紫外可见分光光度法基本原理

关于紫外可见分光光度法基本原理一、概述

光谱分析法是指在光（或其它能量）的作用下，通过测量物质产生的发射光、吸收光或散射光的波长和强度来进行分析的方法。

吸收光谱(AbsorptionSpectrometry)发射光谱(EmissionSpectrometry)分子光谱(MolecularSpectrometry)原子光谱(AtomicSpectrometry)紫外—可见分光光度法是一种分子吸收光谱法。第2页,共30页，2024年2月25日，星期天概述:

在光谱分析中，依据物质对光的选择性吸收而建立起来的分析方法称为吸光光度法,主要有:

红外吸收光谱(InfraredAbsorptionSpectroscopy)：分子振动光谱，吸收光波长范围2.51000m,主要用于有机化合物结构鉴定。

紫外吸收光谱(UltravioletSpectrophotometry)：电子跃迁光谱，吸收光波长范围200400nm（近紫外区），可用于结构鉴定和定量分析。

可见吸收光谱(Visible

Spectrophotometry

：电子跃迁光谱，吸收光波长范围400750nm，主要用于有色物质的定量分析。本章主要讲授紫外可见吸收光谱法。第3页,共30页，2024年2月25日，星期天二、紫外可见吸收光谱

1．光的基本性质

光是一种电磁波，具有波粒二象性。光的波动性可用波长

、频率

、光速c、波数（cm-1）等参数来描述：

=c；波数=1/

=

/c

光是由光子流组成，光子的能量：

E=h=hc/

（Planck常数：h=6.626×10-34J×S)光的波长越短（频率越高），其能量越大。白光(太阳光)：由各种单色光组成的复合光

单色光：单波长的光(由具有相同能量的光子组成)

可见光区：400-750nm

紫外光区：近紫外区200-400nm远紫外区10-200nm（真空紫外区）

第4页,共30页，2024年2月25日，星期天2.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;分子结构的复杂性使其对不同波长光的吸收程度不同；用不同波长的单色光照射，测吸光度—吸收曲线与最大吸收波长

max；M+

h

M*光的互补：蓝

黄基态激发态E1

（△E）E2第5页,共30页，2024年2月25日，星期天关于吸收曲线的讨论：（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。（动画）（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。

（4）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。第6页,共30页，2024年2月25日，星期天3.紫外—可见分子吸收光谱与电子跃迁物质分子内部三种运动形式：

（1）价电子相对于原子核的运动（2）原子核在其平衡位置附近的振动（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能量包括:电子能量Ee、振动能量Ev

、转动能量Er即E＝Ee+Ev+Er

第7页,共30页，2024年2月25日，星期天能级跃迁紫外-可见光谱属于电子跃迁光谱。

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。

分子吸收光谱是带状光谱ΔΕe>ΔΕv>ΔΕr第8页,共30页，2024年2月25日，星期天讨论：（1）转动能级间的能量差ΔEr：0.005～0.050eV，跃迁产生吸收光谱位于远红外区，称为远红外光谱或分子转动光谱；（2）振动能级的能量差ΔEv约为：0.05～１eV，跃迁产生的吸收光谱位于红外区，称为红外光谱或分子振动光谱；（3）电子能级的能量差ΔEe较大，为1～20eV。电子跃迁产生的吸收光谱在紫外—可见光区，称为紫外—可见光谱或分子的电子光谱。第9页,共30页，2024年2月25日，星期天讨论：

（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，这是定量分析的依据。第10页,共30页，2024年2月25日，星期天三、分子吸收光谱与电子跃迁1．有机化合物的紫外—可见吸收光谱

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（三种）：σ电子、π电子、n电子。分子轨道理论：一个成键轨道必定有一个相应的反键轨道。通常外层电子均处于分子轨道的基态，即成键轨道或非键轨道上。

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＊

第11页,共30页，2024年2月25日，星期天

⑴σ→σ＊跃迁

所需能量最大，σ电子只有吸收远紫外光的能量才能发生跃迁。饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区(吸收波长λ<200nm，只能被真空紫外分光光度计检测到)。如甲烷的λ为125nm,乙烷λmax为135nm。

⑵n→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。如一氯甲烷、甲醇、三甲基胺n→σ*跃迁的λ分别为173nm、183nm和227nm。第12页,共30页，2024年2月25日，星期天

⑶π→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，摩尔吸光系数εmax一般在104L·mol－1·cm－1以上，属于强吸收。不饱和烃、共轭烯烃和芳香烃类均可发生该类跃迁。如：乙烯π→π*跃迁的λ为162nm，

εmax为:1×104L·mol-1·cm－1。

⑷n→π＊跃迁

需能量最低，吸收波长λ>200nm。这类跃迁在跃迁选律上属于禁阻跃迁，摩尔吸光系数一般为10～100L·mol-1·cm-1，吸收谱带强度较弱。分子中孤对电子和π键同时存在时发生n→π＊

跃迁。丙酮n→π＊跃迁的λ为275nmεmax为22L·mol-1·cm-1（溶剂环己烷)。第13页,共30页，2024年2月25日，星期天几类有机化合物的紫外吸收光谱：⑴饱和烃饱和单键碳氢化合物只有σ

键电子,一般在远紫外区(10~200nm)才有吸收带。这类化合物在200~1000nm范围内无吸收带，在紫外吸收光谱分析中常用作溶剂(如己烷、庚烷、环已烷等)。当饱和单键碳氢化合物中的氢被氧、氮、卤素、硫等杂原子取代时，产生n→σ*跃迁。例如甲烷一般跃迁的范围在125~135nm(远紫外区)，碘甲烷(CH3I)的吸收峰则处在150~210nm(跃迁)及259nm(跃迁)：

第14页,共30页，2024年2月25日，星期天（2）不饱和脂肪烃

这类化合物有孤立双键的烯烃(如乙烯)和共轭双键的烯烃(如丁二烯)，它们含有π键电子，吸收能量后产生π→π*跃迁。乙烯(孤立双键)的为171nm(＝15530)；而丁二烯()由于两个双键共轭，此时吸收峰发生深色移动(=217nm)，吸收强度也显著增加(＝21000)。共轭分子包括共轭二烯（环状二烯，链状二烯）、不饱和酮、不饱和酸、多烯、芳香核与双键或羰基的共轭等。第15页,共30页，2024年2月25日，星期天K吸收带和R吸收带K吸收带：由于共轭双键中π→π*跃迁所产生的吸收带称为K吸收带[从德文Konjugation(共轭作用)得名]。其特点是强度大，摩尔吸光系数通常在10000～200000(＞104)之间；吸收峰位置一般处在217～280nm范围内。K吸收带的波长及强度与共体系的数目、位置、取代基的种类等有关。例如共轭双键愈多，深色移动愈显著，甚至产生颜色。据此可以判断共轭体系的存在情况，这是紫外吸收光谱的重要应用。R吸收带：由n

*跃迁所引起的吸收带称为R吸收带[从德文Radikal(基团)得名]。R吸收带的强度较弱()。第16页,共30页，2024年2月25日，星期天（3）芳香烃芳香族化合物为环状共轭体系：

苯在185nm(ε＝47000L·mol-1·cm-1)和204nm(ε＝7900L·mol-1·cm-1)处有两个强吸收带，分别称为El和E2吸收带，是由苯环结构中三个乙烯的环状共轭系统的跃迁所产生的，是芳香族化合物的特征吸收。在230~270nm处(256nm处ε＝200L·mol-1·cm-1)还有较弱的一系列吸收带，称为精细结构吸收带，亦称为B吸收带[从德文Benzenoid(苯的)得名]，这是由于跃迁和苯环的振动的重叠引起的。B吸收带的精细结构常用来辨认芳香族化合物。苯环与生色团连结时，有B和K两种吸收带，有时还有R吸收带，其中R吸收带的波长最长。第17页,共30页，2024年2月25日，星期天生色团与助色团生色团(Chromophore)：

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(Auxochrome)：

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。第18页,共30页，2024年2月25日，星期天红移(Einsteinshift)与蓝移(Bluenessshift)

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。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。第19页,共30页，2024年2月25日，星期天2.金属配合物的紫外—可见吸收光谱

金属离子与配位体反应生成配合物的颜色一般不同于游离金属离子(水合离子)和配位体本身的颜色。金属配合物的生色机理主要有三种类型：⑴配位体微扰的金属离子d一d电子跃迁和ｆ一ｆ电子跃迁

摩尔吸收系数ε很小，对定量分析意义不大。⑵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，若静电引力结合，变化一般很小。若共价键和配位键结合，则变化非常明显。⑶电荷转移吸收光谱

在分光光度法中具有重要意义。第20页,共30页，2024年2月25日，星期天电荷转移吸收光谱（荷移光谱）

当吸收紫外可见辐射后，分子中原定域在金属M轨道上电荷的转移到配位体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。

电荷转移跃迁本质上属于分子内氧化还原反应，因此呈现荷移光谱的必要条件是构成分子的二组分，一个为电子给予体，另一个应为电子接受体。电荷转移跃迁在跃迁选律上属于允许跃迁，其摩尔吸光系数一般都较大(104左右)，适宜于微量金属的检出和测定。荷移光谱的最大吸收波长及吸收强度与电荷转移的难易程度有关。

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=[FeSCN]2＋

第21页,共30页，2024年2月25日，星期天四、光的吸收定律

1.朗伯—比耳定律(LawofLambert—Beer)布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)先后于1729年和1760年阐明了光的吸收程度和吸收层厚度的关系。A∝b

（动画1）（动画2）

1852年比耳(Beer)又提出了光的吸收程度和吸收物浓度之间也具有类似的关系。A∝c

二者的结合称为朗伯比耳定律，其数学表达式为：

第22页,共30页，2024年2月25日，星期天朗伯—比耳定律数学表达式

A＝lg（I0/It)=εbc

式中A：吸光度；描述溶液对光的吸收程度；

b：液层厚度(光程长度)，通常以cm为单位；

c：溶液的摩尔浓度，单位mol·L－１；

ε：摩尔吸光系数，单位L·mol－１·cm－１；

或:A＝lg（I0/It)=abc

c：溶液的浓度，单位g·L－１

a：吸光系数，单位L·g－１·cm－１

a与ε的关系为：

a=ε/M（M为摩尔质量）第23页,共30页，2024年2月25日，星期天透光度(透光率)T透光度T:描述入射光透过溶液的程度:

T=It/I0吸光度A与透光度T的关系:

A＝－lgT

朗伯—比耳定律是吸光光度法的理论基础和定量测定的依据。应用于各种光度法的吸收测量；

摩尔吸光系数ε在数值上等于浓度为1mol/L、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度；吸光系数a(L·g-1·cm-1）相当于浓度为1g/L、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。第24页,共30页，2024年2月25日，星期天2.摩尔吸光系数ε的讨论

（1）吸收物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数；

（2）不随浓度c和光程长度b的改变而改变。在温度和波长等条件一定时，ε仅与吸收物质本身的性质有关，与待测物浓度无关；（3）可作为定性鉴定的参数；

（4）同一吸收物质在不同波长下的ε值是不同的。在最大吸收波长λmax处的摩尔吸光系数，常以εmax表示。εmax表明了该吸收物质最大限度的吸光能力，也反映了光度法测定该物质可能达到的最大灵敏度。

第25页,共30页，2024年2月25日，星期天摩尔吸光系数ε的讨论（5）εmax越大表明该物质的吸光能力越强，用光度法测定该物质的灵敏度越高。ε>105：超高灵敏；

ε=(6～10）×104：高灵敏；

ε<2×104：不灵敏。第26页,共30