紫外-可見(jiàn)分光光度法

紫外-可見(jiàn)分光光度法鄭秀玉一、光學(xué)分析法

光學(xué)分析法是根據(jù)物質(zhì)發(fā)射的電磁輻射或電磁輻射與物質(zhì)相互作用而建立起來(lái)的一類(lèi)分析化學(xué)方法。電磁輻射與物質(zhì)相互作用的方式有發(fā)射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振等。1、電磁波譜電磁波波長(zhǎng)λγ射線(xiàn)區(qū)<0.005nmX射線(xiàn)區(qū)0.005~10nm真空紫外光區(qū)10~200nm近紫外光區(qū)200~400nm可見(jiàn)光區(qū)400~750nm近紅外光區(qū)0.75~2.5μm中紅外光區(qū)2.5~25μm遠(yuǎn)紅外光區(qū)25~1000μm微波區(qū)1~300mm無(wú)線(xiàn)電波區(qū)>300mm

這些電磁輻射包括從γ射線(xiàn)到無(wú)線(xiàn)電波的所有電磁波譜范圍，而不只局限于光學(xué)光譜區(qū)。2、光學(xué)分析法的分類(lèi)(2)非光譜法是基于物質(zhì)與輻射相互作用時(shí)，測(cè)量輻射的某些性質(zhì)，如折射、散射、干涉、衍射和偏振等變化的分析方法。(1)光譜法是基于物質(zhì)與輻射能作用時(shí)，測(cè)量由物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生量子化的能級(jí)之間的躍遷而產(chǎn)生的發(fā)射、吸收或散射輻射的波長(zhǎng)和強(qiáng)度進(jìn)行分析的方法。非光譜法不涉及物質(zhì)內(nèi)部能級(jí)的躍遷，電磁輻射只改變了傳播方向、速度或某些物理性質(zhì)。3、光譜法的分類(lèi)(2)分子光譜由分子中電子能級(jí)、振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的變化產(chǎn)生的。表現(xiàn)形式：帶光譜(1)原子光譜由原子外層或內(nèi)層電子能級(jí)的變化產(chǎn)生的。表現(xiàn)形式：線(xiàn)光譜4、原子光譜分析法原子發(fā)射光譜法（AES)原子吸收光譜法（AAS)原子熒光光譜法（AFS)X射線(xiàn)熒光光譜法（XFS)5、分子光譜分析法紫外-可見(jiàn)分光光度法（UV-Vis）紅外光譜法（IR）分子熒光光譜法（MFS）分子磷光光譜法（MPS)6、電磁輻射的基本性質(zhì)

波動(dòng)性粒子性

(1)

波動(dòng)性:電磁輻射以波動(dòng)形式傳播，例如：折射、衍射、偏振和干涉等現(xiàn)象。λν=υ其中，λ——波長(zhǎng)；

ν——頻率；

υ——傳播速度在真空中，輻射的傳播速度與頻率無(wú)關(guān)，并達(dá)到最大值，以符號(hào)c表示。

(2)粒子性:電磁輻射的波動(dòng)性不能解釋輻射的發(fā)射和吸收現(xiàn)象，需要把輻射看作是微粒（光子）才能滿(mǎn)意地解釋。電磁輻射的能量是“量子化”的。這種能量的最小單位即為“光子”。光子是具有能量的，光子的能量與頻率成正比，與波長(zhǎng)成反比。E=hν=hc/λ其中，E——能量h——普朗克常數(shù)，6.6256×10-34J·sc——光速，2.99792×108m·s-1二、輻射的吸收與發(fā)射

構(gòu)成物質(zhì)的每一種基本體系(核、原子、分子)具有一定數(shù)量的特定的能級(jí)。當(dāng)它們暴露在輻射束中或被具有一定能量的粒子轟擊時(shí)，外層電子可以從一個(gè)能級(jí)跳到另一個(gè)能級(jí)。當(dāng)這些體系從高能態(tài)跳回到低能態(tài)時(shí)就發(fā)射相應(yīng)的輻射。紫外—可見(jiàn)區(qū)的光譜是由原子和分子外層電子的躍遷產(chǎn)生的。三、原子軌道原子結(jié)構(gòu)示意圖（1）主量子數(shù)(n)：主量子數(shù)就相當(dāng)于電子層，n可以取任意正整數(shù)；（2）角量子數(shù)(l)：角量子數(shù)相當(dāng)于亞層，l可以取小于n的自然數(shù)；（3）磁量子數(shù)(ml)：磁量子數(shù)決定了原子軌道的伸展方向，ml可以取±l；（4）電子自旋量子數(shù)(ms)：每個(gè)原子軌道里都可以填充兩個(gè)電子，ms都只能取±1/2，兩個(gè)電子自旋相反。

描述電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的四個(gè)變量：具有角量子數(shù)0、1、2、3的軌道分別叫做s軌道、p軌道、d軌道、f軌道。之后的軌道名稱(chēng)，按字母順序排列，如l=4時(shí)叫g(shù)軌道。

s軌道（l=0）上只能填充2個(gè)電子;p軌道（l=1）上能填充6個(gè);一個(gè)軌道填充的電子數(shù)為4l+2。

例：C原子的外層電子排布：1s22s22p21、最低能量原理

電子本身就是一種物質(zhì)，也具有同樣的性質(zhì)，即它在一般情況下總想處于一種較為安全（或穩(wěn)定）的一種狀態(tài)（基態(tài)），也就是能量最低時(shí)的狀態(tài)。當(dāng)有外加作用時(shí)，電子也是可以吸收能量到能量較高的狀態(tài)（激發(fā)態(tài)），但是它總有時(shí)時(shí)刻刻想回到基態(tài)的趨勢(shì)。一般來(lái)說(shuō)，離核較近的電子具有較低的能量，隨著電子層數(shù)的增加，電子的能量越來(lái)越大；同一層中，各亞層的能量是按s、p、d、f的次序增高的。這兩種作用的總結(jié)果可以得出電子在原子核外排布時(shí)遵守下列次序：1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p……規(guī)則：np＞（n－1）d＞（n－2）f＞ns

一個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)要從4個(gè)方面來(lái)進(jìn)行描述，即它所處的電子層、電子亞層、電子云的伸展方向以及電子的自旋方向。在同一個(gè)原子中沒(méi)有也不可能有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同的兩個(gè)電子存在，這就是泡利不相容原理。

第一電子層（K層）中只有1s亞層，最多容納兩個(gè)電子；第二電子層（L層）中包括2s和2p兩個(gè)亞層，總共可以容納8個(gè)電子；第3電子層（M層）中包括3s、3p、3d三個(gè)亞層，總共可以容納18個(gè)電子……第n層總共可以容納2n2個(gè)電子。

2、泡利不相容原理3、洪特規(guī)則

從光譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)出來(lái)的洪特規(guī)則有兩方面的含義：一是電子在原子核外排布時(shí)，將盡可能分占不同的軌道，且自旋平行；第二個(gè)含義是對(duì)于同一個(gè)電子亞層，當(dāng)電子排布處于：全滿(mǎn)（s2、p6、d10、f14）半滿(mǎn)（s1、p3、d5、f7）全空（s0、p0、d0、f0）時(shí)比較穩(wěn)定。四、分子軌道理論

原子在形成分子時(shí)，所有電子都有貢獻(xiàn)，分子中的電子不再?gòu)膶儆谀硞€(gè)原子，而是在整個(gè)分子空間范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。在分子中電子的空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可用相應(yīng)的分子軌道來(lái)描述。(1)在原子中，電子的運(yùn)動(dòng)只受1個(gè)原子核的作用，原子軌道是單核系統(tǒng)；而在分子中，電子則在所有原子核勢(shì)場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)，分子軌道是多核系統(tǒng)。(2)原子軌道的名稱(chēng)用s、p、d…符號(hào)表示，而分子軌道的名稱(chēng)則相應(yīng)地用σ、π、δ…符號(hào)表示。

分子軌道和原子軌道的主要區(qū)別分子軌道可以由分子中原子軌道的線(xiàn)性組合而得到。幾個(gè)原子軌道可組合成幾個(gè)分子軌道。成鍵分子軌道（bondingmolecularorbital）其中有一半分子軌道分別由正負(fù)符號(hào)相同的兩個(gè)原子軌道疊加而成，兩核間電子的概率密度增大，其能量較原來(lái)的原子軌道能量低，有利于成鍵，稱(chēng)為成鍵分子軌道。如σ、π軌道（軸對(duì)稱(chēng)軌道）；

反鍵分子軌道（antibondingmolecularorbital）另一半分子軌道分別由正負(fù)符號(hào)不同的兩個(gè)原子軌道疊加而成，兩核間電子的概率密度很小，其能量較原來(lái)的原子軌道能量高,不利于成鍵,稱(chēng)為反鍵分子軌道，如σ*、π*軌道（鏡面對(duì)稱(chēng)軌道）。

非鍵分子軌道若組合得到的分子軌道的能量跟組合前的原子軌道能量沒(méi)有明顯差別，所得的分子軌道叫做非鍵分子軌道。

有機(jī)化合物的紫外-可見(jiàn)吸收光譜決定于分子的結(jié)構(gòu)、分子軌道上的電子性質(zhì)。根據(jù)結(jié)構(gòu)理論，在分子中形成單鍵的電子稱(chēng)σ電子，形成雙鍵的電子稱(chēng)π電子，未成鍵的孤對(duì)電子稱(chēng)n電子。分子中的價(jià)電子有σ軌道上的σ電子，π軌道上的π電子和未參與成鍵而仍處于原子軌道中的n電子。五、基本概念位于分子軌道中不同軌道的價(jià)電子具有不同的能量，處于低能級(jí)的價(jià)電子吸收一定能量后，就會(huì)躍遷到較高能級(jí)（反鍵軌道）。在可見(jiàn)—紫外區(qū)的躍遷包括σ

σ*、n

σ*、nπ*、

π

π*躍遷等。

電子能級(jí)和躍遷圖σσ*σ*σπ*πσ*nπ*nπnπ*成鍵成鍵反鍵反鍵未成鍵能量σ

σ*躍遷：所需的能量最大，主要發(fā)生在真空紫外區(qū)，吸收譜帶都在200nm以下，飽和烴類(lèi)只有σ鍵，因此飽和烴的可見(jiàn)紫外吸收光譜由這類(lèi)躍遷引起。nπ*躍和π

π*躍遷是用可見(jiàn)——紫外光度法研究有機(jī)物的最常見(jiàn)的躍遷類(lèi)型。這類(lèi)躍遷易發(fā)生，所需能量使吸收波長(zhǎng)都處在200nm以上的區(qū)域，所涉及的基團(tuán)都具有不飽和的π鍵。這種含π不飽和鍵的基團(tuán)稱(chēng)為生色基團(tuán)。nσ*躍遷：發(fā)生在含有未成鍵孤對(duì)電子的雜原子的飽和烴分子中。由于n電子較σ電子易激發(fā)，所以這種躍遷所需能量比σ

σ*稍低，但多數(shù)還是發(fā)生在200nm左右范圍內(nèi)。（1）生色團(tuán)分子中能吸收紫外或可見(jiàn)光的結(jié)構(gòu)單元稱(chēng)為生色團(tuán)，其含有非鍵軌道和π分子軌道的電子體系能引起nπ*和π

π*躍遷。（2）助色團(tuán)助色團(tuán)是一種能使生色團(tuán)吸收峰向長(zhǎng)波位移并增強(qiáng)其強(qiáng)度的官能團(tuán)，如—OH、—NH2、—SH及一些鹵族元素等。這些基團(tuán)中都含有孤對(duì)電子，它們能與生色團(tuán)中π電子相互作用，使π

π*躍遷的能量降低并引起吸收峰位移。C=CC=OC=C—O——N=O（3）紅移效應(yīng)某些有機(jī)化合物經(jīng)取代反應(yīng)引入含有未共享電子對(duì)的基團(tuán)（—NH2、—OH、—Cl、—Br、—NR2、—OR、—SH、—SR等）之后，吸收峰的波長(zhǎng)λmax向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，這種效應(yīng)稱(chēng)為紅移效應(yīng)。這些會(huì)使某化合物的λmax向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)的基團(tuán)稱(chēng)為向紅基團(tuán)。（4）藍(lán)移效應(yīng)某些生色團(tuán)（如C=O）的碳原子一端引入一些取代基（如—CH2、—CH2CH3等）之后，吸收峰的波長(zhǎng)會(huì)向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)，這種效應(yīng)稱(chēng)為藍(lán)移效應(yīng)。這些會(huì)使某化合物的λmax向短波方向移動(dòng)的基團(tuán)稱(chēng)為向藍(lán)基團(tuán)。六、物質(zhì)對(duì)光的選擇吸收

可見(jiàn)光：從紫色的400nm到紅色的760nm

紫外光：<400nm紅外光:>760nm互補(bǔ)色光:兩種適當(dāng)顏色光按一定的強(qiáng)度比例混合，就可以得到白光，這兩種顏色光叫做互補(bǔ)色光。七、郎伯-比耳定律

（一）物質(zhì)對(duì)光的吸收及吸光度

I0=Ia+It+IrI0=Ia+It(Ir忽略不計(jì))I0ItIaIr透過(guò)光強(qiáng)度It與入射光強(qiáng)度I0之比：T=It/I0溶液透光度越大，則對(duì)光的吸收越小；反之則越大。2、吸光度A物質(zhì)對(duì)光的吸收程度：A=-lgT=lg（1/T）=lg（I0/It）吸光度越大，表示該物質(zhì)對(duì)光的吸收程度越大。1、透光度（或透光率與透光比）

T

A=Kcl式中，A——吸光度；c——溶液濃度；l——液層總厚度；K——摩爾吸光系數(shù)，表明物質(zhì)對(duì)某一特定波長(zhǎng)光的吸收能力。

紫外-可見(jiàn)吸收光譜用于定量分析的理論依據(jù)是吸收定律。它由朗伯定律和比耳定律聯(lián)合而成，故又稱(chēng)朗伯-比耳定律。（二）朗伯-比耳定律當(dāng)一束平行的單色光通過(guò)均勻溶液時(shí)，由于溶質(zhì)吸收光能，光的強(qiáng)度就要降低，這種現(xiàn)象稱(chēng)為溶液對(duì)光的吸收作用，其吸光度與溶液的濃度和厚度的乘積成正比，這個(gè)規(guī)律通常稱(chēng)為郎伯-比耳定律，也稱(chēng)作光吸收定律。（三）吸收曲線(xiàn)

描述了物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收能力，也稱(chēng)吸收光譜。1、不同物質(zhì)的吸收峰波長(zhǎng)不同，反映了物質(zhì)對(duì)光吸收的選擇性。3、濃度越大，光吸收程度越大，吸收峰越高。2、吸收峰波長(zhǎng)與溶液的濃度無(wú)關(guān)。

由于物質(zhì)對(duì)光的吸收具有選擇性，通過(guò)緩慢地改變通過(guò)某一吸收物質(zhì)的入射光的波長(zhǎng)（通過(guò)預(yù)先設(shè)定初始波長(zhǎng)、終止波長(zhǎng)、掃描速度），并記錄該物質(zhì)在每一波長(zhǎng)處的吸光度（A），然后以波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，以吸光度為縱坐標(biāo)作圖，這種掃描方法稱(chēng)為波長(zhǎng)掃描。1、波長(zhǎng)掃描2、時(shí)間掃描

在某一固定的波長(zhǎng)下，通過(guò)改變掃描時(shí)間的范圍，并記錄物質(zhì)在該波長(zhǎng)下的吸光度，然后以時(shí)間為橫坐標(biāo)，以吸光度為縱坐標(biāo)作圖，這種掃描方法稱(chēng)為時(shí)間掃描。sabs060八、紫外-可見(jiàn)吸收光譜法的應(yīng)用

定性分析定量分析配合物組成的研究各類(lèi)平衡常數(shù)的測(cè)定

（一）定性分析

1、無(wú)機(jī)化合物的定性分析紫外可見(jiàn)分光光度法對(duì)無(wú)機(jī)元素的定性分析應(yīng)用較少，無(wú)機(jī)元素的定性分析可用原子發(fā)射光譜法或化學(xué)分析的方法。在有機(jī)化合物的定性鑒定和結(jié)構(gòu)分析中，由于紫外-可見(jiàn)光譜較簡(jiǎn)單，特征性不強(qiáng)，因此該法的應(yīng)用有一定的局限性。

2、有機(jī)化合物的定性分析紫外可見(jiàn)吸收光譜鑒定有機(jī)化合物時(shí)，通常是在相同的測(cè)定條件下，比較未知物與已知標(biāo)準(zhǔn)物的紫外光譜圖，若兩者的譜圖相同，則可認(rèn)為待測(cè)試樣與已知化合物具有相同的生色團(tuán)。如果沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)物，也可借助于標(biāo)準(zhǔn)譜圖或有關(guān)電子光譜數(shù)據(jù)表進(jìn)行比較。但應(yīng)注意：紫外吸收光譜相同，兩種化合物有時(shí)不一定相同，因?yàn)樽贤馕展庾V通常只有2~3個(gè)較寬的吸收峰，具有相同生色團(tuán)的不同分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致不同分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相同的紫外吸收光譜，但它們的吸光系數(shù)是有差別的，所有在比較λmax的同時(shí)，還有比較它們的εmax。如果待測(cè)物和標(biāo)準(zhǔn)物的吸收波長(zhǎng)相同、吸光系數(shù)也相同，則可認(rèn)為兩者是同一物質(zhì)。在一般的比色法或分光光度法中，進(jìn)行定量分析的基本程序是：（1）

做基線(xiàn)：以溶劑或試劑空白等作為參比溶液置入光路中。（2）將被測(cè)溶液置入光路中，儀器就可以指示出這一溶液的吸光度。

紫外-可見(jiàn)分光光度定量分析的依據(jù)是Lambert-Beer定律，即在一定波長(zhǎng)處被測(cè)物質(zhì)的吸光度與它的濃度呈線(xiàn)性關(guān)系。因此，通過(guò)測(cè)定溶液對(duì)一定波長(zhǎng)入射光的吸光度，即可求出該物質(zhì)在溶液中的濃度和含量。（二）定量分析

（1）比較法

它是在相同的條件下，即相同的波長(zhǎng)、光程、溫度等，分別測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)溶液及待測(cè)溶液的吸光度值A(chǔ)0及Ax。測(cè)定所采用的波長(zhǎng)通常應(yīng)選被測(cè)物質(zhì)吸收光譜中的吸收峰處，以提高靈敏度并減少測(cè)量誤差。被測(cè)物如有幾個(gè)吸收峰，可選無(wú)其他物質(zhì)干擾的、較高的吸收峰。一般不選光譜中靠短波長(zhǎng)末端的吸收峰的波長(zhǎng)來(lái)作測(cè)定。A0=Kc0lAx=Kcxl1、單組分樣品的分析

（2）標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)法標(biāo)準(zhǔn)溶液：濃度分別為c1，c2，c3，c4，c5，c6，測(cè)定各自的吸光度（設(shè)分別為A1，A2，A3，A4，A5，A6）待測(cè)溶液Ax，在標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)上查得其對(duì)應(yīng)的濃度cx。

從待測(cè)物質(zhì)的吸收光譜圖上選定某一最大吸收波長(zhǎng)，用一系列不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液在該波長(zhǎng)處分別測(cè)得它們的吸光度，用吸光度對(duì)濃度作圖。若待測(cè)物質(zhì)對(duì)光的吸收符合朗伯-比爾定律，應(yīng)得到一條通過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)，即標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。在同樣條件下測(cè)定樣品溶液的吸光度，在標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)上可讀出樣品溶液的濃度。

吸光度的加和性：

若某一波長(zhǎng)的光束連續(xù)通過(guò)若干具有相同厚度，而濃度及摩爾吸光系數(shù)分別為c1、c2、c3………cn與ε1、ε2、ε3………εn的溶液時(shí)，相應(yīng)的透過(guò)光強(qiáng)度分別為I1、I2、I3………In。根據(jù)朗伯-比耳定律，各溶液的吸光度分別為A1=lg（I0/I1）；A2=lg（I0/I2）；A3=lg（I0/I3）………An=lg（I0/In）所有相同厚度各溶液的總吸光度等于上述各溶液吸光度之總和，即A總=A1+A2+A3+……+An如果溶液中同時(shí)含有n種吸光物質(zhì)，只要各組分之間無(wú)相互作用，則上述關(guān)系同樣成立，即溶液的總吸光度等于各組分吸光度之和。根據(jù)朗伯-比耳定律，溶液總吸光度A總可寫(xiě)為A總=ε1lc1+ε2lc2+ε3lc3+………+εnlcn2、多組分樣品的分析

二組分混合物的分析假設(shè)試樣中含有x,y兩種組分，在一定條件下將它們轉(zhuǎn)化為有色化合物，分別繪制其吸收光譜，會(huì)出現(xiàn)三種情況.（1）兩組分互不干擾，可分別在λ1和λ

2處測(cè)量溶液的吸光度。（2）組分x對(duì)組分y的吸光度測(cè)定有干擾，但組分y對(duì)x無(wú)干擾。這時(shí)可以先在λ1處測(cè)量溶液的吸光度Aλ1并求得x組分的濃度。然后再在λ2處測(cè)量溶液的吸光度Aλ2x+y和純組分x和y的ελ2x和ελ2y值，根據(jù)吸光度的加和性原則，可列出下式：Aλ2x+y=ελ2xlcx+ελ2ylcy純組分：Aλ2x0=ελ2xlcx0Aλ2y0=ελ2ylcy0即能求得組分y的濃度cy。（3）組分x,y彼此互相干擾。這時(shí)首先在λ1處測(cè)定混合物吸光度Aλ1x+y和純組分x及y的ελ１x和ελ１y值。然后在在λ２處測(cè)定混合物吸光度Aλ２x+y和純組分x及y的ελ２x和ελ２y值。根據(jù)吸光度的加和性原則，可列出方程式：

Aλ１x+y=ελ１xlcx+ελ１ylcy

Aλ2x+y=ελ2xlcx+ελ2ylcy

式中：ελ１x、ελ１y、ελ２x、ελ２y均由已知濃度x及y的純?nèi)芤簻y(cè)得，試液的Aλ１x+y和Aλ2x+y由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，cx和cy值通過(guò)解聯(lián)立方程求得。九、儀器介紹1．光源（輻射源）：鎢絲燈（測(cè)可見(jiàn)區(qū)吸收）和氫燈或氘燈（測(cè)紫外區(qū)吸收）