第2讲 紫外-可见分光光度法.ppt

1、第二讲 紫外可见分光光度法,2.1 紫外可见吸收光谱,ultraviolet and visible spectrophotometry, （UV-Vis）,一、分子吸收光谱的形成 formation of UV,1.概述 紫外可见吸收光谱：产生于价电子和分子轨道上的电子（外层电子）在电子能级间的跃迁。 波长范围：200-800 nm. (1)近紫外光区: 200-400nm (2)可见光区:400-800nm,可用于结构鉴定和定量分析。电子跃迁的同时，伴随着振动和转动能级的跃迁： 带状光谱。,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

2、量子化 ；选择性吸收 用不同波长的单色光照射，测吸光度，得吸收曲线。,M + h M *,基态 激发态 E1 （E） E2,吸收曲线的讨论：,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max 同一种物质，浓度的改变不影响吸收曲线的形状和max。不同的物质，其吸收曲线的形状和max一般是不同的。,因此，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。,讨论：,同一种物质，在某个特定波长下其吸光度（A）随浓度而变，此特性可作为物质定量分析的依据。 在max处吸光度随浓度变化的幅度最大，测定最灵敏，所以一般选择max作为测定波长。吸收曲线是定量分析中选择

3、入射光波长的重要依据。,3.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: EEe+Ev+Er evr,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带状光谱。,讨论：,（1） 转动能级间的能量差r：0.005 0.050eV，跃迁产生吸收光谱

4、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v约为：0.05 eV，跃迁产生的吸收光谱位于中、近红外区，红外光谱或分子振动光谱； （3） 电子能级的能量差e较大，为1 20eV。电子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；（以上为分子吸收光谱的3种类型。）,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max也作为定性的依据。不同物质的max有时可能相同，但max

5、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，这是光谱定量分析的依据。,二、有机物的紫外可见光谱与电子跃迁（无机物的紫外可见光谱不做要求）,有机化合物的紫外可见吸收光谱是三种电子跃迁的结果：电子、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，所需能量大小顺序为： n n,1跃迁,所需能量最大；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200 nm； 例： 甲烷的max为125nm , 乙烷max为135nm。 只能被真空紫外分光光度计检测到；

6、故饱和烷烃可作为溶剂使用。,2n跃迁,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* 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。,（2）共轭烯烃中跃迁,max一般在104 Lmol-1cm-1以上，属于强吸收。 （1） 孤立的*跃迁 乙烯*:max162nm，max: 1104 Lmol-1cm1。羰基化合物中，当Y=H,R时， * max:150-160nm。,3 *,随着共轭体系的延长， max将向长波方向移动，吸收强度也增大,上述含有键的不饱和有机物中，如果引入OH，NH2，-X,-S等含有杂原子的基团，则其除了进行*跃

7、迁外，还可以发生 n * 跃迁，一般发生在近紫外区，为10 100 Lmol1cm1，属于弱的吸收。,4 n *,5 芳香烃及其杂环化合物,1)苯：3个吸收峰 E1带180184nm； =47000 E2带 200204 nm =7000 B带 230-270 nm =200 2)含取代基时， B带简化，向长波方向移动（红移）。 3)稠环芳烃，随苯环增多，3个吸收带皆红移。,6.紫外可见光谱中的一些常用术语 （如生色团、助色团等）,生色团： 最有用的紫外可见光谱是由和n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，

8、如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基NN、乙炔基、腈基CN等。,助色团： 有一些含有 n 电子的基团(如OH、OR、NH、NHR、X等)，它们本身没有生色功能(不能吸收200nm的光)，但当它们与生色团相连时，就会发生n 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。,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max和吸收强度发生变化: max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。,7.影响紫外可见光谱的因素,如 共轭效

9、应、立体化学效应、溶剂的影响、体系pH的影响等(简单了解即可，不做要求),第二讲 紫外可见分光光度法,2.2 朗伯-比耳定律（学习重点）,ultraviolet and visible spectrophotometry, （UV-Vis）,紫外-可见吸收光谱法 较常用于定量分析的依据,设入射光强度为I0，吸收光强度为Ia, 透射光强度为 It，反射光强度为Ir，则 I0= Ia+ It+ Ir 由于同一套吸收池的反射光强度基本相同，其影响可相互抵消，上式可简化为： I0= Ia+ It,(1) 吸光度和透光度,透光度：透光度为透过光的强度It与入射光强度I0之比，用T表示： 即 T= It/

10、I0 吸光度: 为透光度倒数的对数，用A表示， 即 A=lg1/T=lgI0/It,（2）朗伯-比尔定律： 当一束平行单色光通过含有吸光物质的稀溶液时，溶液的吸光度与吸光物质浓度、液层厚度乘积成正比，即 A= cl 式中比例常数与吸光物质的本性，入射光波长及温度等因素有关。c为吸光物质浓度，l为透光液层厚度。,朗伯-比尔定律是紫外-可见分光光度法的理论基础。,（3）吸光系数,当 l 以cm，c以g/L为单位时，称为吸光系数，用 a 表示。,A= a c l,a的单位为 ：L/(g.cm),当l以cm，c以mol/L为单位时，称为摩尔吸光系数，用 表示。 的单位为L/mol.cm，它表示物质的浓

11、度为1mol/L，液层厚度为1cm时，溶液的吸光度。吸光度具有加和性：,(4) 摩尔吸光系数,*（5）比吸光系数,比吸光系数是指百分含量为1%， l为1cm时的吸光度值，用 表示。, = Ma,重要公式：,标准曲线发生弯曲（尤其当溶液浓度较高时）的现象称为对朗伯比耳定律的偏离。,（6）偏离朗伯-比耳定律的因素,A= a cl,（6）偏离朗伯-比耳定律的因素,（b）溶液的不均匀性 实际样品的混浊，加入的保护胶体，蒸馏水中的微生物，存在散射以及共振发射等，均使吸光质点的吸光特性变化大。,（a）溶液的浓度（重要） Lambert-Beer定律假设测定试液中各组分没有相互作用，即所谓稀溶液时才成立。,

12、（c）溶剂的影响 影响峰高、位置及待测物的性质,（d）非单色光作为入射光引起的偏离（重要）,假设由波长为1和2 的两束单色光组成的入射光通过浓度为c 的溶液：,推导可得，当 1 2 时，A与 c 不成线性关系,第二讲 紫外可见分光光度法,2.3 紫外-可见分光光度计,ultraviolet and visible spectrophotometry, （UV-Vis）,一、基本组成,光源,单色器,吸收池,检测器,信号指示系统,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3202500 nm。

13、 紫外区：氢灯、氘灯。发射185400 nm的连续光谱。,点击上图播放,2.单色器,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。 入射狭缝：光源的光由此进入单色器； 准光装置：透镜或反射镜使入射光成为平行光束； 色散元件：将复合光分解成单色光：棱镜或光栅；,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； 出射狭缝。,3.吸收池,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。,5.信号指示系统 检流计、数字显示、微机进行仪器自动控制和结果处理。,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

14、或光电倍增管。,二、分光光度计的类型 types of spectrophotometer,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。,3.双波长 将不同波长的两束单色光(1、2) 快速交替通过同一吸收池后到达检测器，产生交流信号。无需参比池。两波长同时扫描即可获得导数光谱。,光路图,第二讲 紫外可见分光光度法,2.4 分析条件的选择,ultraviolet and visible spec

15、trophotometry, （UV-Vis）,（一） 仪器测量条件的选择 1. 适宜的吸光度范围 由朗伯-比尔定律可知： A=lg1/T=c l 微分后得： dlgT=0.4343dT/T= -ldc 或 0.4343T/T= -lc,设：T =1%， 做c/c与透光度T 的曲线 T 在10%70%之间 c/c 小于5%， 对应 的吸光度为： A =1.000.15 即最适宜的吸光度A测量范围为0.151.00之间。 c/c最小时： Tmin36.8%, Amin0.434 即当A=0.434时，吸光度测量误差最小。,通常根据被测组分的吸收光谱，选择最强吸收带的最大吸收波长为入射波长。 当最

16、强吸收峰的峰形比较尖锐时，往往选用吸收稍低，峰形稍平坦的次强峰或肩峰进行测定。,2. 入射光波长的选择,入射光波长的选择原则 保证较高的灵敏度。 曲线较为平坦处，吸光度变化不大，对Beer定律的偏离度比较小。 在保证一定光强的前提下，应使用尽可能窄的谱带宽度。 同时应尽量避免采用尖锐的吸收峰进行定量分析。,（二） 反应条件的选择（了解内容，自学） （三） 参比溶液的选择 1、溶剂参比 2、试剂参比（空白溶液做参比） 3、试样参比 当试样中的共存组分有吸收时 4、平行操作溶液参比 用不含被测组分的试样，在相同条件下与被测试样同样进行处理，由此得到平行操作参比溶液。 （四） 干扰及消除方法（了解内

17、容，不作要求）,第二讲 紫外可见分光光度法,2.5 紫外可见分光光度法的应用,ultraviolet and visible spectrophotometry, （UV-Vis）,紫外-可见分光光度法主要用于物质的定量分析，还可以用于物质的定性分析、结构分析和纯度鉴定。,1.定性分析和结构分析 （了解内容，不作要求）,紫外-可见吸收光谱一般不单独用于化合物的结构分析，通常是配合红外、核磁共振、质谱法做结构鉴定，是一种有用的辅助方法。 它是研究共轭体系和芳环结构的有用工具。 例如，某化合物在近紫外区内无吸收，说明该物质无共轭结构和芳香结构。,2.纯度的鉴定 用紫外吸收光谱确定试样的纯度是比较方便的。 如生产无水乙醇时通常加入苯进行蒸馏，因此产品中常常含有少量苯。乙醇在近紫外区没有吸收，而苯有（max256nm）；利用苯的吸收大小，即可鉴定乙醇的纯度。,3.定量分析,只要求掌握单组分定量的两种方法 （多组分定量、双波长法等 均不作要求）,方法一：校准曲线法,配制一系列不同含量的标准溶液，选用适宜的参比，在