第21講- 紫外可見(jiàn)吸收光譜-131220

第21講紫外-可見(jiàn)吸收光譜（UV-VIS）2013.12.20一、紫外－可見(jiàn)光譜的產(chǎn)生；二、有機(jī)化合物的電子光譜；三、無(wú)機(jī)化合物的電子光譜；四、溶劑對(duì)紫外－可見(jiàn)光譜的影響；五、紫外分光光度計(jì)；六、紫外可見(jiàn)吸收光譜法的應(yīng)用。概述四、溶劑對(duì)紫外－可見(jiàn)光譜的影響1.改變?nèi)軇┑臉O性，會(huì)引起吸收帶形狀的變化。例如，當(dāng)溶劑的極性由非極性改變到極性時(shí)，精細(xì)結(jié)構(gòu)消失，吸收帶變向平滑。2.改變?nèi)軇┑臉O性，還會(huì)使吸收帶的最大吸收波長(zhǎng)發(fā)生變化。下表為溶劑對(duì)亞異丙酮紫外吸收光譜的影響。

正己烷CHCl3CH3OHH2O

*

max/nm230238237243n*max/nm329315309305原因由n*躍遷產(chǎn)生的峰，隨著溶劑極性增加，形成氫鍵能力增加，藍(lán)移；由*躍遷產(chǎn)生的峰，隨極性增加，激發(fā)態(tài)比基態(tài)能量有更多的下降，發(fā)生紅移。在吸收光譜圖上或數(shù)據(jù)表中必須注明所用的溶劑。3.在進(jìn)行紫外光譜法分析時(shí)，必須正確選擇溶劑。選擇溶劑時(shí)注意下列幾點(diǎn)：（1）溶劑應(yīng)能很好地溶解被測(cè)試樣，溶劑對(duì)溶質(zhì)應(yīng)該是惰性的。即所形成的溶液應(yīng)具有良好的化學(xué)和光化學(xué)穩(wěn)定性。（2）在溶解度允許的范圍內(nèi)，盡量選擇極性較小的溶劑。（3）溶劑在樣品的吸收光譜區(qū)應(yīng)無(wú)明顯吸收。5五、紫外分光光度計(jì)一、組成部件

紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)的基本結(jié)構(gòu)是由五個(gè)部分組成：即光源、單色器、吸收池、檢測(cè)器和信號(hào)指示系統(tǒng)。圖3.6紫外分光光度計(jì)6

（一）光源

對(duì)光源的基本要求是應(yīng)在儀器操作所需的光譜區(qū)域內(nèi)能夠發(fā)射連續(xù)輻射、有足夠的輻射強(qiáng)度和良好的穩(wěn)定性，而且輻射能量隨波長(zhǎng)的變化應(yīng)盡可能小。分光光度計(jì)中常用的光源有熱輻射光源和氣體放電光源兩類(lèi)。熱輻射光源用于可見(jiàn)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。這類(lèi)光源的輻射能量與施加的外加電壓有關(guān)，在可見(jiàn)光區(qū)，輻射的能量與工作電壓4次方成正比。光電流與燈絲電壓的n次方（n1）成正比。因此必須嚴(yán)格控制燈絲電壓，儀器必須配有穩(wěn)壓裝置。

在近紫外區(qū)測(cè)定時(shí)常用氫燈和氘燈。它們可在160~375nm范圍內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)光源。氘燈的燈管內(nèi)充有氫的同位素氘，它是紫外光區(qū)應(yīng)用最廣泛的一種光源，其光譜分布與氫燈類(lèi)似，但光強(qiáng)度比相同功率的氫燈要大3~5倍。7（二）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)生光譜純度高的波長(zhǎng)且波長(zhǎng)在紫外可見(jiàn)區(qū)域內(nèi)任意可調(diào)。單色器一般由入射狹縫、準(zhǔn)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。單色器的性能直接影響入射光的單色性，從而也影響到測(cè)定的靈敏度、選擇性及校準(zhǔn)曲線的線性關(guān)系等。能起分光作用的色散元件主要是棱鏡和光柵。8

棱鏡有玻璃和石英兩種材料。它們的色散原理是依據(jù)不同的波長(zhǎng)光通過(guò)棱鏡時(shí)有不同的折射率而將不同波長(zhǎng)的光分開(kāi)。由于玻璃可吸收紫外光，所以玻璃棱鏡只能用于350~3200nm的波長(zhǎng)范圍，即只能用于可見(jiàn)光域內(nèi)。石英棱鏡可使用的波長(zhǎng)范圍較寬，可從185~4000nm，即可用于紫外、可見(jiàn)和近紅外三個(gè)光域。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(jiàn)及紅外光域，而且在整個(gè)波長(zhǎng)區(qū)具有良好的、幾乎均勻一致的分辨能力。它具有色散波長(zhǎng)范圍寬、分辨本領(lǐng)高、成本低、便于保存和易于制備等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是各級(jí)光譜會(huì)重疊而產(chǎn)生干擾。

9入射、出射狹縫，透鏡及準(zhǔn)光鏡等光學(xué)元件中狹縫在決定單色器性能上起重要作用。狹縫的大小直接影響單色光純度，但過(guò)小的狹縫又會(huì)減弱光強(qiáng)。（三）吸收池吸收池用于盛放分析試樣，一般有石英和玻璃材料兩種。石英池適用于可見(jiàn)光區(qū)及紫外光區(qū)，玻璃吸收池只能用于可見(jiàn)光區(qū)。為減少光的損失，吸收池的光學(xué)面必須完全垂直于光束方向。在高精度的分析測(cè)定中（紫外區(qū)尤其重要），吸收池要挑選配對(duì)。因?yàn)槲粘夭牧系谋旧砦馓卣饕约拔粘氐墓獬涕L(zhǎng)度的精度等對(duì)分析結(jié)果都有影響。1011（四）檢測(cè)器檢測(cè)器的功能是檢測(cè)信號(hào)、測(cè)量單色光透過(guò)溶液后光強(qiáng)度變化的一種裝置。常用的檢測(cè)器有光電池、光電管和光電倍增管等。

硒光電池對(duì)光的敏感范圍為300~800nm，其中又以500~600nm最為靈敏。這種光電池的特點(diǎn)是能產(chǎn)生可直接推動(dòng)微安表或檢流計(jì)的光電流，但由于容易出現(xiàn)疲勞效應(yīng)而只能用于低檔的分光光度計(jì)中。

光電管在紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)上應(yīng)用較為廣泛。

光電倍增管是檢測(cè)微弱光最常用的光電元件，它的靈敏度比一般的光電管要高200倍，因此可使用較窄的單色器狹縫，從而對(duì)光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)有較好的分辨能力。12（五）信號(hào)指示系統(tǒng)它的作用是放大信號(hào)并以適當(dāng)方式指示或記錄下來(lái)。常用的信號(hào)指示裝置有直讀檢流計(jì)、電位調(diào)節(jié)指零裝置以及數(shù)字顯示或自動(dòng)記錄裝置等。很多型號(hào)的分光光度計(jì)裝配有微處理機(jī)，一方面可對(duì)分光光度計(jì)進(jìn)行操作控制，另一方面可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。13二、紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)的類(lèi)型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)的類(lèi)型很多，但可歸納為三種類(lèi)型，即單光束分光光度計(jì)、雙光束分光光度計(jì)和雙波長(zhǎng)分光光度計(jì)。1，單光束分光光度計(jì)經(jīng)單色器分光后的一束平行光，輪流通過(guò)參比溶液和樣品溶液，以進(jìn)行吸光度的測(cè)定。這種簡(jiǎn)易型分光光度計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，維修容易，適用于常規(guī)分析。14單波長(zhǎng)單光束分光光度計(jì)0.575光源單色器吸收池檢測(cè)器顯示152，雙光束分光光度計(jì)經(jīng)單色器分光后經(jīng)反射鏡分解為強(qiáng)度相等的兩束光，一束通過(guò)參比池，一束通過(guò)樣品池。光度計(jì)能自動(dòng)比較兩束光的強(qiáng)度，此比值即為試樣的透射比，經(jīng)對(duì)數(shù)變換將它轉(zhuǎn)換成吸光度并作為波長(zhǎng)的函數(shù)記錄下來(lái)。雙光束分光光度計(jì)一般都能自動(dòng)記錄吸收光譜曲線。由于兩束光同時(shí)分別通過(guò)參比池和樣品池，還能自動(dòng)消除光源強(qiáng)度變化所引起的誤差。16單波長(zhǎng)雙光束分光光度計(jì)參比池差值ΔA光源單色器吸收池檢測(cè)器顯示光束分裂器173，雙波長(zhǎng)分光光度計(jì)由同一光源發(fā)出的光被分成兩束，分別經(jīng)過(guò)兩個(gè)單色器，得到兩束不同波長(zhǎng)（1和2）的單色光，利用切光器使兩束光以一定的頻率交替照射同一吸收池1為選好的測(cè)定波長(zhǎng)，一般為待測(cè)物質(zhì)的max2為選好的參比波長(zhǎng)，一般為待測(cè)物質(zhì)的min測(cè)得的是樣品在兩種波長(zhǎng)1和2處的吸光度之差A(yù)，A為扣除了背景吸收的吸光度A=A1-A2=（K1-K2）CL優(yōu)點(diǎn)：（1）大大提高了測(cè)定準(zhǔn)確度，可完全扣除背景（2）可用于微量組分的測(cè)定（3）可用于混濁液和多組分混合物的定量測(cè)定1819光閘單色器斬波器參比光電倍增管單光束分光光度計(jì)原理圖光電倍增管斬波器光閘試樣單色器雙光束分光光度計(jì)原理圖20單色器單色器吸收池接收器λ1λ1λ2λ2雙波長(zhǎng)分光光度計(jì)原理圖五、應(yīng)用定性分析、結(jié)構(gòu)分析和定量分析；以及物理化學(xué)參數(shù)（相對(duì)分子質(zhì)量、配合物的穩(wěn)定常數(shù)等）1.定性分析無(wú)機(jī)元素：應(yīng)用較少，可用發(fā)射光譜法或化學(xué)分析法；有機(jī)化合物：有一定的局限性；鑒定不飽和有機(jī)化合物（共軛體系），推知未知物的骨架結(jié)構(gòu)。輔助方法分析方法：比較吸收光譜曲線；用經(jīng)驗(yàn)規(guī)則計(jì)算最大吸收波長(zhǎng)，然后與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較。相同測(cè)定條件下——比較未知物與已知標(biāo)準(zhǔn)物的吸收光譜曲線－若完全等同——有相同的生色團(tuán)吸收光譜曲線的形狀、吸收峰的數(shù)目及最大吸收波長(zhǎng)的位置和相應(yīng)的摩爾吸收系數(shù)——定性鑒定的依據(jù)最大吸收波長(zhǎng)的位置和相應(yīng)的摩爾吸收系數(shù)——定性鑒定的主要參數(shù)不同分子結(jié)構(gòu)可能有相同的UV-VIS2.結(jié)構(gòu)分析確定構(gòu)型和構(gòu)象順?lè)串悩?gòu)體（最大吸收波長(zhǎng)）3.定量分析無(wú)機(jī)和有機(jī)化合物顯色反應(yīng)－非吸收物質(zhì)朗伯－比耳定律吸收強(qiáng)度大，ε達(dá)104～105L·cm-1·mol-1

；靈敏度高，10－4～10－5mol/L；準(zhǔn)確度好；⑴單組分物質(zhì)工作曲線法標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比法⑵多組分在最大吸收波長(zhǎng)處測(cè)定其吸光度的加和值——解一次方程組——得各組分含量（二）結(jié)構(gòu)分析——計(jì)算max的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律用經(jīng)驗(yàn)規(guī)則計(jì)算不飽和有機(jī)化合物的max并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，然后確認(rèn)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。常用的規(guī)則是WoodWard（伍德瓦特）規(guī)則，可計(jì)算共軛多烯及α，β—不飽和醛酮化合物。1.共軛多烯的λmax計(jì)算

鏈狀共軛二烯單環(huán)共軛二烯異環(huán)共軛二烯同環(huán)共軛二烯

λmax217nm217nm214nm253nm骨架母體增加值：延伸一個(gè)共軛雙鍵+30nm

增加一個(gè)烷基或環(huán)基取代+5nm

增加一個(gè)環(huán)外雙鍵+5nm助色團(tuán)取代

：-Cl或Br+5nm-OR烷氧基+6nm對(duì)連接在母體電子體系上的不同取代基以及其它結(jié)構(gòu)因素加以修正注：環(huán)外雙鍵是指C=C雙鍵直接與環(huán)相連，其中一個(gè)C在環(huán)上,另一個(gè)C在環(huán)外。同環(huán)二烯與異環(huán)二烯同時(shí)共存時(shí)，按同環(huán)二烯計(jì)算。例1：基本值２１７nm兩個(gè)烷基取代２×５＝１０nm

計(jì)算值λmax227nm

實(shí)測(cè)值λmax226nm例２：基本值：２17nm

加一個(gè)環(huán)外雙鍵＋５nm

加四個(gè)烷基取代＋２０nm

計(jì)算值λmax２４２nm

實(shí)測(cè)值λmax２４３nm例３：基本值：按同環(huán)二烯２５３nm

加一個(gè)共軛雙鍵＋３０nm

加一個(gè)環(huán)外雙鍵＋５nm

加三個(gè)烷基取代＋15nm計(jì)算值λmax３０3nm實(shí)測(cè)值λmax３０3nm２.α,β—不飽和醛、酮母體鏈狀αβ不飽和醛基本值λmax207nm

鏈狀αβ不飽和酮215五元環(huán)αβ不飽和酮202六元環(huán)αβ不飽和酮215Oδαβγ增加值同環(huán)共軛二烯+39nm

每增加一個(gè)共軛雙鍵+30nm

每增加一個(gè)環(huán)外雙鍵+5nm

共軛雙鍵上增加烷基或環(huán)基取代

α位+10nmβ位+12nmγ位及以上+18nm例４：鏈狀：基本值215nm

α位烷基取代+10nm

位烷基取代+12nmC3計(jì)算值λmax237nm

實(shí)測(cè)值λmax236nm例５：環(huán)狀：基本值215nm

共軛雙鍵+30nmγ位烷基取代+18nm

環(huán)外雙鍵+5nm

計(jì)算值λmax268nm

(三)純度檢查如果一化合物在紫外區(qū)沒(méi)有吸收峰，而其雜質(zhì)有較強(qiáng)吸收，就可方便的檢出該化合物中的痕量雜質(zhì)。例如要鑒定甲醇和乙醇中的雜質(zhì)苯，可利用苯在254nm處的B吸收帶，而甲醇或乙醇在此波長(zhǎng)范圍內(nèi)幾乎沒(méi)有吸收。又如四氯化碳中有無(wú)二硫化碳雜質(zhì)，只要觀察在318nm處有無(wú)二硫化碳的吸收峰即可。

用紫外可見(jiàn)吸收光譜鑒定未知物的結(jié)構(gòu)較困難，因譜圖簡(jiǎn)單，吸收峰個(gè)數(shù)少，主要表現(xiàn)化合物的發(fā)色團(tuán)和助色團(tuán)的特征。利用紫外可見(jiàn)吸收光譜可確定有機(jī)化合物中不飽和基團(tuán)，還可區(qū)分化合物的構(gòu)型、構(gòu)象、同分異構(gòu)體二、結(jié)構(gòu)分析1.推測(cè)官能團(tuán)200～280nm無(wú)吸收不含不飽和鍵，不含苯環(huán)，可能是飽和化合物210～250nm強(qiáng)吸收π—π*，2個(gè)共軛單位260～350nm強(qiáng)吸收π—π*，3—5個(gè)共軛單位270～350nm弱吸收n—π*，無(wú)強(qiáng)吸收，孤立含雜原子的雙鍵C=O,-NO2,-N=N-260nm（230～270）中吸收π—π*，有苯環(huán)

2.判斷同分異構(gòu)體酮式結(jié)構(gòu)，無(wú)共軛中吸收206nm(極性溶劑中為主）烯醇式結(jié)構(gòu)，共軛體系，強(qiáng)吸收=1.8104,245nm(非極性溶劑中為主）例：乙酰乙酸乙酯三、定量分析

應(yīng)用范圍：無(wú)機(jī)化合物，測(cè)定主要在可見(jiàn)光區(qū)，大約可測(cè)定50多種元素有機(jī)化合物，主要在紫外區(qū)

1.單組分物質(zhì)的定量分析測(cè)定條件：選擇合適的分析波長(zhǎng)（λmax）A：0.2-0.8

選擇適當(dāng)?shù)膮⒈热芤?/p>

（1）比較法：在一定條件下，配制標(biāo)準(zhǔn)溶液和樣品溶液，在λmax下測(cè)A

標(biāo)準(zhǔn)溶液As=κCsL

被測(cè)溶液Ax=κCxLCx=CsAx/As

注意：

Cs與Cx大致相當(dāng)（2）標(biāo)準(zhǔn)曲線法12345樣品標(biāo)液C1C2C3C4C5CXAA1A2A3A4A5AXAλCXAX2.多組分物質(zhì)的定量分析（只討論2組分）在某特定波長(zhǎng)下測(cè)定

A總=A1+A2+A3+……

吸光度加和性（1）吸收光譜互不重疊

ab12在1處測(cè)a組分，b組分不干擾在2處測(cè)b組分，a組分不干擾

2.多組分物質(zhì)的定量分析（只討論2組分）（2）吸收光譜單向重疊

ab1

2A1a+b=A1a+A1b

A2b=κ2

bCbL在1處a、b組分都吸收在2處b組分吸收，a組分不干擾首先在2處測(cè)定b組分，因a組分不干擾

Asb=κ2b

CsbLκ2b=Asb/CsbL在2處

Axb=κ2b

CxbL求出CxbA1a+b=A1a+A1b=κ1

aCxa

L+κ1

bCxbL

其中：κ1a=A1a/CsaLκ1b=A1b/CsbLAλλ1λ2

（3）吸收光譜雙向重疊

ab1為a組分的最大吸收波長(zhǎng)，2為b組分的最大吸收波長(zhǎng)1處：

A1a+b=A1a+A1b

=κ1

aCxa

L+κ1

bCxbL2處：

A2a+b=A2a+A2b=κ2

aCxa