第21講- 紫外可見吸收光譜-131220

第21講紫外-可見吸收光譜（UV-VIS）2013.12.20一、紫外－可見光譜的產(chǎn)生；二、有機化合物的電子光譜；三、無機化合物的電子光譜；四、溶劑對紫外－可見光譜的影響；五、紫外分光光度計；六、紫外可見吸收光譜法的應(yīng)用。概述四、溶劑對紫外－可見光譜的影響1.改變?nèi)軇┑臉O性，會引起吸收帶形狀的變化。例如，當(dāng)溶劑的極性由非極性改變到極性時，精細(xì)結(jié)構(gòu)消失，吸收帶變向平滑。2.改變?nèi)軇┑臉O性，還會使吸收帶的最大吸收波長發(fā)生變化。下表為溶劑對亞異丙酮紫外吸收光譜的影響。

正己烷CHCl3CH3OHH2O

*

max/nm230238237243n*max/nm329315309305原因由n*躍遷產(chǎn)生的峰，隨著溶劑極性增加，形成氫鍵能力增加，藍(lán)移；由*躍遷產(chǎn)生的峰，隨極性增加，激發(fā)態(tài)比基態(tài)能量有更多的下降，發(fā)生紅移。在吸收光譜圖上或數(shù)據(jù)表中必須注明所用的溶劑。3.在進(jìn)行紫外光譜法分析時，必須正確選擇溶劑。選擇溶劑時注意下列幾點：（1）溶劑應(yīng)能很好地溶解被測試樣，溶劑對溶質(zhì)應(yīng)該是惰性的。即所形成的溶液應(yīng)具有良好的化學(xué)和光化學(xué)穩(wěn)定性。（2）在溶解度允許的范圍內(nèi)，盡量選擇極性較小的溶劑。（3）溶劑在樣品的吸收光譜區(qū)應(yīng)無明顯吸收。5五、紫外分光光度計一、組成部件

紫外-可見分光光度計的基本結(jié)構(gòu)是由五個部分組成：即光源、單色器、吸收池、檢測器和信號指示系統(tǒng)。圖3.6紫外分光光度計6

（一）光源

對光源的基本要求是應(yīng)在儀器操作所需的光譜區(qū)域內(nèi)能夠發(fā)射連續(xù)輻射、有足夠的輻射強度和良好的穩(wěn)定性，而且輻射能量隨波長的變化應(yīng)盡可能小。分光光度計中常用的光源有熱輻射光源和氣體放電光源兩類。熱輻射光源用于可見光區(qū)，如鎢絲燈和鹵鎢燈；氣體放電光源用于紫外光區(qū)，如氫燈和氘燈。鎢燈和碘鎢燈可使用的范圍在340~2500nm。這類光源的輻射能量與施加的外加電壓有關(guān)，在可見光區(qū)，輻射的能量與工作電壓4次方成正比。光電流與燈絲電壓的n次方（n1）成正比。因此必須嚴(yán)格控制燈絲電壓，儀器必須配有穩(wěn)壓裝置。

在近紫外區(qū)測定時常用氫燈和氘燈。它們可在160~375nm范圍內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)光源。氘燈的燈管內(nèi)充有氫的同位素氘，它是紫外光區(qū)應(yīng)用最廣泛的一種光源，其光譜分布與氫燈類似，但光強度比相同功率的氫燈要大3~5倍。7（二）單色器單色器是能從光源輻射的復(fù)合光中分出單色光的光學(xué)裝置，其主要功能：產(chǎn)生光譜純度高的波長且波長在紫外可見區(qū)域內(nèi)任意可調(diào)。單色器一般由入射狹縫、準(zhǔn)光器（透鏡或凹面反射鏡使入射光成平行光）、色散元件、聚焦元件和出射狹縫等幾部分組成。其核心部分是色散元件，起分光的作用。單色器的性能直接影響入射光的單色性，從而也影響到測定的靈敏度、選擇性及校準(zhǔn)曲線的線性關(guān)系等。能起分光作用的色散元件主要是棱鏡和光柵。8

棱鏡有玻璃和石英兩種材料。它們的色散原理是依據(jù)不同的波長光通過棱鏡時有不同的折射率而將不同波長的光分開。由于玻璃可吸收紫外光，所以玻璃棱鏡只能用于350~3200nm的波長范圍，即只能用于可見光域內(nèi)。石英棱鏡可使用的波長范圍較寬，可從185~4000nm，即可用于紫外、可見和近紅外三個光域。光柵是利用光的衍射與干涉作用制成的，它可用于紫外、可見及紅外光域，而且在整個波長區(qū)具有良好的、幾乎均勻一致的分辨能力。它具有色散波長范圍寬、分辨本領(lǐng)高、成本低、便于保存和易于制備等優(yōu)點。缺點是各級光譜會重疊而產(chǎn)生干擾。

9入射、出射狹縫，透鏡及準(zhǔn)光鏡等光學(xué)元件中狹縫在決定單色器性能上起重要作用。狹縫的大小直接影響單色光純度，但過小的狹縫又會減弱光強。（三）吸收池吸收池用于盛放分析試樣，一般有石英和玻璃材料兩種。石英池適用于可見光區(qū)及紫外光區(qū)，玻璃吸收池只能用于可見光區(qū)。為減少光的損失，吸收池的光學(xué)面必須完全垂直于光束方向。在高精度的分析測定中（紫外區(qū)尤其重要），吸收池要挑選配對。因為吸收池材料的本身吸光特征以及吸收池的光程長度的精度等對分析結(jié)果都有影響。1011（四）檢測器檢測器的功能是檢測信號、測量單色光透過溶液后光強度變化的一種裝置。常用的檢測器有光電池、光電管和光電倍增管等。

硒光電池對光的敏感范圍為300~800nm，其中又以500~600nm最為靈敏。這種光電池的特點是能產(chǎn)生可直接推動微安表或檢流計的光電流，但由于容易出現(xiàn)疲勞效應(yīng)而只能用于低檔的分光光度計中。

光電管在紫外-可見分光光度計上應(yīng)用較為廣泛。

光電倍增管是檢測微弱光最常用的光電元件，它的靈敏度比一般的光電管要高200倍，因此可使用較窄的單色器狹縫，從而對光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)有較好的分辨能力。12（五）信號指示系統(tǒng)它的作用是放大信號并以適當(dāng)方式指示或記錄下來。常用的信號指示裝置有直讀檢流計、電位調(diào)節(jié)指零裝置以及數(shù)字顯示或自動記錄裝置等。很多型號的分光光度計裝配有微處理機，一方面可對分光光度計進(jìn)行操作控制，另一方面可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。13二、紫外-可見分光光度計的類型紫外-可見分光光度計的類型很多，但可歸納為三種類型，即單光束分光光度計、雙光束分光光度計和雙波長分光光度計。1，單光束分光光度計經(jīng)單色器分光后的一束平行光，輪流通過參比溶液和樣品溶液，以進(jìn)行吸光度的測定。這種簡易型分光光度計結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，維修容易，適用于常規(guī)分析。14單波長單光束分光光度計0.575光源單色器吸收池檢測器顯示152，雙光束分光光度計經(jīng)單色器分光后經(jīng)反射鏡分解為強度相等的兩束光，一束通過參比池，一束通過樣品池。光度計能自動比較兩束光的強度，此比值即為試樣的透射比，經(jīng)對數(shù)變換將它轉(zhuǎn)換成吸光度并作為波長的函數(shù)記錄下來。雙光束分光光度計一般都能自動記錄吸收光譜曲線。由于兩束光同時分別通過參比池和樣品池，還能自動消除光源強度變化所引起的誤差。16單波長雙光束分光光度計參比池差值ΔA光源單色器吸收池檢測器顯示光束分裂器173，雙波長分光光度計由同一光源發(fā)出的光被分成兩束，分別經(jīng)過兩個單色器，得到兩束不同波長（1和2）的單色光，利用切光器使兩束光以一定的頻率交替照射同一吸收池1為選好的測定波長，一般為待測物質(zhì)的max2為選好的參比波長，一般為待測物質(zhì)的min測得的是樣品在兩種波長1和2處的吸光度之差A(yù)，A為扣除了背景吸收的吸光度A=A1-A2=（K1-K2）CL優(yōu)點：（1）大大提高了測定準(zhǔn)確度，可完全扣除背景（2）可用于微量組分的測定（3）可用于混濁液和多組分混合物的定量測定1819光閘單色器斬波器參比光電倍增管單光束分光光度計原理圖光電倍增管斬波器光閘試樣單色器雙光束分光光度計原理圖20單色器單色器吸收池接收器λ1λ1λ2λ2雙波長分光光度計原理圖五、應(yīng)用定性分析、結(jié)構(gòu)分析和定量分析；以及物理化學(xué)參數(shù)（相對分子質(zhì)量、配合物的穩(wěn)定常數(shù)等）1.定性分析無機元素：應(yīng)用較少，可用發(fā)射光譜法或化學(xué)分析法；有機化合物：有一定的局限性；鑒定不飽和有機化合物（共軛體系），推知未知物的骨架結(jié)構(gòu)。輔助方法分析方法：比較吸收光譜曲線；用經(jīng)驗規(guī)則計算最大吸收波長，然后與實測值進(jìn)行比較。相同測定條件下——比較未知物與已知標(biāo)準(zhǔn)物的吸收光譜曲線－若完全等同——有相同的生色團(tuán)吸收光譜曲線的形狀、吸收峰的數(shù)目及最大吸收波長的位置和相應(yīng)的摩爾吸收系數(shù)——定性鑒定的依據(jù)最大吸收波長的位置和相應(yīng)的摩爾吸收系數(shù)——定性鑒定的主要參數(shù)不同分子結(jié)構(gòu)可能有相同的UV-VIS2.結(jié)構(gòu)分析確定構(gòu)型和構(gòu)象順反異構(gòu)體（最大吸收波長）3.定量分析無機和有機化合物顯色反應(yīng)－非吸收物質(zhì)朗伯－比耳定律吸收強度大，ε達(dá)104～105L·cm-1·mol-1

；靈敏度高，10－4～10－5mol/L；準(zhǔn)確度好；⑴單組分物質(zhì)工作曲線法標(biāo)準(zhǔn)對比法⑵多組分在最大吸收波長處測定其吸光度的加和值——解一次方程組——得各組分含量（二）結(jié)構(gòu)分析——計算max的經(jīng)驗規(guī)律用經(jīng)驗規(guī)則計算不飽和有機化合物的max并與實測值進(jìn)行比較，然后確認(rèn)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。常用的規(guī)則是WoodWard（伍德瓦特）規(guī)則，可計算共軛多烯及α，β—不飽和醛酮化合物。1.共軛多烯的λmax計算

鏈狀共軛二烯單環(huán)共軛二烯異環(huán)共軛二烯同環(huán)共軛二烯

λmax217nm217nm214nm253nm骨架母體增加值：延伸一個共軛雙鍵+30nm

增加一個烷基或環(huán)基取代+5nm

增加一個環(huán)外雙鍵+5nm助色團(tuán)取代

：-Cl或Br+5nm-OR烷氧基+6nm對連接在母體電子體系上的不同取代基以及其它結(jié)構(gòu)因素加以修正注：環(huán)外雙鍵是指C=C雙鍵直接與環(huán)相連，其中一個C在環(huán)上,另一個C在環(huán)外。同環(huán)二烯與異環(huán)二烯同時共存時，按同環(huán)二烯計算。例1：基本值２１７nm兩個烷基取代２×５＝１０nm

計算值λmax227nm

實測值λmax226nm例２：基本值：２17nm

加一個環(huán)外雙鍵＋５nm

加四個烷基取代＋２０nm

計算值λmax２４２nm

實測值λmax２４３nm例３：基本值：按同環(huán)二烯２５３nm

加一個共軛雙鍵＋３０nm

加一個環(huán)外雙鍵＋５nm

加三個烷基取代＋15nm計算值λmax３０3nm實測值λmax３０3nm２.α,β—不飽和醛、酮母體鏈狀αβ不飽和醛基本值λmax207nm

鏈狀αβ不飽和酮215五元環(huán)αβ不飽和酮202六元環(huán)αβ不飽和酮215Oδαβγ增加值同環(huán)共軛二烯+39nm

每增加一個共軛雙鍵+30nm

每增加一個環(huán)外雙鍵+5nm

共軛雙鍵上增加烷基或環(huán)基取代

α位+10nmβ位+12nmγ位及以上+18nm例４：鏈狀：基本值215nm

α位烷基取代+10nm

位烷基取代+12nmC3計算值λmax237nm

實測值λmax236nm例５：環(huán)狀：基本值215nm

共軛雙鍵+30nmγ位烷基取代+18nm

環(huán)外雙鍵+5nm

計算值λmax268nm

(三)純度檢查如果一化合物在紫外區(qū)沒有吸收峰，而其雜質(zhì)有較強吸收，就可方便的檢出該化合物中的痕量雜質(zhì)。例如要鑒定甲醇和乙醇中的雜質(zhì)苯，可利用苯在254nm處的B吸收帶，而甲醇或乙醇在此波長范圍內(nèi)幾乎沒有吸收。又如四氯化碳中有無二硫化碳雜質(zhì)，只要觀察在318nm處有無二硫化碳的吸收峰即可。

用紫外可見吸收光譜鑒定未知物的結(jié)構(gòu)較困難，因譜圖簡單，吸收峰個數(shù)少，主要表現(xiàn)化合物的發(fā)色團(tuán)和助色團(tuán)的特征。利用紫外可見吸收光譜可確定有機化合物中不飽和基團(tuán)，還可區(qū)分化合物的構(gòu)型、構(gòu)象、同分異構(gòu)體二、結(jié)構(gòu)分析1.推測官能團(tuán)200～280nm無吸收不含不飽和鍵，不含苯環(huán)，可能是飽和化合物210～250nm強吸收π—π*，2個共軛單位260～350nm強吸收π—π*，3—5個共軛單位270～350nm弱吸收n—π*，無強吸收，孤立含雜原子的雙鍵C=O,-NO2,-N=N-260nm（230～270）中吸收π—π*，有苯環(huán)

2.判斷同分異構(gòu)體酮式結(jié)構(gòu)，無共軛中吸收206nm(極性溶劑中為主）烯醇式結(jié)構(gòu)，共軛體系，強吸收=1.8104,245nm(非極性溶劑中為主）例：乙酰乙酸乙酯三、定量分析

應(yīng)用范圍：無機化合物，測定主要在可見光區(qū)，大約可測定50多種元素有機化合物，主要在紫外區(qū)

1.單組分物質(zhì)的定量分析測定條件：選擇合適的分析波長（λmax）A：0.2-0.8

選擇適當(dāng)?shù)膮⒈热芤?/p>

（1）比較法：在一定條件下，配制標(biāo)準(zhǔn)溶液和樣品溶液，在λmax下測A

標(biāo)準(zhǔn)溶液As=κCsL

被測溶液Ax=κCxLCx=CsAx/As

注意：

Cs與Cx大致相當(dāng)（2）標(biāo)準(zhǔn)曲線法12345樣品標(biāo)液C1C2C3C4C5CXAA1A2A3A4A5AXAλCXAX2.多組分物質(zhì)的定量分析（只討論2組分）在某特定波長下測定

A總=A1+A2+A3+……

吸光度加和性（1）吸收光譜互不重疊

ab12在1處測a組分，b組分不干擾在2處測b組分，a組分不干擾

2.多組分物質(zhì)的定量分析（只討論2組分）（2）吸收光譜單向重疊

ab1

2A1a+b=A1a+A1b

A2b=κ2

bCbL在1處a、b組分都吸收在2處b組分吸收，a組分不干擾首先在2處測定b組分，因a組分不干擾

Asb=κ2b

CsbLκ2b=Asb/CsbL在2處

Axb=κ2b

CxbL求出CxbA1a+b=A1a+A1b=κ1

aCxa

L+κ1

bCxbL

其中：κ1a=A1a/CsaLκ1b=A1b/CsbLAλλ1λ2

（3）吸收光譜雙向重疊

ab1為a組分的最大吸收波長，2為b組分的最大吸收波長1處：

A1a+b=A1a+A1b

=κ1

aCxa

L+κ1

bCxbL2處：

A2a+b=A2a+A2b=κ2

aCxa