第四章紫外-可見分光光度法

*第四章

紫外-可見分光光度法第一節(jié)紫外-可見分光光度法的基本原理PrincipleofUltraviolet–visibleSpectrometry第二節(jié)紫外-可見分光光度計Ultraviolet–visibleSpectrometer第三節(jié)分析條件的選擇SelectionofAnalyticCondition第四節(jié)定量分析方法AnalysisinquantityUltraviolet-visibleSpectrometry，UV*通過研究物質(zhì)分子對紫外光或可見光的吸收情況進行定性、定量和結(jié)構(gòu)分析的方法。紫外-可見分光光度法*第一節(jié)紫外-可見分光光度法的基本原理一、電磁輻射與電磁波譜

ElectromagneticradiationandElectromagneticspectrum1.光是電磁輻射（電磁波）以巨大速度（2.998×108m.s-1）通過空間、不需要任何物質(zhì)作為傳播媒介的一種能量。*lnch·h·E==2.電磁輻射的性質(zhì)具有波、粒二象性λ

，Ec：速度：波長：頻率σ：波數(shù)Plank

常數(shù)：h=6.626×10-34

J.s對光波來說，產(chǎn)生感光作用與生理作用的是電場強度E

。

粒子性波動性*光的波長越短（頻率越高），其能量越大。遠(yuǎn)紫外區(qū)

10-200nm

（真空紫外區(qū)）近紫外區(qū)

200-400nm

（UV光譜的研究區(qū)域）紫外光區(qū)可見光區(qū)400-760nm**電磁輻射按波長順序排列，稱電磁波譜。3.電磁波譜γ射線→

X射線→紫外光→可見光→紅外光→微波→無線電波電磁波譜分區(qū)見表4-1（p49）**1.吸收光譜的產(chǎn)生吸收光譜吸收的輻射能量必須正好等于物質(zhì)基態(tài)與激發(fā)態(tài)的能量差ΔE=E2-E1=hν=hc

/λ二、紫外-可見吸收光譜的產(chǎn)生

ProductionofUv-spectrometry當(dāng)物質(zhì)與輻射能相互作用，物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生能級躍遷:記錄輻射強度與波長關(guān)系*物質(zhì)在吸收光時產(chǎn)生基態(tài)至激發(fā)態(tài)的躍遷。物質(zhì)的基態(tài)與各激發(fā)態(tài)間的能量差固定，被吸收光的能量和能量差ΔE相等，所以物質(zhì)在吸收光時就只能吸收特定波長的光。ΔE＝hΔE光

hvE0E1*紫外吸收譜

λ=200~400nm可見吸收光譜λ=400~760nm物質(zhì)分子對輻射能的選擇性吸收而得到的光譜稱為紫外-可見吸收光譜，又稱為分子吸收光譜。分子光譜主要可以分為：電子光譜

紫外可見區(qū)振動光譜

近紅外、中紅外區(qū)

轉(zhuǎn)動光譜

遠(yuǎn)紅外、微波區(qū)*△E=△E電子

+△E振動

+△E轉(zhuǎn)動其中：△E電子：1～20eV△E振動：0.05～1eV△E轉(zhuǎn)動：<0.05eV△E電子》

△E振動》△E轉(zhuǎn)動即：2.分子的總能量E的組成*三種不同的能級躍遷（1）轉(zhuǎn)動能級間的能量差

ΔΕr：0.005～0.050eV

遠(yuǎn)紅外光譜或分子轉(zhuǎn)動光譜（2）振動能級的能量差

ΔΕv約為：0.05～１eV

紅外光譜或分子振動光譜（3）電子能級的能量差

ΔΕe較大:1～20eV

紫外—可見光譜*電子能級間躍遷的同時，總伴隨有振動和轉(zhuǎn)動能級間的躍遷。即電子光譜中總包含有振動能級和轉(zhuǎn)動能級間躍遷產(chǎn)生的若干譜線而呈現(xiàn)寬譜帶(帶狀光譜）。電子躍遷*分光光度計的類型*3.紫外-可見吸收光譜及其特征吸收光譜用不同波長的紫外-可見光（200~760nm）依次照一定濃度的被測樣品溶液時，就會發(fā)現(xiàn)部分波長的光被吸收。如果以波長λ為橫座標(biāo)（單位nm），吸收度（absorbance）A為縱座標(biāo)作圖，即得到紫外-可見吸收光譜（ultraviolet-visiblespectra，簡稱UV）。*1,3-丁二烯的紫外光譜圖*在科學(xué)論文中還常用摩爾吸收度ε（或lgε）為縱座標(biāo)。香芹酮的紫外光譜圖λmax=239nmλmax=320nm*最大吸收最小吸收

肩峰末端吸收特征值定性依據(jù)λA肩峰末端吸收λminλminλmaxλmaxλsh譜圖特征*三、紫外-可見吸收光譜與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系RelationofUltraviolet-visibleSpectrometryandMolecularStructure白光是復(fù)合光，兩種相應(yīng)顏色的光按適當(dāng)?shù)谋壤旌峡沙蔀榘坠?，這兩種光互稱為互補光。近似波長范圍（nm）顏色互補色近似波長范圍（nm）顏色互補色

400--450紫

黃綠

560--580黃綠

紫

450--480藍(lán)

黃

580--600黃

藍(lán)

480--490青

橙

600--650橙

綠藍(lán)

490--500藍(lán)綠

紅

650--760紅

藍(lán)綠

500--560綠

紅紫光的互補性*單鍵（σ）－形成單鍵的電子稱σ鍵電子雙鍵（π）－形成雙鍵的電子稱π鍵電子原子與原子形成分子時，電子的成鍵方式有：n電子－未共享的電子稱為非鍵電子?；靖拍?有機化合物的紫外—可見吸收光譜，是其分子中外層價電子躍遷的結(jié)果。σ電子π電子

n電子**分子中分子軌道有成鍵軌道與反鍵軌道。它們的能級高低為：σ<π<n<π*<σ*

σ電子

→飽和的σ鍵

價電子

π電子

→不飽和的π鍵

n電子

→孤對電子躍遷能量大小：

σ→σ*>

n→σ*>π→π*>

n→π**（1）σ→σ*躍遷

飽和烴（甲烷，乙烷）

能量很高，λ<150nm（遠(yuǎn)紫外區(qū)）（2）n→σ*躍遷

含雜原子飽和基團（—OH，—NH2）

能量較大，λ150~250nm（真空紫外區(qū)）（3）π→π*躍遷

不飽和基團（—C＝C—，—C＝O）

能量較小，λ～200nm；ε>104，強吸收

體系共軛，E更小，λ更大分子中常見的電子躍遷類型*（4）n→π*躍遷

含雜原子不飽和基團（—C≡N，C＝O）

能量最小，λ200~400nm（近紫外區(qū)）ε=10~100，弱吸收躍遷能量大小：

σ→σ*>

n→σ*>

π→π*>

n→π**電子躍遷類型與吸收波長的關(guān)系σ→σ*n→σ*π→π*n→

π*σ*反鍵軌道π*反鍵軌道σ成鍵軌道π成鍵軌道n非鍵軌道200300λ（nm）?E*四、光的吸收定律PrinciplesofOpticalAbsorption（一）吸收光譜法基本定律

--朗伯-比爾定律(Lamber-BeerLaw)

描述物質(zhì)對單色光吸收強弱與液層厚度和待測物濃度的關(guān)系。*被吸收光強度為IaI0=Ia+It+IrI0IrIt待測溶液和參比溶液使用同樣的吸收池，反射光強度基本相同，影響抵消：I0=Ia+It透光度和吸光度*定義：透光度（或透光率）T

為因此：T↗、吸收↘定義：吸光度A*----朗伯-比爾定律

b----比色池的厚度c----溶液的濃度

k----吸光系數(shù)在設(shè)定條件為：（1）單色、平行光，垂直照射（2）溶液透明均勻:濃度均一（C=const.）

溶液的吸光度A只與溶液的濃度和溶液的厚度有關(guān)。朗伯-比爾定律kbcTA=-=log*物理意義：吸光物質(zhì)在單位濃度及單位厚度時的吸光度。討論：①

k=f（組分性質(zhì)，溫度，溶劑，λ）當(dāng)組分性質(zhì)、溫度和溶劑一定，k=f（λ）

②不同物質(zhì)在同一波長下k可能不同（選擇性吸收）；同一物質(zhì)在不同波長下k一定不同吸光系數(shù)（AbsorptivityandSpectrometry）吸光系數(shù)（k）*

③k↑，物質(zhì)對光吸收能力↑,定量測定靈敏度↑

定性、定量依據(jù)（1）摩爾吸光系數(shù)ε：

在一定λ下，C=1mol.L-1，l=1cm時的吸光度（2）百分含量吸光系數(shù)/比吸光系數(shù)：在一定λ下，C=1g/100ml，l=1cm時的吸光度（3）兩者關(guān)系吸光系數(shù)（k）的兩種表示方式*（二）偏離比爾定律的因素

ElementsofdeviatedBeerLaw按照比爾定律，吸光度（A）與濃度（c）關(guān)系應(yīng)該是過原點的直線。Ac負(fù)偏離正偏離偏離Beer定律的主要因素表現(xiàn)為以下兩個方面：光學(xué)因素化學(xué)因素*1.光學(xué)因素（1）非單色光Beer定律成立的重要前提—入射光為單色光ΔA1>ΔA2相同的Δλ，但ΔA1ΔλΔλΔA2Aλ*照射物質(zhì)的光經(jīng)單色器分光后非真正單色光其波長寬度由入射狹縫的寬度和棱鏡或光柵的分辨率決定為了保證透過光對檢測器的響應(yīng)，必須保證一定的狹縫寬度這就使分離出來的光具一定的譜帶寬度非單色光的原因:*選擇較純單色光（Δλ↓，單色性↑）選λmax作為測定波長（ΔA↓，靈敏度S↑且成線性）結(jié)論*2.化學(xué)因素Beer定律適用的另一個前提：稀溶液濃度過高會使C與A關(guān)系偏離定律溶質(zhì)因解離、締合以及與溶劑作用偏離定律Cr2O72-+H2O?2H++2CrO42-

例如：*3.反射光和散射光的影響反射光和散色光均是入射光譜帶寬度內(nèi)的光直接對T產(chǎn)生影響。散射和反射使T↓，A↑，吸收光譜變形注：一般可用空白對比校正消除4.非平行光的影響使光程↑，A↑，吸收光譜變形*第二節(jié)紫外-可見分光度計紫外-可見分光光度計*光源單色器吸收池檢測器信號處理及顯示器紫外-可見分光光度計的基本組成模塊（generalprocess）一、分光光度計的主要部件

MajorComponentsofspectrometer

*在整個紫外光區(qū)或可見光譜區(qū)可以發(fā)射連續(xù)光譜，具有足夠的輻射強度、較好的穩(wěn)定性、較長的使用壽命。1.光源可見光區(qū)：鎢燈或鹵鎢燈作為光源，其輻射波長范圍在320～2500nm。紫外光區(qū)：氫燈或氘燈。發(fā)射185～400nm的連續(xù)光譜。***2.單色器將光源發(fā)射的連續(xù)光譜按波長順序色散（復(fù)合光分解成單色光）并從中分離出一定波長寬度單色光的光學(xué)系統(tǒng)。*①

進口狹縫光源的光由此進入單色器②

準(zhǔn)直鏡透鏡或反射鏡使入射光成為平行光束

③

色散元件將復(fù)合光分解成單色光

（棱鏡或光柵）

④聚焦裝置透鏡或凹面反射鏡，將分光后所得單色光聚焦至出口狹縫。

⑤出口狹縫*色散元件光柵（grating):平面反射光柵棱鏡（prism)：玻璃、石英*3.吸收池(samplecell)吸收池石英池：紫外-可見光區(qū)玻璃池：可見光區(qū)（能吸收UV光）*4.檢測器利用光電效應(yīng)將透過吸收池的光信號變成可測的電信號，常用的有光電池、光電管或光電倍增管。*藍(lán)敏光電管：陰極Cs、Sb

λ∈[200,625]nm紅敏光電管：陰極Cs2O、Ag

λ∈[625,1000]nm光陽極光敏陰極放大器指示器RE真空管90v*二、紫外可見分光光度計的類型

TypesofUltraviolet–visible

Spectrometer簡單，價廉，適于在給定波長處測量吸光度或透光度，一般不能作全波段光譜掃描，要求光源和檢測器具有很高的穩(wěn)定性。1.單波長單光束紫外可見分光光度計**

自動記錄，快速全波段掃描?？上庠床环€(wěn)定、檢測器靈敏度變化等因素的影響，特別適合于結(jié)構(gòu)分析。儀器復(fù)雜，價格較高。2.單波長雙光束紫外可見分光光度計****將不同波長的兩束單色光(λ1、λ2)快束交替通過同一吸收池而后到達(dá)檢測器。產(chǎn)生交流信號。無需參比池?！?1～2nm。兩波長同時掃描即可獲得導(dǎo)數(shù)光譜。3.雙波長紫外可見分光光度計**4.配置光多道二極管陣列監(jiān)測器的分光光度計*一、儀器條件的選擇

SelectionofInstrumentalCondition

1.入射光（測量）波長的選擇λA肩峰末端吸收λminλminλmaxλmaxλsh

選擇最大吸收波長λmax為入射光波長，這樣在測定時可得到最大的靈敏度。最大吸收原則第三節(jié)分析條件的選擇*2.吸光度范圍的選擇測量誤差（ΔT）來自于儀器的噪聲（noise）根據(jù)朗伯-比爾定律：A=-lgT=bc*1.00.80.60.40.2T246810Δc/c%

通常取ΔT≈0.01，以

T對

Δc/c%

作圖，得到下圖。*Δc/c的相對誤差最小時，有：

T=0.368,A=0.434

時誤差最?。划?dāng)ΔT=0.01時，Δc/c

最小為2.7%。*測定結(jié)果相對誤差較小適宜測量范圍求得：*3.狹縫寬度的選擇狹縫寬度通常是可調(diào)的。狹縫寬度↗，檢測器對透過光的響應(yīng)↗，單色性↘，靈敏度↘。4.吸收池的選擇選擇均勻厚度、透光性能好的吸收池。*二、溶劑的選擇

SelectionofSolvent溶劑對吸收光譜的影響：（1）溶劑極性增大，精細(xì)結(jié)構(gòu)消失λAλA在溶液中在氣態(tài)物質(zhì)處于氣態(tài)時，其吸收光譜由孤立分子給出，因而轉(zhuǎn)動、振動光譜也能表現(xiàn)出來，即為所謂的精細(xì)結(jié)構(gòu)。*（2）溶劑極性改變大，對溶質(zhì)的影響越大。ππ*ππ*非極性極性△E非△E極即：π*易受溶劑極性影響，降低能量大

△E非>

△E極溶劑極性增大，由π→π*躍遷譜帶移向長波，即紅移。原因：激發(fā)態(tài)π*的極性

>

基態(tài)π極性*溶劑極性增大，由n→π*躍遷譜帶移向短波，即藍(lán)移。原因：非鍵電子與極性溶劑（如水、乙醇等）形成氫鍵，能量降低大。nπ*nπ*非極性極性△E非△E極△E極>△E非實例見書表表4-4。*（3）溶劑本身在紫外區(qū)有吸收，與被測物的

吸收峰有重疊。將妨礙物質(zhì)吸收。因此選擇溶劑應(yīng)注意其截止波長。見書表4-3。盡可能使用極性小的溶劑如果要與標(biāo)準(zhǔn)品的吸收光譜比較，必須采用相同的溶劑*第四節(jié)定量分析方法一、單組分定量分析A=εbcc=?一般方法絕對法：已知ε或

a，求c標(biāo)準(zhǔn)曲線法ACAxCx標(biāo)準(zhǔn)對照法：cs→As，cx(?)→Ax吸光系數(shù)法、λmax已知，求c*二、多組分定量方法儀器A∑AiAi=εibci不同的波長λj

有：(j=1,2,3,······,l)1.對于兩組分：l=2,j=1—n(n>2)上述方程稱為病態(tài)方程，未知物濃度與取點有關(guān)。（特別是在計算法）（一