儀器分析 第5章 紫外-可見光分光光度法

第五章

紫外可見光分光光度法

利用被測物質(zhì)的分子對紫外-可見光選擇性吸收的特性而建立起來的方法。一．分子吸收光譜的產(chǎn)生在分子中存在著電子的運動，以及組成分子的各原子間的振動和分子作為整體的轉(zhuǎn)動。分子的總能量可以認為等于這三種運動能量之和。即：E分子=E電子+E振動+E轉(zhuǎn)動分子中的這三種運動狀態(tài)都對應(yīng)有一定的能級。即在分子中存在著電子能級、振動能級和轉(zhuǎn)動能級。這三種能級都是量子化的。其中電子能級的間距最大（每個能級間的能量差叫間距或能級差），振動能級次之，轉(zhuǎn)動能級的間距最小。如果用△E電子，△E振動以及△E轉(zhuǎn)動表示各能級差，則：△E-電子＞△E-振動＞△E-轉(zhuǎn)動由于組成分子能量的幾部分都具有一定的能級，所以分子也具有一定的能級，如圖是雙原子分子的能級圖：由圖可見，在每一個電子能級上有許多間距較小的振動能級，在每一個振動能級上又有許多間距更小的轉(zhuǎn)動能級。由于這個原因，處在同一電子能級的分子，可能因振動能量不同而處于不同的能級上。同理，處于同一電子能級和同一振動能級上的分子，由于轉(zhuǎn)動能量不同而處于不同的能級上。當用光照射分子時，分子就要選擇性的吸收某些波長（頻率）的光而由較低的能級E躍遷到較高能級E‘上，所吸收的光的能量就等于兩能級的能量之差：△E=E‘－E其光的頻率為：γ=△E/h或光的波長為：λ=hc/△E由于分子選擇性的吸收了某些波長的光，所以這些光的能量就會降低，將這些波長的光及其所吸收的能量按一定順序排列起來，就得到了分子的吸收光譜。二、分子吸收光譜類型

遠紅外光譜、紅外光譜及紫外-可見光譜三類。分子的轉(zhuǎn)動能級躍遷，需吸收波長為遠紅外光，因此，形成的光譜稱為轉(zhuǎn)動光譜或遠紅外光譜。分子的振動能級差一般需吸收紅外光才能產(chǎn)生躍遷。在分子振動時同時有分子的轉(zhuǎn)動運動。這樣，分子振動產(chǎn)生的吸收光譜中，包括轉(zhuǎn)動光譜，故常稱為振-轉(zhuǎn)光譜。由于它吸收的能量處于紅外光區(qū)，故又稱紅外光譜。電子的躍遷吸收光的波長主要在真空紫外到可見光區(qū)，對應(yīng)形成的光譜，稱為電子光譜或紫外-可見吸收光譜。三．有機化合物的紫外—可見吸收光譜（一）、躍遷類型主要有σ→σ*、n→σ*、n→π*、π→π*

*

n*

n***nσ→σ*

躍遷主要發(fā)生在真空紫外區(qū)。b.π→π*

躍遷吸收的波長較長，孤立的π→π*躍遷一般在200nm左右C、n→π*

躍遷一般在近紫外區(qū)（200~400nm），吸光強度較小，n→σ*

躍遷吸收波長仍然在150~250nm范圍，因此在紫外區(qū)不易觀察到這類躍遷。在以上幾種躍遷中，只有-*和n-*兩種躍遷的能量小，相應(yīng)波長出現(xiàn)在近紫外區(qū)甚至可見光區(qū)，且對光的吸收強烈，是我們研究的重點。（二）、常用術(shù)語1，生色團:有機物中含有n→π*或π→π*躍遷的基團；2，助色團:助色團是指帶有非鍵電子對的基團；可使生色團吸收峰向長波方向移動并提高吸收強度的一些官能團，常見助色團助色順序為：-F<-CH3<-Br<-OH<-OCH3<-NH2<-NHCH3<-NH(CH3)2<-NHC6H5<-O-3，紅移與藍移（紫移）某些有機化合物經(jīng)取代反應(yīng)引入含有未共享電子對的基團之后，吸收峰的波長將向長波方向移動，這種效應(yīng)稱為紅移效應(yīng)。在某些生色團如羰基的碳原子一端引入一些取代基之后，吸收峰的波長會向短波方向移動，這種效應(yīng)稱為藍移（紫移）效應(yīng)。如-R，-OCOR，四．溶劑對紫外、可見吸收光譜的影響改變?nèi)軇┑臉O性，會引起吸收帶形狀的變化。改變?nèi)軇┑臉O性，還會使吸收帶的最大吸收波長發(fā)生變化。下表為溶劑對一種丙酮紫外吸收光譜的影響。

正己烷CHCl3CH3OHH2O

*230238237243n

*

329315309305由于溶劑對電子光譜圖影響很大，因此，在吸收光譜圖上或數(shù)據(jù)表中必須注明所用的溶劑。與已知化合物紫外光譜作對照時也應(yīng)注明所用的溶劑是否相同。在進行紫外光譜法分析時，必須正確選擇溶劑。五．吸收曲線（吸收光譜）及最大吸收波長1．吸收曲線：每一種物質(zhì)對不同波長光的吸收程度是不同的。如果我們讓各種不同波長的光分別通過被測物質(zhì)，分別測定物質(zhì)對不同波長光的吸收程度。以波長為橫坐標，吸收程度為縱坐標作圖所得曲線。例：丙酮

max=279nm(=15)

nm300400500600700/nm350525545Cr2O72-MnO4-1.00.80.60.40.2Absorbance350Cr2O72-、MnO4-的吸收光譜2、吸收峰和最大吸收波長max吸收曲線表明了某種物質(zhì)對不同波長光的吸收能力分布。曲線上的各個峰叫吸收峰。峰越高，表示物質(zhì)對相應(yīng)波長的光的吸收程度越大。其中最高的那個峰叫最大吸收峰，它的最高點所對應(yīng)的波長叫最大吸收波長，用λmax表示。

3．物質(zhì)的吸收曲線和最大吸收波長的特點：

1）不同的物質(zhì)，吸收曲線的形狀不同，最大吸收波長不同。2）對同一物質(zhì)，其濃度不同時，吸收曲線形狀和最大吸收波長不變，只是吸收程度要發(fā)生變化，表現(xiàn)在曲線上就是曲線的高低發(fā)生變化。六．光的選擇性吸收與物質(zhì)顏色的關(guān)系：1．可見光的顏色和互補色：在可見光范圍內(nèi)，不同波長的光的顏色是不同的。平常所見的白光（日光、白熾燈光等）是一種復(fù)合光，它是由各種顏色的光按一定比例混合而得的。利用棱鏡等分光器可將它分解成紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等不同顏色的單色光。白光除了可由所有波長的可見光復(fù)合得到外，還可由適當?shù)膬煞N顏色的光按一定比例復(fù)合得到。能復(fù)合成白光的兩種顏色的光叫互補色光。/nm顏色互補光400-450紫黃綠450-480藍黃480-490綠藍橙490-500藍綠紅500-560綠紅紫560-580黃綠紫580-610黃藍610-650橙綠藍650-760紅藍綠2．物質(zhì)的顏色與吸收光的關(guān)系：當白光照射到物質(zhì)上時，如果物質(zhì)對白光中某種顏色的光產(chǎn)生了選擇性的吸收，則物質(zhì)就會顯示出一定的顏色。物質(zhì)所顯示的顏色是吸收光的互補色。完全吸收完全透過吸收黃色光光譜示意表觀現(xiàn)象示意復(fù)合光物質(zhì)顏色吸收光物質(zhì)顏色吸收光顏色波長范圍（nm）顏色波長范圍(nm)黃綠紫400～450紫綠560～580黃藍450～480藍黃580～600橙綠藍480～490綠藍橙600～650紅藍綠490～500藍綠紅650～760紫紅綠500～560

§5—2光吸收定律——朗白—比耳定律一．基本概念：當強度為I0的一定波長的單色入射光束通過裝有均勻待測物的溶液介質(zhì)時，該光束將被部分吸收Ia，部分反射Ir，余下的則通過待測物的溶液It，即有：I0=Ia+It+Ir如果吸收介質(zhì)是溶液（測定中一般是溶液），式中反射光強度主要與器皿的性質(zhì)及溶液的性質(zhì)有關(guān)，在相同的測定條件下，這些因素是固定不變的，并且反射光強度一般很小。所以可忽略不記，這樣：Io=Ia+It即：一束平行單色光通過透明的吸收介質(zhì)后，入射光被分成了吸收光和透過光。待測物的溶液對此波長的光的吸收程度可以透光率T和吸光度A用來表示。透光率——透光率表示透過光強度與入射光強度的比值，用T來表示，計算式為：T=It/IoT常用百分比（T%）表示。吸光度——透光率的倒數(shù)的對數(shù)叫吸光度。用A表示：A=-lgT二、朗伯—比耳定律：（一）定律內(nèi)容：當用一束強度為Io的單色光垂直通過厚度為b、吸光物質(zhì)濃度為c的溶液時，溶液的吸光度正比于溶液的厚度b和溶液中吸光物質(zhì)的濃度c的乘積。數(shù)學(xué)表達式為：A=-lgT=Kbc

（二）比例常數(shù)K的幾種表示方法：吸收定律的數(shù)學(xué)表達式中的比例常數(shù)叫“吸收系數(shù)”，它的大小可表示出吸光物質(zhì)對某波長光的吸收本領(lǐng)（即吸收程度）。它與吸光物質(zhì)的性質(zhì)、入射光的波長及溫度等因素有關(guān)。另外，K的值隨著b和c的單位不同而不同。下面就介紹K的幾種不同的表示方法。1．吸光系數(shù)：當溶液濃度c的單位為g/L,溶液液層厚度b的單位為cm時，K叫“吸光系數(shù)”，用a表示，其單位為L/g·cm，此時：A=abc由式可知：a=A/bc，它表示的是當c=1g/L、b=1cm時溶液的吸光度。2．摩爾吸光系數(shù)：當溶液濃度c的單位為mol/L，液層厚度b的單位為cm時，K叫“摩爾吸光系數(shù)”，用ελ表示，其單位為L/mol·cm，此時：A=ελbc由此式可知：ελ=A/bc，它表示的是當c=1mol/L，b=1cm時，物質(zhì)對波長為λ的光的吸光度。對于K的這兩種表示方法，它們之間的關(guān)系為：ελ=aMM為吸光物質(zhì)的分子量。ελ和a的大小都可以反映出吸光物質(zhì)對波長為λ的單色光的吸收能力。但更常用和更好的是用ελ來表示吸光物質(zhì)對波長為λ的光的吸收能力。摩爾吸光系數(shù)越大，表示物質(zhì)對波長為λ的光的吸收能力越強，同時在分光光度法中測定的靈敏度也越大。

（三）吸收定律的適用條件：1．必須是使用單色光為入射光；2．溶液為稀溶液；3．吸收定律能夠用于彼此不相互作用的多組分溶液。它們的吸光度具有加合性，且對每一組分分別適用，即：A總=A1+A2+A3…+An=ε1bc1+ε2bc2+ε3bc3…+εnbcn4．吸收定律對紫外光、可見光、紅外光都適用三．實際溶液對吸收定律的偏離及原因：（一）偏離：被測物質(zhì)濃度與吸光度不成線性關(guān)系的現(xiàn)象，如下圖。AC（二）偏離吸收定律的原因：1．入射光為非單色光：嚴格地說吸收定律只適用于入射光為單色光的情況。但在紫外可見光分光光度法中，入射光是由連續(xù)光源經(jīng)分光器分光后得到的，這樣得到的入射光并不是真正的單色光，而是一個有限波長寬度的復(fù)合光，這就可能造成對吸收定律的偏離。對非單色光引起的偏離，其原因是由于同一物質(zhì)對不同波長的光的摩爾吸光系數(shù)不同造成的。所以只要在入射光的波長范圍內(nèi)，摩爾吸光系數(shù)差別不是太大，由此引起的偏離是較小的。2．非平行光和光的散射：當入射光是非平行光時，所有光通過介質(zhì)的光的光程不同，引起小的偏離。另外，當溶液中含有懸浮物或膠粒等散射質(zhì)點時，入射光通過溶液時就會有一部分光因散射而損失掉，使透過光強度減小，測得的吸光度增大，從而引起偏離吸收定律。3．化學(xué)因素引起的偏離：1）離解作用：2）酸效應(yīng)：3）溶劑作用：§5—3紫外-可見分光光度計一．分光光度計的主要部件和工作原理：0.575光源單色器吸收池檢測器顯示（一）光源：用于提供足夠強度和穩(wěn)定的連續(xù)光譜。分光光度計中常用的光源有熱輻射光源和氣體放電光源兩類。熱輻射光源用于可見光區(qū)，如鎢絲燈和鹵鎢燈；氣體放電光源用于紫外光區(qū)，如氫燈和氘燈。鎢燈和碘鎢燈可使用的范圍在340~2500nm。氫燈和氘燈。它們可在160~375nm范圍內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)光源。另外，為了使光源發(fā)出的光在測量時穩(wěn)定，光源的供電一般都要用穩(wěn)壓電源，即加有一個穩(wěn)壓器。（二）分光系統(tǒng)：分光系統(tǒng)也叫單色器。單色器是能從光源輻射的復(fù)合光中分出單色光的光學(xué)裝置，其主要功能：產(chǎn)生光譜純度高的光波且波長在紫外可見區(qū)域內(nèi)任意可調(diào)。單色器一般由入射狹縫、準光器（透鏡或凹面反射鏡使入射光成平行光）、色散元件、聚焦元件和出射狹縫等幾部分組成。其核心部分是色散元件，起分光的作用。入射狹縫準直透鏡棱鏡聚焦透鏡出射狹縫白光紅紫λ1λ2800600500400光柵是利用光的衍射與干涉作用制成的，它可用于紫外、可見及紅外光域，而且在整個波長區(qū)具有良好的、幾乎均勻一致的分辨能力。（三）吸收池（比色皿）：在紫外可見分光光度法中，一般都是用液體溶液進行測定的，用于盛放試液的器皿就是吸收池或比色皿。有玻璃和石英兩種。（四）光檢測系統(tǒng)：用于檢測光信號。利用光電效應(yīng)將光強度信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置，也叫光電器件。分光光法中，得到的是一定強度的光信號，這個信號需要用一定的部件檢測出來。檢測時，需要將光信號轉(zhuǎn)換成電信號才能測量得到。光檢測系統(tǒng)的作用就是進行這個轉(zhuǎn)換。常用的光檢測系統(tǒng)主要有光電池、光電管和光電倍增管。1、光電池：用半導(dǎo)體材料制成的光電轉(zhuǎn)換器。用得最多的是硒光電池。其結(jié)構(gòu)和作用原理為：硒光電池光電管：它是在抽成真空或充有惰性氣體的玻璃或石英泡內(nèi)裝上2個電極構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖：12341是光電管的陽極，它由一個鎳環(huán)或鎳片組成；2是光電管的陰極，它由一個金屬片上涂一層光敏物質(zhì)構(gòu)成，如涂上一層氧化銫。涂上的光敏物質(zhì)具有這樣一個特性：當光照射到光敏物質(zhì)上時，它能夠放出電子；紅敏管625-1000nm藍敏管200-625nm光電管光電倍增管：它是一個非常靈敏的光電器件，可以把微弱的光轉(zhuǎn)換成電流。其靈敏度比前2種都要高得多。它是利用二次電子發(fā)射以放大光電流，放大倍數(shù)可達到108倍。光電倍增管1個光電子可產(chǎn)生106～107個電子（五）信號指示系統(tǒng)它的作用是放大信號并以適當方式指示或記錄下來。常用的信號指示裝置有直讀檢流計、電位調(diào)節(jié)指零裝置以及數(shù)字顯示或自動記錄裝置等。很多型號的分光光度計裝配有微處理機，一方面可對分光光度計進行操作控制，另一方面可進行數(shù)據(jù)處理。二、分光光度計的類型：（一）單光束分光光度計：0.575光源單色器吸收池檢測器顯示這類分光光度計的特點是：結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜。主要適用于定量分析，而不適用于作定性分析。另外，結(jié)果受電源的波動影響較大。（二）單波長雙光束分光光度計比值光源單色器吸收池檢測器顯示光束分裂器雙光束分光光度計是自動比較了透過參比溶液和樣品溶液的光的強度，它不受光源（電源）變化的影響。雙光束分光光度計還能進行波長掃描，并自動記錄下各波長下的吸光度，很快就可得到試液的吸收光譜。所以能用于定性分析。光源單色器單色器檢測器切光器狹縫吸收池（三）雙光束雙波長分光光度計：雙波長分光光度法21XAY∵∴Y

的存在不干擾X的測定三、分光光度計的校正通常在實驗室工作中，驗收新儀器或?qū)嶒炇沂褂眠^一段時間后都要進行波長校正和吸光度校正。建議采用下述的較為簡便和實用的方法來進行校正：鐠銣玻璃或鈥玻璃都有若干特征的吸收峰，可用來校正分光光度計的波長標尺，前者用于可見光區(qū)，后者則對紫外和可見光區(qū)都適用。也可用K2CrO4標準溶液來校正吸光度標度?！?—4光度測量誤差及測量條件的選擇光度分析的誤差來源于兩方面：一方面是各種化學(xué)因素引入的誤差；另一方面是儀器測量不準引入的誤差。對于化學(xué)因素，前面巳經(jīng)講過，現(xiàn)在我們來看儀器測量不準引入的誤差。一．儀器測量誤差：任何光度計都有一定的測量誤差，測量誤差的來源主要是光源的發(fā)光強度不穩(wěn)定，光電效應(yīng)的非線性，電位計的非線性，雜散光的影響，單色器的光不純等等因素，對于一臺固定的光度計來說，以上因素都是固定的，也就是說，它的誤差具有一定的穩(wěn)定性。其大小可由光度計的透光率的讀數(shù)準確度表現(xiàn)出來。具體說來，對于一個給定的光度計來說，其透光率的讀數(shù)誤差等于常數(shù)△T，約為0.01～0.02。但透光率的讀數(shù)誤差不能代表測定結(jié)果的誤差。測量結(jié)果的誤差常用濃度的相對誤差△C/C表示（△C表示測量結(jié)果的濃度的絕對誤差）。它的大小是與△T的大小有關(guān)的。而同樣大小的△T在透光率不同時（溶液濃度不同），所引起的濃度相對誤差是不同的。T%95908070△c/c△T20.510.65.64.0△T10.35.32.82.0T%

60504030△c/c△T3.262.882.732.77

△T1.621.441.371.39T%

20105

△c/c△T3.114.346.7

△T1.562.173.34

T%在80～10%即A=1～0.1時的濃度測量的相對誤差較小。對于精度較好的儀器，當T%在60～20%（A=0.2～0.7）時，測量誤差約為1%。當T=0.368或A=0.434時，濃度的測量誤差最小。二．測量條件的選擇：1．測量波長的選擇：一般選用待測物質(zhì)的最大吸收波長作為測量波長（入射光）但當在最大吸收波長處有干擾時，則應(yīng)根據(jù)“吸收最大干擾最小”的原則來選擇波長。2．控制適當?shù)奈舛确秶河蓽y量誤差可知，當吸光度在0.2～0.8之間時，測量誤差最小，所以應(yīng)盡量控制吸光度在此范圍進行測定?？刂频姆椒椋?）控制溶液的濃度；2）選用適當厚度的比色皿；3．選擇適當?shù)膮⒈热芤海篴.如果僅有顯色劑與被測組分反應(yīng)的產(chǎn)物有吸收，則可以用純?nèi)軇┳鲄⒈热芤?；b.如果顯色劑和其他試劑有顏色，則用試劑溶液作參比液；c.如果顯色劑與試劑中干擾組分反應(yīng)，其反應(yīng)產(chǎn)物有吸收，則按如下方式配置參比液：(1)吸收較弱時，直接用試劑溶液作參比液；(2)吸收較強時，可選用合適的掩蔽劑將被測組分掩蔽后再加顯色劑和其他試劑，以此配制的溶液作參比液?！?—6紫外—可見分光光度法的應(yīng)用一．紫外-可見分光光度法在定性分析中的應(yīng)用（一）定性分析：（二）結(jié)構(gòu)分析：（三）分析方法：1．比較光譜法，2．制作試樣的吸收曲線并與標準紫外光譜對照；3．利用Woodward-Fieser經(jīng)驗規(guī)則求最大吸收波長。伍德沃德（Woodward）規(guī)則1）共軛二烯最大吸收位置的計算值母體：非環(huán)或異環(huán)二烯烴基準值214nm同環(huán)二烯烴253nm延伸雙鍵30環(huán)外雙鍵5共軛體系上取代烷基5OR6SR30ClBr5位移增量（nm）2），不飽