紫外可見分光光度法基本原理

關(guān)于紫外可見分光光度法基本原理一、概述

光譜分析法是指在光（或其它能量）的作用下，通過測(cè)量物質(zhì)產(chǎn)生的發(fā)射光、吸收光或散射光的波長和強(qiáng)度來進(jìn)行分析的方法。

吸收光譜(AbsorptionSpectrometry)發(fā)射光譜(EmissionSpectrometry)分子光譜(MolecularSpectrometry)原子光譜(AtomicSpectrometry)紫外—可見分光光度法是一種分子吸收光譜法。第2頁,共30頁，2024年2月25日，星期天概述:

在光譜分析中，依據(jù)物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收而建立起來的分析方法稱為吸光光度法,主要有:

紅外吸收光譜(InfraredAbsorptionSpectroscopy)：分子振動(dòng)光譜，吸收光波長范圍2.51000m,主要用于有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)鑒定。

紫外吸收光譜(UltravioletSpectrophotometry)：電子躍遷光譜，吸收光波長范圍200400nm（近紫外區(qū)），可用于結(jié)構(gòu)鑒定和定量分析。

可見吸收光譜(Visible

Spectrophotometry

：電子躍遷光譜，吸收光波長范圍400750nm，主要用于有色物質(zhì)的定量分析。本章主要講授紫外可見吸收光譜法。第3頁,共30頁，2024年2月25日，星期天二、紫外可見吸收光譜

1．光的基本性質(zhì)

光是一種電磁波，具有波粒二象性。光的波動(dòng)性可用波長

、頻率

、光速c、波數(shù)（cm-1）等參數(shù)來描述：

=c；波數(shù)=1/

=

/c

光是由光子流組成，光子的能量：

E=h=hc/

（Planck常數(shù)：h=6.626×10-34J×S)光的波長越短（頻率越高），其能量越大。白光(太陽光)：由各種單色光組成的復(fù)合光

單色光：單波長的光(由具有相同能量的光子組成)

可見光區(qū)：400-750nm

紫外光區(qū)：近紫外區(qū)200-400nm遠(yuǎn)紫外區(qū)10-200nm（真空紫外區(qū)）

第4頁,共30頁，2024年2月25日，星期天2.物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收及吸收曲線M+熱M+熒光或磷光

E=E2-

E1=h

量子化；選擇性吸收;分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使其對(duì)不同波長光的吸收程度不同；用不同波長的單色光照射，測(cè)吸光度—吸收曲線與最大吸收波長

max；M+

h

M*光的互補(bǔ)：藍(lán)

黃基態(tài)激發(fā)態(tài)E1

（△E）E2第5頁,共30頁，2024年2月25日，星期天關(guān)于吸收曲線的討論：（1）同一種物質(zhì)對(duì)不同波長光的吸光度不同。吸光度最大處對(duì)應(yīng)的波長稱為最大吸收波長λmax（2）不同濃度的同一種物質(zhì)，其吸收曲線形狀相似λmax不變。而對(duì)于不同物質(zhì)，它們的吸收曲線形狀和λmax則不同。（動(dòng)畫）（3）吸收曲線可以提供物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息，并作為物質(zhì)定性分析的依據(jù)之一。

（4）不同濃度的同一種物質(zhì)，在某一定波長下吸光度A有差異，在λmax處吸光度A的差異最大。此特性可作為物質(zhì)定量分析的依據(jù)。（5）在λmax處吸光度隨濃度變化的幅度最大，所以測(cè)定最靈敏。吸收曲線是定量分析中選擇入射光波長的重要依據(jù)。第6頁,共30頁，2024年2月25日，星期天3.紫外—可見分子吸收光譜與電子躍遷物質(zhì)分子內(nèi)部三種運(yùn)動(dòng)形式：

（1）價(jià)電子相對(duì)于原子核的運(yùn)動(dòng)（2）原子核在其平衡位置附近的振動(dòng)（3）分子本身繞其重心的轉(zhuǎn)動(dòng)分子具有三種不同能級(jí)：電子能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)三種能級(jí)都是量子化的，且各自具有相應(yīng)的能量分子的能量包括:電子能量Ee、振動(dòng)能量Ev

、轉(zhuǎn)動(dòng)能量Er即E＝Ee+Ev+Er

第7頁,共30頁，2024年2月25日，星期天能級(jí)躍遷紫外-可見光譜屬于電子躍遷光譜。

電子能級(jí)間躍遷的同時(shí)總伴隨有振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的躍遷。即電子光譜中總包含有振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間躍遷產(chǎn)生的若干譜線而呈現(xiàn)寬譜帶。

分子吸收光譜是帶狀光譜ΔΕe>ΔΕv>ΔΕr第8頁,共30頁，2024年2月25日，星期天討論：（1）轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的能量差ΔEr：0.005～0.050eV，躍遷產(chǎn)生吸收光譜位于遠(yuǎn)紅外區(qū)，稱為遠(yuǎn)紅外光譜或分子轉(zhuǎn)動(dòng)光譜；（2）振動(dòng)能級(jí)的能量差ΔEv約為：0.05～１eV，躍遷產(chǎn)生的吸收光譜位于紅外區(qū)，稱為紅外光譜或分子振動(dòng)光譜；（3）電子能級(jí)的能量差ΔEe較大，為1～20eV。電子躍遷產(chǎn)生的吸收光譜在紫外—可見光區(qū)，稱為紫外—可見光譜或分子的電子光譜。第9頁,共30頁，2024年2月25日，星期天討論：

（4）吸收光譜的波長分布是由產(chǎn)生譜帶的躍遷能級(jí)間的能量差所決定，反映了分子內(nèi)部能級(jí)分布狀況，是物質(zhì)定性的依據(jù)。（5）吸收譜帶強(qiáng)度與分子偶極矩變化、躍遷幾率有關(guān)，也提供分子結(jié)構(gòu)的信息。通常將在最大吸收波長處測(cè)得的摩爾吸光系數(shù)εmax也作為定性的依據(jù)。不同物質(zhì)的λmax有時(shí)可能相同，但εmax不一定相同；

（6）吸收譜帶強(qiáng)度與該物質(zhì)分子吸收的光子數(shù)成正比，這是定量分析的依據(jù)。第10頁,共30頁，2024年2月25日，星期天三、分子吸收光譜與電子躍遷1．有機(jī)化合物的紫外—可見吸收光譜

有機(jī)化合物的紫外—可見吸收光譜，是其分子中外層價(jià)電子躍遷的結(jié)果（三種）：σ電子、π電子、n電子。分子軌道理論：一個(gè)成鍵軌道必定有一個(gè)相應(yīng)的反鍵軌道。通常外層電子均處于分子軌道的基態(tài)，即成鍵軌道或非鍵軌道上。

外層電子吸收紫外或可見輻射后，就從基態(tài)向激發(fā)態(tài)(反鍵軌道)躍遷。主要有四種躍遷所需能量ΔΕ大小順序?yàn)椋簄→π＊<π→π＊<n→σ＊<σ→σ＊

第11頁,共30頁，2024年2月25日，星期天

⑴σ→σ＊躍遷

所需能量最大，σ電子只有吸收遠(yuǎn)紫外光的能量才能發(fā)生躍遷。飽和烷烴的分子吸收光譜出現(xiàn)在遠(yuǎn)紫外區(qū)(吸收波長λ<200nm，只能被真空紫外分光光度計(jì)檢測(cè)到)。如甲烷的λ為125nm,乙烷λmax為135nm。

⑵n→σ＊躍遷

所需能量較大。吸收波長為150～250nm，大部分在遠(yuǎn)紫外區(qū)，近紫外區(qū)仍不易觀察到。含非鍵電子的飽和烴衍生物(含N、O、S和鹵素等雜原子)均呈現(xiàn)n→σ*躍遷。如一氯甲烷、甲醇、三甲基胺n→σ*躍遷的λ分別為173nm、183nm和227nm。第12頁,共30頁，2024年2月25日，星期天

⑶π→π＊躍遷

所需能量較小，吸收波長處于遠(yuǎn)紫外區(qū)的近紫外端或近紫外區(qū)，摩爾吸光系數(shù)εmax一般在104L·mol－1·cm－1以上，屬于強(qiáng)吸收。不飽和烴、共軛烯烴和芳香烴類均可發(fā)生該類躍遷。如：乙烯π→π*躍遷的λ為162nm，

εmax為:1×104L·mol-1·cm－1。

⑷n→π＊躍遷

需能量最低，吸收波長λ>200nm。這類躍遷在躍遷選律上屬于禁阻躍遷，摩爾吸光系數(shù)一般為10～100L·mol-1·cm-1，吸收譜帶強(qiáng)度較弱。分子中孤對(duì)電子和π鍵同時(shí)存在時(shí)發(fā)生n→π＊

躍遷。丙酮n→π＊躍遷的λ為275nmεmax為22L·mol-1·cm-1（溶劑環(huán)己烷)。第13頁,共30頁，2024年2月25日，星期天幾類有機(jī)化合物的紫外吸收光譜：⑴飽和烴飽和單鍵碳?xì)浠衔镏挥笑?/p>

鍵電子,一般在遠(yuǎn)紫外區(qū)(10~200nm)才有吸收帶。這類化合物在200~1000nm范圍內(nèi)無吸收帶，在紫外吸收光譜分析中常用作溶劑(如己烷、庚烷、環(huán)已烷等)。當(dāng)飽和單鍵碳?xì)浠衔镏械臍浔谎?、氮、鹵素、硫等雜原子取代時(shí)，產(chǎn)生n→σ*躍遷。例如甲烷一般躍遷的范圍在125~135nm(遠(yuǎn)紫外區(qū))，碘甲烷(CH3I)的吸收峰則處在150~210nm(躍遷)及259nm(躍遷)：

第14頁,共30頁，2024年2月25日，星期天（2）不飽和脂肪烴

這類化合物有孤立雙鍵的烯烴(如乙烯)和共軛雙鍵的烯烴(如丁二烯)，它們含有π鍵電子，吸收能量后產(chǎn)生π→π*躍遷。乙烯(孤立雙鍵)的為171nm(＝15530)；而丁二烯()由于兩個(gè)雙鍵共軛，此時(shí)吸收峰發(fā)生深色移動(dòng)(=217nm)，吸收強(qiáng)度也顯著增加(＝21000)。共軛分子包括共軛二烯（環(huán)狀二烯，鏈狀二烯）、不飽和酮、不飽和酸、多烯、芳香核與雙鍵或羰基的共軛等。第15頁,共30頁，2024年2月25日，星期天K吸收帶和R吸收帶K吸收帶：由于共軛雙鍵中π→π*躍遷所產(chǎn)生的吸收帶稱為K吸收帶[從德文Konjugation(共軛作用)得名]。其特點(diǎn)是強(qiáng)度大，摩爾吸光系數(shù)通常在10000～200000(＞104)之間；吸收峰位置一般處在217～280nm范圍內(nèi)。K吸收帶的波長及強(qiáng)度與共體系的數(shù)目、位置、取代基的種類等有關(guān)。例如共軛雙鍵愈多，深色移動(dòng)愈顯著，甚至產(chǎn)生顏色。據(jù)此可以判斷共軛體系的存在情況，這是紫外吸收光譜的重要應(yīng)用。R吸收帶：由n

*躍遷所引起的吸收帶稱為R吸收帶[從德文Radikal(基團(tuán))得名]。R吸收帶的強(qiáng)度較弱()。第16頁,共30頁，2024年2月25日，星期天（3）芳香烴芳香族化合物為環(huán)狀共軛體系：

苯在185nm(ε＝47000L·mol-1·cm-1)和204nm(ε＝7900L·mol-1·cm-1)處有兩個(gè)強(qiáng)吸收帶，分別稱為El和E2吸收帶，是由苯環(huán)結(jié)構(gòu)中三個(gè)乙烯的環(huán)狀共軛系統(tǒng)的躍遷所產(chǎn)生的，是芳香族化合物的特征吸收。在230~270nm處(256nm處ε＝200L·mol-1·cm-1)還有較弱的一系列吸收帶，稱為精細(xì)結(jié)構(gòu)吸收帶，亦稱為B吸收帶[從德文Benzenoid(苯的)得名]，這是由于躍遷和苯環(huán)的振動(dòng)的重疊引起的。B吸收帶的精細(xì)結(jié)構(gòu)常用來辨認(rèn)芳香族化合物。苯環(huán)與生色團(tuán)連結(jié)時(shí)，有B和K兩種吸收帶，有時(shí)還有R吸收帶，其中R吸收帶的波長最長。第17頁,共30頁，2024年2月25日，星期天生色團(tuán)與助色團(tuán)生色團(tuán)(Chromophore)：

最有用的紫外—可見光譜是由π→π＊和n→π＊躍遷產(chǎn)生的。這兩種躍遷均要求有機(jī)物分子中含有不飽和基團(tuán)。這類含有π鍵的不飽和基團(tuán)稱為生色團(tuán)。簡單的生色團(tuán)由雙鍵或叁鍵體系組成，如乙烯基、羰基、亞硝基、偶氮基—N＝N—、乙炔基、腈基—C三N等。助色團(tuán)(Auxochrome)：

有一些含有n電子的基團(tuán)(如—OH、—OR、—NH２、—NHR、—X等)，它們本身沒有生色功能(不能吸收λ>200nm的光)，但當(dāng)它們與生色團(tuán)相連時(shí)，就會(huì)發(fā)生n—π共軛作用，增強(qiáng)生色團(tuán)的生色能力(吸收波長向長波方向移動(dòng)，且吸收強(qiáng)度增加)，這樣的基團(tuán)稱為助色團(tuán)。第18頁,共30頁，2024年2月25日，星期天紅移(Einsteinshift)與藍(lán)移(Bluenessshift)

有機(jī)化合物的吸收譜帶常常因引入取代基或改變?nèi)軇┦棺畲笪詹ㄩLλmax和吸收強(qiáng)度發(fā)生變化:

λmax向長波方向移動(dòng)稱為紅移，向短波方向移動(dòng)稱為藍(lán)移。吸收強(qiáng)度即摩爾吸光系數(shù)ε增大或減小的現(xiàn)象分別稱為增色效應(yīng)或減色效應(yīng)，如圖所示。第19頁,共30頁，2024年2月25日，星期天2.金屬配合物的紫外—可見吸收光譜

金屬離子與配位體反應(yīng)生成配合物的顏色一般不同于游離金屬離子(水合離子)和配位體本身的顏色。金屬配合物的生色機(jī)理主要有三種類型：⑴配位體微擾的金屬離子d一d電子躍遷和ｆ一ｆ電子躍遷

摩爾吸收系數(shù)ε很小，對(duì)定量分析意義不大。⑵金屬離子微擾的配位體內(nèi)電子躍遷

金屬離子的微擾，將引起配位體吸收波長和強(qiáng)度的變化。變化與成鍵性質(zhì)有關(guān)，若靜電引力結(jié)合，變化一般很小。若共價(jià)鍵和配位鍵結(jié)合，則變化非常明顯。⑶電荷轉(zhuǎn)移吸收光譜

在分光光度法中具有重要意義。第20頁,共30頁，2024年2月25日，星期天電荷轉(zhuǎn)移吸收光譜（荷移光譜）

當(dāng)吸收紫外可見輻射后，分子中原定域在金屬M(fèi)軌道上電荷的轉(zhuǎn)移到配位體L的軌道，或按相反方向轉(zhuǎn)移，這種躍遷稱為電荷轉(zhuǎn)移躍遷，所產(chǎn)生的吸收光譜稱為荷移光譜。

電荷轉(zhuǎn)移躍遷本質(zhì)上屬于分子內(nèi)氧化還原反應(yīng)，因此呈現(xiàn)荷移光譜的必要條件是構(gòu)成分子的二組分，一個(gè)為電子給予體，另一個(gè)應(yīng)為電子接受體。電荷轉(zhuǎn)移躍遷在躍遷選律上屬于允許躍遷，其摩爾吸光系數(shù)一般都較大(104左右)，適宜于微量金屬的檢出和測(cè)定。荷移光譜的最大吸收波長及吸收強(qiáng)度與電荷轉(zhuǎn)移的難易程度有關(guān)。

例：Fe3＋與SCN－形成血紅色配合物，在490nm處有強(qiáng)吸收峰。其實(shí)質(zhì)是發(fā)生了如下反應(yīng)：

[Fe3＋SCN－

]

＋hν=[FeSCN]2＋

第21頁,共30頁，2024年2月25日，星期天四、光的吸收定律

1.朗伯—比耳定律(LawofLambert—Beer)布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)先后于1729年和1760年闡明了光的吸收程度和吸收層厚度的關(guān)系。A∝b

（動(dòng)畫1）（動(dòng)畫2）

1852年比耳(Beer)又提出了光的吸收程度和吸收物濃度之間也具有類似的關(guān)系。A∝c

二者的結(jié)合稱為朗伯比耳定律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

第22頁,共30頁，2024年2月25日，星期天朗伯—比耳定律數(shù)學(xué)表達(dá)式

A＝lg（I0/It)=εbc

式中A：吸光度；描述溶液對(duì)光的吸收程度；

b：液層厚度(光程長度)，通常以cm為單位；

c：溶液的摩爾濃度，單位mol·L－１；

ε：摩爾吸光系數(shù)，單位L·mol－１·cm－１；

或:A＝lg（I0/It)=abc

c：溶液的濃度，單位g·L－１

a：吸光系數(shù)，單位L·g－１·cm－１

a與ε的關(guān)系為：

a=ε/M（M為摩爾質(zhì)量）第23頁,共30頁，2024年2月25日，星期天透光度(透光率)T透光度T:描述入射光透過溶液的程度:

T=It/I0吸光度A與透光度T的關(guān)系:

A＝－lgT

朗伯—比耳定律是吸光光度法的理論基礎(chǔ)和定量測(cè)定的依據(jù)。應(yīng)用于各種光度法的吸收測(cè)量；

摩爾吸光系數(shù)ε在數(shù)值上等于濃度為1mol/L、液層厚度為1cm時(shí)該溶液在某一波長下的吸光度；吸光系數(shù)a(L·g-1·cm-1）相當(dāng)于濃度為1g/L、液層厚度為1cm時(shí)該溶液在某一波長下的吸光度。第24頁,共30頁，2024年2月25日，星期天2.摩爾吸光系數(shù)ε的討論

（1）吸收物質(zhì)在一定波長和溶劑條件下的特征常數(shù)；

（2）不隨濃度c和光程長度b的改變而改變。在溫度和波長等條件一定時(shí)，ε僅與吸收物質(zhì)本身的性質(zhì)有關(guān)，與待測(cè)物濃度無關(guān)；（3）可作為定性鑒定的參數(shù)；

（4）同一吸收物質(zhì)在不同波長下的ε值是不同的。在最大吸收波長λmax處的摩爾吸光系數(shù)，常以εmax表示。εmax表明了該吸收物質(zhì)最大限度的吸光能力，也反映了光度法測(cè)定該物質(zhì)可能達(dá)到的最大靈敏度。

第25頁,共30頁，2024年2月25日，星期天摩爾吸光系數(shù)ε的討論（5）εmax越大表明該物質(zhì)的吸光能力越強(qiáng)，用光度法測(cè)定該物質(zhì)的靈敏度越高。ε>105：超高靈敏；

ε=(6～10）×104：高靈敏；

ε<2×104：不靈敏。第26頁,共30