第五章 紫外-可見吸收光譜法

第五章紫外-可見吸收光譜法

(Ultraviolet–VisibleAbsorptionSpectrometry,UV-Vis)一、紫外-可見吸收光譜（一）分子吸收光譜的產(chǎn)生（二）有機化合物的紫外-可見吸收光譜（三）無機化合物的紫外-可見吸收光譜（四）溶劑對紫外-可見吸收光譜的影響二、紫外-可見分光光度計（一）紫外-可見分光光度計的基本構造（二）紫外-可見分光光度計的類型三、紫外-可見吸收光譜法的應用

（一）定性分析（二）結構分析

（三)化合物中雜質(zhì)的檢查

（四）定量分析紫外--可見吸收光譜法（UV-VIS）：也稱紫外--可見分光光度法

是根據(jù)物質(zhì)分子對波長為200-800nm這一范圍的電磁波（紫外200-400nm和可見光譜區(qū)400-800nm)的吸收特性建立起來的一種定性、定量和結構分析方法。分子吸收光譜主要產(chǎn)生于分子的外層價電子在電子能級之間的躍遷

紫外區(qū)可分為遠紫外區(qū)（10~200nm）和近紫外區(qū)（200~400nm）。因空氣中的氧、二氧化碳和水汽等都吸收遠紫外光，因此，要研究分子對遠紫外光的吸收需要在真空條件進行，故使其應用受到限制。通常說的紫外－可見吸收光譜是指近紫外－可見吸收光譜，即物質(zhì)分子吸收200～800nm波長范圍內(nèi)的光輻射所產(chǎn)生的吸收光譜。

相同點：均屬于吸收光譜；其波長范圍均在近紫外到近紅外光區(qū)（200～800nm)。原子吸收光譜法與紫外－可見分光光度法的比較原子吸收光譜法與紫外－可見分光光度法的比較不同點：

吸收機制不同：原子吸收光譜屬于原子光譜，是由基態(tài)原子所產(chǎn)生的吸收，是線狀光譜，譜線寬度很窄，其半寬約為10－3nm；而紫外－可見光譜是屬于分子光譜，為帶狀光譜，譜帶很寬，其半寬約為10nm。

光源不同：前者為銳線光源，如空心陰極燈；后者為連續(xù)光源，如鎢燈、氘燈。

儀器排布不同：

前者：銳線光源－原子化器－單色器－檢測器后者：光源－單色器－吸收池－檢測器紫外-可見分光光度法的特點：1與其它光譜分析方法相比，其儀器設備和操作都比較簡單，費用少，分析速度快。2靈敏度高。如在紫外區(qū)直接檢測抗壞血酸時，其最低檢出濃度可達到10-6g/mL。3

選擇性好。通過適當?shù)倪x擇測量條件，一般可在多種組分共存的體系中，對某一物質(zhì)進行測定。4精密度和準確度較高。在儀器設備和其他測量條件較好的情況下，其相對誤差可減小到1%~2%。5用途廣泛。在生物、醫(yī)藥、化工、地質(zhì)等諸多領域，不但可以進行定量分析，還可以對被測物質(zhì)進行定性分析和結構分析，進行官能團鑒定、相對分子質(zhì)量測定、配合物的組分及穩(wěn)定常數(shù)的測定等。

第一節(jié)分子吸收光譜的產(chǎn)生一、物質(zhì)對光的選擇性吸收光在與物質(zhì)作用時，物質(zhì)可對光產(chǎn)生不同程度的吸收。物質(zhì)的結構決定了物質(zhì)在吸收光時只能吸收某些特定波長的光，也就是說，物質(zhì)對光的吸收有選擇性。當一束白光（復合光）通過硫酸銅溶液時，水合銅離子選擇性的吸收復合光中的黃光，故溶液呈現(xiàn)出黃色的互補色——藍色。我們通常見到的有色物質(zhì)，都是由于他們吸收了可見光的部分光，呈現(xiàn)出吸收光顏色的互補色。

二、分子吸收光譜的產(chǎn)生分子吸收光譜的形成是由于電子在能級之間的躍遷所引起的。分子內(nèi)部具有電子能級、振動能級和轉(zhuǎn)動能級。所以分子的能量E分子＝E電＋E振＋E轉(zhuǎn)。這些能量是量子化的，只有光輻射的能量恰好等于兩能級之間的能量差時，才能被吸收。

分子內(nèi)部三種能級躍遷所需能量大小的順序為：

ΔE電>

ΔE振>ΔE轉(zhuǎn)

分子的電子躍遷所吸收的能量比后二者大的多1.ΔE電約為1～20eV，所吸收的電磁輻射波長約為1240～62nm，主要在紫外和可見光區(qū)。2.ΔE振約為0.05～1eV，相應的分子吸收光譜為紅外光譜。3.ΔE轉(zhuǎn)約為0.005～0.05eV，與之對應的分子吸收光譜為遠紅外光譜。為什么分子的紫外、可見光譜不是線狀光譜，而是帶狀光譜？譜帶為什么變寬？通常，分子是處在基態(tài)振動能級上。當用紫外、可見光照射分子時，電子可以從基態(tài)激發(fā)到激發(fā)態(tài)的任一振動（或不同的轉(zhuǎn)動）能級上。因此，電子能級躍遷產(chǎn)生的吸收光譜，包括了大量譜線，并由于這些譜線的重疊而成為連續(xù)的吸收帶。絕大多數(shù)的分子光譜分析，都是用液體樣品，溶液中相鄰分子間的碰撞能導致分子各種能級的細微變化，引起吸收帶的進一步加寬和匯合。儀器的分辨率有限，因而使記錄所得電子光譜的譜帶變寬。

紫外-可見吸收光譜（吸收曲線）：描述物質(zhì)分子對輻射吸收的程度（吸光度）隨波長而變的函數(shù)關系曲線。波長為橫坐標，吸光度或透光率為縱坐標紫外-可見吸收光譜通常由一個或幾個寬吸收譜帶組成。

1．定義：以吸光度A為縱坐標，波長λ為橫坐標，繪制的A~λ曲線。2．吸收光譜術語：

①吸收峰→λmax,②吸收谷→λmin③肩峰→λsh,④末端吸收特征值525nm紫外-可見吸收光譜

最大吸收波長（λmax）是分子的特征常數(shù)，與化合物的電子結構有關，可用于推測化合物的結構信息；整個吸收光譜的形狀取決于物質(zhì)性質(zhì)，反映分子內(nèi)部能級分布狀況，是物質(zhì)定性的依據(jù)。吸收曲線的縱坐標則用光強表示，強度參數(shù)可用透光率、吸光度和吸光系數(shù)表征。葉酸

透光率T：為透射光的強度I與入射光的強度I0之比。

T＝I/I0吸光度A：表示單色光通過溶液時被吸收的程度，定義為入射光的強度I0與透射光的強度I之比的對數(shù)值。

A＝lgI0/IT與A的關系：A＝－lgT

三、朗伯－比爾定律朗伯－比爾定律是分子吸收光譜法定量分析的基礎。它可表述為：當一束單色光穿過透明介質(zhì)時，光強度的降低.同入射光的強度、吸收介質(zhì)的厚度、溶液的濃度成正比。用數(shù)學表達為：A=lgI0/I=kclA：吸光度；c：吸光物質(zhì)的濃度；l：液層的厚度；k：比例系數(shù)朗伯－比爾定律是建立在吸光質(zhì)點之間沒有相互作用的前提下的，它只適用于稀溶液（c≤0.01mol/L)。

當l以cm，c以g/L為單位時，k稱為吸收系數(shù)，用a表示，即：A=acl；當l以cm，c以mol/L為單位時，k稱為摩爾吸收系數(shù)，用ε表示，即：A=εcl。ε比a更為常用，可以作為吸收光譜的縱坐標，并以λmax處的摩爾吸收系數(shù)εmax表示譜帶的吸收強度。εmax在特定波長和溶劑的情況下也是分子的特征常數(shù)和鑒定化合物的重要依據(jù)。

第二節(jié)有機化合物的紫外－可見吸收光譜

有機化合物的紫外-可見吸收光譜取決于分子中價電子的分布和結合情況。一、電子躍遷的類型與紫外—可見吸收光譜有關的價電子主要有三種：形成單鍵的σ電子、形成雙鍵的π電子、未參與成鍵的n電子（p電子，如O/N/S/X等含有未成鍵的孤對電子）。基態(tài)時，它們處于σ、π成鍵軌道和n非鍵軌道上，當吸收一定能量ΔE后，這些價電子將躍至能量較高的σ*、π*反鍵軌道。

分子軌道：原子軌道線性組合而成。成鍵軌道σ，π反鍵軌道σ*，

π*

電子躍遷類型主要有四種：σ→σ*、n→σ*、π→π*和n→π*，各種躍遷所需的能量大小不同，次序為：σ→σ*>n→σ*≥π→π*>n→π*，

因此，形成的吸收光譜譜帶的位置也不相同。

σ→σ*躍遷：

需要能量最大，λ<200nm

，真空紫外區(qū)，εmax＞

104

飽和烴（遠紫外區(qū)）；

C－H共價鍵，如CH4（λmax125nm）

C－C共價鍵，如C2H6（λmax135nm）n→σ*躍遷：所需能量較大，λ在150～250nm處，εmax較低，~200。

含有雜原子（氧、氮、硫、鹵素等）的飽和烴衍生物都可發(fā)生此類躍。如：－NH2、－OH、－S、－X。

一氯甲烷n→σ*躍遷：λmax173nm

甲醇n→σ*躍遷：λmax183nmπ→π*躍遷：所需能量較小，λ一般＞200nm，εmax

＞104。

不飽和基團（乙烯基、乙炔基）

不飽和烴、共軛烯烴和芳香烴類可發(fā)生此類躍遷。乙烯π→π*躍遷：λmax165nm

丁二烯π→π*躍遷：λmax217nmn→π*躍遷：所需能量最小，λ>200nm，εmax

10~100。

含有雜原子的不飽和化合物可發(fā)生此類躍遷。如－C＝O、－C＝N－

一種化合物可以有一種或多種電子躍遷同時發(fā)生。電子躍遷的類型與分子結構及其存在的基團有關。因此，可以根據(jù)分子結構來推測可能產(chǎn)生的電子躍遷；反之，也可以根據(jù)紫外吸收帶的波長及電子躍遷的類型來判斷化合物分子中可能存在的吸收基團。

二、基本術語生色團：分子中能吸收紫外－可見光而產(chǎn)生電子躍遷的基團。主要是具有不飽和鍵和含有孤對電子的基團。如乙烯基、乙炔基、羰基-C=O、亞硝基-N=O、偶氮基-N=N-、等。助色團：可使生色團吸收峰的位置和吸收強度改變（一般是向長波方向移動，并其吸收強度增加）的基團。

為具有孤對電子的基團，如-OH、-SH、-Cl、-Br、-I等。如：苯的B吸收帶其λmax為254nm，εmax為204L·mol-1·cm-1，當它與一個－OH相連后，其λmax移到270nm，εmax增強為1450L·mol-1·cm-1。

紅移、藍移在因取代基的引入或溶劑的改變而使λmax發(fā)生移動，向長波方向移動稱為紅移，向短波方向移動稱為藍移。增色效應、減色效應

由于化合物分子結構中取代基的引入或溶劑的改變使得吸收帶的強度即摩爾吸收系數(shù)εmax增大或減小的現(xiàn)象，稱為增色效應或減色效應。三、紫外-可見光譜中的常見吸收帶1、R帶：（基團radical）含雜原子的不飽和基團的

n→π*躍遷產(chǎn)生C＝O；C＝N；—N＝N—特點：λmax200~400nm，強度較弱ε<100三、紫外-可見光譜中的常見吸收帶2、K帶：（共軛作用konjugation）））由共軛雙鍵的π→π*躍遷產(chǎn)生(—CH＝CH—)n，—CH＝C—CO—特點：λmax>200nm，強ε>104共軛體系增長，ε↑，λ↑（紅移）3、B帶：（苯benzenoid）三、紫外-可見光譜中的常見吸收帶

苯環(huán)本身分子振動、轉(zhuǎn)動能級躍遷而產(chǎn)生的吸收帶，轉(zhuǎn)動能級消失，譜帶較寬。芳香物的主要特征吸收帶

Λ=

230~270nm,具有精細結構ε~200極性溶劑中，或苯環(huán)連有取代基時，其精細結構消失三、紫外-可見光譜中的常見吸收帶4、E帶：（乙烯型ethylenicband）由苯環(huán)環(huán)形封閉共軛體系的π→π*躍遷產(chǎn)生芳香族化合物的特征吸收帶E1180nm，強ε>104

（常觀察不到）E2200nm，強ε~7000苯環(huán)有生色團取代且與苯環(huán)共軛時，E2帶與K帶合并一起紅移（長移）苯的異丙烷液紫外吸收苯乙酮的正庚烷溶液紫外吸收K帶：λmax240nm，ε13000B帶：λmax278nm，ε1100R帶：λmax319nm，ε506、配位體場吸收帶

配合物中心離子d-d*或f-f*躍遷

有電子給予體和電子接受體的有機或無機化合物電荷轉(zhuǎn)移躍遷

λ范圍寬，強＞1045、電荷轉(zhuǎn)移吸收帶

如過渡金屬水合離子與顯色劑(如有機化合物)形成的配合物.可見光區(qū)，較弱＜102三、紫外-可見光譜中的常見吸收帶吸收帶躍遷類型波長范圍例R帶n→π*~300nm<100CH3COCH3CH3NO2K帶π→π*波長比R帶短>1041,3-丁二烯λ為217nm,=2.1×104B帶芳香族π→π*230～270nm102～103芳香族化合物E帶芳香族π→π*180nm200nm～104～103芳香族化合物電荷轉(zhuǎn)移吸收帶配合物p-d躍遷遠紫外～可見>104Fe(SCN)2+配位體場吸收帶配合物d-d,f-f躍遷近紫外～可見<102吸收帶四.影響吸收帶的因素

影響表現(xiàn)為譜帶位移、譜帶強度變化、譜帶精細結構的出現(xiàn)或消失等。1、共軛效應的影響2、跨環(huán)效應的影響3、溶劑效應的影響4、體系pH值的影響π電子共軛體系增大，max紅移、

增大——共軛效應使電子離域到多個原子間，導致π→π*能量降低，躍遷幾率增大，max增大1、共軛效應的影響共軛體系越大，max、越大。H(CH=CH)nHlmax(nm)emax118010,000221721,000326834,000430464,0005334121,0006364138,000C=CHHλmax280nm，max10500HC=CHλmax296nm，max29000反式二苯乙烯順式二苯乙烯空間位阻使共軛體系破壞，max藍移減小1、共軛效應的影響(I)順式二苯乙烯(II)反式二苯乙烯二苯乙烯的紫外吸收光譜λmax280nm，max10500λmax296nm，max29000(I)順式二苯乙烯(II)反式二苯乙烯助色基團雖不共軛，但由于空間排列使電子云相互影響，使n→π*吸收峰長移。2、跨環(huán)效應的影響max156，279nmOCSmax238nmCH3－C－

CH3O3、溶劑效應影響溶劑的極性增大時，n

*躍遷吸收帶藍移

*躍遷吸收帶紅移溶劑極性增大，吸收峰呈規(guī)律性藍移記錄時標明溶劑；測定時選擇溶劑：（1）穩(wěn)定性；溶解性；對溶質(zhì)的惰性。（2）在測定光譜區(qū)無明顯吸收（盡量低極性）吸收帶正己烷CH3ClCH3OHH2O波長→*

230nm238nm237nm243nm紅移n→*

329nm315nm309nm305nm藍移異丙叉丙酮（）的溶劑效應CH3-C-CH=COCH3CH33、溶劑效應影響

正確選用溶劑1）溶劑不同，同一種物質(zhì)的紫外—可見吸收光譜的

峰形和最大吸收位置可能不一樣，所以在測定物質(zhì)的吸收光譜時，一定要注明所使用的溶劑。2）盡量選用低極性溶劑；3）能很好地溶解被測物，并且形成的溶液具有良好

的化學和光化學穩(wěn)定性；4）溶劑在樣品的吸收光譜區(qū)無明顯吸收。溶劑使用波長范圍/nm溶劑使用波長范圍/nm水>210甘油>230乙醇>210氯仿>245甲醇>210四氯化碳>265異丙醇>210乙酸甲酯>260正丁醇>210乙酸乙酯>26096%硫酸>210乙酸正丁酯>260乙醚>220苯>280二氧六環(huán)>230甲苯>285二氯甲烷>235吡啶>303己烷>200丙酮>330環(huán)己烷>200二硫化碳>375常用紫外—可見測定的溶劑O-λmax235，287nmOHλmax211，270nmOH-H+4、體系pH值：

pH的改變可能引起共軛體系的延長或縮短，或引從而引起吸收峰位置改變。五、有機化合物紫外-可見吸收光譜1.飽和烴及其取代衍生物飽和烴類：只能產(chǎn)生*躍遷，最大吸收峰波長一般小于150nm。常用作溶劑。飽和烴的取代衍生物：可產(chǎn)生n*

的躍遷。如鹵代烴，n*的能量低

于*。

CH3Cl、CH3Br和CH3I的n*躍遷分別出現(xiàn)在173、204和258nm處。2.不飽和烴及共軛烯烴五、有機化合物紫外-可見吸收光譜3.羰基化合物五、有機化合物紫外-可見吸收光譜4.芳香族化合物產(chǎn)生*、n*、n*三個吸收帶。醛、酮、羧酸及羧酸的衍生物，如酯、酰胺等，都含有羰基。

E1、E2帶、B帶苯環(huán)上有取代基時，三個吸收帶都長移，吸收強度也增大。B帶的精細結構因取代基而變得簡單化。

了解共軛程度、空間效應、氫鍵等；可對飽和與不飽和化合物、異構體等進行判別六、紫外光譜給出的信息紫外-可見吸收光譜中有機物發(fā)色體系信息分析的一般規(guī)律是：六、紫外光譜給出的信息270～350nm低強度吸收峰(ε＝10～100)200～750nm無吸收峰直鏈烷烴、環(huán)烷烴、飽和脂肪族化合物或僅含一個雙鍵的烯烴等可能n→π*躍遷，含一個簡單非共軛且有n電子的生色團如羰基可能2５0～300nm中等強度吸收峰210～250nm強吸收峰可能含苯環(huán)含2個共軛雙鍵含3個或3個以上共軛雙鍵260～300nm強吸收峰可見光區(qū)有吸收峰可能可能長鏈共軛5個以上或稠環(huán)化合物可能有機化合物結構研究－推斷異構體CH3-C-CH2-C-OC2H5OOλmax=204nm弱吸收λmax=245nmε=18000CH3-CCH-C-OC2H5OHO

第二節(jié)紫外－可見分光光度計一、主要部件

基本結構:

光源→單色器→吸收池→檢測器→信號顯示系統(tǒng)

↑

樣品

1、光源

光源的作用：提供能量激發(fā)被測物質(zhì)分子產(chǎn)生電子能級躍遷，從而產(chǎn)生電子光譜譜帶。

要求：能夠提供足夠強的連續(xù)輻射、有良好的穩(wěn)定性、較長的使用壽命,且輻射能量隨波長無明顯變化。常用的光源有熱輻射光源和氣體放電光源。

熱輻射光源：利用固體燈絲材料高溫放熱產(chǎn)生的輻射作為光源。如

鎢燈、鹵鎢燈。兩者均在可見區(qū)使用。鹵鎢燈的使用壽命及發(fā)光效率高于鎢燈。

氣體放電光源：指在低壓直流電條件下,氫或氘氣放電所產(chǎn)生的連續(xù)輻射。一般為氫燈或氘燈,在紫外區(qū)使用。

2、單色器

單色器的作用：使光源發(fā)出的光變成所需要波長的單色光。

由入射狹縫、準直鏡、色散元件、物鏡和出射狹縫構成。入射狹縫用于限制雜散光進入單色器，準直鏡將入射光束變?yōu)槠叫泄馐筮M入色散元件。后者將復合光分解成單色光，然后通過物鏡將出自色散元件的平行光聚焦于出口狹縫。出射狹縫用于限制通帶寬度，并將欲測波長的光引出單色器。轉(zhuǎn)動色散元件，可以改變由單色器出射光的波長；調(diào)節(jié)入射、出射狹縫寬度，可以改變出射光束的通帶寬度。

3、吸收池（比色皿、比色杯）用于盛放分析試液。石英池用于紫外-可見區(qū)的測量，玻璃池只用于可見區(qū)。4、檢測器用來檢測光信號，測量單色光透過溶液后光強度變化的一種裝置。簡易分光光度計上使用光電池或光電管作為檢測器。目前最常見的檢測器是光電倍增管，有的用二極管陣列作為檢測器。5、信號顯示系統(tǒng)

二、儀器類型

紫外-可見分光光度計，按其光學系統(tǒng)可分為三種類型：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)單色器單色化后只有一束光，然后這束光分別通過參比溶液和試樣溶液進行吸光度的測定。

結構簡單，價格便宜；適于作定量分析。但測量結果受光源波動影響較大，誤差較大；操作麻煩，不適于作定性分析。

2、雙光束分光光度計

經(jīng)單色器單色化的光一分為二，一束通過參比溶液，一束通過試樣溶液，儀器在不同瞬間接收和處理參比信號，將兩信號的比值轉(zhuǎn)換為吸光度。

既可測得吸光度，又可掃描吸收光譜；還消除了光源強度不穩(wěn)帶來得誤差。3、雙波長分光光度計讓兩束波長不同的單色光（λ1和λ2）交替通過同一個吸收池，然后經(jīng)檢測系統(tǒng)，這樣得到的是兩波長處的吸光度之差ΔA，再根據(jù)ΔA＝（ελ1－ελ2

）cL進行定量分析。

不用參比溶液，只用一個待測試液，這樣就完全扣除了背景吸收（包括溶液的渾濁及比色皿的誤差），準確度較高。

第六節(jié)紫外－可見吸收光譜的應用一、定性分析單靠紫外光譜數(shù)據(jù)來推斷未知化合物的結構有些困難，但是紫外光譜數(shù)據(jù)可用于判別有機物中生色團和助色團的種類、位置及數(shù)目，區(qū)分飽和與不飽和化合物，測定分子中的共軛程度等進而確定分析物的結構骨架。定性鑒定的主要步驟為：1）純化試樣，使其不含雜質(zhì)；2）進行紫外吸收光譜測定，得到試樣的吸收光譜曲線，依據(jù)光譜特征一般規(guī)律作初步判斷；3）用對比法，對該化合物作進一步定性鑒定；4）應用其它化學、物理等分析方法進行對照和驗證，最后作出該化合物定性鑒定的正確結論。

二、有機化合物構型、構象的測定1、順反異構體的判別一般有機化合物的反式異構體的λmax和εmax值比相應的順式異構體大。2、互變異構體的測定乙酰丙酮存在酮式和烯醇式兩種異構體，在極性溶劑水中，以酮式異構體為主，形成分子間氫鍵，λmax為277nm；在非極性溶劑己烷中，以烯醇式異構體為主，形成分子內(nèi)氫鍵，λmax為26