第五章紫外可見(jiàn)

第五章紫外－可見(jiàn)吸收光譜法5.1概述分光光度分析法是以物質(zhì)對(duì)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(zhǎng)范圍不同，分光光度分析法又有紫外、可見(jiàn)及紅外分光光度法。5.1.1方法的特點(diǎn)

1.靈敏度高

通常，待測(cè)物質(zhì)的含量1～10－5％時(shí)，能夠用分光光度法準(zhǔn)確測(cè)定。所以它主要用于測(cè)定微量組分。

2.應(yīng)用廣泛

幾乎所有的無(wú)機(jī)離子和許多有機(jī)化合物可以用分光光度法進(jìn)行測(cè)定。如土壤中的氮、磷以及植物灰、動(dòng)物體液中各種微量元素的測(cè)定。

3.操作簡(jiǎn)便、迅速、儀器設(shè)備不太復(fù)雜

若采用靈敏度高、選擇性好的有機(jī)顯色劑，并加入適當(dāng)?shù)难诒蝿话悴唤?jīng)過(guò)分離即可直接進(jìn)行分光光度法測(cè)定、其方法的相對(duì)誤差通常為5～10％，其準(zhǔn)確度雖不及重量分析法和容量法，但對(duì)于微量組分的測(cè)定，結(jié)果還是滿意的。5.2.1

顏色的產(chǎn)生5.2

吸光光度法的基本原理5.2.2電磁波和能量能復(fù)合成白光的兩種顏色的光叫互補(bǔ)色光。物質(zhì)所顯示的顏色是吸收光的互補(bǔ)色。

透過(guò)光的顏色是溶液吸收光的互補(bǔ)色。吸收曲線或吸收光譜曲線:將不同波長(zhǎng)的單色光依次通過(guò)一定的有色溶液，分別測(cè)出對(duì)各種波長(zhǎng)的光的吸收程度（用字母A表示）。以波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，吸光程度為縱坐標(biāo)作圖所得的曲線。KMnO4的顏色及吸收光譜葉綠素的結(jié)構(gòu)和吸收光譜一個(gè)新配合物的吸收

光譜目視比色法

用眼睛觀察、比較溶液顏色深度以確定物質(zhì)含量的方法稱為目視比色法。制備標(biāo)準(zhǔn)色階

將一系列不同量的標(biāo)準(zhǔn)溶液依次加入各比色管中，再分別加入等量的顯色劑和其他試劑，并控制其他實(shí)驗(yàn)條件相同，最后稀釋至同樣體積，配成一套顏色逐漸加深的標(biāo)準(zhǔn)色階。目視比色

將一定量的被測(cè)溶液置于另一比色管中，在同樣條件下進(jìn)行顯色，并稀釋至同樣體積，從管口垂直向下（有時(shí)由側(cè)面）觀察顏色。如果被測(cè)溶液與標(biāo)準(zhǔn)系列中某溶液的顏色相同，則被測(cè)溶液的濃度就等于該標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度。如果被測(cè)試液濃度介于相鄰兩種標(biāo)準(zhǔn)溶液之間，則試液的濃度就介于這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度之間。2.物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收及吸收曲線E=E2-

E1=h

：量子化；選擇性吸收吸收曲線與最大吸收波長(zhǎng)

max用不同波長(zhǎng)的單色光照射，測(cè)吸光度光的互補(bǔ)：藍(lán)黃M+熱M+熒光或磷光M+

h

M*基態(tài)激發(fā)態(tài)E1

（△E）E2吸收曲線的討論：①同一種物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸光度不同。吸光度最大處對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為最大吸收波長(zhǎng)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(duì)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。④不同濃度的同一種物質(zhì)，在某一定波長(zhǎng)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(zhǎng)的重要依據(jù)。朗伯一比耳定律分子吸收光譜法吸光系數(shù)、摩爾吸光系數(shù)和桑德?tīng)栰`敏度

當(dāng)濃度c以g·L-1、液層厚度b以cm表示時(shí)，常數(shù)k是以a表示，此時(shí)稱為吸光系數(shù)，單位為L(zhǎng)·g-1·cm-1。朗伯－比耳公式可表示為:

A＝abc

若b以cm為單位，c以mol·L-1為單位時(shí)，則將k稱為摩爾吸光系數(shù)，以符號(hào)ε表示，其單位為L(zhǎng)·mol-1cm-1。ε的物理意義表達(dá)了當(dāng)吸光物質(zhì)的濃度為1mol·L-1，液層厚度為1cm時(shí)溶液的吸光度。在這種條件下上式可改寫(xiě)為:A=εbc偏離朗伯—比爾定律：入射光不完全單色溶液的不均與性溶液中發(fā)生了解離、締合、配位等化學(xué)變化Ac標(biāo)準(zhǔn)工作曲線5.3分子吸收光譜與電子躍遷

有機(jī)化合物的紫外—可見(jiàn)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。外層電子吸收紫外或可見(jiàn)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)閚→π＊

<π→π＊

<n→σ＊

<σ→σ＊

A.σ→σ*

單鍵電子躍遷，主要發(fā)生在真空紫外區(qū)。B.π→π*

雙鍵或三鍵電子躍遷，吸收的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，在200-700nm強(qiáng)吸收

C.n→π*

雜原子的雙鍵孤電子躍遷在近紫外區(qū)（200－400nm）弱吸收。

D.n→σ*

雜原子的單鍵孤電子躍遷，吸收波長(zhǎng)在（150－250nm）中強(qiáng)吸收。紫外吸收光譜中常用的術(shù)語(yǔ)生色團(tuán)：

最有用的紫外—可見(jiàn)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(jiǎn)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—CN等。助色團(tuán)：

有一些含有n電子的基團(tuán)(如-OH、-OR、-NH2、-NHR、-X等)，它們本身沒(méi)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(zhǎng)向長(zhǎng)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)。吸收帶R吸收帶含雜原子的雙鍵的n→π*

躍遷產(chǎn)生，200-400nm弱吸收。K吸收帶共軛體系π→π*躍遷產(chǎn)生，217-280nm的強(qiáng)吸收。判斷共軛結(jié)構(gòu)。B吸收帶苯環(huán)的π→π*躍遷產(chǎn)生，230-270nm五指峰。有取代基且與苯環(huán)共軛或在極性溶劑中消失。E吸收帶苯環(huán)的π→π*躍遷產(chǎn)生，為苯環(huán)的特征吸收，E1185nm強(qiáng)吸收，E2204nm較強(qiáng)吸收紅移與藍(lán)移有機(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ㄩL(zhǎng)λmax和吸收強(qiáng)度發(fā)生變化:

λmax向長(zhǎng)波方向移動(dòng)稱為紅移，向短波方向移動(dòng)稱為藍(lán)移(或紫移)。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。影響紫外-可見(jiàn)吸收光譜的因素共軛效應(yīng)：共軛體系越大，吸收波長(zhǎng)越長(zhǎng)（紅移），吸收強(qiáng)度越大。助色效應(yīng)：當(dāng)助色團(tuán)與生色團(tuán)相連時(shí)，吸收峰紅移，吸收強(qiáng)度增強(qiáng)。超共軛效應(yīng)溶劑效應(yīng)紫外吸收光譜中常用己烷、庚烷、環(huán)己烷、二氧雜己烷、水、乙醇等作溶劑。有些溶劑，特別是極性溶劑對(duì)溶質(zhì)吸收峰的波長(zhǎng)、強(qiáng)度及形狀可能產(chǎn)生影響，這種現(xiàn)象稱溶劑效應(yīng)。例如，異丙叉丙酮的溶劑效應(yīng)見(jiàn)下表所示。

由上表可以看出，當(dāng)溶劑的極性增大時(shí)，由n

*躍遷產(chǎn)生的吸收帶發(fā)生藍(lán)移，而由*躍遷產(chǎn)生的吸收帶發(fā)生紅移。5.4.分光光度計(jì)停留分光光度計(jì)A原理基本構(gòu)造光源鎢燈可見(jiàn)區(qū)350-1000nm

氫燈或氘燈紫外區(qū)180-360nm單色器吸收池玻璃可見(jiàn)區(qū)石英紫外區(qū)檢測(cè)器光電管光電倍增管光電二極管陣列檢測(cè)器光柵和棱鏡分光原理光柵分光動(dòng)畫(huà)棱鏡分光動(dòng)畫(huà)儀器光通路圖B.分光光度計(jì)的類型動(dòng)畫(huà)雙光束光度計(jì)示意雙波長(zhǎng)光度計(jì)光路示意圖真空光電管90VDC直流放大陰極R-+光束e陽(yáng)極絲（Ni）抽真空

陰極表面可涂漬不同光敏物質(zhì)：高靈敏(K,Cs,Sb其中二者)、紅光敏(Na/K/Cs/Sb,Ag/O/Cs)、紫外光敏、平坦響應(yīng)(Ga/As，響應(yīng)受波長(zhǎng)影響小)。產(chǎn)生的光電流約為硒光電池的1/10。優(yōu)點(diǎn)：阻抗大，電流易放大；響應(yīng)快；應(yīng)用廣。缺點(diǎn)：有微小暗電流（Darkcurrent，40K的放射線激發(fā)）。

光電倍增管（photomultipliertube,PMT）

石英套光束1個(gè)光子產(chǎn)生106~107個(gè)電子?xùn)艠O，Grill陽(yáng)極屏蔽光電倍增管示意圖共有9個(gè)打拿極(dynatron)，所加直流電壓共為9010V900Vdc90V123456789陽(yáng)極陰極石英封讀出裝置R光電倍增管（PMT）電路圖優(yōu)點(diǎn)：高靈敏度；響應(yīng)快；適于弱光測(cè)定，甚至對(duì)單一光子均可響應(yīng)。缺點(diǎn)：熱發(fā)射強(qiáng)，因此暗電流大，需冷卻（-30oC)。不得置于強(qiáng)光(如日光)下，否則可永久損壞PMT！硅二極管p區(qū)n區(qū)pn

結(jié)p區(qū)n區(qū)(反向偏置)耗盡層空穴電子反向偏值—耗盡層(depletionlayer)—pn結(jié)電導(dǎo)趨于0(i=0)；

光照—耗盡層中形成空穴和電子—空穴移向p區(qū)并湮滅—外加電壓對(duì)pn“電容器”充電—產(chǎn)生充電電流信號(hào)(i0)。特點(diǎn)：靈敏度介于真空管和倍增管之間。光電二極管陣列，photodiodearray(PDA)SiO2窗p

型硅n型硅基pnpnpnpnpnpn0.025mm2.5mm側(cè)視(crosssection)頂視(topview)光束說(shuō)明：在一個(gè)硅片上，許多pn

結(jié)以一維線性排列，構(gòu)成“陣列”；每個(gè)pn

結(jié)或元（element，64-4096個(gè)）相當(dāng)于一個(gè)硅二極管檢測(cè)器；硅片上布有集成線路，使每個(gè)pn

結(jié)相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的光電轉(zhuǎn)換器；硅片上置于分光器焦面上，經(jīng)色散的不同波長(zhǎng)的光分別被轉(zhuǎn)換形成電信號(hào)；實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)或多目標(biāo)同時(shí)（simultaneously）檢測(cè)。PDA在靈敏度、線性范圍和S/N方面不如光電倍增管。應(yīng)用較少。5.5儀器測(cè)量誤差和測(cè)量條件5.5.1儀器測(cè)量誤差

在分光光度分析法中，使用任何光度計(jì)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。這些誤差可能來(lái)自光源的電壓不穩(wěn)定，光電元件靈敏度的變化和儀器刻度讀數(shù)不準(zhǔn)確等。如果測(cè)量時(shí)透光率讀數(shù)的絕對(duì)誤差是ΔT，對(duì)于同一臺(tái)儀器，它基本上是常數(shù)。但由于吸光度與透光率之間是負(fù)對(duì)數(shù)關(guān)系，在不同A值時(shí)，同樣的ΔT的讀數(shù)誤差所引起的吸光度的絕對(duì)誤差ΔA是不同的。A值越大，由ΔT引起的ΔA也越大。

根據(jù)朗伯－比耳定律,由ΔA引起的被測(cè)物質(zhì)濃度的誤差Δc為

ΔA＝k′Δc

再是根據(jù)吸收公式微分，可得：儀器測(cè)量誤差ΔT引起的濃度測(cè)量的相對(duì)誤差為：設(shè)ΔT＝0.01，計(jì)算不同T值與Δc/c的關(guān)系，可得到下圖：lnT=-1

lgT=-0.434T=0.368這時(shí)誤差最小5.5.2測(cè)量條件的選擇

除選擇適宜的顯色條件外，還應(yīng)當(dāng)選擇合適的測(cè)量條件。主要的測(cè)量條件包括入射光波長(zhǎng)、吸光度范圍和空白溶液等。下面將分別討論。

1．選擇入射光波長(zhǎng)入射光的波長(zhǎng)對(duì)測(cè)定結(jié)果的靈敏度和準(zhǔn)確度都有很大的影響。選擇時(shí)，應(yīng)先繪制有色溶液的光吸收曲線。然后選用該溶液的最大吸收波長(zhǎng)來(lái)進(jìn)行測(cè)量。如果試液中某種組分在同樣的波長(zhǎng)也有吸收，則對(duì)測(cè)定有干擾，這時(shí)，可選另一靈敏度稍低．但能避免干擾的入射光波長(zhǎng)。

2．控制吸光度的范國(guó)由儀器測(cè)量誤差的討論中可知，為了使測(cè)定結(jié)果獲得較高的準(zhǔn)確度，應(yīng)該控制溶液的吸光度在一定的范圍內(nèi)，一般要求是0.2～0.7。控制吸光度范圍的方法是改變比色皿的厚度，也可以改變?nèi)芤旱臐舛然蛟嚇拥馁|(zhì)量。

3．選擇適當(dāng)?shù)膮⒈热芤簠⒈热芤河址Q空白溶液。在光度分析法中，利用參比溶液調(diào)節(jié)儀器的吸光度零點(diǎn)、消除顯色溶液中其他有色物質(zhì)的干擾，抵消比色皿壁及溶液對(duì)入射光的反射和吸收的影響等。5.6分光光度法的應(yīng)用5.6.1定性鑒定5.6.2定量測(cè)定微量成份

分光光度法被廣泛的應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，環(huán)境、醫(yī)藥、石油等測(cè)定無(wú)機(jī)、有機(jī)微量