第二章 可見(jiàn)紫外吸收光譜分析

第二章可見(jiàn)紫外吸收光譜分析第1頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月分子吸收光譜的產(chǎn)生（一）分子能級(jí)分子中包含有原子和電子，分子、原子、電子都是運(yùn)動(dòng)著的物質(zhì)，都具有能量，且都是量子化的。在一定的條件下，分子處于一定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，物質(zhì)分子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有三種形式：①電子運(yùn)動(dòng)：電子繞原子核作相對(duì)運(yùn)動(dòng)；②原子運(yùn)動(dòng)：分子中原子或原子團(tuán)在其平衡位置上作相對(duì)振動(dòng)；③分子轉(zhuǎn)動(dòng)：整個(gè)分子繞其重心作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)第2頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月分子的能級(jí)

1）價(jià)電子能級(jí)：1-20ev2）分子振動(dòng)能級(jí)：0.05-1ev3）分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí):<0.025ev電子能級(jí)E（基態(tài)E1與激發(fā)態(tài)E2）振動(dòng)能級(jí)V=0，1，2，3?轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)J=0，1，2，3?第3頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月不同物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同或者說(shuō)其分子能級(jí)的能量(各種能級(jí)能量總和)或能量間隔各異，因此不同物質(zhì)將選擇性地吸收不同波長(zhǎng)或能量的外來(lái)輻射，這是UV-Vis定性分析的基礎(chǔ)。

第4頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月如圖所示：在分子躍遷時(shí)除了電子能級(jí)(Electronenergylevel)外，分子吸收能量將伴隨著分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，即同時(shí)將發(fā)生振動(dòng)(Vibration)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)(Rotation)能級(jí)的躍遷！

因此，分子的“電子光譜”是由許多線光譜聚集在一起的譜帶，稱為“帶狀光譜”。P267第5頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月可見(jiàn)和紫外分光光度法

由于價(jià)電子的躍遷而產(chǎn)生的分子光譜稱為電子光譜。研究電子光譜的實(shí)驗(yàn)方法稱為可見(jiàn)和紫外分光光度法也叫可見(jiàn)和紫吸收光譜法。在電子能級(jí)變化時(shí)，不可避免地亦伴隨著分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的變化。因此，分子的電子光譜是帶狀光譜，比原子的線狀光譜要復(fù)雜得多。

第6頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月分子光譜的產(chǎn)生

當(dāng)用速率為υ的電磁波照射分子，而該分子的較高能級(jí)與較低能級(jí)之差ΔE恰好等于該電磁波能量hυ時(shí)，即ΔE=hυ，此時(shí)，在微觀上分子由較低的能級(jí)躍遷到較高能級(jí)。

在宏觀上，透射光的強(qiáng)度變小（被吸收了）。

若用一連續(xù)輻射的電磁波照射分子，將照射前后光強(qiáng)度的變化→電訊號(hào)并記錄下來(lái)?？傻玫揭恍┕鈴?qiáng)度變化對(duì)波長(zhǎng)λ的分布圖-分子吸收光譜圖。

第7頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月-胡羅卜素咖啡因阿斯匹林丙酮幾種有機(jī)化合物的分子吸收光譜圖。第8頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月分子（吸收）光譜的類型

遠(yuǎn)紅外吸收光譜：ΔE：0.005～0.5ev，λ為250-25μm，形成轉(zhuǎn)動(dòng)光譜或遠(yuǎn)紅外光譜。

紅外光譜：ΔE：0.05～1ev，λ為25-1.25μm，形成振-轉(zhuǎn)光譜或紅外光譜。

紫外-可見(jiàn)光譜：ΔE：1～200eV，比ΔE振大幾十倍，對(duì)應(yīng)λ為12.5-0.06μm。主要在真空紫外-可見(jiàn)光區(qū)，形成電子光譜或可見(jiàn)—紫外吸收光譜。通常所說(shuō)的紫外-可見(jiàn)吸收光譜法實(shí)際上是近紫外-可見(jiàn)光譜法。

第9頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二章可見(jiàn)紫外吸收光譜分析2.2光吸收基本定律:Lambert-Beer定律第10頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光吸收定律（Lambert-Beer定律）1)朗伯—比耳定律

布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)先后于1729年和1760年闡明了光的吸收程度和吸收層厚度的關(guān)系。固定溶液的濃度改變液層厚度則：A∝b第11頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1852年比耳(Beer)又提出了光的吸收程度和吸收物濃度之間也具有類似的關(guān)系。固定液層厚度改變濃度則：A∝c二者的結(jié)合稱為朗伯—比耳定律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：A＝lg（I0/It)=kbc

第12頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Lambert-Beer定律的表述：當(dāng)一束平行的單色光通過(guò)溶液時(shí)，溶液的吸光度與溶液的濃度及液層厚度的乘積成正比。它是分光光度法定量分析的依據(jù)。第13頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月吸光系數(shù)朗伯-比耳定律中，當(dāng)c以克/升，液層厚度b以厘米表示時(shí)，常數(shù)K以a表示，稱為吸光系數(shù)。a的單位為升/克.厘米。朗伯-比耳定律:A=abc第14頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月摩爾吸光系數(shù)

朗伯-比耳定律中，濃度用摩爾/升，液層厚度b用厘米為單位表示，則K用另一符號(hào)ε來(lái)表示。

ε稱為摩爾吸光系數(shù)(或克分子消光系數(shù))，單位為升/摩爾.厘米。

它表示物質(zhì)的濃度為1摩爾/升，液層厚度為1厘米時(shí)溶液的吸光度。

朗伯-比耳定律:A=εbc第15頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月摩爾吸光系數(shù)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。ε愈大，表示該物質(zhì)對(duì)其波長(zhǎng)光的吸收能力愈強(qiáng)，比色測(cè)定的靈敏度就愈高。因此進(jìn)行比色測(cè)定時(shí)，為了提高分析的靈敏度必須選擇摩爾吸光系數(shù)大的有色化合物，以及選擇具有最大ε值的波長(zhǎng)作入射光。ε與溶液的濃度及液層厚度無(wú)關(guān)。

是吸光物質(zhì)在一定波長(zhǎng)和溶劑條件下的特征常數(shù)，可作為定性鑒定的參數(shù)。也可以評(píng)價(jià)定量方法的靈敏度。第16頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)ε的不同，吸收分為：

弱吸收：ε<102

較弱吸收：102≤ε≤103

較強(qiáng)吸收：103≤ε≤104

強(qiáng)吸收：ε>104

第17頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Lambert-Beer定律小結(jié):當(dāng)入射光波長(zhǎng)一定時(shí)，待測(cè)溶液的吸光度A與其濃度和液層厚度成正比，即k為比例系數(shù)，與溶液性質(zhì)、溫度和入射波長(zhǎng)有關(guān)。

當(dāng)濃度以g/L表示時(shí)，稱k為吸光系數(shù)，以a表示，即

當(dāng)濃度以mol/L表示時(shí)，稱k為摩爾吸光系數(shù)，以

表示，即

比a更常用。

越大，表示方法的靈敏度越高。

與波長(zhǎng)有關(guān)，因此，

常以

表示。第18頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月吸光度A=lg(I0/I)A吸光度的意義：溶液吸收光越多，I越小，lg(I0/I)大，吸光度A大當(dāng)入射光全被吸收時(shí)，I=0，I0/I→∞lg(I0/I)=A→吸光度最大不吸收時(shí)，I=I0，I0/I=1，

lg(I0/I)=A=0→吸光度為零所以A的范圍是：

0≤A≤∞第19頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月透光度T=I/I0T透光度的意義：也叫透光率，表示透射光占入射光的比例。當(dāng)入射光全被吸收時(shí)，

I=o，T=I/I0=0，T=0當(dāng)入射光不被吸收時(shí)

I=I0，

T=I0/I=1，T=100%所以，0≤T≤1常用百分透光率表示A與T的關(guān)系：

A=lg(I0/I)=-lgT=Kbc，T=I/I0=10—Kbc第20頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第21頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第22頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月顯色劑被測(cè)離子λ最大(nm)摩爾吸光系數(shù)介

質(zhì)偶氮胂Ⅲ(鈾試劑Ⅲ)稀土離子Th(Ⅵ)U(Ⅳ)U(Ⅵ)665665670656(4—6)*1041.2*1051.2*1056.0*104

6MHCl6MHCl6MHNO3二苯硫腙Cd2+Cu2+Hg2+Pb2+518550490520

8.0*1044.5*1047.0*1046.6*104CHCl3CCl4CHCl3CHCl3鄰二氮菲Fe2+5081.1*104水某些化合物在λ最大時(shí)的ε

第23頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月標(biāo)準(zhǔn)曲線或工作曲線

在吸光光度分析中，通常固定吸收層的厚度不變，用比色計(jì)或分光光度計(jì)測(cè)量一系列標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度，根據(jù)朗伯-比耳定律：A=Kbc=K’c吸光度與吸光物質(zhì)的濃度成正比，故以吸光度為縱坐標(biāo)，濃度為橫坐標(biāo)作圖，應(yīng)得到一通過(guò)原點(diǎn)的直線，稱為標(biāo)準(zhǔn)曲線或工作曲線。

當(dāng)吸光物質(zhì)的濃度比較高時(shí)，明顯地看到標(biāo)準(zhǔn)曲線向濃度軸彎曲的情況(個(gè)別情況向吸光度軸彎曲)。這種情況稱為偏離朗伯-比耳定律。

第24頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月偏離朗伯-比耳定律的原因依據(jù)Beer定律，A與C關(guān)系應(yīng)為經(jīng)過(guò)原點(diǎn)的直線偏離Beer定律的主要因素表現(xiàn)為以下兩個(gè)方面（一）化學(xué)與物理因素（二）光學(xué)因素第25頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（一）化學(xué)與物理因素1)吸光物質(zhì)發(fā)生離解、締合等。2)懸濁液、乳濁液會(huì)產(chǎn)生光的折射、散射、反射。

第26頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月如：亞甲藍(lán)陽(yáng)離子水溶液的吸收光譜，單體的吸收峰在660nm處，而二聚體的吸收峰在610nm處，隨著濃度的增大，660nm處的吸收峰減弱，而610nm處的吸收峰增強(qiáng)，吸收光譜圖形狀發(fā)生改變。則導(dǎo)致吸光度與濃度的關(guān)系發(fā)生偏離。第27頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第28頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月又例如：重鉻酸鉀的水溶液有如下平衡：

將溶液稀釋2倍時(shí)，由于平衡向右移動(dòng)，溶液中的Cr2O72-離子濃度減少不是2倍，而是大于2倍，而偏離光吸收定律，產(chǎn)生誤差。

這種由于化學(xué)因素引起的偏離可用控制溶液條件的方法加以避免，如：在上述重鉻酸鉀的測(cè)定可在強(qiáng)酸或強(qiáng)堿性溶液中進(jìn)行可避免對(duì)光吸上定律的偏離。第29頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（二）光學(xué)因素

1)非單色光的影響：

Beer定律應(yīng)用的重要前提——入射光為單色光照射物質(zhì)的光經(jīng)單色器分光后并非真正單色光其波長(zhǎng)寬度由入射狹縫的寬度和棱鏡或光柵的分辨率決定為了保證透過(guò)光對(duì)檢測(cè)器的響應(yīng)，必須保證一定的狹縫寬度這就使分離出來(lái)的光具一定的譜帶寬度第30頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1)非單色光的影響：

光吸收定律的重要前提是入射光為單色光，但真正的單色光是沒(méi)有的，在分光光度法中所用的單色光是具有一定波長(zhǎng)范圍的光，有一定的寬度的譜帶，則將使線性產(chǎn)生偏離。第31頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

譜帶越窄，單色性越好，產(chǎn)生的誤差越小，但由于其仍是復(fù)合光，因物質(zhì)對(duì)不同的單色光的吸光系數(shù)不同，產(chǎn)生吸光度的變值而偏離Beer定律。第32頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2)雜散光

是指一些不在吸收譜帶寬度范圍內(nèi)的并與所需波長(zhǎng)相隔較遠(yuǎn)的光，這種光也使吸收光譜變形變值，現(xiàn)代儀器上有消除雜散光的裝置，故一般可忽略不計(jì)。第33頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

吸光物質(zhì)對(duì)入射光有散射作用，入射光在吸收池內(nèi)外界面通過(guò)時(shí)又有反射作用。散射光和反射光都是入射光譜帶內(nèi)的光對(duì)透射光強(qiáng)度都產(chǎn)生影響。3)散射光和反射光吸光物質(zhì)對(duì)光的散射和反射可使入射光減弱，透明的真溶液的質(zhì)點(diǎn)小，散射光不強(qiáng)可用空白補(bǔ)償。混濁溶液由于其質(zhì)點(diǎn)大，散射光強(qiáng)，又不易制備空白溶液，測(cè)定時(shí)常常產(chǎn)生較大的誤差。第34頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

反射光也使透光強(qiáng)度減弱，使測(cè)得的吸光度偏高，一般可用空白進(jìn)行補(bǔ)償。4)非平行光是指通過(guò)吸收池的光不平行，而導(dǎo)致通過(guò)的光比垂直平行光的光程長(zhǎng)，使厚度增大而影響測(cè)量值，這種測(cè)量時(shí)實(shí)際厚度的變異，也是同一物質(zhì)用不同儀器測(cè)定時(shí)產(chǎn)生差異的原因之一。第35頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二章可見(jiàn)紫外吸收光譜分析2.3可見(jiàn)紫外分光光度計(jì)第36頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月分類工作范圍（nm）光源單色器接受器國(guó)產(chǎn)型號(hào)可見(jiàn)分光光度計(jì)420～700360～700鎢燈鎢燈玻璃棱鏡玻璃棱鏡硒光電池光電管72型721型紫外、可見(jiàn)和近紅外分光光度計(jì)200～1000氫燈及鎢燈石英棱鏡或光柵光電管光電倍增管751型WFD-8型紅外分光光度計(jì)760～40000硅碳棒或輝光燈巖鹽或螢石棱鏡熱電堆或測(cè)輻射熱器WFD-3型WFD-7型分光光度計(jì)按測(cè)定的波長(zhǎng)范圍來(lái)分類

第37頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第38頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第39頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第40頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、組成部件

光源單色器樣品池檢測(cè)器記錄裝置第41頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（一）光源對(duì)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(qiáng)度和良好的穩(wěn)定性，而且輻射能量隨波長(zhǎng)的變化應(yīng)盡可能小。常用的光源有熱輻射光源（如鎢絲燈和鹵鎢燈）和氣體放電光源（如氫燈和氘燈）兩類。鎢燈或鹵鎢燈：350-2500nm可見(jiàn)區(qū)氫燈或氘燈：150-400nm紫外區(qū)第42頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（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(zhǎng)且波長(zhǎng)在紫外可見(jiàn)區(qū)域內(nèi)任意可調(diào)。第43頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(zhǎng)光通過(guò)棱鏡時(shí)有不同的折射率而將不同波長(zhǎng)的光分開(kāi)。由于玻璃可吸收紫外光，所以玻璃棱鏡只能用于用于可見(jiàn)光域內(nèi)。石英棱鏡可使用的波長(zhǎng)范圍較寬，可從185－4000nm，即可用于紫外、可見(jiàn)和近紅外三個(gè)光域。第44頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(jiàn)及紅外光域，而且在整個(gè)波長(zhǎng)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(zhǎng)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(diǎn)。缺點(diǎn)是各級(jí)光譜會(huì)重疊而產(chǎn)生干擾。第45頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（三）吸收池（樣品池）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(jiàn)光區(qū)及紫外光區(qū)，玻璃吸收池只能用于可見(jiàn)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(cè)定中（紫外區(qū)尤其重要），吸收池要挑選配對(duì)。因?yàn)槲粘夭牧系谋旧砦馓卣饕约拔粘氐墓獬涕L(zhǎng)度的精度等對(duì)分析結(jié)果都有影響。第46頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（四）檢測(cè)器作用：把光信號(hào)變成電信號(hào)。常用的檢測(cè)器有光電池、光電管和光電倍增管等。光電池是用一種光敏半導(dǎo)體，有硒光電池（用于可見(jiàn)光區(qū)）和硅光電池（能用于可見(jiàn)和紫外光區(qū)），當(dāng)光照時(shí)產(chǎn)生光電流，在一定范圍內(nèi)光電流與與照射的光強(qiáng)度成正比，用微電流計(jì)測(cè)量，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(jì)中。第47頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

光電管：是由一個(gè)陽(yáng)極和一個(gè)光敏陰極組成的真空二極管。陰極表面鍍有堿金屬或堿金屬氧化物等光敏材料，當(dāng)它被足夠的能量的光照射時(shí)，能夠發(fā)射出電子。當(dāng)在兩極有電位差時(shí)，發(fā)射出的電子流向陽(yáng)極而產(chǎn)生電流，其電流的大小取決于照射光的強(qiáng)度，其有很高的內(nèi)阻，產(chǎn)生的電流很容易放大。第48頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月真空光電管90VDC直流放大陰極R-+光束e陽(yáng)極絲（Ni）抽真空光電管:陰極為一個(gè)金屬半圓筒，內(nèi)表面鍍有適當(dāng)?shù)墓怆姲l(fā)射材料。陽(yáng)極為金屬電極，通常為鎳。當(dāng)光線照射到光電管的陰極上時(shí)，即發(fā)射出電子。如光電管的兩極間加上電壓，則線路便有電流通過(guò)。第49頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月真空光電管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)）。第50頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月目前國(guó)產(chǎn)的光電管有紫敏和紅敏光電管.紅敏光電管常用陰極為銀氧化銫陰極適用波長(zhǎng)范圍：625－1000nm紫敏