儀器分析02-紫外可見光光譜

UV/VisSpectroscopy中南民族大學(xué)紫外可見光分光光度法內(nèi)容(contents)概述紫外可見光譜的產(chǎn)生光的吸收定律儀器和測量方法紫外光譜和分子結(jié)構(gòu)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(lightemit)吸收的光(lightabsorbed)一束白光透過藍色的玻璃，出來的是什么顏色的光？大海和天空為什么是藍色的？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色能復(fù)合成白光的兩種顏色的光叫互補色光。物質(zhì)所顯示的顏色是吸收光的互補色。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。Basedonthecharacteristicabsorptiontolightfordifferentmaterials.本儀器方法特點(Features)：靈敏度高(goodsensitivity):1-10-5%,微量分析(micro-assay)簡單易用，儀器方便，應(yīng)用廣泛widelyusedduetoeasyoperationandlowcost光譜(Spectrum)X-rayFarUV紫外UV200-400nm可見Visible400-800nm紅外IR2.5-15mFarIRMWRFBondbreakage化學(xué)鍵破裂Electrontransition電子躍遷VibrationalTransition振動躍遷RotationalTransition轉(zhuǎn)動躍遷NuclearSpin核自轉(zhuǎn)ElectronSpin電子自轉(zhuǎn)核磁NMR1-5m波長Wavelengthl頻率Frequencynor能量energyE紫外和可見光(UV/Vislight)光的波長和能量(somefacts)紫外光近紫外(nearUV):200–400nm,3–6eV真空紫外(vacuumUV):100–200nm,6–12eV可見光波長:400–800nm能量:1.5–3eV一般的電子躍遷能量變化在1–20eV典型光譜圖(spectrum)帶狀光譜：電子躍遷的同時，伴隨著振動轉(zhuǎn)動能級的躍遷。Transitionbetweenvibrationalandrotationalenergylevelsalwaysoccursinelectrontransition,resultingintheband-shapedspectrum.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*因為能級的量子化，光的吸收只能是選擇性的；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(absorptioncurve)①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)的波長稱為最大吸收波長---λmax②不同濃度的同一種物質(zhì)，其吸收曲線形狀相似，λmax不變。而對于不同物質(zhì)，它們的吸收曲線形狀和λmax則不同。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。有關(guān)吸收曲線(absorptioncurve)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)。紫外可見光譜的產(chǎn)生HowUV/Visspectrumisproduced?紫外光譜的產(chǎn)生主要是因為物質(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。每個分子都具有一系列能級(energylevels)，其中包括許多電子能級、分子振動能級以及分子轉(zhuǎn)動能級。分子的總能量有以下幾個部分組成：Etotal=Ee+Ev+Er紫外光譜的產(chǎn)生（2）物質(zhì)分子內(nèi)部三種運動形式：（1）電子相對于原子核的運動；（2）原子核在其平衡位置附近的相對振動；（3）分子本身繞其重心的轉(zhuǎn)動。分子具有三種不同能級：電子能級、振動能級和轉(zhuǎn)動能級三種能級都是量子化的，且各自具有相應(yīng)的能量。分子的內(nèi)能：電子能量Ee、振動能量Ev和轉(zhuǎn)動能量Er其中：ΔΕe>ΔΕv>ΔΕr能級躍遷(transition)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。討論（1）

轉(zhuǎn)動能級間的能量差ΔΕr：0.005～0.050eV，躍遷產(chǎn)生吸收光譜位于遠紅外區(qū)。遠紅外光譜或分子轉(zhuǎn)動光譜；（2）振動能級的能量差ΔΕv約為：0.05～１eV，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光譜；（3）電子能級的能量差ΔΕe較大1～20eV。電子躍遷產(chǎn)生的吸收光譜在紫外—可見光區(qū)，紫外—可見光譜或分子的電子光譜；討論（2）（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)；（5）吸收譜帶的強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有時可能相同，但εmax不一定相同；（6）吸收譜帶強度與該物質(zhì)分子吸收的光子數(shù)成正比，定量分析的依據(jù)。光的吸收定律Lawofabsorptionforlight光的吸收定律LI0IA=-lg(I/I0)=-lgT=eLCA:吸光度，absorbanceT:透光度，transmittanceC:濃度，concentratione:吸光系數(shù)，absorptivity,mostlyusedasmolarabsorptivityL:樣品在光穿透方向的長度,pathlengthofsample吸光系數(shù)(absorptivity)吸光系數(shù)是有色化合物的重要特性。ε愈大，表示該物質(zhì)對某波長的光吸收能力愈強，因而光度測定的靈敏度就越高。ε的值，不能直接取1mol/L這樣高濃度的有色溶液來測量，而只能通過計算求得。由于溶液中吸光物質(zhì)的濃度常因離解、聚合等因素而改變。因此，計算ε時，必須知道溶液中吸光物質(zhì)的真正濃度。但通常在實際工作中，多以被測物質(zhì)的總濃度計算，這樣計算出的ε值稱為表觀吸光系數(shù)。文獻中所報道的ε值就是表觀吸光系數(shù)值。多成分的吸收假設(shè)個成分之間無相互作用，那么多成分的吸收可以疊加:Atotal=A1+A2+…+An=e1LC1+e2LC2+…+enLCnThetotalabsorptioncanbelinearlyaddedfromtheabsorptionofeachspecies,providedthereisnointeractionamongthevariousspecies.偏離光吸收定律的原因Non-idealabsorption偏離LB定律(deviationfromLBlaw)以濃度為橫坐標，吸光度為縱坐標作圖，應(yīng)得到一通過原點的直線，稱為標準曲線或工作曲線。但是，在實際工作中，當有色溶液的濃度較高時，往往不成直線positivenegative偏離LB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，偏離的越嚴重。

Singlewavelengthlightcannotbeobtained.偏離LB定律的原因（2）介質(zhì)的不均勻性(inhomogeneity)當被測溶液是膠體溶液、懸濁液或乳濁液時，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。而當膠體或其他微粒凝聚沉淀時，又會使溶液吸光度下降。偏離LB定律的原因（3）溶液中的化學(xué)變化(chemicalcompositionchange)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比地改變，而導(dǎo)致偏離朗伯－比耳定律。

HIn≒H++In-偏離LB定律的可能——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)用的要求單色光(monochromatic)低濃度(lowconcentration)無熒光發(fā)生(notfluorescent)溶液均一(homogeneous)光照下穩(wěn)定(nophotochemicalreaction)溶質(zhì)和溶劑之間作用的穩(wěn)定性(novariableassociationsbetweensoluteandsolvent)儀器和測量方法InstrumentsandMeasuringMethods儀器（1）儀器（2）DoublebeaminspaceDoublebeamintime儀器（3）多通道光譜儀--陣列檢測燈源(lightsource)鎢燈1200nmmaximumTungstenlamp可見和紅外區(qū)域燈源（2）氘燈Deuteriumlamp225nmmaximum紫外區(qū)域測量方法1——標準曲線法配制一系列已知的具有不同濃度的標準溶液，分別在選定波長處測其吸光度A，然后以標準溶液的濃度c為橫坐標，以相應(yīng)的吸光度A為縱坐標，繪制出A－c關(guān)系曲線。如果符合光的吸收定律，則可獲得一條直線，稱為標準曲線或稱工作曲線。在相同條件下測量樣品溶液的吸光度，就可以從標準曲線上查出樣品的濃度。Ac標準工作曲線測量方法2——加入標準法

所謂的加入標準法，即在一定濃度的試樣溶液測定吸光度A0后，加入合適濃度的標準溶液，再測吸光度A1，或再加幾次標準溶液，得A2,A3…吸光度，計算或作圖外推求試樣濃度的方法。即：

A0=kC樣；A1=k(C樣＋C標）設(shè)試樣體積為V0;加入的標準溶液體積為V標，則：A1=k(C樣V0+C標V標)/(V0+V標），聯(lián)解方程可求出C樣?；蛴肁對C標作圖，外推求出C樣。二元組分的測定數(shù)據(jù)處理--deconvolution數(shù)據(jù)處理--baseline三點校正方式Three-pointcorrection數(shù)據(jù)處理–baseline(2)基線扣除后的吸收譜誤差error1.光源導(dǎo)致的誤差(lightsource)；2.檢測器的誤差(detector)；3.散射光的誤差(straylight);4.綜合誤差(totalerror):最小誤差大致在吸收度為0.7左右，minimumatA=0.7紫外可見光譜和分子軌道的躍遷ElectronicTransitionsoforganiccompoundsetc.概要紫外可見光譜研究的主要對象是有機分子(OrganiccompoundsrepresentthemajorityofthestudiesmadeinUV/Vis.)光譜的來源主要是在這些有機分子中s、p和n軌道上的電子的躍遷。(Theobservedtransitionsinvolveelectronsengagedinsorpornon-bondingnelectronorbitals.躍遷類型有ss*,n

s*,n

p*,pp*,dd分子軌道(molecularorbitals)Singlebond:σmolecularorbital.Doublebond:σanπmolecularorbitals分子軌道的形成O+OO21s2s2pO:1s22s22p4分子中的電子(electrontypes)Example:HCHO(formaldehyde)COHnpsHss*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200nm）飽和碳氫化合物甲烷：125nm，乙烷：135nm水也是如此，因為只有ss*,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，因為沒有相應(yīng)的溶劑n

s*躍遷含有雜原子（O、N、S和Cl）的飽和有機物質(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：210nm，1-氯丁烷：179nmn

p*躍遷比較弱，消光系數(shù)在10–100之間認識比較多的是羰基的吸收，對應(yīng)在270–295nm之間比如乙醛最大吸收在293nm，但是摩爾吸光系數(shù)只有12.（溶劑為乙醇）pp*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非共軛的C=C吸收大致在170nm左右乙烯的最大吸收在165nmdd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+為藍色，高錳酸鉀為紫色生色團和助色團 生色團(chromophores)有機化合物中具有紫外可見吸收的功能團如不飽和鍵，胺基等助色團(auxochoromophores)該功能團本身沒有紫外可見吸收但是它們的存在對生色團的吸收造成了影響如醇基，醚基等共軛效應(yīng)共軛效應(yīng)隔一個的不飽和鍵許多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同時出現(xiàn)許多精細結(jié)構(gòu)165nm217nm

?

?

?

芳香烴的三個吸收帶紅移和藍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，稱為藍移現(xiàn)象(blueshiftorhypsochromiceffect);反方向則為紅移現(xiàn)象(redshiftorbathochromiceffect)主要的外在原因為溶劑的極性大小溶液的pH同樣可能造成藍移或紅移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:b>c>a吸收強度同樣:c>a>b溶劑效應(yīng)苯甲酮在環(huán)己烷（虛線）和乙醇（實線）中的紫外吸收譜溶劑效應(yīng)紅移藍移pH的影響酚酞phenolphthalein取代基和吸收位置取代基作為助色團，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)驗原則Fieser-WoodwardrulesScottrules應(yīng)用例子推測化合物中所含有的功能團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，可能是飽和有機化合物如果在200-250nm有強吸收峰，則可能是含有兩個雙鍵的共軛體系如果在260-350nm有強吸收峰，則至少有3-5個共軛發(fā)色團和助色團如果在270-350nm有弱吸收峰并且無其他的強吸收峰時，則可能是含有n電子的無共軛的發(fā)色團（-C=O,-NO2,-N=N-),因為弱峰是由n

p*引起的。如果在260nm處有吸收且具備一定的精細結(jié)構(gòu)，則可能含有芳香環(huán)結(jié)構(gòu)應(yīng)用例子判別有機化合物的同分異構(gòu)體乙酰乙酸乙酯的互變異構(gòu)體酮式烯醇式206nm，中吸收245nm，強吸收應(yīng)用例子判斷有機化合物的順反異構(gòu)體1,2-二苯乙烯反式吸收在295nm，吸光系數(shù)27000順式吸收再280