第十三章 紫外可見分光光度法

光學(xué)分析法

(spectralanalysis)光學(xué)分析法——利用輻射與物質(zhì)間相互作用進行定性、定量的分析方法。（物質(zhì)中的分子、原子、永遠處于運動狀態(tài)，這種物質(zhì)內(nèi)部的運動，在外部可以輻射或吸收能量的形式表現(xiàn)出來，這種形式即“電磁輻射”。）

光學(xué)光譜:紫外可見分光光度法原子吸收分光光度法熒光分析法原子發(fā)射法等

第十三章紫外可見分光光度法

(ultraviolet-visiblespectrophotometry,UV-Vis)

第一節(jié)電磁波

一.電磁波(electromagneticwave)電磁波：實驗證實，電磁波（電磁輻射）是一種以極高速度傳播的光量子流。既具有粒子性，也具有波動性。1.波動性：其特征是每個光子具有一定的波長，可以用波的參數(shù)如波長（λ）、頻率（ν）、周期（T）、及振幅（A）等來描述。（各種電磁波的本質(zhì)區(qū)別是不同“ν”，每一種電磁輻射有確定不變的“ν”

——取決于輻射源）由于在真空中，所有電磁波均以同樣的最大速度“C”傳播：各種輻射在真空中有固定的波長：(1)但電磁波在任何介質(zhì)中的傳播速度都比在真空中小，通常用真空中的“λ”

值來標記各種不同的電磁波。波長單位：紫外可見區(qū)常用“nm”紅外光區(qū)常用“?”微波區(qū)常用“cm”2.粒子性

電磁輻射與物質(zhì)之間能量的轉(zhuǎn)移用粒子性來解釋特征：輻射能是由一顆一顆不連續(xù)的粒子流傳播的，這種粒子叫光量子，是量子化的（發(fā)射或被吸收）。光量子的能量：

E=hν

式中：h—plank常數(shù)，其值為6.62610-34J·S光量子能量與波長的關(guān)系為：（2）例如：λ為200nm的光，一個光量子的能量是：由于光量子能量小（10-19J），因此定義：1eV（電子伏）=1.602110-19J則上例中

由（2）式可知：λ

E，λ

E

即：隨著λ

，輻射波動性變得較明顯；隨著λ

，輻射的粒子性表現(xiàn)的較明顯。二.電磁波電磁波譜：電磁輻射按波長順序排列稱為電磁波譜。紫外可見分光光度法：是根據(jù)物質(zhì)分子對紫外及可見光譜區(qū)光輻射的吸收特征和吸收程度進行定性、定量的分析方法。第二節(jié)分子吸收光譜(molecularabsorptionspectrum)一.分子吸收光譜的產(chǎn)生（一）分子能級與電磁波譜分子中包含有原子和電子，分子、原子、電子都是運動著的物質(zhì)，都具有能量，且都是量子化的。

在一定的條件下，分子處于一定的運動狀態(tài)（具有一定的能量），物質(zhì)分子內(nèi)部運動狀態(tài)有三種形式：①電子運動：電子繞原子核作相對運動（在一定能級上）；②原子運動：分子中原子或原子團在其平衡位置上作相對振動；③分子轉(zhuǎn)動：整個分子繞其重心作旋轉(zhuǎn)運動。所以：分子的能量總和為

E分子

=Ee+Ev+Ej+?(E0+E平)分子中各種不同運動狀態(tài)都具有一定的能級。三種能級：電子能級E（基態(tài)E1

與激發(fā)態(tài)E2）振動能級V=0，1，2，3?轉(zhuǎn)動能級J=0，1，2，3?

當分子吸收一個具有一定能量的光量子時，就有較低的能級基態(tài)能級E1躍遷到較高的能級及激發(fā)態(tài)能級E2

，被吸收光子的能量必須與分子躍遷前后的能量差?E

恰好相等，否則不能被吸收。對多數(shù)分子對應(yīng)光子波長光譜?E約為1~20eV1.25~0.06?紫外、可見區(qū)(電子)?E約為0.5~1eV25~1.25?(中）紅外區(qū)(振動)?E約為10-4~0.05eV1.25cm~25?（遠）紅外區(qū)(轉(zhuǎn)動)

分子的能級躍遷是分子總能量的改變。當發(fā)生電子能級躍遷時，則同時伴隨有振動能級和轉(zhuǎn)動能級的改變，即“電子光譜”——均改變。因此，分子的“電子光譜”是由許多線光譜聚集在一起的帶光譜組成的譜帶，稱為“帶狀光譜”（比原子的“線狀光譜”復(fù)雜得多）。

由于各種物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)不同

對不同能量的光子有選擇性吸收

吸收光子后產(chǎn)生的吸收光譜不同

利用物質(zhì)的光譜進行物質(zhì)分析的依據(jù)二.紫外-可見吸收光譜與有機分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系（一）電子躍遷的類型許多有機化合物能吸收紫外-可見光輻射。有機化合物的紫外-可見吸收光譜主要是由分子中價電子的躍遷而產(chǎn)生的。分子中的價電子有：成鍵電子：電子、電子（軌道上能量低）未成鍵電子：n電子（軌道上能量較低）這三類電子都可能吸收一定的能量躍遷到能級較高的反鍵軌道上去，見圖-3：*反鍵*反鍵-*-*n-*n-*n非成鍵能量

成鍵

成鍵1.-*躍遷-*的能量差大所需能量高吸收峰在遠紫外(λ<150nm)飽和烴只有、*軌道，只能產(chǎn)生-*躍遷，例如：甲烷吸收峰在125nm；乙烷吸收峰在135nm(<150nm)(因空氣中O2對<150nm輻射有吸收，定量分析時要求實驗室有真空條件，要求一般難達到）2.-*躍遷

-*能量差較小所需能量較低吸收峰紫外區(qū)(λ200nm左右)不飽和烴類分子中有

電子，也有*軌道，能產(chǎn)生-*躍遷：

CH2=CH2,吸收峰165nm,（吸收系數(shù)

大，吸收強度大，屬于強吸收）3.n-*躍遷

n-

*能量較低收峰紫外區(qū)(λ200nm左右)（與-*接近）

含有雜原子團如：-OH，-NH2，-X，-S等的有機物分子中除能產(chǎn)生-*躍遷外，同時能產(chǎn)生n-*躍遷，例如：三甲基胺(CH3)3N-的n-*吸收峰在227nm，

約為900L/mol·cm，屬于中強吸收。4.n-*躍遷n-

*能量低吸收峰在近紫外、可見區(qū)(λ200~700nm)含有雜原子的不飽和基團，如-C=O，-CN等，例如：

丙酮：n-*躍遷，λmax

280nm左右（同時也可產(chǎn)生-*躍遷），屬于弱吸收，<500L/mol·cm.

各種躍遷所需能量大小次序為：-*>n-*

-*

>n-*紫外-可見吸收光譜法在有機化合物中應(yīng)用主要以：-*、

n-*為基礎(chǔ)。（二）吸收峰的長移和短移

長移：吸收峰向長λ移動的現(xiàn)象，又稱紅移；

短移：吸收峰向短λ移動的現(xiàn)象，又稱紫移；增強效應(yīng)：吸收強度增強的現(xiàn)象；減弱效應(yīng)：吸收強度減弱的現(xiàn)象。（三）發(fā)色團和助色團

-*

、n-*躍遷都需要有不飽和的官能團以提供

軌道，因此，軌道的存在是有機化合物在紫外-可見區(qū)產(chǎn)生吸收的前提條件。1.發(fā)色團：具有

軌道的不飽和官能團稱為發(fā)色團

主要有：-C=O，-N=N-，-N=O，-CC-等。但是，只有簡單雙鍵的化合物生色作用很有限，其有時可能仍在遠紫外區(qū)，若分子中具有單雙鍵交替的“共軛大

鍵”（離域鍵）時，生色作用大大增強。如：丁二稀

CH2=CH—CH=CH2

由于大

鍵中的電子在整個分子平面上運動，活動性增加，使與*間的能量差減小，使-*吸收峰長移，生色作用大大增強。生色基團數(shù)目越多即共軛鍵越長波長長移越多2.助色團本身不“生色”，但能使生色團生色效應(yīng)增強的官能團——稱為助色團主要有：–OH、–NH2、–SH、–Cl、–Br等（具有未成鍵電子軌道n的飽和官能團）

當這些基團單獨存在時一般不吸收紫外-可見區(qū)的光輻射。但當它們與具有軌道的生色基團相結(jié)合時，將使生色團的吸收波長長移（紅移），且使吸收強度增強。（助色團至少要有一對與生色團

電子作用的孤對電子）三.吸收光譜吸收光譜：又稱吸收曲線，是以波長（λ）為橫坐標、吸光度（A）為縱坐標所描繪的圖形。特征：吸收峰曲線上比左右相鄰處都高的一處；

max吸收程度最大所對應(yīng)的（曲線最大峰處的）谷曲線上比左右相鄰處都低的一處；

min最低谷所對應(yīng)的；肩峰介于峰與谷之間，形狀像肩的弱吸收峰；末峰吸收在吸收光譜的短波長端所呈現(xiàn)的強吸收而不呈峰形的部分。定性分析：吸收光譜的特征（形狀和

max

）定量分析：一般選

max測吸收程度（吸光度A）（物質(zhì)的顏色：全吸收—黑色；全反射—白色；選擇性吸收—透過光的顏色）第三節(jié)光的吸收定律(spectralabsorptionlaw)一.Lambert-Beer定律——光吸收基本定律“Lambert-Beer定律”是說明物質(zhì)對單色光吸收的強弱與吸光物質(zhì)的濃度（C）和液層厚度（b）間的關(guān)系的定律，是光吸收的基本定律，是紫外-可見光度法定量的基礎(chǔ)。Lambert定律——吸收與液層厚度（b）間的關(guān)系Beer定律——吸收與物質(zhì)的濃度（C）間的關(guān)系

“Lambert-Beer定律”簡述如下：當一束平行的單色光通過含有均勻的吸光物質(zhì)的吸收池時，光的一部分被溶液吸收，一部分透過溶液，一部分被吸收池表面反射；設(shè)：入射光強度為I0，吸收光強度為Ia，透過光強度為It，反射光強度為Ir，則它們之間的關(guān)系應(yīng)為：

I0=Ia+It+Ir若吸收池的質(zhì)量和厚度都相同，則Ir基本不變，在具體測定操作時Ir的影響可互相抵消（與吸光物質(zhì)的C及b無關(guān)）上式可簡化為：I0=Ia+It

實驗證明：當一束強度為I0

的單色光通過濃度為C、液層厚度為b的溶液時，一部分光被溶液中的吸光物質(zhì)吸收后透過光的強度為It

，則它們之間的關(guān)系為：稱為透光率，用T表示，常用百分數(shù)T%稱為吸光度，用A表示

則A=-lgT=K·b·C

此即

Lambert-Beer定律數(shù)學(xué)表達式。

L-B定律可表述為：當一束平行的單色光通過溶液時，溶液的吸光度(A)與溶液的濃度(C)和厚度(b)的乘積成正比。

它是分光光度法定量分析的依據(jù)。二.吸光度的加和性設(shè)某一波長（

）的輻射通過幾個相同厚度的不同溶液C1，C2??

Cn，其透射光強度分別為I1，I2??

In

I0

I1

I2

In-1

In

??

C1

C2Cn根據(jù)吸光度定義：這一吸光體系的總吸光度為而各溶液的吸光度分別為：??

吸光度的和為：即幾個同厚度溶液的吸光度等于各分層吸光度之和。如果溶液中同時含有n中吸光物質(zhì)，只要各組分之間無相互作用（不因共存而改變本身的吸光特性），則：A=K1C1b1+K2C2b2+??

KnCnbn

=A1+A2+??+An應(yīng)用：

①進行光度分析時，試劑或溶劑有吸收，則可由所測的總吸光度A中扣除，即以試劑或溶劑為空白的依據(jù)；

②測定多組分混合物；③校正干擾；的主要依據(jù)。三.吸光系數(shù)Lambert-Beer定律中的比例系數(shù)“K”的物理意義是：

吸光物質(zhì)在單位濃度、單位厚度時的吸光度。一定條件（T、

及溶劑）下，K是物質(zhì)的特征常數(shù)，是定性的依據(jù)。K在標準曲線上為斜率，是定量的依據(jù)。

常有兩種表示方法：1.摩爾吸光系數(shù)（

）：當C用mol/L、b用cm為單位時，用摩爾吸光系數(shù)

表示，單位為L/mol·cmA=

·b·C

與b及C無關(guān)。

一般不超過105數(shù)量級，通常：

>104為強吸收；

<102為弱吸收；

102>>104為中強吸收。吸收系數(shù)不可能直接用1mol/L濃度的吸光物質(zhì)測量，一般是由較稀溶液的吸光系數(shù)換算得到。例如：用鄰二氮菲測定Fe2+，當

=500nm，CFe2+=1.0mg/L，b=2cm，則此時測得A=0.38，由此可計算出：2.吸光系數(shù)

當

C用g/L，b用cm為單位時，K用吸光系數(shù)a表示，單位為L/g·cmA=a·b·C

與a之間的關(guān)系為：

=M

·a

—通常多用于研究分子結(jié)構(gòu)

a—多用于測定含量。對于有些分子結(jié)構(gòu)不十分清楚的化合物，相對分子量不確切時使用a。四.引起偏離Lambert-Beer定律的因素根據(jù)L-B定律，A與C的關(guān)系應(yīng)是一條通過原點的直線，稱為“標準曲線”。但事實上往往容易發(fā)生偏離直線的現(xiàn)象而引起誤差，尤其是在高濃度時。導(dǎo)致偏離L-B定律的因素主要有：1.吸收定律本身的局限性2.化學(xué)因素3.儀器因素等。1.吸收定律本身的局限性L-B定律是一個有限的定律，只有在稀溶液中才能成立。由于在高濃度時（通常C>0.01mol/L），吸收質(zhì)點之間的平均距離縮小到一定程度，鄰近質(zhì)點彼此的電荷分布都會相互受到影響，此影響能改變它們對特定輻射的吸收能力，相互影響程度取決于C，因此，此現(xiàn)象可導(dǎo)致A與C線性關(guān)系發(fā)生偏差。此外，（n為折射率）只有當C0.01mol/L（低濃度）時，n基本不變，才能用

代替

真。2.化學(xué)因素溶液中的溶質(zhì)可因C的改變而有離解、締合、配位以及與溶劑間的作用等原因而發(fā)生偏離L-B定律的現(xiàn)象。例：在水溶液中，Cr(Ⅵ)的兩種離子存在如下平衡Cr2O42-+H2O?2CrO42-+2H+

2.化學(xué)因素Cr2O42-+H2O?2CrO42-+2H+

Cr2O42-、CrO42-有不同的A值，溶液的A值是二種離子的A之和。但由于隨著濃度的改變（稀釋）或改變?nèi)芤旱膒H值，[Cr2O42-]/[CrO42-]會發(fā)生變化，使C總與A總的關(guān)系偏離直線。消除方法：控制溶液的條件。3.儀器因素（非單色光的影響）

L-B定律的重要前提是“單色光”，即只有一種波長的光；實際上，真正的單色光？得到。由于吸光物質(zhì)對不同

的光的吸收能力不同（

不同），就導(dǎo)致對的偏離：“單色光”僅是一種理想情況，即使用棱鏡或光柵等所得到的“單色光”實際上是有一定波長范圍的光譜帶，“單色光”的純度與狹逢寬度有關(guān)，狹縫越窄，他所包含的波長范圍也越窄。4.其它光學(xué)因素（1）散射和反射：渾濁溶液由于散射光和反射光而偏離

L-B定律（2）非平行光第四節(jié)分光光度計(spectrophotometer)紫外-可見分光光度計是在紫外可見區(qū)可任意選擇不同的光測定吸光度的儀器。光路可用方框圖表示：光源吸收池單色器檢測器顯示器一.紫外-可見分光光度計的主要部件1.光源：提供入射光的裝置；

分光光度計要求光源應(yīng)能發(fā)射強度足夠、穩(wěn)定性良好的連續(xù)光譜（1）鎢燈或碘鎢燈：發(fā)射光

范圍寬，但紫外區(qū)很弱通常取此

>350nm光為可見區(qū)光源（2）氫燈或氘燈：氣體放電發(fā)光光源，發(fā)射150~400nm的連續(xù)光譜，用作紫外區(qū)光源

同時配有：穩(wěn)壓電源（穩(wěn)定I0）；光強補償裝置（I0易隨

變化）；聚光鏡（足夠強的光入進光狹縫）。2.單色器：將來自光源的光按波長的長短順序分散為單色光并能隨意調(diào)節(jié)所需波長光的一種裝置。（1）色散元件——把混合光分散為單色光的元件（是單色器的關(guān)鍵部分?。┏Ｓ玫脑校豪忡R——由玻璃或石英制成，它對不同

的光有不同的折射率，將復(fù)合光分開但：光譜疏密不均長

區(qū)密，短

區(qū)疏光柵—由拋光表面密刻許多平行條痕（槽）而制成，利用光的衍射作用和干擾作用使不同

的光有不同的方向，起到色散作用。（光柵色散后的光譜是均勻分布的）（2）狹縫——入口狹縫：限制雜散光進入出口狹縫：使色散后所需

的光通過（3）準直鏡——以狹縫為焦點的聚光鏡其作用為：將來自于入口狹縫的發(fā)散光變成單色光把來自于色散元件的平行光聚集于出口狹縫3.吸收池：裝被測溶液用的無色、透明、耐腐蝕的池皿

光學(xué)玻璃吸收池——只能用于可見區(qū)石英吸收池——可用于紫外及可見區(qū)定量分析時：吸收池應(yīng)配套（同種溶液測定?A

<0.5%）4.檢測器：將接受到的光信號轉(zhuǎn)變成電信號的元件。常用的有：（1）光電管一真空管內(nèi)裝有：一個絲狀陽極——用鎳制成一個半圓筒狀陰極——金屬制成，凹面涂光敏物質(zhì)。國產(chǎn)光電管：紫敏光電管：用銻、銫做陰極，適用范圍200~625nm紅敏光電管：用銀、氧化銫作陰極，適用范圍625~1000nm（2）光電倍增管：原理與光電管相似，結(jié)構(gòu)上有差異5.顯示器：電表指針、數(shù)字顯示、熒光屏顯示等顯示方式：A、T(%)、C等二.分光光度計的類型常見的可見及紫外-可見分光光度計：1.單波長、單光束分光光度計（721、722、752等）一個單色器；一種波長的單色光；一束單色光2.單波長雙光束分光光度計從一個單色器獲取一個波長的單色光用切光器分成二束強度相等的單色光實際測量到的吸光度A應(yīng)為?A

(

As-AR)：式中消去了I0,即消除了光源不穩(wěn)定性引起的

A值測量誤差。3.雙波長分光光度計二個單色器得到二個波長不同的單色光雙波長、單光束式分光光度計簡化示意圖兩束波長不同的單色光（

1、2

）交替地通過同一試樣溶液（同一吸收池）后照射到同一光電倍增管上，最后得到的是溶液對

1和

2兩束光的吸光度差值?A即A1