儀器分析-第一章紫外-可見分子吸收光譜法

第一章

紫外-可見分子吸收光譜法

Ultraviolet-VisibleMolecularAbsorptionSpectrometry,

UV-VIS

本次課應(yīng)掌握的重點(diǎn)：1、什么是復(fù)合光、單色光、互補(bǔ)色光；2、物質(zhì)對(duì)光吸收的本質(zhì)是什么？3、為什么物質(zhì)對(duì)光會(huì)發(fā)生選擇性吸收？4、為什么分子吸收光譜是帶狀光譜而不是線狀光譜？5、什么是吸收曲線和最大吸收波長(zhǎng)？§1-1概述

紫外-可見分子吸收光譜法(UltravioletVisibleMolecularAbsorptionSpectrometry,UV-VIS),又稱紫外-可見分光光度法(Ultraviolet-VisebleSpectrophotometry)。它是研究分子吸收190～780nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的吸收光譜。紫外-可見吸收光譜主要產(chǎn)生于分子價(jià)電子的躍遷，通過測(cè)定分子對(duì)紫外-可見光的吸收，可以用于鑒定和定量測(cè)定大量的無機(jī)化合物和有機(jī)化合物。一.紫外光(ultravioletlight)

和可見光(visiblelight)光是一種電磁輻射（Electromagneticradiation)或叫電磁波(Electromagneticwave)能被人們看見的光稱為可見光。各種看不見的光，如紫外光、紅外光、X-射線、-射線等，它們也都是某一波長(zhǎng)區(qū)域的電磁輻射。1.紫外光（ultravioletlight）

紫外光是指波長(zhǎng)為10～380nm的電磁輻射，它又可分為遠(yuǎn)紫外光（Farultravioletlight）和近紫外光（Nearultravioletlight）。遠(yuǎn)紫外光的波長(zhǎng)范圍是10～200nm。遠(yuǎn)紫外光又有真空紫外光（Vacuumultravioletlight）之稱;近紫外光的波長(zhǎng)范圍是200～380nm。2.可見光（visiblelight）

可見光是指波長(zhǎng)范圍為380～780nm區(qū)域內(nèi)的電磁輻射。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，不同波長(zhǎng)的光引起人的視覺神經(jīng)的感受不同，所以我們看到了各種不同顏色的光。例如，630～780nm的光是紅光，430～460nm的光是藍(lán)光等。

（1）復(fù)合光（Polychromaticlight）

與單色光（Single-colorlight）

如果讓一束白光通過三棱鏡，它將分解為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種顏色的光，這種現(xiàn)象稱為光的色散（Chromaticdispersion）。我們把白光叫做復(fù)合光，把只具有一種顏色的光叫做單色光。（2）互補(bǔ)色光（Complementarylight）

從白光中分離出藍(lán)色后，剩余的混合光呈黃色，那么我們把黃光稱為藍(lán)色的互補(bǔ)色，同理，藍(lán)色也是黃色的互補(bǔ)色。如圖1-1所示，圖中，處于一條直線上的兩種單色光互為補(bǔ)色。三.吸光光度法的分類

吸光光度法按所用的和測(cè)量光的單色程度不同，可分為比色法和分光光度法。光的單色程度是指光的波長(zhǎng)范圍的寬窄程度。1.比色法

（Colorimetricmethod）

比色法是指應(yīng)用單色性較差的光與被測(cè)物質(zhì)作用建立起來的分析方法,它只能在可見光區(qū)使用。

(1).目視比色法

用眼睛比較溶液顏色的深淺，也就是說用眼睛作為溶液透過光的檢測(cè)器，從而確定物質(zhì)含量的方法稱為目視比色法。例如：五價(jià)銻離子在pH=7時(shí)能與孔雀綠(

C23H25N2Cl

)形成綠色配合物：(2).光電比色法

光電比色法是利用光電轉(zhuǎn)換元件如光電池或光電管代替人眼作為檢測(cè)器。但在測(cè)定原理上與目視比色法是不同的，目視比色法是比較溶液透過光的強(qiáng)度，而光電比色法是檢測(cè)溶液對(duì)某一單色光的吸收程度，所用儀器叫光電比色計(jì)（Optimeter）。

2.分光光度法（Spectrophotometricmethods）

分光光度法在測(cè)定原理上與光電比色法是相同的，所不同的是獲得單色光的方法，前者采用濾光片,后者采用光柵或棱鏡,所用儀器叫分光光度計(jì)（SpectroPhoto-meter）。

§1-2吸收物質(zhì)

及其紫外和可見吸收光譜

一.吸收的一般性質(zhì)

1.吸收的本質(zhì)

光被物質(zhì)吸收，實(shí)際上就是光的能量轉(zhuǎn)移到了物質(zhì)的原子或分子中去了。光通過物質(zhì)后，某些頻率的光能使物質(zhì)的原子或分子由最低能級(jí)（基態(tài)）躍遷到較高的能級(jí)（激發(fā)態(tài)）。

量子化學(xué)表明：原子、分子或離子具有不連續(xù)的、數(shù)目有限的量子化能級(jí)，如圖1-2，所以，物質(zhì)只能吸收與兩個(gè)能級(jí)之差相同的或?yàn)槠湔麛?shù)倍的能量。對(duì)于光來說，就是只能吸收一定頻率或波長(zhǎng)的光。

即：

（1-1）

只有當(dāng)照射光光子的能量hv與被照射物質(zhì)微粒的基態(tài)、某一激發(fā)態(tài)能量之差相當(dāng)時(shí)才能發(fā)生吸收。

不同的物質(zhì)微粒由于結(jié)構(gòu)不同，則有不同的量子化能級(jí)，其能級(jí)之間的能量差是不同的，所以，不同的物質(zhì)可以吸收不同波長(zhǎng)的光，即：物質(zhì)對(duì)光的吸收具有選擇性。2.分子吸收光譜

（MolecularAbsorptionSpectrum）

（1）產(chǎn)生及分類

紫外、可見光的能量與分子中價(jià)電子躍遷吸收的能量相適應(yīng)，所以紫外-可見光譜屬于分子吸收光譜。

分子內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)可分為價(jià)電子運(yùn)動(dòng)、分子內(nèi)原子在平衡位置附近的振動(dòng)和分子繞其重心的轉(zhuǎn)動(dòng)，則分子中存在三種能量，而三種能量都是量子化的，所以有三種能級(jí)存在于分子中，即電子能級(jí)Ee(ElectronicLevel)、振動(dòng)能級(jí)Ev(VibrationalLevel)、和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)Er(RotationalLevel)。

在這三種能量中，電子能級(jí)之間能量差最大，振動(dòng)能級(jí)相差次之，轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)相差最小。

即：ΔEe>>ΔEv>>ΔEr電子能級(jí)躍遷所需的能量一般在1～20eV。如果是5eV,則由式（1-1）可計(jì)算相應(yīng)的波長(zhǎng):

已知h＝6.624×10-34J·s＝4.136×10-15eV·s

c（光速）＝2.998×1010㎝·s-1

故:

可見，電子能級(jí)躍遷產(chǎn)生的吸收光譜主要處于紫外及可見光區(qū)（200～780nm）。這種分子光譜稱為電子光譜或紫外-可見光譜。振動(dòng)能級(jí)的能量差一般在0.025～1eV之間。如果能量差是0.1eV，則它為5eV的電子能級(jí)間隔的2％，所以電子躍遷并不是產(chǎn)生一條波長(zhǎng)為248nm的譜線,而是產(chǎn)生一系列的譜線，其波長(zhǎng)間隔約為248nm

×2％≈5nm。在振動(dòng)能級(jí)躍遷時(shí)還伴隨著轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷。轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的間隔小于0.025eV。如果間隔是0.005eV，則它為5eV的0.1％，相當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)間隔是248nm×0.1％＝0.25nm。紫外及可見吸收光譜，一般包含若干譜帶系，不同譜帶系相當(dāng)于不同的電子能級(jí)躍遷，一個(gè)譜帶系（即同一電子能級(jí)躍遷，如由能級(jí)A躍遷到能級(jí)B）含有若干譜帶，不同譜帶相當(dāng)于不同的振動(dòng)能級(jí)躍遷。同一譜帶內(nèi)又包含若干光譜線，每一條線相當(dāng)于轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷，它們的間隔如上所述約為0.25nm。一般分光光度計(jì)的分辨率，觀察到的為合并成較寬的譜帶，所以分子光譜是一種帶狀光譜。

與純振動(dòng)能級(jí)之差ΔEv相適應(yīng)的輻射是波長(zhǎng)約為0.78～50μm的光，這種光在近紅外（包括中紅外）區(qū)，所以，當(dāng)用紅外線照射分子時(shí)，則此能量不足以引起電子能級(jí)的躍遷，只能引起振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷，這樣得到的光譜稱為紅外吸收光譜(Infraredabsorptionspectrum)。

如果用能量更低的遠(yuǎn)紅外線和微波（50～300μm）照射分子，則只能引起轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷，這樣得到的光譜稱為遠(yuǎn)紅外光譜（Far-infraredspectrum）和微波譜（Microwavespectrum）。不同波長(zhǎng)范圍的電磁波所能激發(fā)的分子和原子的運(yùn)動(dòng)情況如下表所示：

（2）吸收曲線

分子吸收光譜是一種帶狀光譜，這種帶狀光譜可以用吸收曲線來表示。將不同波長(zhǎng)（wavelength）的光透過某一物質(zhì)，測(cè)量每一波長(zhǎng)下物質(zhì)對(duì)光的吸收程度即吸光度（Absorbance），然后以波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，以吸光度為縱坐標(biāo)作圖，即得到一條吸收曲線或稱為吸收光譜圖。圖中曲線I、II、III是Fe2+含量分別為0.0002mg·mL-1,0.0004mg·mL-1和0.0006mg·mL-1的吸收曲線。1,10-鄰二氮雜菲亞鐵溶液對(duì)不同波長(zhǎng)的光吸收情況不同,對(duì)510nm的綠色光吸收最多，有一吸收高峰（相應(yīng)的波長(zhǎng)稱為最大吸收波長(zhǎng)，用max表示）。對(duì)波長(zhǎng)600nm以上的橙紅色光，則幾乎不吸收，完全透過，所以溶液呈現(xiàn)橙紅色。不同物質(zhì)其吸收曲線的形狀和最大吸收波長(zhǎng)各不相同。

根據(jù)這個(gè)特性可用作物質(zhì)的初步定性分析。不同濃度的同一物質(zhì)，在吸收峰附近吸光度隨濃度增加而增大。但最大吸收波長(zhǎng)不變。若在最大吸收波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度，則靈敏度最高。因此，吸收曲線是吸光光度法中選擇測(cè)定波長(zhǎng)的重要依據(jù)。本次課應(yīng)掌握的重點(diǎn)：1、什么是助色團(tuán)、生色團(tuán)？它們有什么區(qū)別？2、各類有機(jī)化合物在紫外-可見光區(qū)的特征吸收；3、K、R、E、B吸收帶分別是由哪些結(jié)構(gòu)單元產(chǎn)生的？哪條吸收帶常用于定量分析？§1-2吸收物質(zhì)

及其紫外-可見吸收光譜

一.吸收的一般性質(zhì)二.分子的紫外-可見吸收光譜

1.有機(jī)化合物的紫外-可見吸收光譜

（1）.有機(jī)化合物分子中電子躍遷的類型

在有機(jī)化合物分子中有幾種不同性質(zhì)的價(jià)電子：形成單鍵的電子稱為σ鍵電子；形成雙鍵的電子稱為

鍵電子；氧、氮、硫、鹵素等含有未成鍵的孤對(duì)電子，稱為n電子（或稱p電子）。當(dāng)它們吸收一定能量ΔE后，這些價(jià)電子將躍遷到較高能級(jí)（激發(fā)態(tài)），此時(shí)電子所占的軌道稱為反鍵軌道，而這種躍遷同分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。這些躍遷可分成如下三類：Ⅰ.N→V躍遷：由基態(tài)軌道躍遷到反鍵軌道，包括飽和碳?xì)浠衔镏械摩摇?躍遷以及不飽和烯烴中的π→π*躍遷（σ*、π*分別表示σ鍵電子、π鍵電子的反鍵軌道）。

Ⅱ.N→Q躍遷：是分子中未成鍵的n電子激發(fā)到反鍵軌道的躍遷，包括n→σ*、n→π*躍遷。Ⅲ.N→R躍遷：是σ鍵電子逐步激發(fā)到各個(gè)高能級(jí)，最后電離成分子離子的躍遷(光致電離)。Ⅳ.電荷遷移躍遷：電子從給予體向接受體躍遷。由上述可見，有機(jī)化合物價(jià)電子可能產(chǎn)生的躍遷主要為σ→σ*、n→σ*、n→π*及π→π*。各種躍遷所需能量是不同的，可用下圖表示。

由圖可見，各種躍遷所需能量大小為：

σ→σ*＞n→σ*≥π→π*＞n→π*

一般說來，未成鍵孤對(duì)電子較易激發(fā),成鍵電子中π電子具有較高的能級(jí),而反鍵電子卻相反。因此，簡(jiǎn)單分子中n→π*躍遷、配位場(chǎng)躍遷需最小的能量，吸收帶出現(xiàn)在長(zhǎng)波段方向，n→σ*、π→π*及電荷遷移躍遷的吸收帶出現(xiàn)在較短波段，而σ→σ*躍遷則出現(xiàn)在遠(yuǎn)紫外區(qū)。

(2).有機(jī)物分子的紫外-可見吸收光譜

現(xiàn)根據(jù)電子躍遷討論有機(jī)化合物中較為重要的一些紫外吸收光譜，由此可以看到紫外吸收光譜與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系。Ⅰ.飽和烴及其取代衍生物

飽和單鍵碳?xì)浠衔镏挥笑益I電子，σ鍵電子最不易激發(fā)，σ→σ*躍遷產(chǎn)生的吸收一般在遠(yuǎn)紫外區(qū)（10～200nm）。但由于這類化合物在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)己烷等）。當(dāng)飽和單鍵碳?xì)浠衔镏械臍浔谎酢⒌?、鹵素、硫等雜原子取代時(shí)，吸收峰向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng),這種現(xiàn)象稱為深色移動(dòng)或稱紅移(batho-chromicshift),此時(shí)產(chǎn)生n→σ*躍遷。例如甲烷一般躍遷的范圍在125～135nm，碘甲烷（CH3I）的吸收峰則處在150～210nm（σ→σ*躍遷）及259nm（n→σ*躍遷）：

CH2I2及CHI3的吸收峰則分別是292nm及349nm(n→σ*躍遷)。這種能使吸收峰波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)的雜原子基團(tuán)稱為助色團(tuán)（auxochrome）。如－NH2，－NR2,－OH，－OR,－SR，－Cl，－Br，－I等等。

Ⅱ.不飽和脂肪烴這類化合物如乙烯、丁二烯，它們含有π鍵電子，吸收能量后產(chǎn)生π→π*躍遷。若在飽和碳?xì)浠衔镏?，引入含有π鍵的不飽和基團(tuán)，將使這一化合物的吸收峰出現(xiàn)在紫外及可見區(qū)范圍內(nèi)，這種基團(tuán)稱為生色團(tuán)(chromophore)。生色團(tuán)是含有π→π*或n→π*躍遷的基團(tuán),如:C=C、C≡C、C=N、C=O、N=N等。

具有共軛雙鍵的化合物如：共軛二烯、α,β-不飽和酮、α,β-不飽和酸、多烯、芳香核與雙鍵或羰基的共軛等等，由于π－π共軛效應(yīng)生成大π鍵。使各能級(jí)間的距離較近（鍵的平均化），所以吸收峰的波長(zhǎng)就增加，生色作用大為加強(qiáng)。例如乙烯的λmax為171nm(ε＝15530L?mol-1?cm-1)；丁二烯（CH2=CH-CH=CH2）吸收峰發(fā)生深色移動(dòng)（λmax＝217nm），吸收強(qiáng)度也顯著增加（ε＝21000L?mol-1?cm-1）。

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。

特點(diǎn)：1、強(qiáng)度大，摩爾吸光系數(shù)εmax通常在10000～200000（＞104）L?mol-1?cm-1之間；2、吸收峰位置（λmax）一般處在近紫外及可見光范圍內(nèi)。K吸收帶的波長(zhǎng)及強(qiáng)度與共軛體系中共軛雙鍵的數(shù)目等有關(guān)。共軛雙鍵愈多，深色移動(dòng)愈顯著．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。K吸收帶還常用于定量分析。Ⅲ.羰基化合物

羰基化合物含有基團(tuán)，主要可以產(chǎn)生n→σ*,n→π*及π→π*三個(gè)吸收帶。n→π*吸收帶又稱R帶，落于紫外光區(qū)（270～350nm）。它的特點(diǎn)是強(qiáng)度低(εmax為10～20)，并且譜帶略寬，是羰基化合物的特征吸收帶。當(dāng)醛、酮的羰基與雙鍵共軛時(shí)，形成了,-不飽和醛酮類化合物。由于羰基與乙烯基共軛，即產(chǎn)生π－π共軛作用，使π→π*和n→π*吸收帶向紅移動(dòng)，前一吸收帶強(qiáng)度高(εmax

104)，后一吸收帶強(qiáng)度低(εmax<102)。這一特征可以用來識(shí)別,-不飽和醛、酮。

乙酰苯的紫外吸收光譜（正庚烷溶劑）：由于乙酰苯中的羰基與苯環(huán)的雙鍵共軛，因此可以看到很強(qiáng)的K吸收帶（lgε＞4）。另外，還出現(xiàn)R吸收帶及苯環(huán)的B吸收帶。Ⅳ.苯及其衍生物

苯在185nm（ε=47000）和204nm(ε=7900)處有兩個(gè)強(qiáng)吸收帶，分別稱為E1和E2吸收帶，是由苯環(huán)結(jié)構(gòu)中的環(huán)狀共軛系統(tǒng)的躍遷所產(chǎn)生的。若苯環(huán)上有助色團(tuán)如－OH、－Cl等取代，由于n-π共軛，使E2吸收帶向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，一般在210nm左右；若有生色團(tuán)取代而且與苯環(huán)共軛（π－π共軛），則E2吸收帶與K吸收帶合并且發(fā)生深色移動(dòng)。除此之外，在230～270nm處（256nm處ε=200）還有較弱的一系列精細(xì)結(jié)構(gòu)吸收帶，稱為B吸收帶，這是由于π→π*躍遷和苯環(huán)的振動(dòng)的重疊引起的。

如果對(duì)位二取代苯的一個(gè)取代基是推電子基團(tuán)，而另一個(gè)是拉電子基團(tuán)，深色移動(dòng)就非常大。例如：Ⅴ.稠環(huán)芳烴及雜環(huán)化合物

稠環(huán)芳烴，如萘、蒽、菲等，均顯示苯的三個(gè)吸收帶，但這三個(gè)吸收帶均發(fā)生紅移，且強(qiáng)度增加。隨著苯環(huán)數(shù)目增多，吸收波長(zhǎng)紅移越多，吸收強(qiáng)度也相應(yīng)增加。當(dāng)芳環(huán)上的―CH基團(tuán)被氮原子取代后，則相應(yīng)的氮雜環(huán)化合物(如吡啶、喹啉、)的吸收光譜，與相應(yīng)的碳環(huán)化合物極為相似，即吡啶與苯相似，喹啉與萘相似。此外，由于引入含有n電子的N原子，這類雜環(huán)化合物還可能產(chǎn)生n→π*吸收帶，如吡啶在非極性溶劑的相應(yīng)吸收帶出現(xiàn)在270nm處(εmax=450L?mol-1?cm-1)。Ⅵ.吸收光譜的應(yīng)用

1.官能團(tuán)的檢出根據(jù)化合物的紫外及可見光區(qū)吸收光譜可以推測(cè)化合物所含的官能團(tuán)。例如一化合物在220～800nm范圍內(nèi)無吸收峰，它可能是脂肪族碳?xì)浠衔?，不含雙鍵或環(huán)狀共軛體系，沒有醛、酮或溴、碘等基團(tuán)。

如果在210～250nm有強(qiáng)吸收帶，可能含有二個(gè)雙鍵的共軛單位；在260～350nm有強(qiáng)吸收帶，表示有3～5個(gè)共軛單位。

如化合物在270～350nm范圍內(nèi)出現(xiàn)的吸收峰很弱（ε=10～100）而無其它強(qiáng)吸收峰，則說明只含非共軛的、具有n

電子的生色團(tuán)，如。

如在250～300nm有中等強(qiáng)度吸收帶且有一定的精細(xì)結(jié)構(gòu)，則表示有苯環(huán)的特征吸收。

2.同分異構(gòu)體的判別

例如乙酰乙酸乙酯存在下述酮-烯醇互變異構(gòu)體：

又如1,2-二苯乙烯具有順式和反式兩種異構(gòu)體：反式：λmax=295nmεmax=27000順式：λmax=280nmεmax=10500例1.苯酰丙酮在乙醚和在水中的UV光譜圖如下圖所示，解釋該化合物在不同溶劑中的主要存在形式及吸收峰歸屬。

解：由圖可知：苯酰丙酮在乙醚中(1)主要以烯醇式存在，因?yàn)樵?00nm處存在強(qiáng)的K吸收帶（紅移），前一吸收帶屬苯環(huán)的B吸收帶。在水中(2)主要以酮式存在，在250nm處也有較強(qiáng)的K吸收帶，300nm處的吸收是其中烯醇式的K吸收帶（紅移）。

例2.由紅外光譜得知某化合物含苯環(huán)、酮羰基、甲基、亞甲基。分子式為C9H10O，UV數(shù)據(jù)為：245nm(lgε=4.1)，280nm(lgε=3.1)，320nm(lgε=1.9)，確定化合物結(jié)構(gòu)并說明吸收峰屬于什么吸收帶？

由UV數(shù)據(jù)可進(jìn)一步確定其結(jié)構(gòu)：245nm處強(qiáng)吸收峰屬于π→π*躍遷（共軛體系）的K吸收帶與E2帶合并的吸收帶。

280nm處的中等強(qiáng)度吸收屬于苯環(huán)的B吸收帶。320nm處的弱吸收屬于羰基結(jié)構(gòu)的R吸收帶（n→π*）解：由紅外官能團(tuán)的確定，可知其結(jié)構(gòu)應(yīng)為：本次課應(yīng)掌握的重點(diǎn)：1、溶劑極性及酸度對(duì)有機(jī)化合物的紫外吸收光譜有何影響？２、無機(jī)化合物有哪些類型的躍遷吸收？哪種常用于定量分析？3、什么是透光度、吸光度、吸光系數(shù)、摩爾吸光系數(shù)？朗伯-比爾定律的物理意義是什么？§1－2吸收物質(zhì)及其紫外和可見吸收光譜

二.分子的紫外-可見吸收光譜

1.有機(jī)化合物的紫外-可見吸收光譜

Ⅶ.溶劑對(duì)有機(jī)物紫外吸收光譜的影響a.極限波長(zhǎng)極限波長(zhǎng)即溶劑在紫外光區(qū)產(chǎn)生吸收的最大波長(zhǎng)。如果我們的測(cè)定在溶劑的極限波長(zhǎng)以下（小于極限波長(zhǎng)），則溶劑本身的吸收將影響測(cè)定，所以測(cè)定只能在極限波長(zhǎng)以上進(jìn)行。b.溶劑極性的影響

極性溶劑往往對(duì)吸收峰的波長(zhǎng)、強(qiáng)度及形狀產(chǎn)生影響。比如，對(duì)于n→π*躍遷來說，溶劑極性增大，溶質(zhì)吸收峰產(chǎn)生藍(lán)移，而π→π*躍遷吸收峰產(chǎn)生紅移。c.溶劑酸度的影響對(duì)于具有酸堿性的被測(cè)物質(zhì)，溶劑的pH變化，則溶質(zhì)的存在形式發(fā)生變化，使分子中共軛效應(yīng)發(fā)生變化，則使吸收紅移或藍(lán)移。如酚酞指示劑：

以上結(jié)構(gòu)變化也可以簡(jiǎn)單地表示為：

無色分子無色離子紅色離子無色離子

根據(jù)測(cè)定，當(dāng)pH＜8時(shí)，呈無色pH＞10時(shí)，呈紅色pH＞12時(shí)，呈無色2.無機(jī)化合物的紫外-可見吸收光譜(1).電荷遷移躍遷許多無機(jī)配合物如過渡金屬離子與含生色團(tuán)的試劑反應(yīng)所生成的配合物，吸收光子后能使中心離子與配位體間發(fā)生電荷遷移，即電子由配位體的軌道躍遷到中心離子的相關(guān)軌道上去。Mn+―Lb-M(n-1)+―L(b-1)–過渡金屬離子與含生色團(tuán)的試劑反應(yīng)所生成的配合物以及許多水合無機(jī)離子，均可產(chǎn)生電荷遷移躍遷。如：

C1-(H2O)nC1(H2O)n-[Fe3+SCN-]2+[Fe2+SCN]2+

若中心離子的氧化能力愈強(qiáng)，或配位體的還原能力愈強(qiáng)，則發(fā)生電荷遷移躍遷時(shí)所需能量愈小，吸收光波長(zhǎng)紅移。電荷遷移吸收光譜譜帶最大的特點(diǎn)是摩爾吸光系數(shù)較大，一般εmax

104。(2)配位場(chǎng)躍遷配位場(chǎng)躍遷包括d－d躍遷和f－f躍遷。元素周期表中第四、五周期的過渡金屬元素分別含有3d和4d軌道，鑭系和錒系元素分別含有4f和5f軌道。在配位體的存在下，過渡元素五個(gè)能量相等的d軌道及鑭系和錒系元素七個(gè)能量相等的f軌道分別分裂成幾組能量不等的d軌道及f軌道。當(dāng)它們的離子吸收光能后，低能態(tài)的d電子或f電子可以分別躍遷至高能態(tài)的d或f軌道上去。由于這兩類躍遷必須在配位體的配位場(chǎng)作用下才有可能產(chǎn)生，因此又稱為配位場(chǎng)躍遷。①稀土元素化合物的吸收（f-f

躍遷）

大多數(shù)稀土元素對(duì)紫外-可見光可產(chǎn)生吸收,這是由于這些元素的原子中都有未充滿的f軌道，吸收紫外-可見光將使電子在f軌道的不同能級(jí)上躍遷。不同的稀土元素吸收光譜差別很大，所以常用分光光度法來分析鑒定這些離子。②

過渡金屬離子化合物的吸收

（d-d躍遷）

過渡金屬離子化合物大多是有顏色的，一般認(rèn)為是由于過渡金屬元素有未充滿的d軌道，電子可以在能級(jí)不同的d軌道之間躍遷，其能量差相當(dāng)于紫外-可見光區(qū)的能量，即d-d躍遷。所以，過渡金屬元素的離子（嚴(yán)格說是它的水合離子）可以吸收紫外-可見光?！?-3吸收定律

1.朗伯-比耳定律

（theBeer-LambertLaw）

光吸收的基本定律是朗伯-比耳定律，這個(gè)定律是比色分析和分光光度法的定量依據(jù)。

（1）溶液對(duì)光的形為及有關(guān)術(shù)語

溶液對(duì)光的形為是一部分光被吸收，一部分光被界面反射，其余的光則透過溶液。

即入射光強(qiáng)度I0可表示為：I0=I

t+I

a+I

r上式中，I

a為吸收光的強(qiáng)度，I

t為透射光的強(qiáng)度，I

r為反射光的強(qiáng)度。

溶液對(duì)光的反射損失很小，可以忽略不計(jì)，則當(dāng)一束平行單色光照射溶液時(shí)，一部分光被溶液吸收,其余的光透過溶液。我們把透射光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度的比值稱為透光度或透光率(Transmittance)，用“T”表示。則：T＝It/I0

T還常用百分透光率表示：T％＝T×100％溶液對(duì)光的吸收程度常用吸光度（Absorbance）表示，符號(hào)為“A”。

A的定義為：吸光度等于透光度的負(fù)對(duì)數(shù)或透光度倒數(shù)的對(duì)數(shù)。即：

A=-lgT=lg=lg

T和A都是用來表征入射光被吸收程度的一種量度。

溶液的吸光程度與該溶液的濃度、液層厚度以及入射光的強(qiáng)度有關(guān)，如果保持入射光強(qiáng)度不變，則光吸收程度就只與溶液濃度和液層厚度有關(guān)。描述它們之間定量關(guān)系的定律稱為朗伯-比耳定律，這個(gè)定律是由朗伯定律和比耳定律兩個(gè)定律組成的。

（2）朗伯定律（LambertˊsLaw）

朗伯定律是德國(guó)物理學(xué)家J.H.Lambert于1760年提出的。朗伯定律：如果溶液的濃度一定，則光的吸收程度與液層的厚度成正比。即：A=lg=k1b(濃度c一定)式中：k1－比例系數(shù)

b－液層厚度或叫光程長(zhǎng)度

D（3）比耳定律（BeerˊsLaw）

比耳定律是由德國(guó)物理學(xué)家A.Beer于1852年研究發(fā)現(xiàn)的，比耳研究了各種無機(jī)鹽水溶液對(duì)紅光的吸收，從而得出這樣一個(gè)結(jié)論：當(dāng)單色光通過液層厚度一定的溶液時(shí)，溶液的吸光度與溶液的濃度成正比。這就是比耳定律的內(nèi)容。表示式為：

A=lg=k2c（b一定）式中：c－溶液濃度k2－比例常數(shù)D

從上面兩個(gè)定律的表示式可以知道，當(dāng)c、b變化時(shí)，A將與兩者乘積成正比，即朗伯-比耳定律的數(shù)學(xué)表示式為：

A=a·b·c……(1)a稱為吸光系數(shù)（Absorptivity）。如果液層厚度用“㎝”表示，濃度以“g·L-1”為單位，則a的單位是“L·g-1·㎝-1”。通常濃度以“mol·L-1”為單位,此時(shí)的吸光系數(shù)稱為摩爾吸光系數(shù)（Molarabsorptivity),用“ε”表示,單位：“L·mol-1·㎝-1”，所以朗伯-比耳定律也可以表示為：

A=ε·b·c……(2)（1）、（2）兩式是朗伯-比耳定律的數(shù)學(xué)表示式。它的物理意義是：當(dāng)一束平行單色光通過單一均勻的、非散射的吸光物質(zhì)溶液時(shí)，溶液的吸光度與溶液濃度和液層厚度的乘積成正比。

ε稱為摩爾吸光系數(shù)，它表示物質(zhì)的量濃度為1mol·L-1,液層厚度為1㎝時(shí)溶液的吸光度。

ε反映吸光物質(zhì)對(duì)光的吸收能力，也反映用吸光光度法測(cè)定該吸光物質(zhì)的靈敏度,是選擇顯色反應(yīng)的重要依據(jù)。從ε和a的單位可看出，兩者的換算關(guān)系為：

ε=M·a（M是摩爾質(zhì)量）例：已知含Cd2+濃度為140g·L-1的溶液，用雙硫腙比色法測(cè)定Cd,比色皿厚度為2㎝，在λ=520nm處測(cè)得的吸光度為A=0.220，計(jì)算該配合物的a和ε。

解：根據(jù)定律：

a=A/(b·c)=0.220/(2×140×10-6)

=786(L·g-1·㎝-1)Cd的原子量為112，則：ε=M·a=112×786=8.80×104(L·mol-1·㎝-1)在多組分體系中，如果各組分對(duì)光都有吸收，并且它們之間無相互作用，這時(shí)體系的總吸光度等于各組分吸光度之和，也就是說，吸光度具有加和性：

A總=A1+A2+…+An

=ε1·b·c1+ε2·b·c2+…+εn·b·cn

本次課重點(diǎn)：1、紫外-可見分光光度計(jì)的結(jié)構(gòu)及各部分作用原理如何？2、光度分析法的誤差來源主要有哪些？如何減免？3、雙波長(zhǎng)分光光度法的測(cè)定原理是什么？4、紫外-可見分光光度法在食品分析中的應(yīng)用。§1-4分析儀器的基本部件

光度分析所用的儀器叫光度計(jì)，因?yàn)楣舛确治霭ü怆姳壬ê头止夤舛确▋煞N方法，這兩種方法所用的儀器分別稱為光電比色計(jì)和分光光度計(jì)。

分光光度計(jì)有72、721型等，這些都是用于可見光區(qū)的，波長(zhǎng)范圍為400～800nm，另外，751型、751G型分光光度計(jì)可用于紫外和可見光區(qū)，波長(zhǎng)：200～1000nm。希爾格HilgerH-700，UnicamSP-500型，島津QR-50型等。WFD-G型紫外-可見光度計(jì)是采用光柵單色器。儀器一.光源（Source）

光源是提供符合要求的入射光的裝置，作為光源必須滿足三個(gè)條件：1.必須能夠產(chǎn)生具有足夠強(qiáng)度的光束。2.發(fā)出光的強(qiáng)度要穩(wěn)定。3.光源提供的波長(zhǎng)范圍應(yīng)能滿足分析的要求；常用的可見光光源是鎢絲燈，它可發(fā)射320～2500nm范圍的連續(xù)光譜，包括了可見光區(qū)和近紅外光區(qū)。常用的紫外光源是氫燈或氘燈，它可發(fā)射的波長(zhǎng)范圍是180～375nm。二.單色器（Monochromater）

將光源發(fā)出的連續(xù)光譜分解為單色光的裝置，稱為單色器。單色器由棱鏡或光柵等色散元件及狹縫和透鏡等組成。此外，常用的濾光片也起單色器的作用。棱鏡單色器的原理：

光通過入射狹縫，經(jīng)透鏡以一定角度射到棱鏡上，在棱鏡的兩界面上發(fā)生折射而色散，后被聚焦在一個(gè)帶有出射狹縫的表面上，移動(dòng)棱鏡或移動(dòng)出射狹縫的位置，就可使所需波長(zhǎng)的光通過狹縫照射到試液上。使用棱鏡等單色器可以獲得純度較高的單色光(半寬度5～10nm)。

三.吸收池（Absorptioncell）

吸收池也稱比色皿，是用于盛裝試液并決定溶液液層厚度的器皿。比色皿一般是長(zhǎng)方體形，有兩個(gè)側(cè)面是光學(xué)玻璃制成的透光面，這兩個(gè)透光面之間的距離就是光程長(zhǎng)度。另兩個(gè)側(cè)面是毛玻璃面。四.信號(hào)檢測(cè)器（Signaldetector）

測(cè)量吸光度時(shí)，由于A=lg（I0/It）,入射光強(qiáng)度I0是一定的，則A與It之間有固定的函數(shù)關(guān)系。但在測(cè)量吸光度時(shí)，并不是直接測(cè)量透過吸收池的光強(qiáng)度，而是把光強(qiáng)度轉(zhuǎn)化成電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，這種光電轉(zhuǎn)換器件就稱為檢測(cè)器。

實(shí)際上廣泛使用的光電轉(zhuǎn)換器是光電管（Phototube）、或光電倍增管（Photomultipliertube）。它們作為光電轉(zhuǎn)換器的原理都是：當(dāng)光子照射時(shí)，可以發(fā)射電子而產(chǎn)生電流，電流的大小與照射光強(qiáng)度成正比。

光電管響應(yīng)的光譜范圍和靈敏度取決于沉積在陰極上材料的性質(zhì)。例如：氧化銫-銀對(duì)近紅外光區(qū)敏感，氧化鉀-銀和銫-銀最敏感的范圍在紫外和可見光區(qū)。由于熱電子發(fā)射，光電管會(huì)產(chǎn)生暗電流。五.信號(hào)顯示器（Signaldisplaysystem）

信號(hào)顯示器是將光電轉(zhuǎn)換器輸出的信號(hào)顯示出來的裝置。1.直讀式通常是一個(gè)檢流計(jì)（微安表或毫安表）,由它來測(cè)量光電流的大小，測(cè)出的光電流再以吸光度A或T%的形式反映到表盤上。

2.電位調(diào)節(jié)指零型裝置

3.數(shù)字顯示型美國(guó)HACH公司的DR/4000UV-VIS分光光度計(jì)§1-5光度分析法的誤差

吸光光度法的誤差主要來自兩方面:一是偏離朗伯-比爾定律；二是吸光度測(cè)量引起的誤差。

一.對(duì)朗伯-比爾定律的偏離

在固定液層厚度及入射光的波長(zhǎng)和強(qiáng)度的情況下，測(cè)定一系列標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度，以吸光度為縱坐標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度為橫坐標(biāo)作圖，應(yīng)得到一條通過原點(diǎn)的直線，該直線稱為標(biāo)準(zhǔn)曲線或工作曲線。在相同情況下測(cè)得試液的吸光度，從工作曲線上就可以查得試液的濃度，這就是工作曲線法。

偏離比爾定律的主要原因是目前儀器不能提供真正的單色光（由同一波長(zhǎng)的光子組成的光），目前儀器所提供的入射光實(shí)際上是由波長(zhǎng)范圍較窄的光帶組成的復(fù)合光。由于物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收程度不同，因而引起了對(duì)比爾定律的偏離。

假設(shè)入射光由兩種波長(zhǎng)λ1和λ2的光組成，比爾定律分別在這兩種波長(zhǎng)下是適用的。對(duì)λ1（入射光強(qiáng)為I0′）吸光度為A′,摩爾吸光系數(shù)為ε1，則：A′=lg(I0′/It1)＝ε1bc，It1

=I0′×10-ε1bc

對(duì)于λ2（入射光強(qiáng)為I0"），吸光度為A〞,摩爾吸光系數(shù)為ε2，則A〞＝lg(I0〞/It2),It2

=I0〞×10-ε2bc測(cè)定時(shí)入射光強(qiáng)度為（I0′＋I(xiàn)0〞），透射光強(qiáng)度為（It1

+It2）,則所得吸光度值為：

或：實(shí)驗(yàn)證明，若能選用一束吸光度隨波長(zhǎng)變化不大的復(fù)合光作入射光來進(jìn)行測(cè)定，由于ε變化不大，所引起的偏離就小，可得到較好的線性關(guān)系。

二.吸光度測(cè)量的誤差

在分光光度計(jì)中，透光度的刻度是均勻的，吸光度刻度是不均勻的。因此對(duì)于同一臺(tái)儀器，讀數(shù)的波動(dòng)對(duì)吸光度來說不是定值。由光度計(jì)讀數(shù)標(biāo)尺上吸光度與透光度的關(guān)系可以看出，吸光度越大，讀數(shù)波動(dòng)引起的吸光度誤差也越大。檢流計(jì)標(biāo)尺上A與T的關(guān)系透光度(或吸光度)在什么范圍內(nèi)具有較小的濃度測(cè)量誤差呢？若在測(cè)量吸光度A時(shí)產(chǎn)生了一個(gè)微小的絕對(duì)誤差dA，則測(cè)量A的相對(duì)誤差(Er)為:

根據(jù)朗伯-比爾定律:A=εbc當(dāng)b為定值時(shí)，兩邊微分得到:dA=εbdcdc就是測(cè)量濃度c的微小的絕對(duì)誤差。二式相除得到:

A與T的測(cè)量誤差之間的關(guān)系如下:A=-lgT=-0.434lnT微分：

兩式相除：可見，由于A與T不是正比關(guān)系，則它們的測(cè)量相對(duì)誤差并不相等。于是，濃度c的測(cè)量相對(duì)誤差為:

由于T的測(cè)量絕對(duì)誤差是固定的，即dT=?T=±0.01