紫外-可見分光光度法 uv

第一章紫外-可見分光光度法(UltravioletandVisibleSpectrophotometry,UV-Vis)

1.1紫外-可見吸收光譜1.2吸收光譜的測量-----Lambert-Beer定律1.3紫外-可見光度計(jì)儀器組成1.4分析條件選擇1.5UV-Vis分光光度法的應(yīng)用

UV-Vis方法是分子光譜方法，它利用分子對外來輻射的選擇性吸收特性。

UV-Vis涉及分子外層電子的能級躍遷；光譜區(qū)在190~780nm.

UV-Vis主要用于分子的定量分析，但紫外光譜(UV)為四大波譜之一，是鑒定許多化合物，尤其是有機(jī)化合物的重要定性工具之一。1.1紫外-可見吸收光譜一、分子吸收光譜的形成1.過程：運(yùn)動的分子外層電子--------吸收外來輻射------產(chǎn)生電子能級躍遷-----分子吸收譜。2.能級組成：除了電子能級(Electronenergylevel)外，分子吸收能量將伴隨著分子的振動和轉(zhuǎn)動，即同時將發(fā)生振動(Vibration)能級和轉(zhuǎn)動(Rotation)能級的躍遷！據(jù)量子力學(xué)理論，分子的振-轉(zhuǎn)躍遷也是量子化的或者說將產(chǎn)生非連續(xù)譜。因此，分子的能量變化

E為各種形式能量變化的總和：其中

Ee最大：1-20eV;

Ev次之：0.05-1eV;

Er最?。?/p>

0.05eV可見，電子能級間隔比振動能級和轉(zhuǎn)動能級間隔大1~2個數(shù)量級，在發(fā)生電子能級躍遷時，伴有振-轉(zhuǎn)能級的躍遷，形成所謂的帶狀光譜。不同物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同或者說其分子能級的能量(各種能級能量總和)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或能量的外來輻射，這是UV-Vis定性分析的基礎(chǔ)。

定性分析具體做法是讓不同波長的光通過待測物，經(jīng)待測物吸收后，測量其對不同波長光的吸收程度(吸光度A)，以吸光度A為縱坐標(biāo)，輻射波長為橫坐標(biāo)作圖，得到該物質(zhì)的吸收光譜或吸收曲線，據(jù)吸收曲線的特性(峰強(qiáng)度、位置及數(shù)目等)研究分子結(jié)構(gòu)。-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。有機(jī)分子能級躍遷1.可能的躍遷類型有機(jī)分子包括:成鍵軌道、；反鍵軌道

*、*非鍵軌道n

例如H2O分子的軌道：

C

H

H

Ooooo=

=

o=n二、分子吸收光譜躍遷類型各軌道能級高低順序：

n

*

*（分子軌道理論計(jì)算結(jié)果）；可能的躍遷類型：

-

*；-

*；-

*；n-*；-

*；n-*

-

*：C-H共價(jià)鍵，如CH4（125nm）；C-C鍵，如C2H6(135nm)，處于真空紫外區(qū)；

-

*和

-

*躍遷：盡管所需能量比上述

-

*躍遷能量小，但波長仍處于真空紫外區(qū)；n-*：含有孤對電子的分子，如H2O(167nm)；CH3OH(184nm)；CH3Cl(173nm);CH3I(258nm)；(CH3)2S(229nm)；(CH3)2O(184nm)CH3NH2(215nm)；(CH3)3N(227nm)，可見，大多數(shù)波長仍小于

200nm，處于近紫外區(qū)。以上四種躍遷都與成鍵和反鍵軌道有關(guān)（

-

*，-

*，-

*和n-*），躍遷能量較高，這些躍遷所產(chǎn)生的吸收譜多位于真空紫外區(qū)，因而在此不加討論。

只有

-

*和n-*兩種躍遷的能量小，相應(yīng)波長出現(xiàn)在近紫外區(qū)甚至可見光區(qū)，且對光的吸收強(qiáng)烈，是我們研究的重點(diǎn)。2.幾個概念：生色團(tuán)（Chromogenesisgroup）：分子中含有非鍵或

鍵的電子體系，能吸收特征外來輻射時并引起n-*和-

*躍遷，可產(chǎn)生此類躍遷或吸收的結(jié)構(gòu)單元，稱為生色團(tuán)。助色團(tuán)（Auxochromousgroup）：含有孤對電子，可使生色團(tuán)吸收峰向長波方向移動并提高吸收強(qiáng)度的一些官能團(tuán)，稱之為助色團(tuán)。常見助色團(tuán)助色順序?yàn)椋?F<-CH3<-Br<-OH<-OCH3<-NH2<-NHCH3<-NH(CH3)2<-NHC6H5<-O-184204254270苯（*）苯酚（—OH為助色團(tuán)）A/nm紅移或藍(lán)移（Redshiftorblueshift）：在分子中引入的一些基團(tuán)或受到其它外界因素影響，吸收峰向長波方向（紅移）或短波方向移動（藍(lán)移）的現(xiàn)象。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。那么促使分子發(fā)生紅移或藍(lán)移的因素有哪些呢？1）共軛體系的存在----紅移如CH2=CH2的

-

*躍遷，

max=165~200nm；而1,3-丁二烯，

max=217nm2）異構(gòu)現(xiàn)象：使異構(gòu)物光譜出現(xiàn)差異。如CH3CHO含水化合物有兩種可能的結(jié)構(gòu)：CH3CHO-H2O及CH3CH(OH)2;已烷中，

max=290nm，表明有醛基存在，結(jié)構(gòu)為前者；而在水溶液中，此峰消失，結(jié)構(gòu)為后者。3）空間異構(gòu)效應(yīng)---紅移如CH3I(258nm),CH2I2(289nm),CHI3(349nm)4）取代基：紅移或藍(lán)移。取代基為含孤對電子，如-NH2、-OH、-Cl，可使分子紅移；取代基為斥電子基，如-R，-OCOR，則使分子藍(lán)移。苯環(huán)或烯烴上的H被各種取代基取代，多產(chǎn)生紅移。5）pH值：紅移或藍(lán)移苯酚在酸性或中性水溶液中，有210.5nm及270nm兩個吸收帶；而在堿性溶液中，則分別紅移到235nm和287nm（p-共軛）.6）溶劑效應(yīng)：紅移或藍(lán)移

由n-*躍遷產(chǎn)生的吸收峰，隨溶劑極性增加，形成H鍵的能力增加，發(fā)生藍(lán)移；由

-

*躍遷產(chǎn)生的吸收峰，隨溶劑極性增加，激發(fā)態(tài)比基態(tài)能量有更多的下降，發(fā)生紅移。隨溶劑極性增加，吸收光譜變得平滑，精細(xì)結(jié)構(gòu)消失。A/nmHCNNNNCH對稱四嗪水中環(huán)己烷中蒸汽中500 555無機(jī)物分子能級躍遷一些無機(jī)物也產(chǎn)生紫外-可見吸收光譜，其躍遷類型包括p-d躍遷或稱電荷轉(zhuǎn)移躍遷以及d-d,f-f躍遷或稱配場躍遷。1.電荷轉(zhuǎn)移躍遷(Chargetransfertransition)一些同時具有電子予體(配位體)和受體(金屬離子)的無機(jī)分子，在吸收外來輻射時，電子從予體躍遷至受體所產(chǎn)生的光譜。

max較大(104以上)，可用于定量分析。2.配場躍遷(Ligandfieldtransition)

過渡元素的d或f軌道為簡并軌道(Degenerationorbit)，當(dāng)與配位體配合時，軌道簡并解除，d或f軌道發(fā)生能級分裂。如果軌道未充滿，則低能量軌道上的電子吸收外來能量時，將會躍遷到高能量的d或f軌道，從而產(chǎn)生吸收光譜。吸收系數(shù)

max較小(102)，很少用于定量分析；多用于研究配合物結(jié)構(gòu)及其鍵合理論。無配場八面體場四面體場平面四面形場

d軌道電子云分布及在配場下的分裂示意圖1.2吸收光譜的測量-----Lambert-Beer定律一、

幾個術(shù)語當(dāng)強(qiáng)度為I0的入射光束(Incidentbeam)通過裝有均勻待測物的介質(zhì)時，該光束將被部分吸收，未被吸收的光將透過(Emergent)待測物溶液以及通過散射(Scattering)、反射(Reflection),包括在液面和容器表面的反射)而損失，這種損失有時可達(dá)10%，那么，I0=Ie+Is+Ir因此，在樣品測量時必須同時采用參比池和參比溶液扣除這些影響！二、Lambert-Beer定律當(dāng)入射光波長一定時，待測溶液的吸光度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)、溫度和入射波長有關(guān)。

當(dāng)濃度以g/L表示時，稱k為吸光系數(shù)，以a表示，即

當(dāng)濃度以mol/L表示時，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。

與波長有關(guān)，因此，

常以

表示。三、偏離L-B定律的因素樣品吸光度A與光程b總是成正比。但當(dāng)b一定時，A與c并不總是成正比，即偏離L-B定律！這種偏離由樣品性質(zhì)和儀器決定。1.樣品性質(zhì)影響a）待測物高濃度--吸收質(zhì)點(diǎn)間隔變小—質(zhì)點(diǎn)間相互作用—對特定輻射的吸收能力發(fā)生變化---

變化；b）試液中各組份的相互作用，如締合、離解、光化反應(yīng)、異構(gòu)化、配體數(shù)目改變等，會引起待測組份吸收曲線的變化；c）溶劑的影響：對待測物生色團(tuán)吸收峰強(qiáng)度及位置產(chǎn)生影響；d）膠體、乳狀液或懸浮液對光的散射損失。2.儀器因素儀器因素包括光源穩(wěn)定性以及入射光的單色性等。a）入射光的非單色性：不同光對所產(chǎn)生的吸收不同，可導(dǎo)致測定偏差。假設(shè)入射光由測量波長

x和干擾

i波長組成，據(jù)Beer定律，溶液對在

x和

i的光的吸光度分別為：綜合前兩式，得

當(dāng)

x=

i時，或者說當(dāng)

x=

i時，有A=xbc,符合L-B定律；

當(dāng)

x

i時，或者說當(dāng)

x

i時，則吸光度與濃度是非線性的。二者差別越大，則偏離L-B越大；

當(dāng)

x>i，測得的吸光度比在“單色光”

x處測得的低，產(chǎn)生負(fù)偏離；反之，當(dāng)

x<i，則產(chǎn)生正偏離。b）譜帶寬度與狹縫寬度：“單色光”僅是理想情況，經(jīng)分光元件色散所得的“單色光”實(shí)際上是有一定波長范圍的光譜帶(即譜帶寬度)。單色光的“純度”與狹縫寬度有關(guān)，狹縫越窄，它所包含的波長范圍越小，單色性越好。1.3紫外-可見光度計(jì)儀器組成紫外-可見光度計(jì)儀器由光源、單色器、吸收池和檢測器四部分組成。一、光源對光源基本要求：足夠光強(qiáng)、穩(wěn)定、連續(xù)輻射且強(qiáng)度隨波長變化小。1.鎢及碘鎢燈：340~2500nm，多用在可見光區(qū)；2.氫燈和氘燈：160~375nm，多用在紫外區(qū)。二、單色器(Mnochromator)與原子吸收光度儀不同，在UV-Vis光度計(jì)中，單色器通常置于吸收池的前面！（可防止強(qiáng)光照射引起吸收池中一些物質(zhì)的分解）三、吸收池(Cell，Container)：用于盛放樣品?？捎檬⒒虿Ａ煞N材料制作，前者適于紫外區(qū)和可見光區(qū)；后者只適于可見光區(qū)。有些透明有機(jī)玻璃亦可用作吸收池。四、檢測器：硒光電池、PMT、PDA二、紫外可見光度計(jì)儀器分光光度計(jì)分為單波長和雙波長儀器。1.單波長分光光度計(jì)單光束雙光束（空間分隔）雙光束（時間分隔）特點(diǎn)：雙光束方法因光束幾乎同時通過樣品池和參比池，因此可消除光源不穩(wěn)產(chǎn)生的誤差。光源檢測器單色器單色器切光器吸收池雙波長分光光度計(jì)示意圖2.雙波長分光度計(jì)通過切光器使兩束不同波長的光交替通過吸收池，測得吸光度差

A。AB1和AB2分別為在1和2處的背景吸收，當(dāng)1和2相近時，背景吸收近似相等。二式相減，得這表明，試樣溶液濃度與兩個波長處的吸光度差成正比。特點(diǎn)：可測多組份試樣、混濁試樣、而且可作成導(dǎo)數(shù)光譜、不需參比液(消除了由于參比池的不同和制備空白溶液等產(chǎn)生的誤差)、克服了電源不穩(wěn)而產(chǎn)生的誤差，靈敏度高。3、二極管陣列分光光度計(jì)特點(diǎn)：單吸收池，測定速度快4.分光光度計(jì)的校正當(dāng)光度計(jì)使用一段時間后其波長和吸光度將出現(xiàn)漂移，因此需要對其進(jìn)行校正。波長標(biāo)度校正：

使用鐠-釹玻璃（可見光區(qū)）和鈥玻璃（紫外光區(qū)）進(jìn)行校正。因?yàn)槎呔衅涓髯缘奶卣魑辗?。吸光度?biāo)度校正：

采用K2CrO4標(biāo)準(zhǔn)液校正（在25oC時，于不同波長處測定0.04000g/L的KOH溶液（0.05mol/L）的吸光度A，調(diào)整光度計(jì)使其A達(dá)到教材P31中表2.1所列的吸光度。1.4分析條件選擇一、儀器測量條件由于光源不穩(wěn)定性、讀數(shù)不準(zhǔn)等帶來的誤差。當(dāng)分析高濃度的樣品時，誤差更大。由L-B定律：微分后得：將上兩式相比，并將dT和dc分別換為T和c，得當(dāng)相對誤差

c/c最小時，求得T=0.368或A=0.434。即當(dāng)A=0.434時，吸光度讀數(shù)誤差最??！通?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)溶液濃度或改變光程b來控制A的讀數(shù)在0.15~1.00范圍內(nèi)。二、反應(yīng)條件選擇顯色劑的選擇原則：使配合物吸收系數(shù)

最大、選擇性好、組成恒定、配合物穩(wěn)定、顯色劑吸收波長與配合物吸收波長相差大等。2.顯色劑用量：配位數(shù)與顯色劑用量有關(guān)；在形成逐級配合物，其用量更要嚴(yán)格控制。3.溶液酸度：配位數(shù)和水解等與pH有關(guān)。4.顯色時間、溫度、放置時間等。三、參比液選擇溶劑參比：試樣組成簡單、共存組份少（基體干擾少）、顯色劑不吸收時，直接采用溶劑（多為蒸餾水）為參比；2.試劑參比：當(dāng)顯色劑或其它試劑在測定波長處有吸收時，采用試劑作參比（不加待測物）；3.試樣參比：如試樣基體在測定波長處有吸收，但不與顯色劑反應(yīng)時，可以試樣作參比（不能加顯色劑）。四、干擾消除1.控制酸度：配合物穩(wěn)定性與pH有關(guān)，可以通過控制酸度提高反應(yīng)選擇性，副反應(yīng)減少，而主反應(yīng)進(jìn)行完全。如在0.5MH2SO4介質(zhì)中，雙硫腙與Hg2+生成穩(wěn)定有色配合物，而與Pb2+、Cu2+、Ni2+、Cd2+等離子生成的有色物不穩(wěn)定。2.選擇掩蔽劑3.合適測量波長4.干擾物分離5.導(dǎo)數(shù)光譜及雙波長技術(shù)二、定量分析1.單組份定量方法1）標(biāo)準(zhǔn)曲線法（略）2）標(biāo)準(zhǔn)對比法：該法是標(biāo)準(zhǔn)曲線法的簡化，即只配制一個濃度為cs的標(biāo)準(zhǔn)溶液，并測量其吸光度，求出吸收系數(shù)k，然后由Ax=kcx求出cx該法只有在測定濃度范圍內(nèi)遵守L-B定律，且cx與cs大致相當(dāng)時，才可得到準(zhǔn)確結(jié)果。2.多組分定量方法由于吸光度具有加合性，因此可以在同一試樣中測定多個組份。設(shè)試樣中有兩組份X和Y，將其顯色后，分別繪制吸收曲線，會出現(xiàn)如圖所示的三種情況：

圖a)：X,Y組份最大吸收波長不重迭，相互不干擾，可以按兩個單一組份處理。圖b)和c)：X,Y相互干擾，此時可通過解聯(lián)立方程組求得X和Y的濃度：其中，X,Y組份在波長

1和

2處的摩爾吸光系數(shù)

可由已知濃度的X,Y純?nèi)芤簻y得。解上述方程組可求得cx及cy。3.雙波長法---等吸收點(diǎn)法當(dāng)混合物的吸收曲線重迭時，如右下圖所示，可利用雙波長法來測定。具體做法：將a視為干擾組份，現(xiàn)要測定b組份。a)

分別繪制各自的吸收曲線a,b；b)

畫一平行于橫軸的直線分別交于a組份曲線上兩點(diǎn)，并與b組分相交；c)

以交于a上一點(diǎn)所對應(yīng)的波長

1

為參比波長，另一點(diǎn)對應(yīng)的為測量波長

2，并對混合液進(jìn)行測量，得到：A1=A1a+A1b+A1sA2=A2a+A2b+A2s若兩波長處的背景吸收相同，即A1s=A2s二式相減，得，

A=(A2a-A1a)+(A2b-A1b)由于a組份在兩波長處的吸光度相等，因此，