第一章-紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)課件-201009-

儀器分析曾瑾生命科學(xué)學(xué)院分光光度技術(shù)(分光光度法)主要是指利用物質(zhì)特有的吸收光譜來(lái)鑒定物質(zhì)性質(zhì)及含量的技術(shù)，其理論依據(jù)是Lambert和Beer定律。第一章紫外可見(jiàn)分光光度技術(shù)紫外可見(jiàn)吸收光譜法的應(yīng)用可進(jìn)行定量分析，可用來(lái)對(duì)紫外可見(jiàn)光區(qū)具有吸收的物質(zhì)進(jìn)行定性鑒定和結(jié)構(gòu)分析，可用于測(cè)定有關(guān)的化學(xué)或物理化學(xué)常數(shù)，如平衡常數(shù)、配合物的配位比等。利用紫外可見(jiàn)吸收光譜法進(jìn)行定量分析時(shí)，具有以下特點(diǎn)：①靈敏度高

一般可測(cè)定10-6g級(jí)的物質(zhì)，在某些條件下，甚至達(dá)10-9g級(jí)的物質(zhì)，適用于微量組分的測(cè)定；②準(zhǔn)確度高

相對(duì)誤差一般可達(dá)1％以下；③選擇性好

復(fù)雜組分的系統(tǒng)中，不需要分離，即能檢測(cè)出其中所含的極少量物質(zhì)：④操作簡(jiǎn)便

分析速度快；⑤應(yīng)用范圍廣

可用于無(wú)機(jī)物和有機(jī)化合物的定量測(cè)定，不僅用于微量組分的測(cè)定，還用于常量組分(用示差分光光度法)和多組分混合物的測(cè)定。

第一節(jié)

基本原理

一、光分析法及其特點(diǎn)

(

opticalanalysisanditscharacteristics)

光分析法：基于電磁輻射能量與待測(cè)物質(zhì)相互作用后所產(chǎn)生的輻射信號(hào)與物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)關(guān)系所建立起來(lái)的分析方法；電磁輻射范圍：射線～無(wú)線電波所有范圍；相互作用方式：發(fā)射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射等；光分析法在研究物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)表征、表面分析等方面具有其他方法不可區(qū)代的地位；三個(gè)基本過(guò)程：（1）能源提供能量；（2）能量與被測(cè)物之間的相互作用；（3）產(chǎn)生信號(hào)?；咎攸c(diǎn)：（1）所有光分析法均包含三個(gè)基本過(guò)程；（2）選擇性測(cè)量，不涉及混合物分離（不同于色譜分析）；（3）涉及大量光學(xué)元器件。二、電磁輻射的基本性質(zhì)

basic

propertiesofelectromagneticradiation

電磁輻射（電磁波）：以接近光速（真空中為光速）傳播的能量；

c=λν=ν/σ

E=hν=hc/λc：光速；λ：波長(zhǎng)；ν：頻率；σ：波數(shù)；E：能量；h：普朗克常數(shù)電磁輻射具有波動(dòng)性和微粒性；輻射能的特性：(1)吸收物質(zhì)選擇性吸收特定頻率的輻射能，并從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)；(2)發(fā)射將吸收的能量以光的形式釋放出；(3)散射丁達(dá)爾散射和分子散射；(4)折射折射是光在兩種介質(zhì)中的傳播速度不同所造成的；(5)反射(6)干涉干涉現(xiàn)象；(7)衍射光繞過(guò)物體而彎曲地向其后面?zhèn)鞑サ默F(xiàn)象；(8)偏振只在一個(gè)固定方向有振動(dòng)的光稱為平面偏振光。按照產(chǎn)生光譜的物質(zhì)類型的不同（1）原子光譜與分子光譜和固體光譜氣態(tài)原子發(fā)生能級(jí)躍遷時(shí)，能發(fā)射或吸收一定頻率的電磁輻射，經(jīng)過(guò)光譜儀所得到的一條條分立的線狀光譜，稱為原子光譜。處于氣態(tài)或溶液中的分子，當(dāng)發(fā)生能級(jí)躍遷時(shí)，所發(fā)射或吸收的是一定頻率范圍的電磁輻射組成的帶狀光譜，稱為分子光譜。熾熱的固體物質(zhì)及復(fù)雜分子受激后，發(fā)射出波長(zhǎng)范圍相當(dāng)廣闊的連續(xù)光譜，稱為固體光譜。三、光分析分類typeof

opticalanalysis

（2）吸收光譜與發(fā)射光譜當(dāng)物質(zhì)受到光輻射作用時(shí)，物質(zhì)中的分子或原子以及強(qiáng)磁聲中的原子核吸收了特定的光子后，由低能態(tài)（一般為基態(tài)）被激發(fā)躍遷到高能態(tài)（激發(fā)態(tài)），此時(shí)如將所吸收的光輻射記錄下來(lái)，得到的就是吸收光譜。吸收了光能處于高能態(tài)的分子或原子，其壽命很短，當(dāng)它們回到基態(tài)或較低能態(tài)時(shí)，有時(shí)重新以光輻射形式釋放出來(lái)，由此獲得的光譜就是發(fā)射光譜。

光譜法——基于物質(zhì)與輻射能作用時(shí)，分子發(fā)生能級(jí)躍遷而產(chǎn)生的發(fā)射、吸收或散射的波長(zhǎng)或強(qiáng)度進(jìn)行分析的方法；原子光譜、分子光譜、非光譜法原子光譜（線性光譜）：最常見(jiàn)的三種基于原子外層電子躍遷的原子吸收光譜（AAS）；原子發(fā)射光譜（AES）、原子熒光光譜（AFS）；基于原子內(nèi)層電子躍遷的X射線熒光光譜（XFS）；基于原子核與射線作用的穆斯堡譜；分子光譜（帶狀光譜）：基于分子中電子能級(jí)、振-轉(zhuǎn)能級(jí)躍遷；紫外光譜法（UV）；紅外光譜法（IR）；分子熒光光譜法（MFS）；分子磷光光譜法（MPS）；核磁共振與順磁共振波譜（N）；非光譜法：不涉及能級(jí)躍遷，物質(zhì)與輻射作用時(shí)，僅改變傳播方向等物理性質(zhì)；偏振法、干涉法、旋光法等；

光分析法光譜分析法非光譜分析法原子光譜分析法分子光譜分析法原子吸收光譜原子發(fā)射光譜原子熒光光譜X射線熒光光譜折射法圓二色性法X射線衍射法干涉法旋光法紫外光譜法紅外光譜法分子熒光光譜法分子磷光光譜法核磁共振波譜法光譜分析法吸收光譜法發(fā)射光譜法原子光譜法分子光譜法原子發(fā)射原子吸收原子熒光X射線熒光原子吸收紫外可見(jiàn)紅外可見(jiàn)核磁共振紫外可見(jiàn)紅外可見(jiàn)分子熒光分子磷光核磁共振化學(xué)發(fā)光原子發(fā)射原子熒光分子熒光分子磷光X射線熒光化學(xué)發(fā)光原子光譜為線狀光譜，分子光譜為帶狀光譜；為什么分子光譜為帶狀光譜？原子光譜圖分子光譜圖1.分子中的能量E=Ee+Ev+Er+En+Et+Ei分子中原子的核能：En分子的平移能：Et電子運(yùn)動(dòng)能：Ee原子間相對(duì)振動(dòng)能：Ev分子轉(zhuǎn)動(dòng)能：Er基團(tuán)間的內(nèi)旋能：Ei在一般化學(xué)反應(yīng)中，En不變；Et、Ei較??；

E=Ee+Ev+Er分子產(chǎn)生躍遷所吸收能量的輻射頻率：

ν=ΔEe/h+ΔEv/h+ΔEr/h四、物質(zhì)對(duì)光波的吸收原理2.雙原子分子能級(jí)圖分子中價(jià)電子位于自旋成對(duì)的單重基態(tài)S0分子軌道上，當(dāng)電子被激發(fā)到高能級(jí)上時(shí)，若激發(fā)態(tài)與基態(tài)中的電子自旋方向相反，稱為單重激發(fā)態(tài)，以S1、S2、······表示；反之，稱為三重激發(fā)態(tài)，以T1、T2、······表示；單重態(tài)分子具有抗磁性；三重態(tài)分子具有順磁性；躍遷致單重激發(fā)態(tài)的幾率大，壽命長(zhǎng)；3.躍遷類型與分子光譜分子光譜復(fù)雜，電子躍遷時(shí)帶有振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷；分子的紫外-可見(jiàn)吸收光譜是由純電子躍遷引起的，故又稱電子光譜，譜帶比較寬；分子的紅外吸收光譜是由于分子中基團(tuán)的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷引起的，故也稱振轉(zhuǎn)光譜；分子的熒光光譜是在紫外或可見(jiàn)光照射下，電子躍遷至單重激發(fā)態(tài)，并以無(wú)輻射弛豫方式回到第一單重激發(fā)態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)，再躍回基態(tài)或基態(tài)中的其他振動(dòng)能級(jí)所發(fā)出的光；分子的磷光是指處于第一最低單重激發(fā)態(tài)的分子以無(wú)輻射弛豫方式回到第一最低三重激發(fā)態(tài)，再躍遷回到基態(tài)所發(fā)出的光；當(dāng)一束紫外可見(jiàn)光(通常為200—800nm)照射分子時(shí)，若分子的某些價(jià)電子的能級(jí)差ΔE電恰好與某一定頻率(或波長(zhǎng))的光相適應(yīng)時(shí)(即ΔE電＝E2-E1=hv)，則該頻率(或波長(zhǎng))的光被該物質(zhì)選擇性吸收，價(jià)電子由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，將物質(zhì)對(duì)光吸收的情況以波長(zhǎng)λ為橫坐標(biāo)，對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收程度A為縱坐標(biāo)，繪制的A一λ曲線即為紫外可見(jiàn)吸收光譜，也叫紫外可見(jiàn)吸收曲線，見(jiàn)圖。

能量與頻率的關(guān)系式如下；E=E1-E2=hvE=分子吸收或發(fā)射的輻射能E1=電子在起始能級(jí)的能量E2=電子在最終能級(jí)的能量h=普朗克常數(shù)=6．63×10-27爾格·秒

五、朗伯—比爾(Lambert—Beer)定律

1．朗伯定律

-lgT=-lg（It/I0）=lg（I0/It）∝L將上述比例式寫成等式，得到lg（I0/It）=K1L式中l(wèi)g（I0/It）稱為吸光度(A)(absorbance)，又稱為消光度(E)(degreeofextinction)或光密度(D)(opticaldensity)。所以A=K1L2．比爾定律lg（I0/It）=K2CA=K2C式中C為有色物質(zhì)溶液的濃度；K2為比例系數(shù)，其值取決于入射光的波長(zhǎng)，溶液的性質(zhì)和液層的厚度，以及溶液的溫度等。

3．朗伯—比爾定律如果同時(shí)考慮吸收層的厚度和溶液濃度對(duì)光吸收的影響，則必須將朗伯定律和比爾定律合并起來(lái)，得lg（I0/It）=KLCA=KLC第二節(jié)

分光光度技術(shù)的應(yīng)用

一、紫外可見(jiàn)吸收光譜與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系

1、紫外可見(jiàn)吸收光譜與電子躍遷從化學(xué)鍵性質(zhì)來(lái)看，與紫外可見(jiàn)吸收光譜有關(guān)的電子是：成鍵σ電子、成鍵π電子和未成鍵的n電子，這三種類型的電子可用乙醛分子示例如下當(dāng)有機(jī)化合物吸收光輻射以后，分子中的電子躍遷方式主要有四種類型，即σ→σ*、n→σ*n→σ，n→π*及π→π*。這四種電子躍遷所吸收的能量(△E)的大小關(guān)系為n→π*<π→π*≤n→σ*<σ→σ*

σ*反鍵軌道π*反鍵軌道

n非成鍵軌道π成鍵軌道

σ成鍵軌道有機(jī)化合物分子的電子能級(jí)和躍遷類型

電子能級(jí)及躍遷類型圖

（1）．σ→σ*躍遷這是成鍵電子σ被激發(fā)到反鍵σ*軌道所產(chǎn)生的躍遷，飽和碳?xì)浠衔锟僧a(chǎn)生這類電子躍遷。（2）．n→σ*躍遷這是未共用n電子被激發(fā)到σ*軌道所產(chǎn)生的躍遷，凡是含有未共用電子對(duì)的雜原子(如O、S、N、X)的飽和化合物都可能發(fā)生n→σ*躍遷。（3）．π→π*躍遷這是π電子被激發(fā)到π*軌道上所產(chǎn)生的躍遷，任何具有雙鍵或叁鍵的不飽和有機(jī)化合物等(C=O，C=C)可發(fā)生π→π*躍遷。（4）．n→π*躍遷

這是未共用n電子被激發(fā)到π*軌道上所產(chǎn)生的躍遷，這類躍遷一般發(fā)生在含有雜原子的雙鍵(如C=O，－N=O，C＝S，

－N＝N－等)不飽和有機(jī)化合物中。2、發(fā)色團(tuán)與助色團(tuán)，長(zhǎng)移與短移（1）．發(fā)色團(tuán)與助色團(tuán).發(fā)色團(tuán)

能夠吸收紫外可見(jiàn)光，產(chǎn)生π→π*或n→π*躍遷的基團(tuán)稱為發(fā)色團(tuán)。助色團(tuán)有些基團(tuán)本身不能夠吸收紫外可見(jiàn)光，但它與發(fā)色團(tuán)相連時(shí)，可使發(fā)色團(tuán)產(chǎn)生的吸收峰向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，吸收強(qiáng)度增強(qiáng)，這類基團(tuán)稱為助色團(tuán)。

（2）．長(zhǎng)移與短移長(zhǎng)移吸收峰向長(zhǎng)波方向移動(dòng)的這種現(xiàn)象稱為長(zhǎng)移，又稱為紅移或深色移動(dòng)。短移吸收峰向短波方向移動(dòng)的這種現(xiàn)象稱為短移，又稱為藍(lán)移、紫移或淺色移動(dòng)。3、影響紫外可見(jiàn)吸收光譜的因素（1）．共軛效應(yīng)

當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上的發(fā)色團(tuán)被一個(gè)單鍵隔開(kāi)形成共軛體系時(shí)，由于大π鍵的形成使各能級(jí)間能量差減小，使躍遷所需能量減小，吸收峰的波長(zhǎng)長(zhǎng)移、吸收強(qiáng)度增加的這種效應(yīng)稱為共軛效應(yīng)。

化合物（共軛）雙鍵數(shù)λmax（nm）K乙烯丁二烯已三烯二甲基辛四烯癸五烯123451652172582963351×1042.1×1043.5×1045.2×1041.2×105共軛多烯的吸收情況

（2）．助色效應(yīng)

當(dāng)助色團(tuán)與發(fā)色團(tuán)相連時(shí)，助色團(tuán)的n電子與發(fā)色團(tuán)的π電子共軛，使吸收峰的波長(zhǎng)長(zhǎng)移，吸收強(qiáng)度增強(qiáng)的這種現(xiàn)象稱為助色效應(yīng)。

（3）．超共軛效應(yīng)

烷基上的σ電子與共軛體系中的π電子共軛，使吸收峰向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，吸收強(qiáng)度增強(qiáng)，這種σ鍵與π鍵共軛引起的現(xiàn)象稱為超共軛效應(yīng)。（4）．溶劑效應(yīng)

由溶劑的極性強(qiáng)弱引起吸收峰波長(zhǎng)發(fā)生位移，吸收強(qiáng)度和形狀發(fā)生改變的這種現(xiàn)象，稱為溶劑效應(yīng)。溶劑正已烷氯仿甲醇水

π→π*n→π*230nm329nm238nm315nm237nm309nm243nm305nm長(zhǎng)移短移異丙叉丙酮的溶劑效應(yīng)

（5）．空間效應(yīng)

由于空間障礙，妨礙兩個(gè)發(fā)