儀器分析02-紫外可見光光譜

1、UV/Vis Spectroscopy中南民族大學(xué)紫外可見光分光光度法紫外可見光分光光度法內(nèi)容內(nèi)容(contents)概述概述紫外可見光譜的產(chǎn)生紫外可見光譜的產(chǎn)生光的吸收定律光的吸收定律儀器和測量方法儀器和測量方法紫外光譜和分子結(jié)構(gòu)紫外光譜和分子結(jié)構(gòu)為什么先講紫外可見光譜為什么先講紫外可見光譜?我們的世界是彩色的。為什么？發(fā)射的光(light emit)吸收的光(light absorbed)一束白光透過藍(lán)色的玻璃，出來的是什么顏色的光？大海和天空為什么是藍(lán)色的？什么顏色的光被吸收了？所以可見光光譜是最早發(fā)現(xiàn)并使用的光譜分析方法光的互補(bǔ)色光的互補(bǔ)色能復(fù)合成白光的兩能復(fù)合成白光的兩種顏色的光叫種

2、顏色的光叫互補(bǔ)互補(bǔ)色光。色光。物質(zhì)所顯示物質(zhì)所顯示的的顏色是吸收光顏色是吸收光的互補(bǔ)色。的互補(bǔ)色。概述概述(Overview)分光光度法：以物質(zhì)對光的選擇性吸收為基礎(chǔ)的分析方法。根據(jù)物質(zhì)所吸收光的波長范圍不同，分光光度分析法又有紫外、可見及紅外分光光度。Based on the characteristic absorption to light for different materials.本儀器方法特點(diǎn)(Features)：靈敏度高(good sensitivity): 1-10-5%, 微量分析(micro-assay)簡單易用，儀器方便，應(yīng)用廣泛 widely used due to

3、 easy operation and low cost光譜光譜(Spectrum)X-rayFar UV紫外UV200-400 nm可見Visible400-800 nm紅外IR2.5-15mFar IRMWRFBond breakage化學(xué)鍵破裂Electron transition電子躍遷Vibrational Transition振動(dòng)躍遷RotationalTransition轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷NuclearSpin核自轉(zhuǎn)ElectronSpin電子自轉(zhuǎn)核磁NMR1-5m波長Wavelength l頻率Frequency n or 能量energy E紫外和可見光紫外和可見光(UV/Vis li

4、ght)光的波長和能量(some facts)紫外光近紫外(near UV): 200 400 nm, 3 6 eV真空紫外(vacuum UV): 100 200 nm, 6 12 eV可見光波長: 400 800 nm能量: 1.5 3 eV一般的電子躍遷能量變化在1 20 eV典型光譜圖典型光譜圖(spectrum)帶狀光譜：電子躍遷的同時(shí)，伴隨著振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)能級的躍遷。Transition between vibrational and rotational energy levels always occurs in electron transition, resulting in t

5、he band-shaped spectrum.物質(zhì)對光的選擇性吸收物質(zhì)對光的選擇性吸收物質(zhì)吸收光之后基態(tài)變到激發(fā)態(tài) M + hn M*因?yàn)槟芗壍牧孔踊獾奈罩荒苁沁x擇性的；分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了每一種物質(zhì)對于光的吸收程度都不同；用不同波長的單色光照射，測量光度-吸收曲線與最大吸收波長。M + heatM + hn2 有關(guān)吸收曲線有關(guān)吸收曲線(absorption curve)同一種物質(zhì)對不同波長光的吸光度不同。吸光同一種物質(zhì)對不同波長光的吸光度不同。吸光度最大處對應(yīng)的波長稱為度最大處對應(yīng)的波長稱為最大吸收波長最大吸收波長-maxmax不同濃度的同一種物質(zhì)，其吸收曲線形狀相似，不同濃度的同

6、一種物質(zhì)，其吸收曲線形狀相似，maxmax不變。而對于不同物質(zhì)，它們的吸收曲線形狀不變。而對于不同物質(zhì)，它們的吸收曲線形狀和和maxmax則不同。則不同。吸收曲線可以提供物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息，并作為物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。質(zhì)定性分析的依據(jù)之一。有關(guān)吸收曲線有關(guān)吸收曲線(absorption curve)不同濃度的同一種物質(zhì)，在某一定波長下吸不同濃度的同一種物質(zhì)，在某一定波長下吸光度光度 A A 有差異，在有差異，在maxmax處吸光度處吸光度A A 的差異最的差異最大。此特性可作作為物質(zhì)定量分析的依據(jù)。大。此特性可作作為物質(zhì)定量分析的依據(jù)。在在maxmax處吸

7、光度隨濃度變化的幅度最大，處吸光度隨濃度變化的幅度最大，所以測定最靈敏。吸收曲線是定量分析中選擇入所以測定最靈敏。吸收曲線是定量分析中選擇入射光波長的重要依據(jù)。射光波長的重要依據(jù)。紫外可見光譜的產(chǎn)生紫外可見光譜的產(chǎn)生How UV/Vis spectrum is produced?紫外光譜的產(chǎn)生紫外光譜的產(chǎn)生主要是因?yàn)槲镔|(zhì)分子的能量具有量子化(quantization)的特征，也即物質(zhì)分子的能量具有不連續(xù)化的特征。每個(gè)分子都具有一系列能級(energy levels)，其中包括許多電子能級、分子振動(dòng)能級以及分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級。分子的總能量有以下幾個(gè)部分組成：Etotal = Ee + Ev + Er紫

8、外光譜的產(chǎn)生（紫外光譜的產(chǎn)生（2）n物質(zhì)分子內(nèi)部三種運(yùn)動(dòng)形式：物質(zhì)分子內(nèi)部三種運(yùn)動(dòng)形式： （1 1）電子相對于原子核的運(yùn)動(dòng)；）電子相對于原子核的運(yùn)動(dòng)； （2 2）原子核在其平衡位置附近的相對振動(dòng)；）原子核在其平衡位置附近的相對振動(dòng)； （3 3）分子本身繞其重心的轉(zhuǎn)動(dòng)。）分子本身繞其重心的轉(zhuǎn)動(dòng)。n分子具有三種不同能級：電子能級、振動(dòng)能級和轉(zhuǎn)動(dòng)能級分子具有三種不同能級：電子能級、振動(dòng)能級和轉(zhuǎn)動(dòng)能級n三種能級都是量子化的，且各自具有相應(yīng)的能量。三種能級都是量子化的，且各自具有相應(yīng)的能量。n分子的內(nèi)能：電子能量分子的內(nèi)能：電子能量Ee 、振動(dòng)能量、振動(dòng)能量Ev 和轉(zhuǎn)動(dòng)能量和轉(zhuǎn)動(dòng)能量Ern其中：其中：e

9、vr 能級躍遷能級躍遷(transition)電子能級間躍遷電子能級間躍遷的同時(shí)，總伴隨的同時(shí)，總伴隨有振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能有振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級間的躍遷。即級間的躍遷。即電子光譜中總包電子光譜中總包含有振動(dòng)能級和含有振動(dòng)能級和轉(zhuǎn)動(dòng)能級間躍遷轉(zhuǎn)動(dòng)能級間躍遷產(chǎn)生的若干譜線產(chǎn)生的若干譜線而呈現(xiàn)寬譜帶。而呈現(xiàn)寬譜帶。討論討論（1 1） 轉(zhuǎn)動(dòng)能級間的能量差轉(zhuǎn)動(dòng)能級間的能量差r r：0.0050.0050.0500.050eVeV，躍遷產(chǎn)，躍遷產(chǎn)生吸收光譜位于遠(yuǎn)紅外區(qū)。遠(yuǎn)紅外光譜或分子轉(zhuǎn)動(dòng)光譜；生吸收光譜位于遠(yuǎn)紅外區(qū)。遠(yuǎn)紅外光譜或分子轉(zhuǎn)動(dòng)光譜；（2 2） 振動(dòng)能級的能量差振動(dòng)能級的能量差v v約為：約為：0.050.

10、05eVeV，躍遷產(chǎn)生，躍遷產(chǎn)生的吸收光譜位于紅外區(qū)，紅外光譜或分子振動(dòng)光譜；的吸收光譜位于紅外區(qū)，紅外光譜或分子振動(dòng)光譜；（3 3） 電子能級的能量差電子能級的能量差e e較大較大1 12020eVeV。電子躍遷產(chǎn)生的。電子躍遷產(chǎn)生的吸收光譜在紫外吸收光譜在紫外可見光區(qū)，紫外可見光區(qū)，紫外可見光譜或分子的電可見光譜或分子的電子光譜；子光譜；討論（討論（2）（4 4）吸收光譜的波長分布是由產(chǎn)生譜帶的躍遷能級間的能）吸收光譜的波長分布是由產(chǎn)生譜帶的躍遷能級間的能量差所決定，反映了分子內(nèi)部能級分布狀況，是物質(zhì)定性量差所決定，反映了分子內(nèi)部能級分布狀況，是物質(zhì)定性的依據(jù)；的依據(jù)；（5 5）吸收譜帶的

11、強(qiáng)度與分子偶極矩變化、躍遷幾率有關(guān)，）吸收譜帶的強(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得的也提供分子結(jié)構(gòu)的信息。通常將在最大吸收波長處測得的摩爾吸光系數(shù)摩爾吸光系數(shù)maxmax也作為定性的依據(jù)。也作為定性的依據(jù)。不同物質(zhì)的不同物質(zhì)的maxmax有時(shí)可能相同，但有時(shí)可能相同，但maxmax不一定相同；不一定相同；（6 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，定）吸收譜帶強(qiáng)度與該物質(zhì)分子吸收的光子數(shù)成正比，定量分析的依據(jù)。量分析的依據(jù)。光的吸收定律光的吸收定律Law of absorption for light光的吸收定律光的吸收定律LI0IA

12、 = -lg(I/I0) = -lgT = e eLCA: 吸光度， absorbanceT: 透光度， transmittanceC: 濃度，concentratione: 吸光系數(shù)，absorptivity, mostly used as molar absorptivityL: 樣品在光穿透方向的長度,path length of sample吸光系數(shù)吸光系數(shù)(absorptivity)吸光系數(shù)是有色化合物的重要特性。愈大，表示該物質(zhì)對某波長的光吸收能力愈強(qiáng)，因而光度測定的靈敏度就越高。的值，不能直接取1mol/L 這樣高濃度的有色溶液來測量，而只能通過計(jì)算求得。由于溶液中吸光物質(zhì)的濃度

13、常因離解、聚合等因素而改變。因此，計(jì)算時(shí)，必須知道溶液中吸光物質(zhì)的真正濃度。但通常在實(shí)際工作中，多以被測物質(zhì)的總濃度計(jì)算，這樣計(jì)算出的值稱為表觀吸光系數(shù)。文獻(xiàn)中所報(bào)道的值就是表觀吸光系數(shù)值。多成分的吸收多成分的吸收假設(shè)個(gè)成分之間無相互作用無相互作用，那么多成分的吸收可以疊加:Atotal=A1+A2+An=e1LC1+e2LC2+enLCnThe total absorption can be linearly added from the absorption of each species, provided there is no interaction among the variou

14、s species.偏離光吸收定律的原因偏離光吸收定律的原因Non-ideal absorption偏離偏離LB定律定律 (deviation from LB law)以濃度為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)作圖，應(yīng)得到一通過原點(diǎn)的直線，稱為標(biāo)準(zhǔn)曲線或工作曲線。但是，在實(shí)際工作中，當(dāng)有色溶液的濃度較高時(shí)，往往不成直線positivenegative偏離偏離LB定律的原因定律的原因入射光不是單色光LB定律只適合于單色光。但實(shí)際上單波長的光不可能得到。單色光純度越差，吸光物質(zhì)的濃度越高，偏離的越嚴(yán)重。Single wavelength light cannot be obtained.偏離偏離LB定律的原因

15、（定律的原因（2）介質(zhì)的不均勻性(inhomogeneity)當(dāng)被測溶液是膠體溶液、懸濁液或乳濁液時(shí)，入射光通過溶液后除一部分被吸收外，還有一部分因溶液中存在微粒的散射作用（scattering）而損失，并使透光度減小。而當(dāng)膠體或其他微粒凝聚沉淀時(shí)，又會(huì)使溶液吸光度下降。偏離偏離LB定律的原因（定律的原因（3）溶液中的化學(xué)變化(chemical composition change)溶液中的化學(xué)變化如締合(combination)、離解(dissociation)、溶劑化(solvation)、形成新的化合物(reaction)、互變異構(gòu)(tautomerism)等，使吸光度不隨溶液濃度而成正

16、比地改變，而導(dǎo)致偏離朗伯比耳定律。HIn H+ + In-偏離偏離LB定律的可能定律的可能比色皿比色皿Ce（IV）離子的吸收光譜A：使用玻璃比色皿B：使用石英比色皿虛假峰的出現(xiàn)（虛假吸收）LB定律應(yīng)用的要求定律應(yīng)用的要求單色光 (monochromatic)低濃度 (low concentration)無熒光發(fā)生 (not fluorescent)溶液均一 (homogeneous)光照下穩(wěn)定 (no photochemical reaction)溶質(zhì)和溶劑之間作用的穩(wěn)定性 (no variable associations between solute and solvent)儀器和測量方法

17、儀器和測量方法Instruments and Measuring Methods儀器（儀器（1）儀器（儀器（2）Double beam in spaceDouble beam in time儀器（儀器（3）多通道光譜儀-陣列檢測燈源燈源(light source)鎢燈1200 nm maximumTungsten lamp可見和紅外區(qū)域可見和紅外區(qū)域燈源（燈源（2）氘燈Deuterium lamp225 nm maximum紫外區(qū)域紫外區(qū)域測量方法測量方法1標(biāo)準(zhǔn)曲線法標(biāo)準(zhǔn)曲線法配制一系列已知的具有不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，分別在選定波長處測其吸光度A，然后以標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度c為橫坐標(biāo)，以相應(yīng)的吸光度A

18、為縱坐標(biāo)，繪制出Ac關(guān)系曲線。如果符合光的吸收定律，則可獲得一條直線，稱為標(biāo)準(zhǔn)曲線或稱工作曲線。在相同條件下測量樣品溶液的吸光度，就可以從標(biāo)準(zhǔn)曲線上查出樣品的濃度。Ac標(biāo)準(zhǔn)工作曲線標(biāo)準(zhǔn)工作曲線測量方法測量方法2加入標(biāo)準(zhǔn)法加入標(biāo)準(zhǔn)法n 所謂的加入標(biāo)準(zhǔn)法，即在一定濃度的試樣溶液測定吸光度A0后，加入合適濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，再測吸光度A1，或再加幾次標(biāo)準(zhǔn)溶液，得A2, A3吸光度，計(jì)算或作圖外推求試樣濃度的方法。即：nA0=kC樣；A1=k(C樣C標(biāo)）n設(shè)試樣體積為V0;加入的標(biāo)準(zhǔn)溶液體積為V標(biāo)，則：A1=k(C樣V0+ C標(biāo)V標(biāo))/(V0+V標(biāo)），聯(lián)解方程可求出C樣。或用A對C標(biāo)作圖，外推求出C樣。二

19、元組分的測定二元組分的測定11111222221 21212121 2121212AAAccAAAcclllllllllleeee數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 - deconvolution數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 - baseline三點(diǎn)校正方式Three-point correction數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 baseline (2)基線扣除后的吸收譜誤差誤差 error1. 光源導(dǎo)致的誤差 (light source)； 2. 檢測器的誤差 (detector)； 3. 散射光的誤差(stray light); 4. 綜合誤差 (total error): 最小誤差大致在吸收度為0.7 左右，minimum at

20、 A = 0.7紫外可見光譜和分子軌道的躍遷紫外可見光譜和分子軌道的躍遷Electronic Transitions of organic compounds etc.概要概要紫外可見光譜研究的主要對象是有機(jī)分子 (Organic compounds represent the majority of the studies made in UV/Vis.)光譜的來源主要是在這些有機(jī)分子中s、p和n軌道上的電子的躍遷。(The observed transitions involve electrons engaged in s or p or non-bonding n electron o

21、rbitals.躍遷類型有s s*, n s*, n p*, p p*, d d分子軌道分子軌道(molecular orbitals)Single bond: molecular orbital.Double bond: an molecular orbitals分子軌道的形成分子軌道的形成O + O O21s2s2pO: 1s22s22p4分子中的電子分子中的電子(electron types)Example: HCHO (formaldehyde)COHnp ps sHs s s s* * 躍遷躍遷這一類型的躍遷需要比較高的能量（真空紫外部分，吸收波長小于200 nm）飽和碳?xì)浠衔锛淄?/p>

22、： 125 nm， 乙烷： 135 nm水也是如此，因?yàn)橹挥衧 s*, n s* 的躍遷對溶劑的要求：飽和脂肪烴。不適于對極性大的物質(zhì)的檢測，因?yàn)闆]有相應(yīng)的溶劑n s s* * 躍遷躍遷含有雜原子（O、N、S和Cl）的飽和有機(jī)物質(zhì)：如飽和醇苯胺的吸收 （220nm）吸光系數(shù)：100 3000 醇：180nm，醚和鹵素取代物：190nm。甲醇：183nm，乙醚：190nm， 乙胺：210 nm，1-氯丁烷：179nmn p p* * 躍遷躍遷比較弱，消光系數(shù)在10 100 之間認(rèn)識(shí)比較多的是羰基的吸收，對應(yīng)在270 295 nm之間比如乙醛最大吸收在293 nm，但是摩爾吸光系數(shù)只有12.（溶劑

23、為乙醇）p p p p* * 躍遷躍遷對應(yīng)于不飽和碳碳鍵，如C=C吸光系數(shù)很大，1000-15000主要吸收，比較適于定量分析單個(gè)非共軛的C=C吸收大致在170nm左右乙烯的最大吸收在165 nmdd 躍遷躍遷很多金屬絡(luò)合物，其中金屬具有沒有完全填滿的d軌道主要在可見光部分例如Cu(H2O)62+和Ti(H2O)63+為藍(lán)色，高錳酸鉀為紫色生色團(tuán)和助色團(tuán)生色團(tuán)和助色團(tuán)生色團(tuán) (chromophores)有機(jī)化合物中具有紫外可見吸收的功能團(tuán)如不飽和鍵，胺基等助色團(tuán) (auxochoromophores)該功能團(tuán)本身沒有紫外可見吸收但是它們的存在對生色團(tuán)的吸收造成了影響如醇基，醚基等共軛效應(yīng)共軛效

24、應(yīng)共軛效應(yīng)共軛效應(yīng)隔一個(gè)的不飽和鍵許多p 軌道的相互作用，同樣許多p *軌道的相互作用吸收往長波長方向移動(dòng)同時(shí)出現(xiàn)許多精細(xì)結(jié)構(gòu)165nm 217nm p* p p p* p* p p 芳香烴的三個(gè)吸收帶芳香烴的三個(gè)吸收帶紅移和藍(lán)移紅移和藍(lán)移外在原因使得某一類結(jié)構(gòu)的分子吸收往短波長方向移動(dòng)，稱為藍(lán)移現(xiàn)象(blue shift or hypsochromic effect); 反方向則為紅移現(xiàn)象 (red shift or bathochromic effect)主要的外在原因?yàn)槿軇┑臉O性大小溶劑的極性大小溶液的pH同樣可能造成藍(lán)移或紅移例子例子判斷下面三種物質(zhì)的吸收波長高低abc最大吸收波長最大

25、吸收波長: bca吸收強(qiáng)度同樣吸收強(qiáng)度同樣: cab溶劑效應(yīng)溶劑效應(yīng)苯甲酮在環(huán)己烷（虛線）和乙醇（實(shí)線）中的紫外吸收譜溶劑效應(yīng)溶劑效應(yīng)紅移紅移藍(lán)移藍(lán)移pH的影響的影響酚酞phenolphthalein取代基和吸收位置取代基和吸收位置取代基作為助色團(tuán)，影響了吸收最大波長的位置定性上可以參考前面的那些效應(yīng)定量上則有經(jīng)驗(yàn)原則Fieser-Woodward rulesScott rules應(yīng)用例子應(yīng)用例子推測化合物中所含有的功能團(tuán)如果沒有紫外可見光吸收，則可能不含雙鍵或環(huán)狀共軛體系，可能是飽和有機(jī)化合物如果在200-250 nm有強(qiáng)吸收峰，則可能是含有兩個(gè)雙鍵的共軛體系如果在260-350 nm有強(qiáng)吸收峰，則至少有3-5個(gè)共軛發(fā)色團(tuán)和助色團(tuán)如果在270-350 nm有弱吸收峰并且無其他的強(qiáng)吸收峰時(shí)，則可能是含有n電子的無共軛的發(fā)色團(tuán)（-C=O, -NO2, -N=N-),因?yàn)槿醴迨怯蒼 p*引起的。如果在260 nm處有吸收且具備一定的精細(xì)結(jié)構(gòu)，則可