仪器分析紫外

紫外-可见分光光度法

Ultraviolet-VisibleSpectrophotometry

(UV-Vis)紫外—可见分光光度法是利用某些物质分子能够吸收200~800nm光谱区的辐射来进行分析测定的方法。这种分子吸收光谱源于价电子或分子轨道上电子的电子能级间跃迁，广泛用于无机和有机物质的定量测定，辅助定性分析（如配合IR）。单色光：单波长的光可见光区：400～

780nm，由各种单色光组成的复合光，不同波长的可见光具有不同的颜色。紫外光区：①近紫外区：200～

400nm②远紫外区（真空紫外区）：10～

200nm

空气中的氧、二氧化碳和水分子等在远紫外区均有吸收，在远紫外区对物质进行测定必然会受到空气中存在的物质的干扰，因此远紫外区测定必须在真空下进行。实际应用较为困难，因此远紫外技术应用较少。1紫外-可见光2分子吸收光谱的产生

在分子中，除了电子相对于原子核的运动外，还有核间相对位移引起的振动和转动。这三种运动能量都是量子化的，并对应有一定能级。分子的能级示意图

分子总能量：E分子

=E电子

+

E振动

+

E转动当用频率为v的电磁波照射分子，而该分子的较高能级与较低能级之差△E恰好等于该电磁波的能量hv时，即有：

△E

=hv（h为普朗克常数）此时，在微观上出现分子由较低能级跃迁到较高的能级；在宏观上则透射光的强度变小。用一连续辐射的电磁波照射分子，将照射前后光强度的变化转变为电信号，并记录下来，然后以波长为横坐标，以电信号（吸光度A）为纵坐标，就可以得到一张光强度变化对波长的关系曲线图——紫外可见吸收光谱图。3Lambert-Beer定律

当一束平行单色光通过单一均匀、非散射的吸光物质溶液时，溶液的吸光度A与溶液浓度c和液层厚度b的乘积成正比：

A＝lg(I0/It)=-lgT=abc1=εbc2

A—吸光度；T

—透过率；

I0—入射光强度；It—出射光强度；

b—溶液液层厚度(光程长度)，cm

a—吸光系数，L·g-1·cm-１；

c1—溶液浓度，g·L-１

c2—溶液的摩尔浓度,mol·L-１

ε—摩尔吸光系数L·mol-1·cm-１按Lambert-Beer定律可进行定量测定。测量时盛溶液的吸收池厚度为b，若浓度c已知，测得吸光度A即可计算出ε值，后者为化合物的物理常数。若已知ε值，则由测得的吸光度可计算溶液的浓度。可见，当测定一个化合物的吸收光谱时，被吸收光的波长和摩尔吸光系数是两个重要的参数，前者表示吸收能量的大小，后者反映能级跃迁的几率，属于化合物的特性。摩尔吸光系数ε：ε反映了物质的吸光能力，它是物质的特征常数。b和c对ε无影响，但温度和溶剂变化对ε有影响。λmax处的εmax

代表该物质最大的吸光能力。

不同物质：

相同，ε不同同一物质：

不同则ε不同；

不变则ε不变。

4物质对光的选择性吸收△E恰好与物质分子或离子的某两个能级的能量之差相等。激发态很不稳定，很快会回到基态，同时以热或荧光等形式释放出能量。不同的物质由于结构不同而具有不同的量子化能级，其能量差也不同，因此物质对光的吸收具有选择性。M+h

M*基态

激发态E1

（△E）

E2（1）有机化合物的电子跃迁类型

UV/VS是分子中价电子跃迁产生的。它取决于分子中价电子的分布和结合情况。1）有机物分子中外层价电子种类:

①形成单键的σ电子②形成复键的π电子③杂原子上未成键的孤对电子—n电子COHnpsH5有机化合物的紫外可见吸收特性2）有机物不同电子能级高低顺序及四种主要电子跃迁类型：3）四种主要跃迁所需能量ΔΕ大小顺序:

n→π＊<π→π＊<n→σ＊<σ→σ＊

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。主要是饱和烷烃的分子产生此类跃迁。吸收光谱出现在远紫外区，只能被真空紫外分光光度计检测到。如甲烷的λmax为125nm,乙烷λmax为135nm。①σ→σ＊跃迁②n→σ＊跃迁所需能量较大。吸收波长为150～250nm。大部分吸收处于远紫外区，近紫外区仍不易观察到。吸收峰的摩尔吸光系数ε较低，一般ε<300，吸收强度较低。含N、O、S和卤素等杂原子的基团如—NH2，—OH，—S，—X的有机化合物可产生n→σ*跃迁。③π→π＊跃迁所需能量较小。吸收峰大都在200nm附近。最大摩尔吸光系数εmax>104，属于强吸收。含有不饱和双键的物质如不饱和烃、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λmax为162nm。

④n→π＊跃迁所需能量最低，吸收波长>200nm，多在270~300nm附近。摩尔吸光系数一般为10～100，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。例如丙酮n→π＊跃迁的λ为275nm。

π→π＊和n→π＊的λmax在紫外可见光谱中最为有用。（2）有机物的特征吸收生色团：能吸收紫外或可见光而引起电子跃迁的基团。主要是含有π键和未共用电子对的基团，如-C=C-、-C=O、-NO2、—N＝N—、乙炔基、腈基等。产生n→π＊、π→π＊跃迁。助色团:

含杂原子的饱和基团。如-OH、-OR、-NH2、-NHR、-X、-SH。助色团本身不能吸收λ>200nm的光，但当它们与生色团相连时，会发生n-π共轭，降低π→π＊跃迁需要的能量，使生色团的吸收波长向长波方向移动，同时吸收强度增加。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:

红移：λmax向长波方向移动。

蓝移：向短波方向移动。增色效应或减色效应：吸收强度即摩尔吸光系数ε增大或减小的现象。

红移和增色效应有利于分析检测的进行。饱和烃及其取代衍生物饱和烃类分子中只含有σ键，因此只能产生σ→σ*跃迁，即σ电子从成键轨道（σ）跃迁到反键轨道（σ*）。饱和烃的最大吸收峰一般小于150nm，已超出紫外、可见，分光光度计的测量范围。卤代烃饱和烃的取代衍生物如卤代烃，其卤素原子上存在n电子，可产生n→σ*的跃迁。n→σ*的能量低于σ→σ*。例如，CH3Cl、CH3Br和CH3I的n→σ*跃迁分别出现在173、204和258nm处。这些数据不仅说明氯、溴和碘原子引入甲烷后，其相应的吸收波长发生了红移，显示了助色团的助色作用。直接用烷烃和卤代烃的紫外吸收光谱分析这些化合物的实用价值不大。但是它们是测定紫外和（或）可见吸收光谱的良好溶剂。不饱和烃及共轭烯烃在不饱和烃类分子中，除含有σ键外，还含有π键，它们可以产生σ

→

σ*和π

→

π*两种跃迁。π

→

π*跃迁的能量小于σ

→

σ*跃迁。例如，在乙烯分子中，π

→

π*跃迁最大吸收波长为180nm在不饱和烃类分子中，当有两个以上的双键共轭时，随着共轭系统的延长，π

→

π*跃迁的吸收带将明显向长波方向移动，吸收强度也随之增强。在共轭体系中，π

→

π*跃迁产生的吸收带又称为K带。羰基化合物羰基化合物含有>C=O基团。>C=O基团主要可产生π

→

π*、n→σ*、n→π＊三个吸收带，n→π＊吸收带又称R带，落于近紫外或紫外光区。醛、酮、羧酸及羧酸的衍生物，如酯、酰胺等，都含有羰基。由于醛酮这类物质与羧酸及羧酸的衍生物在结构上的差异，因此它们n→π＊吸收带的光区稍有不同。羧酸及羧酸的衍生物虽然也有n→π＊吸收带，但是，羧酸及羧酸的衍生物的羰基上的碳原子直接连结含有未共用电子对的助色团，如-OH、-Cl、-OR等，由于这些助色团上的n电子与羰基双键的π电子产生n→π＊共轭，导致π*轨道的能级有所提高，但这种共轭作用并不能改变n轨道的能级，因此实现n→π＊跃迁所需的能量变大，使n→π＊吸收带280-310nm蓝移至210nm左右。苯及其衍生物苯有三个吸收带，它们都是由π

→

π*跃迁引起(K带)。E1带出现在180nm（εmax=60，000）；E2带出现在204nm（εmax=8，000）；B带出现在255nm（εmax=200）。在气态或非极性溶剂中，苯及其许多同系物的B谱带有许多的精细结构，这是由于振动跃迁在基态电子上的跃迁上的叠加而引起。在极性溶剂中，这些精细结构消失。当苯环上有取代基时，苯的三个特征谱带都会发生显著的变化，其中影响较大的是E2带和B带。稠环芳烃及杂环化合物稠环芳烃，如萘、蒽、芘等，均显示苯的三个吸收带，但是与苯本身相比较，这三个吸收带均发生红移，且强度增加。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，喹啉与萘相似。（3）影响有机物紫外吸收光谱的因素1）溶剂的影响①溶剂极性的变化会改变紫外吸收光谱的形状例：苯酚在非极性的庚烷溶液中在270nm处出现中等强度的吸收峰并有精细结构；在极性的乙醇溶液中，原先的精细结构变得不明显或消失，B带成宽的包状。②溶剂极性的变化改变吸收波长在非极性溶液中n

n

p

n<

pn

→

*跃迁兰移，，

在极性溶液中

n

p

在非极性溶液中

n>

p

→*跃迁红移，，在极性溶液中大多数发生

→*跃迁的分子，其激发态的极性总是比基态大，故激发态与极性溶剂发生作用所降低的能量大，使基态与激发态之间的能量变小。极性大的溶剂会使

→*跃迁红移，使n

→

*跃迁兰移。对于n

→

*，未成对的孤对电子在基态时与极性溶剂形成氢键，降低了基态的能量，使跃迁能量增加，吸收波长蓝移。溶剂对紫外光谱有影响，因此在记录吸收光谱时应注明所用的溶剂；在将未知物的吸收光谱与已知化合物进行比较时应使用相同的溶剂。2）溶剂pH值的影响

——影响含酸、碱基团物质的光谱例：苯胺在乙醇中E2带λmax为230nm，

B带λmax为280nm，而在稀酸中E2带λmax为203nm，

B带λmax为254nm。利用溶剂pH值不同对光谱的影响，可测定化合物结构中的酸性或碱性基团。3）分子空间效应顺反异构：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=243nm6无机化合物的紫外可见吸收特性无机化合物的吸收带主要由配位场跃迁和电荷迁移产生。配位场跃迁包括d-d跃迁和f-f

跃迁。元素周期表中第四、五周期的过渡金属元素分别含有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，过渡元素的五个能量相等的d轨道和镧系元素七个能量相等f轨道分别分裂成几组能量不等的d轨道和f轨道。当它们的离子吸收光能后，低能态的d电子或f电子可以分别跃迁至高能态的d或f轨道，这两类跃迁分别称为d-d跃迁和f-f

跃迁。由于这两类跃迁必须在配体的配位场作用下才可能发生，因此又称为配位场跃迁。基于金属配合物的形成，UV/VS在金属离子的分析上应用广泛。显色反应：将待测组分转变成有色化合物的反应。显色剂：与待测组分反应形成有色化合物的试剂。7无机物的显色反应（1）显色反应的意义不同波长的可见光具有不同的颜色。互为补色光：可组成白色光的两种颜色的光。物质之所以显现颜色，是由于它吸收了显现颜色的互补色的缘故，即有颜色的物质能够吸收一定波长的可见光。例如，黄绿色与紫色为互为补色光，高锰酸钾溶液吸收了白光中的黄绿色而呈现紫色。化合物必须具有一定的颜色才能够对可见光进行选择性吸收。（2）显色反应类型①氧化还原反应——少数例：氧化

Mn2＋

MnO4＋无色紫红色②配位反应（络合反应）——大多数金属离子与显色剂反应生成有色配合物。（3）显色剂的选择显色反应必须具有明确的计量关系，反应完全、快速。显色剂种类繁多，以有机显色剂为主。同一待测组分可使用多种显色剂。显色剂的选择原则：灵敏度高；选择性好；显色剂在测定波长处无明显吸收；生成的显色化合物组成稳定，化学性质稳定；两种有色物最大吸收波长之差要求△

>60nm。（4）显色条件的选择①显色剂用量

过量的显色剂可能引起副反应、或者试剂空白过高。适宜的显色剂用量通常需要通过实验来测定。

吸光度A与显色剂浓度CR的关系会出现如图所示的几种情况。选择曲线变化平坦处。

②反应体系的酸度

在相同实验条件下，分别测定不同pH值条件下显色溶液的吸光度。选择曲线中吸光度较大且恒定的平坦区所对应的pH范围。③显色时间与温度

由实验确定。④溶剂

尽量采用水相测定。（5）干扰的消除若共存组分或共存组分与显色剂作用生成的化合物在待测组分的测定波长处有吸收，则会对测定产生干扰。消除的主要方法：①加入掩蔽剂，使干扰离子生成无色化合物或无色离子。②选择适当的显色条件，使干扰离子不与显色剂作用以避免干扰。③分离干扰离子。

采用沉淀、离子交换、色谱、溶剂萃取等分离手段。（1）标准曲线法：

测定一系列已知的不同浓度溶液的吸光度，将吸光度对浓度作图，得到标准曲线。标准曲线应该是一条通过原点的直线，在线性范围内即可进行浓度的分析。8紫外可见定量方法（2）引起工作曲线的偏离（非线性）的原因实际工作中，常常会出现工作曲线弯曲的现象，这种现象称为偏离Lambert-Beer定律。①非单色光假设入射光由λ1和λ2两个单色光组成，且Io1=

Io2则

A总＝lg(2Io1)/Ｉt1(1＋10-

εbc

）

＝ε1-ε2

=0，

A总

＝lg（Ｉo/Ｉt）＝

bc

——只有单色光才能保证A与c成线性。

≠0，若

<0，负偏离；反之，则向A轴弯曲，即正偏离。若ε1≈ε2

，｜

｜很小，则可近似认为是单色光。实际应用中，分光光度计只能获得近乎单色的狭窄光带。要克服非单色光引起的偏离：①首先必须保证单色器的性能良好；②ε随波长变化较小。

——入射波长应选在待测物质的λmax且吸收曲线较平坦处。②化学因素朗伯—比耳定律假设吸光物质质点间没有相互作用。实际上吸光质点间的相互作用大小与浓度有关。随着浓度的增大，吸光质点间相互作用加强，使其吸光能力发生改变。吸光度与浓度间的关系就偏离了线性关系。

————朗伯-比耳定律只适用于稀溶液。若溶液本身存在缔合、离解、互变异构、配合反应等化学平衡，也将影响光的吸收，造成吸光度与浓度间的关系偏离线性关系。③介质不均匀被测物质是胶体溶液、乳浊液或悬浮物时，一部分入射光会因介质不均匀而产生散射，使实际测得的吸光度增大，导致偏离。

————朗伯-比耳定律只适用于是均匀溶液。（1）入射光波长的选择一般应选择λmax为入射光波长。如果λmax处有共存组分干扰时，则应考虑选择灵敏度稍低但能避免干扰的入射光波长。9吸光度测量条件的选择（2）参比溶液的选择选择参比液的原因：比色皿对光的吸收和反射、溶液微粒对光的散射等会引起入射光强度的减弱。为了使光强度的减弱仅与溶液中的待测物质有关，须采用参比溶液进行校正。方法：参比液与试样溶液的比色皿光学性质相同，厚度相同。调节光度计使光透过参比液的吸光度为零。然后测量试液的吸光度。参比液试液参比溶液选择的一般原则：待测试样溶液组成：

样品（待测组分+杂质）+溶剂+显色剂（+掩蔽剂）

实际测定的是待测组分与显色剂反应产物的吸光度，再通过显色反应方程计算待测组分含量。1）用纯溶剂：仅有待测组分与显色剂反应产物有吸收。2）用“试剂空白”(不加试样溶液)：显色剂或其它试剂在测定λ处略有吸收。3）用“试样空白”(不加显色剂)：待测试液在测定λ处有吸收，显色剂等无吸收。4）若试液中其它组分与显色剂反应形成有色化合物，可在试液中加入适当掩蔽剂将待测组分掩蔽后再加显色剂，以此作为参比溶液。

A=lg（1/T）=εbc

微分：－dlgT=－0.434dlnT=-0.434

dT/T=εbdc

dc/c=0.434dT/TlgT

浓度测定的相对误差：

Δc/c

=（0.434/TlgT）ΔT

可见，浓度测定的相对误差Δc/c与透光度T的读数范围和ΔT有关。

（3）吸光度测量范围的控制

每一台光度计的

T基本上为定值，一般约±0.2%~±2%。假设：ΔT=0.5%溶液浓度相对误差Δc/c与其透光度T的关系曲线如下图：

则：T=36.8%，即A=0.4343时，c/c最小。

若A=0.15~0.7，即T=70%

~20%

，则

c/c约为±1.4~±1.6%，这是测量误差较小的读数范围，也是可见分光光度法适宜的吸光度读数范围。对于高含量或极低含量物质测定，其吸光度值过高或过低，都将带来较大的分析误差。可通过改变b或c，使吸光度读数落在适宜的范围内（一般为

0.15~0.7

）。物质浓度过高，稀释倍数过高将带来较高的分析误差。紫外可见分光光度法不适于高含量物质的测定。10紫外—可见分光光度计

光源单色器样品池检测器显示（1）紫外—可见分光光度计结构：1）光源

发射辐射强度大、稳定性好的紫外或可见光的连续光谱。可见光区：钨灯,发射320～2500nm的连续光谱。紫外区：氢、氘灯。发射185～400nm的连续光谱。2）单色器

作用：将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出任一波长单色光的光学系统。

3）样品池（比色皿）

紫外区须用石英池，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可检测的电信号。5）结果显示及数据处理系统（2）分光光度计的类型1）单光束适于在给定波长处测量吸光度或透光度，不能作全波段光谱扫描。简单，价廉。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，仪器复杂，价格较高。（3）双波长

将不同波长的两束单色光(λ1、λ2)

快速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。△λ

=1～2nm。两波长同时扫描即可获得导数光谱。进行紫外可见光度分析时（定性或定量），其应用前提是物质对紫外可见光具有吸收特性，或者将物质转变成具有紫外可见吸收特性的物质即吸光化合物或有色化合物，才能进行光度测定。因此，必须首先了解物质对紫外可见光的吸收特性。吸光化合物：主要是具有生色团的有机化合物。对紫外光产生选择性吸收。有色化合物：能够选择性吸收可见光的物质。紫外光谱定性解析程序（1）由紫外光谱图找出最大吸收峰对应的波长λmax，并算出ε；（2）推断该吸收带属何种吸收带及可能的化合物骨架结构类型；（3）与同类已知化合物紫外光谱进行比较，或将预定结构计算值与实测值进行比较；（4）与标准品进行比较对照或查找文献核对。（1）定性分析11紫外-可见分光光度法的应用根据有机化合物的紫外光谱，可以大致地推断出该化合物的主要生色团及其取代基的种类和位置以及该化合物的共轭体系的数目和位置，这些就是紫外吸收光谱在定性、结构分析中的最重要的应用。例如（1）在210-250nm间有吸收峰，ε较大，说明可能有两个共轭双键。（2）260-300nm间，有吸收峰，ε较大，可能有3-5个共轭双键。（3）250-300nm间有吸收峰，但ε较小，且增加溶剂极性会蓝移，说明可能有羰基存在。（4）250-300nm间有吸收峰，中等强度，伴有振动精细结构，说明有苯环存在。根据共轭效应对紫外光谱的影响很大的特点，紫外光谱可以用来进行同分异构体的判别，这是紫外光谱的一大特点。例如某一化合物具有顺式和反式两种异构体，当该化合物中的生色团与助色团在同一平面上时，由于能产生最大的共轭效应，因而吸收波长就会向长波长方向移动。如果在顺式，由于位阻效应，而使共轭程度降低，则吸收峰会向短波长方向位移。据此，即可判断该化合物的顺反异构。对于有机化合物的分析与鉴定，通常采用的方法是与标准的有机化合物的图谱对照。但由于物质的紫外光谱基本上是其分子中的生色团和