紫外-可見分光光度法

紫外-可見分光光度法鄭秀玉一、光學(xué)分析法

光學(xué)分析法是根據(jù)物質(zhì)發(fā)射的電磁輻射或電磁輻射與物質(zhì)相互作用而建立起來的一類分析化學(xué)方法。電磁輻射與物質(zhì)相互作用的方式有發(fā)射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振等。1、電磁波譜電磁波波長λγ射線區(qū)<0.005nmX射線區(qū)0.005~10nm真空紫外光區(qū)10~200nm近紫外光區(qū)200~400nm可見光區(qū)400~750nm近紅外光區(qū)0.75~2.5μm中紅外光區(qū)2.5~25μm遠紅外光區(qū)25~1000μm微波區(qū)1~300mm無線電波區(qū)>300mm

這些電磁輻射包括從γ射線到無線電波的所有電磁波譜范圍，而不只局限于光學(xué)光譜區(qū)。2、光學(xué)分析法的分類(2)非光譜法是基于物質(zhì)與輻射相互作用時，測量輻射的某些性質(zhì)，如折射、散射、干涉、衍射和偏振等變化的分析方法。(1)光譜法是基于物質(zhì)與輻射能作用時，測量由物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生量子化的能級之間的躍遷而產(chǎn)生的發(fā)射、吸收或散射輻射的波長和強度進行分析的方法。非光譜法不涉及物質(zhì)內(nèi)部能級的躍遷，電磁輻射只改變了傳播方向、速度或某些物理性質(zhì)。3、光譜法的分類(2)分子光譜由分子中電子能級、振動和轉(zhuǎn)動能級的變化產(chǎn)生的。表現(xiàn)形式：帶光譜(1)原子光譜由原子外層或內(nèi)層電子能級的變化產(chǎn)生的。表現(xiàn)形式：線光譜4、原子光譜分析法原子發(fā)射光譜法（AES)原子吸收光譜法（AAS)原子熒光光譜法（AFS)X射線熒光光譜法（XFS)5、分子光譜分析法紫外-可見分光光度法（UV-Vis）紅外光譜法（IR）分子熒光光譜法（MFS）分子磷光光譜法（MPS)6、電磁輻射的基本性質(zhì)

波動性粒子性

(1)

波動性:電磁輻射以波動形式傳播，例如：折射、衍射、偏振和干涉等現(xiàn)象。λν=υ其中，λ——波長；

ν——頻率；

υ——傳播速度在真空中，輻射的傳播速度與頻率無關(guān)，并達到最大值，以符號c表示。

(2)粒子性:電磁輻射的波動性不能解釋輻射的發(fā)射和吸收現(xiàn)象，需要把輻射看作是微粒（光子）才能滿意地解釋。電磁輻射的能量是“量子化”的。這種能量的最小單位即為“光子”。光子是具有能量的，光子的能量與頻率成正比，與波長成反比。E=hν=hc/λ其中，E——能量h——普朗克常數(shù)，6.6256×10-34J·sc——光速，2.99792×108m·s-1二、輻射的吸收與發(fā)射

構(gòu)成物質(zhì)的每一種基本體系(核、原子、分子)具有一定數(shù)量的特定的能級。當它們暴露在輻射束中或被具有一定能量的粒子轟擊時，外層電子可以從一個能級跳到另一個能級。當這些體系從高能態(tài)跳回到低能態(tài)時就發(fā)射相應(yīng)的輻射。紫外—可見區(qū)的光譜是由原子和分子外層電子的躍遷產(chǎn)生的。三、原子軌道原子結(jié)構(gòu)示意圖（1）主量子數(shù)(n)：主量子數(shù)就相當于電子層，n可以取任意正整數(shù)；（2）角量子數(shù)(l)：角量子數(shù)相當于亞層，l可以取小于n的自然數(shù)；（3）磁量子數(shù)(ml)：磁量子數(shù)決定了原子軌道的伸展方向，ml可以取±l；（4）電子自旋量子數(shù)(ms)：每個原子軌道里都可以填充兩個電子，ms都只能取±1/2，兩個電子自旋相反。

描述電子運動狀態(tài)的四個變量：具有角量子數(shù)0、1、2、3的軌道分別叫做s軌道、p軌道、d軌道、f軌道。之后的軌道名稱，按字母順序排列，如l=4時叫g(shù)軌道。

s軌道（l=0）上只能填充2個電子;p軌道（l=1）上能填充6個;一個軌道填充的電子數(shù)為4l+2。

例：C原子的外層電子排布：1s22s22p21、最低能量原理

電子本身就是一種物質(zhì)，也具有同樣的性質(zhì)，即它在一般情況下總想處于一種較為安全（或穩(wěn)定）的一種狀態(tài)（基態(tài)），也就是能量最低時的狀態(tài)。當有外加作用時，電子也是可以吸收能量到能量較高的狀態(tài)（激發(fā)態(tài)），但是它總有時時刻刻想回到基態(tài)的趨勢。一般來說，離核較近的電子具有較低的能量，隨著電子層數(shù)的增加，電子的能量越來越大；同一層中，各亞層的能量是按s、p、d、f的次序增高的。這兩種作用的總結(jié)果可以得出電子在原子核外排布時遵守下列次序：1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p……規(guī)則：np＞（n－1）d＞（n－2）f＞ns

一個電子的運動狀態(tài)要從4個方面來進行描述，即它所處的電子層、電子亞層、電子云的伸展方向以及電子的自旋方向。在同一個原子中沒有也不可能有運動狀態(tài)完全相同的兩個電子存在，這就是泡利不相容原理。

第一電子層（K層）中只有1s亞層，最多容納兩個電子；第二電子層（L層）中包括2s和2p兩個亞層，總共可以容納8個電子；第3電子層（M層）中包括3s、3p、3d三個亞層，總共可以容納18個電子……第n層總共可以容納2n2個電子。

2、泡利不相容原理3、洪特規(guī)則

從光譜實驗結(jié)果總結(jié)出來的洪特規(guī)則有兩方面的含義：一是電子在原子核外排布時，將盡可能分占不同的軌道，且自旋平行；第二個含義是對于同一個電子亞層，當電子排布處于：全滿（s2、p6、d10、f14）半滿（s1、p3、d5、f7）全空（s0、p0、d0、f0）時比較穩(wěn)定。四、分子軌道理論

原子在形成分子時，所有電子都有貢獻，分子中的電子不再從屬于某個原子，而是在整個分子空間范圍內(nèi)運動。在分子中電子的空間運動狀態(tài)可用相應(yīng)的分子軌道來描述。(1)在原子中，電子的運動只受1個原子核的作用，原子軌道是單核系統(tǒng)；而在分子中，電子則在所有原子核勢場作用下運動，分子軌道是多核系統(tǒng)。(2)原子軌道的名稱用s、p、d…符號表示，而分子軌道的名稱則相應(yīng)地用σ、π、δ…符號表示。

分子軌道和原子軌道的主要區(qū)別分子軌道可以由分子中原子軌道的線性組合而得到。幾個原子軌道可組合成幾個分子軌道。成鍵分子軌道（bondingmolecularorbital）其中有一半分子軌道分別由正負符號相同的兩個原子軌道疊加而成，兩核間電子的概率密度增大，其能量較原來的原子軌道能量低，有利于成鍵，稱為成鍵分子軌道。如σ、π軌道（軸對稱軌道）；

反鍵分子軌道（antibondingmolecularorbital）另一半分子軌道分別由正負符號不同的兩個原子軌道疊加而成，兩核間電子的概率密度很小，其能量較原來的原子軌道能量高,不利于成鍵,稱為反鍵分子軌道，如σ*、π*軌道（鏡面對稱軌道）。

非鍵分子軌道若組合得到的分子軌道的能量跟組合前的原子軌道能量沒有明顯差別，所得的分子軌道叫做非鍵分子軌道。

有機化合物的紫外-可見吸收光譜決定于分子的結(jié)構(gòu)、分子軌道上的電子性質(zhì)。根據(jù)結(jié)構(gòu)理論，在分子中形成單鍵的電子稱σ電子，形成雙鍵的電子稱π電子，未成鍵的孤對電子稱n電子。分子中的價電子有σ軌道上的σ電子，π軌道上的π電子和未參與成鍵而仍處于原子軌道中的n電子。五、基本概念位于分子軌道中不同軌道的價電子具有不同的能量，處于低能級的價電子吸收一定能量后，就會躍遷到較高能級（反鍵軌道）。在可見—紫外區(qū)的躍遷包括σ

σ*、n

σ*、nπ*、

π

π*躍遷等。

電子能級和躍遷圖σσ*σ*σπ*πσ*nπ*nπnπ*成鍵成鍵反鍵反鍵未成鍵能量σ

σ*躍遷：所需的能量最大，主要發(fā)生在真空紫外區(qū)，吸收譜帶都在200nm以下，飽和烴類只有σ鍵，因此飽和烴的可見紫外吸收光譜由這類躍遷引起。nπ*躍和π

π*躍遷是用可見——紫外光度法研究有機物的最常見的躍遷類型。這類躍遷易發(fā)生，所需能量使吸收波長都處在200nm以上的區(qū)域，所涉及的基團都具有不飽和的π鍵。這種含π不飽和鍵的基團稱為生色基團。nσ*躍遷：發(fā)生在含有未成鍵孤對電子的雜原子的飽和烴分子中。由于n電子較σ電子易激發(fā)，所以這種躍遷所需能量比σ

σ*稍低，但多數(shù)還是發(fā)生在200nm左右范圍內(nèi)。（1）生色團分子中能吸收紫外或可見光的結(jié)構(gòu)單元稱為生色團，其含有非鍵軌道和π分子軌道的電子體系能引起nπ*和π

π*躍遷。（2）助色團助色團是一種能使生色團吸收峰向長波位移并增強其強度的官能團，如—OH、—NH2、—SH及一些鹵族元素等。這些基團中都含有孤對電子，它們能與生色團中π電子相互作用，使π

π*躍遷的能量降低并引起吸收峰位移。C=CC=OC=C—O——N=O（3）紅移效應(yīng)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（—NH2、—OH、—Cl、—Br、—NR2、—OR、—SH、—SR等）之后，吸收峰的波長λmax向長波長方向移動，這種效應(yīng)稱為紅移效應(yīng)。這些會使某化合物的λmax向長波長方向移動的基團稱為向紅基團。（4）藍移效應(yīng)某些生色團（如C=O）的碳原子一端引入一些取代基（如—CH2、—CH2CH3等）之后，吸收峰的波長會向短波長方向移動，這種效應(yīng)稱為藍移效應(yīng)。這些會使某化合物的λmax向短波方向移動的基團稱為向藍基團。六、物質(zhì)對光的選擇吸收

可見光：從紫色的400nm到紅色的760nm

紫外光：<400nm紅外光:>760nm互補色光:兩種適當顏色光按一定的強度比例混合，就可以得到白光，這兩種顏色光叫做互補色光。七、郎伯-比耳定律

（一）物質(zhì)對光的吸收及吸光度

I0=Ia+It+IrI0=Ia+It(Ir忽略不計)I0ItIaIr透過光強度It與入射光強度I0之比：T=It/I0溶液透光度越大，則對光的吸收越??；反之則越大。2、吸光度A物質(zhì)對光的吸收程度：A=-lgT=lg（1/T）=lg（I0/It）吸光度越大，表示該物質(zhì)對光的吸收程度越大。1、透光度（或透光率與透光比）

T

A=Kcl式中，A——吸光度；c——溶液濃度；l——液層總厚度；K——摩爾吸光系數(shù)，表明物質(zhì)對某一特定波長光的吸收能力。

紫外-可見吸收光譜用于定量分析的理論依據(jù)是吸收定律。它由朗伯定律和比耳定律聯(lián)合而成，故又稱朗伯-比耳定律。（二）朗伯-比耳定律當一束平行的單色光通過均勻溶液時，由于溶質(zhì)吸收光能，光的強度就要降低，這種現(xiàn)象稱為溶液對光的吸收作用，其吸光度與溶液的濃度和厚度的乘積成正比，這個規(guī)律通常稱為郎伯-比耳定律，也稱作光吸收定律。（三）吸收曲線

描述了物質(zhì)對不同波長光的吸收能力，也稱吸收光譜。1、不同物質(zhì)的吸收峰波長不同，反映了物質(zhì)對光吸收的選擇性。3、濃度越大，光吸收程度越大，吸收峰越高。2、吸收峰波長與溶液的濃度無關(guān)。

由于物質(zhì)對光的吸收具有選擇性，通過緩慢地改變通過某一吸收物質(zhì)的入射光的波長（通過預(yù)先設(shè)定初始波長、終止波長、掃描速度），并記錄該物質(zhì)在每一波長處的吸光度（A），然后以波長為橫坐標，以吸光度為縱坐標作圖，這種掃描方法稱為波長掃描。1、波長掃描2、時間掃描

在某一固定的波長下，通過改變掃描時間的范圍，并記錄物質(zhì)在該波長下的吸光度，然后以時間為橫坐標，以吸光度為縱坐標作圖，這種掃描方法稱為時間掃描。sabs060八、紫外-可見吸收光譜法的應(yīng)用

定性分析定量分析配合物組成的研究各類平衡常數(shù)的測定

（一）定性分析

1、無機化合物的定性分析紫外可見分光光度法對無機元素的定性分析應(yīng)用較少，無機元素的定性分析可用原子發(fā)射光譜法或化學(xué)分析的方法。在有機化合物的定性鑒定和結(jié)構(gòu)分析中，由于紫外-可見光譜較簡單，特征性不強，因此該法的應(yīng)用有一定的局限性。

2、有機化合物的定性分析紫外可見吸收光譜鑒定有機化合物時，通常是在相同的測定條件下，比較未知物與已知標準物的紫外光譜圖，若兩者的譜圖相同，則可認為待測試樣與已知化合物具有相同的生色團。如果沒有標準物，也可借助于標準譜圖或有關(guān)電子光譜數(shù)據(jù)表進行比較。但應(yīng)注意：紫外吸收光譜相同，兩種化合物有時不一定相同，因為紫外吸收光譜通常只有2~3個較寬的吸收峰，具有相同生色團的不同分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致不同分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相同的紫外吸收光譜，但它們的吸光系數(shù)是有差別的，所有在比較λmax的同時，還有比較它們的εmax。如果待測物和標準物的吸收波長相同、吸光系數(shù)也相同，則可認為兩者是同一物質(zhì)。在一般的比色法或分光光度法中，進行定量分析的基本程序是：（1）

做基線：以溶劑或試劑空白等作為參比溶液置入光路中。（2）將被測溶液置入光路中，儀器就可以指示出這一溶液的吸光度。

紫外-可見分光光度定量分析的依據(jù)是Lambert-Beer定律，即在一定波長處被測物質(zhì)的吸光度與它的濃度呈線性關(guān)系。因此，通過測定溶液對一定波長入射光的吸光度，即可求出該物質(zhì)在溶液中的濃度和含量。（二）定量分析

（1）比較法

它是在相同的條件下，即相同的波長、光程、溫度等，分別測定標準溶液及待測溶液的吸光度值A(chǔ)0及Ax。測定所采用的波長通常應(yīng)選被測物質(zhì)吸收光譜中的吸收峰處，以提高靈敏度并減少測量誤差。被測物如有幾個吸收峰，可選無其他物質(zhì)干擾的、較高的吸收峰。一般不選光譜中靠短波長末端的吸收峰的波長來作測定。A0=Kc0lAx=Kcxl1、單組分樣品的分析

（2）標準曲線法標準溶液：濃度分別為c1，c2，c3，c4，c5，c6，測定各自的吸光度（設(shè)分別為A1，A2，A3，A4，A5，A6）待測溶液Ax，在標準曲線上查得其對應(yīng)的濃度cx。

從待測物質(zhì)的吸收光譜圖上選定某一最大吸收波長，用一系列不同濃度的標準溶液在該波長處分別測得它們的吸光度，用吸光度對濃度作圖。若待測物質(zhì)對光的吸收符合朗伯-比爾定律，應(yīng)得到一條通過原點的直線，即標準曲線。在同樣條件下測定樣品溶液的吸光度，在標準曲線上可讀出樣品溶液的濃度。

吸光度的加和性：

若某一波長的光束連續(xù)通過若干具有相同厚度，而濃度及摩爾吸光系數(shù)分別為c1、c2、c3………cn與ε1、ε2、ε3………εn的溶液時，相應(yīng)的透過光強度分別為I1、I2、I3………In。根據(jù)朗伯-比耳定律，各溶液的吸光度分別為A1=lg（I0/I1）；A2=lg（I0/I2）；A3=lg（I0/I3）………An=lg（I0/In）所有相同厚度各溶液的總吸光度等于上述各溶液吸光度之總和，即A總=A1+A2+A3+……+An如果溶液中同時含有n種吸光物質(zhì)，只要各組分之間無相互作用，則上述關(guān)系同樣成立，即溶液的總吸光度等于各組分吸光度之和。根據(jù)朗伯-比耳定律，溶液總吸光度A總可寫為A總=ε1lc1+ε2lc2+ε3lc3+………+εnlcn2、多組分樣品的分析

二組分混合物的分析假設(shè)試樣中含有x,y兩種組分，在一定條件下將它們轉(zhuǎn)化為有色化合物，分別繪制其吸收光譜，會出現(xiàn)三種情況.（1）兩組分互不干擾，可分別在λ1和λ

2處測量溶液的吸光度。（2）組分x對組分y的吸光度測定有干擾，但組分y對x無干擾。這時可以先在λ1處測量溶液的吸光度Aλ1并求得x組分的濃度。然后再在λ2處測量溶液的吸光度Aλ2x+y和純組分x和y的ελ2x和ελ2y值，根據(jù)吸光度的加和性原則，可列出下式：Aλ2x+y=ελ2xlcx+ελ2ylcy純組分：Aλ2x0=ελ2xlcx0Aλ2y0=ελ2ylcy0即能求得組分y的濃度cy。（3）組分x,y彼此互相干擾。這時首先在λ1處測定混合物吸光度Aλ1x+y和純組分x及y的ελ１x和ελ１y值。然后在在λ２處測定混合物吸光度Aλ２x+y和純組分x及y的ελ２x和ελ２y值。根據(jù)吸光度的加和性原則，可列出方程式：

Aλ１x+y=ελ１xlcx+ελ１ylcy

Aλ2x+y=ελ2xlcx+ελ2ylcy

式中：ελ１x、ελ１y、ελ２x、ελ２y均由已知濃度x及y的純?nèi)芤簻y得，試液的Aλ１x+y和Aλ2x+y由實驗測得，cx和cy值通過解聯(lián)立方程求得。九、儀器介紹1．光源（輻射源）：鎢絲燈（測可見區(qū)吸收）和氫燈或氘燈（測紫外區(qū)吸收）