下过渡金属离子的d轨道和镧系、锕系的f轨道裂分，吸收辐射后，产生d一d、f一f跃迁；必须在配体的配位场作用下才可能产生也称配位场跃迁；摩尔吸收系数ε很小，对定量分析意义不大。2.金属离子微扰的配位体内电子跃迁金属离子的微扰，将引起配位体吸收波长和强度的变化。变化与成键性质有关，若共价键和配位键结合，则变化非常明显。2023/3/193.电荷转移吸收光谱电荷转移跃迁：辐射下，分子中原定域在金属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，所产生的吸收光谱称为荷移光谱。Mn+—Lb-M(n-1)+—L(b-1)-h[Fe3+CNS-]2+h[Fe2+CNS]2+电子给予体电子接受体分子内氧化还原反应；>104Fe2+与邻菲罗啉配合物的紫外吸收光谱属于此。2023/3/19一、基本组成generalprocess二、分光光度计的类型typesofspectrometer

第二节

紫外—可见光谱仪UV-VISspectrometer2023/3/19仪器紫外-可见分光光度计2023/3/19一、基本组成

generalprocess光源单色器样品室检测器显示1.光源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。可见光区：钨灯作为光源，其辐射波长范围在320～2500nm。

紫外区：氢、氘灯。发射185～400nm的连续光谱。2023/3/192.单色器

将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出一任波长单色光的光学系统。①入射狭缝：光源的光由此进入单色器；②准光装置：透镜或返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射狭缝；⑤出射狭缝。2023/3/193.样品室样品室放置各种类型的吸收池（比色皿）和相应的池架附件。吸收池主要有石英池和玻璃池两种。在紫外区须采用石英池，可见区一般用玻璃池。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。5.结果显示记录系统检流计、数字显示、微机进行仪器自动控制和结果处理2023/3/19二、分光光度计的类型

typesofspectrometer

1.单光束

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。2.双光束

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。2023/3/193.双波长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。2023/3/19光路图2023/3/19一、定性、定量分析qualitativeandquanti-tativeanalysis二、有机物结构确定structuredeterminationoforganiccompounds第三节紫外－可见吸收光谱的应用applicationsofUV-VIS2023/3/19一、定性、定量分析

qualitativeandquantitativeanalysis1.定性分析

max，max：化合物特性参数，可作为定性依据。有机化合物紫外吸收光谱：反映结构中生色团和助色团的特性，不完全反映分子特性——结构确定的辅助工具。计算吸收峰波长，确定共扼体系等。

甲苯与乙苯：谱图基本相同。max，max都相同，可能是一个化合物。标准谱图库：46000种化合物紫外光谱的标准谱图

«Thesadtlerstandardspectra,Ultraviolet»

2023/3/192.定量分析依据：朗伯-比耳定律吸光度：A=bc透光度：-lgT=bc灵敏度高：

max：104～105L·mol-1·

cm-1（比红外光谱大）测量误差与吸光度读数有关：A=0.434，读数相对误差最小。2023/3/19二、有机化合物结构辅助解析

structuredeterminationoforganiccompounds

1.可获得的结构信息（1）200-400nm无吸收峰。饱和化合物，单烯。（2）270-350nm有吸收峰（ε=10-100）醛酮n→π*跃迁产生的R

带。（3）250-300nm有中等强度的吸收峰（ε=200-2000），芳环的特征吸收（具有精细解构的B带）。（4）200-250nm有强吸收峰（ε104），表明含有一个共轭体系（K）带。共轭二烯：K带（230nm）；不饱和醛酮：K带230nm，R带310-330nm260nm,300nm,330nm有强吸收峰，3,4,5个双键的共轭体系。2023/3/192.光谱解析注意事项(1)确认max，并算出㏒ε，初步估计属于何种吸收带；(2)观察主要吸收带的范围，判断属于何种共轭体系；(3)乙酰化位移B带：262nm(ε302)274nm(ε2040)261nm(ε300)(4)pH值的影响加NaOH红移→酚类化合物，烯醇。加HCl兰移→苯胺类化合物。2023/3/193.分子不饱和度的计算定义：不饱和度是指分子结构中达到饱和所缺一价元素的“对”数。如：乙烯变成饱和烷烃需要两个氢原子，不饱和度为1。计算：若分子中仅含一，二，三，四价元素(H，O，N，C)，则可按下式进行不饱和度的计算：

=（2+2n4+n3–n1）/2

n4，n3，n1

分别为分子中四价，三价，一价元素数目。作用：由分子的不饱和度可以推断分子中含有双键，三键，环，芳环的数目，验证谱图解析的正确性。例：C9H8O2

=（2+29

–8）/2=62023/3/194.解析示例

有一化合物C10H16由红外光谱证明有双键和异丙基存在，其紫外光谱max=231nm（ε9000），此化合物加氢只能吸收2克分子H2，，确定其结构。解：①计算不饱和度=3；两个双键；共轭？加一分子氢②max=231nm，③可能的结构④计算

max

max：232273268268

max=非稠环二烯（a,b）+2×烷基取代+环外双键=217+2×5+5=232（231）2023/3/19吸收波长计算2023/3/19立体结构和互变结构的确定顺式：λmax=280nm；εmax=10500反式：λmax=295.5nm；εmax=29000共平面产生最大共轭效应，εmax大互变异构：

酮式：λmax=204nm；无共轭

烯醇式：λmax=243nm2023/3/19取代苯吸收波长计算2023/3/19第一节分子荧光和磷光molecularfluorescenceandphosphorescence第二节分子荧光和磷光分析法molecularfluorescenceandphosphorescenceanalysis第九章分子荧光与磷光光谱分析法molecularfluorescenceandphosphorescenceanalysis

2023/3/191.分子荧光与磷光这两种光致发光是如何产生的？其各自的发光特性如何？

2.分子荧光与磷光光谱产生的基本原理：

A.为什么刚性结构的分子有利于荧光与磷光发射？

B.温度变化对荧光与磷光发射量子效率的影响规律如何？为什么？

3.分子荧光与磷光光谱仪的仪器构成如何？与紫外－可见吸收光谱仪相比，其特殊性有哪些？

4.分子荧光与磷光光谱如何进行图谱表达？

5.分子荧光与磷光光谱如何进行物质定性和定量分析？

思考题2023/3/19一、分子荧光与磷光产生过程luminescenceprocessofmolecularfluorescencephosphorescence二、激发光谱与荧光光谱excitationspectrumandfluore-scencespectrum三、荧光的产生与分子结构关系

relationbetween

fluorescenceandmolecularstructure四、影响荧光强度的因素factorinfluenced

fluorescence第一节

分子荧光与磷光molecularfluorescenceandphosphorescence2023/3/19一、荧光与磷光的产生过程

luminescenceprocessofmolecularfluorescencephosphorescence1.分子能级与跃迁分子能级比原子能级复杂：在每个电子能级上，都存在振动、转动能级。

基态(S0)→激发态(S1、S2、激发态振动能级)：吸收特定频率的辐射；量子化；跃迁一次到位。激发态→基态：多种途径和方式(见能级图)；速度最快、激发态寿命最短的途径占优势。第一、第二、…电子激发单重态S1、S2…

；第一、第二、…电子激发三重态T1、T2…

；2023/3/192.电子激发态的多重度

电子激发态的多重度：M=2S+1

S为电子自旋量子数的代数和。平行自旋比成对自旋稳定(洪特规则)，三重态能级比相应单重态能级低。大多数有机分子的基态处于单重态。

S0→T1

禁阻跃迁；通过其他途径进入(见能级图)；进入的几率小。

2023/3/192.激发态→基态的能量传递途径

电子处于激发态是不稳定状态，返回基态时，通过辐射跃迁(发光)和无辐射跃迁等方式失去能量；传递途径辐射跃迁荧光延迟荧光磷光内转移外转移系间跨越振动弛预无辐射跃迁

激发态停留时间短、返回速度快的途径，发生的几率大，发光强度相对大。荧光：10-7～10-9

s,第一激发单重态的最低振动能级→基态磷光：10-4～10s；第一激发三重态的最低振动能级→基态2023/3/19S2S1S0T1吸收发射荧光发射磷光系间跨越内转换振动弛豫能量l2l1l

3

外转换l

2T2内转换振动弛豫2023/3/19非辐射能量传递过程振动弛豫：同一电子能级内以热能量交换形式由高振动能级至低相邻振动能级间的跃迁。发生振动弛豫的时间10-12

s。

内转换：同多重度电子能级中,等能级间的无辐射能级交换。通过内转换和振动弛豫，高激发单重态的电子跃回第一激发单重态的最低振动能级。外转换：激发分子与溶剂或其他分子之间产生相互作用而转移能量的非辐射跃迁。外转换使荧光或磷光减弱或“猝灭”。系间跨越：不同多重态,有重叠的转动能级间的非辐射跃迁。改变电子自旋，禁阻跃迁，通过自旋—轨道耦合进行。2023/3/19辐射能量传递过程荧光发射：电子由第一激发单重态的最低振动能级→基态（多为S1→S0跃迁），发射波长为‘2的荧光；10-7～10-9

s。

由图可见，发射荧光的能量比分子吸收的能量小，波长长；‘2>2>1；磷光发射：电子由第一激发三重态的最低振动能级→基态（T1→S0跃迁）；电子由S0进入T1的可能过程：（S0→T1禁阻跃迁）

S0→激发→振动弛豫→内转移→系间跨越→振动弛豫→T1发光速度很慢：10-4～100s。

光照停止后，可持续一段时间。2023/3/19二、激发光谱与荧光(磷光)光谱

excitationspectrumandfluore-scencespectrum1.荧光(磷光)的激发光谱曲线固定测量波长(选最大发射波长),荧光(磷光)的发射强度与激发光波长的关系曲线（图中曲线I）。激发光谱曲线的最高处，处于激发态的分子最多，荧光强度最大。2023/3/192.荧光（发射）光谱与磷光（发射）光谱固定激发光波长(选最大激发波长),荧光(或磷光)的发射强度与其光波长关系曲线(图中曲线II或III)。2023/3/192023/3/193.激发光谱与发射光谱的关系

a.Stokes位移激发光谱与发射光谱之间的波长差值。发射光谱的波长比激发光谱的长，振动弛豫消耗了能量。

b.发射光谱的形状与激发波长无关电子跃迁到不同激发态能级，吸收不同波长的能量(如能级图2,1)，产生不同吸收带，但均回到第一激发单重态的最低振动能级再跃迁回到基态，产生波长一定的荧光(如‘2)。

c.

镜像规则通常荧光发射光谱与它的吸收光谱（与激发光谱形状一样）成镜像对称关系。2023/3/19镜像规则的解释

基态上的各振动能级分布与第一激发态上的各振动能级分布类似。基态上的零振动能级与第一激发态的二振动能级之间的跃迁几率最大，相反跃迁也然。

2023/3/19200250300350400450500荧光激发光谱荧光发射光谱nm蒽的激发光谱和荧光光谱2023/3/19三、荧光的产生与分子结构的关系

relationbetweenfluorescenceandmolecularstructure1.分子产生荧光必须具备的条件（1）具有合适的结构；（2）具有一定的荧光量子产率。荧光量子产率（）：荧光量子产率与激发态能量释放各过程的速率常数有关，如外转换过程速度快，不出现荧光发射。2023/3/192.化合物的结构与荧光（1）跃迁类型：*→的荧光效率高，系间跨越过程的速率常数小，有利于荧光的产生；（2）共轭效应：高共轭度有利于增加荧光效率并产生红移；（3）刚性平面结构：可降低分子振动，减少与溶剂的相互作用，故具有很强的荧光。如荧光素和酚酞有相似结构，荧光素有很强的荧光，酚酞却没有；（4）取代基效应：芳环上有供电基，使荧光增强。2023/3/192023/3/19四、影响荧光强度的因素

relationbetweenfluorescenceandmolecularstructure

影响荧光强度的外部因素1.溶剂的影响除一般溶剂效应外，溶剂的极性、氢键、配位键的形成都将使化合物的荧光发生变化。2.温度的影响荧光强度对温度变化敏感，温度增加，外转换去活的几率增加。3.溶液pH

对酸碱化合物，溶液pH的影响较大，需要严格控制。2023/3/194.内滤光作用和自吸现象自吸现象：化合物的荧光发射光谱的短波长端与其吸收光谱的长波长端重叠，产生自吸收；如蒽化合物。内滤光作用：溶液中含有能吸收激发光或荧光物质发射的荧光，如色胺酸中的重铬酸钾。2023/3/195.溶液荧光的猝灭碰撞猝灭；氧的熄灭作用等。2023/3/19一、仪器与结构流程instrumentandgeneralprocess

二、荧光分析法和应用fluorescenceanalysisandapplication三、磷光分析法的应用phosphorescenceanalysisandapplication第二节

分子荧光与磷光分析法molecularfluorescenceandphosphorescenceanalysis

2023/3/19一、仪器结构流程测量荧光的仪器主要由四个部分组成：激发光源、样品池、双单色器系统、检测器。特殊点：有两个单色器，光源与检测器通常成直角。基本流程如图：单色器：选择激发光波长的第一单色器和选择发射光(测量)波长的第二单色器光源：灯和高压汞灯，染料激光器(可见与紫外区)检测器：光电倍增管2023/3/19仪

器

光

路

图2023/3/19仪器框图该型仪器可进行