現(xiàn)代檢測技術(shù)-紫外-可見分光光度分析法課件

現(xiàn)代檢測技術(shù)前言環(huán)境化學一般面臨的問題：1.環(huán)境中有什么潛在的有毒物質(zhì)？2.它們的來源是哪里？3.進入環(huán)境后有什么變化？4.可能造成什么危害？5.應當采取什么措施？6.新化學品進入環(huán)境前應采取什么防范措施？解決這些問題的手段就是樣品檢測。9/28/20231現(xiàn)代檢測技術(shù)前言環(huán)境化學一般面臨的問題：8/7/20231通過檢測技術(shù)可以闡明物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)及含量?？茖W地回答“Whatisthis?”、“Howmuch?”、“Whyso?”現(xiàn)代檢測技術(shù)，實際上就是儀器分析。它利用特殊儀器測量物質(zhì)的物理或物理化學參數(shù)及其變化來對物質(zhì)進行表征和測量的分析方法。儀器分析并不是一門獨立的學科，而是一門綜合學科。近代的儀器分析是涉及到物理學、數(shù)學和生物科學以及微電子和計算機技術(shù)等諸多領域的一門學科。是多種儀器方法的組合。其中的各種方法一般都有獨立的方法原理及理論基礎。9/28/20232通過檢測技術(shù)可以闡明物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)及含量?？茖W地回答據(jù)統(tǒng)計，21世紀授予的諾貝爾獎項目中，物理學科項目的68．4％，化學學科項目的74．6％，生物醫(yī)學學科項目的90％，都是借助各種先進儀器完成的。1992年諾貝爾化學獎獲得者RR．Ernst說“現(xiàn)代科學的進步越來越依靠尖端儀器的發(fā)展!”所以說科學儀器技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、創(chuàng)新是人類科學發(fā)展、社會發(fā)展的基礎。9/28/20233據(jù)統(tǒng)計，21世紀授予的諾貝爾獎項目中，物理學科項目的68．4近年來分析儀器向小型化、專用化、簡用化(甚至“傻瓜化”)的另一極端方向發(fā)展也已經(jīng)成為潮流、滿足現(xiàn)代社會和經(jīng)濟發(fā)展的多樣化要求。分析儀器已經(jīng)由傳統(tǒng)的落地式——臺式——移動式——便攜式——袋裝式——芯片式變化；分析儀器的應用也已由條件可控的實驗室，經(jīng)過專門培訓的分析人員向現(xiàn)場、野外、家庭和非專業(yè)人員轉(zhuǎn)移，出現(xiàn)了種種單鍵(start)操作，即插即用(plugandplay)、無需控制(nocontro1)、無維護甚至“用過即棄”的簡便、專用分析儀器。9/28/20234近年來分析儀器向小型化、專用化、簡用化(甚至“傻瓜化”)的另電化學分析法光學分析法其他儀器分析法色譜分析法電位分析法電導分析法電解分析法庫侖分析法極譜分析法儀器分析方法光譜分析法原于光譜法分子光譜法X射線光譜法核磁共振波譜法非光譜分析法質(zhì)譜分析法熱分析法放射化學分板法氣相色譜分析法高效液相色譜分析法薄層色譜分析法紙色譜法9/28/20235電化學分析法光學分析法其他儀器色譜分析法電位分析法儀器分析光

第一章

紫外—可見分光光度法(UltravioletandVisibleSpectrophotometry,UV-Vis

)▲§1-1紫外—可見吸收光譜法概述▲一.何謂紫外—可見分光光度分析法

利用液體分子（離子）對入射光的選擇性吸收而建立起來的方法。自然界中有許多有顏色的物質(zhì)，它們的濃度越大，顏色越深。而不同的物質(zhì)有不同的顏色。因此可以利用它們的顏色差異和深淺進行定性、定量分析。而分析儀器的進一步發(fā)展表明，即便是沒有顏色的物質(zhì)，如具有紫外吸收的，仍可采用分光光度法進行定性及定量分析。光源分光器樣品池光電轉(zhuǎn)換器I0I0vIv9/28/20236 第一章紫外—可見分光光度法8/7/20236▲二.紫外—可見分光光度分析法的特點主要用于日常定量分析，特別是基層單位廣泛使用。*靈敏度高10-5～10-6mol/L,甚至ppb*精密度高(相對標準偏差，變異系數(shù)）2～5%

*適用范圍廣可對幾乎所有有機、無機物進行定性及定量分析，可監(jiān)控降解等反應動力學過程。*選擇性較好較傳統(tǒng)化學分析法選擇性好，干擾少。不同化合物有不同的光譜，當化學性質(zhì)相近時，化學分析難以完成。9/28/20237▲二.紫外—可見分光光度分析法的特點8/7/20237*儀器簡單、易操作*局限性a.可見光部分前期操作較繁，如常需顯色、掩蔽，消耗試劑多。b.紫外部分不用顯色，但許多有機化合物無吸收或吸收光譜重疊，選擇性差。c.高濃度分析誤差大，吸收信號與濃度成非線性關(guān)系。d.超純物質(zhì)的分析誤差大。9/28/20238*儀器簡單、易操作8/7/20238▲三、分子吸收光譜的形成

過程：運動的分子外層電子--------吸收外來外來輻射------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：9/28/20239▲三、分子吸收光譜的形成8/7/20239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。分子光譜由電子光譜、振動光譜和轉(zhuǎn)動光譜構(gòu)成。9/28/202310其中Ee最大：1-20eV1～20ev的波長在100～1000nm，即紫外至紅外。盡管電子光譜、振動光譜和轉(zhuǎn)動光譜的能量變化都是量子化的，即非連續(xù)的，但從宏觀上看，整個分子光譜可近似為連續(xù)光譜，稱為帶狀光譜。9/28/2023111～20ev的波長在100～1000nm，即紫外至紅外。盡管

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。

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，輻射波長為橫坐標作圖，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(峰強度、位置及數(shù)目等)研究分子結(jié)構(gòu)。9/28/202312不同物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同或者說其分子能級的能量(各種9/28/2023138/7/202313▲

四

分光光度分析原理（Lambert-Beer定律）

I0IV吸光度A：入射光強度與透射光強度之比的對數(shù)。9/28/202314▲四分光光度分析原理（Lambert-Beer定▲（一）Lambert-Beer定律

當入射光波長一定時，待測溶液的吸光度A與其濃度c和液層厚度b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)。

當濃度以g/L表示時，稱k為吸光系數(shù)，以a表示，即

當濃度以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。9/28/202315▲（一）Lambert-Beer定律8/7/202315▲（二）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。AC正偏離負偏離校正曲線（工作曲線）9/28/202316▲（二）偏離L-B定律的因素AC正偏離負偏離校正曲線▲

1.樣品性質(zhì)影響

a）待測物高濃度--吸收質(zhì)點間隔變小—質(zhì)點間相互作用—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、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：對待測物生色團吸收峰強度及位置產(chǎn)生影響；d）樣品性狀的影響：膠體、乳狀液或懸浮液對光的散射損失。多數(shù)具有拉平效應，產(chǎn)生負干擾，但光散射產(chǎn)生正干擾。

9/28/202317▲1.樣品性質(zhì)影響8/7/202317▲

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）入射光的非單色性的影響：不同光對所產(chǎn)生的吸收不同，可導致測定偏差。假設入射光由測量波長

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：Aλλiλx9/28/202318▲2.儀器因素Aλλiλx8/7/202318

儀器檢測的信號是光強，綜合前兩式，則吸光度得

當

x=

i時，或者說當

x=

i時，有A=

xbc,符合L-B定律；

當

x

i時，或者說當

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

x>

i，測得的吸光度比在“單色光”

x處測得的低，A<Ax，產(chǎn)生負偏離；反之，當

x<

i，A>Ax，則產(chǎn)生正偏離。9/28/2023198/7/202319b）非單色性產(chǎn)生原因（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。9/28/202320b）非單色性產(chǎn)生原因（譜帶寬度與狹縫寬度）：“單色光”僅是理▲

五、有機化合物的紫外吸收光譜▲1.分子中電子的躍遷類型價電子：σ電子→飽和的σ鍵π電子→不飽和的π鍵

n電子→孤對電子分子中分子軌道有成鍵軌道與反鍵軌道.它們的能級高低為：σ<π<n<π*<σ*9/28/202321▲五、有機化合物的紫外吸收光譜8/7/202321▲

1)電子能級躍遷示意圖9/28/202322▲1)電子能級躍遷示意圖8/7/202322

▲

a.σ→σ*躍遷：飽和烴（甲烷，乙烷）

能量很高，λ<150nm（遠紫外區(qū)）▲

b.n→σ*躍遷(中強吸收）：含雜原子飽和基團（—OH，—NH2）

能量較大，λ150~250nm（真空紫外區(qū)）▲

c.π→π*躍遷（強吸收）：不飽和基團（—C＝C—，—C＝O）

能量較小，λ~200nm體系共軛，E更小，λ更大▲

d.n→π*躍遷（弱吸收）：含雜原子不飽和基團（—C≡N，C＝O）

能量最小，λ200~400nm（近紫外區(qū)）9/28/202323 ▲a.σ→σ*躍遷：8/7/202323

躍遷能量大?。骸?/p>

σ→σ*>σ→π*>π→σ*>

n→σ*

>

π→π*

>

n→π*由此可以看到：紫外-可見吸收光譜中包含有分子中存在的化學鍵信息。其吸收峰的位置與分子中特定的功能基團密切相關(guān)，是有機化合物、無機配位化合物、生物分子的有效定性、定量分析手段。9/28/202324 躍遷能量大?。?/7/202324▲以上躍遷有四種與

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)（真空紫外區(qū)指那些只能在真空傳播光波，它們在非真空中被吸收）。

只有

-

*和n-

*兩種躍遷的能量小，相應波長出現(xiàn)在近紫外區(qū)甚至可見光區(qū)，特別是

-

*躍遷對光的吸收強烈。因此，它們是我們研究的重點。9/28/202325▲以上躍遷有四種與成鍵和反鍵軌道有關(guān)（-*，-*，▲

2)電子能級躍遷對應波長和強度nπ*nπ*9/28/202326▲2)電子能級躍遷對應波長和強度nπ*n

▲2、常用術(shù)語▲1)生色團與助色團生色團：能吸收紫外-可見光的基團叫生色團。對有機化合物：主要為具有不飽和π鍵和未成鍵的孤對電子的團。例：—CHO；—COOH；C＝C；C＝O；C＝N；—N＝N—

注：當出現(xiàn)幾個發(fā)色團共軛，則幾個發(fā)色團所產(chǎn)生的吸收帶將消失，代之出現(xiàn)新的共軛吸收帶，其波長將比單個發(fā)色團的吸收波長長，強度也增強。助色團：本身不會使化合物產(chǎn)生顏色或無紫外吸收，但可以使生色團吸收峰加強同時使吸收峰長移的基團。對有機化合物：主要為連有雜原子的飽和基團例：—OH，—OR，—SH，—SR，—NH—，—NR2—，—I9/28/202327 ▲2、常用術(shù)語8/7/202327

▲2)紅移和藍移由于化合物結(jié)構(gòu)變化（共軛、引入助色團取代基）或采用不同溶劑后吸收峰位置向長波方向的移動，叫紅移吸收峰位置向短波方向移動，叫藍移?！?)增色效應和減色效應

增色效應：吸收強度增強的效應

減色效應：吸收強度減小的效應▲4)強帶和弱帶：

εmax>105→強帶

εmin<103→弱帶9/28/202328 ▲2)紅移和藍移8/7/2023283.促使分子發(fā)生紅移或藍移的因素

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---紅移

如CH3I(258nm),CH2I2(289nm),CHI3(349nm)4）取代基：紅移或藍移。

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，則使分子藍移。

苯環(huán)或烯烴上的H被各種取代基取代，多產(chǎn)生紅移。9/28/2023293.促使分子發(fā)生紅移或藍移的因素

1）共軛體系的存在----5）pH值：紅移或藍移

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：紅移或藍移隨溶劑極性增加

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，精細結(jié)構(gòu)消失。9/28/2023305）pH值：紅移或藍移8/7/202330

9/28/202331 8/7/202331

9/28/202332 8/7/202332

9/28/202333 8/7/202333**無機化合物的紫外吸收光譜

一些無機物也產(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。9/28/202334**無機化合物的紫外吸收光譜8/7/202334▲

2.配場躍遷(Ligandfieldtransition)

過渡元素的

d或

f軌道為簡并軌道(Degenerationorbit)，當與配位體配合時，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。9/28/202335▲2.配場躍遷(Ligandfieldtransit

▲4.溶劑對紫外吸收光譜的影響（溶劑效應）1)溶劑極性的影響a.對λmax影響：當溶劑極性↑n-π*躍遷：λmax↓藍移π-π*躍遷：λmax↑紅移9/28/202336 ▲4.溶劑對紫外吸收光譜的影響（溶劑效應）8/7/20

b.對吸收光譜精細結(jié)構(gòu)影響：溶劑極性↑時，（苯環(huán)）精細結(jié)構(gòu)消失溶劑影響吸收波長，吸收強度及精細結(jié)構(gòu)（finestructure）9/28/202337 b.對吸收光譜精細結(jié)構(gòu)影響：溶劑影響吸收波長，吸收強度及精

9/28/202338 8/7/2023382)溶劑的選擇原則：

極性適當；透明、能溶解被測物；化學、光學穩(wěn)定性高；純度高；截止吸收波長<λmax9/28/2023392)溶劑的選擇原則：8/7/202339▲六、可見分光光度法

▲1.測定步驟▲2.顯色條件選擇

包括顯色劑種類、用量、酸度、溫度、顯色時間和放置時間等。1）顯色劑的選擇

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。選波長選制備樣品選擇掩蔽劑選擇顯色劑測定9/28/202340▲六、可見分光光度法選波長選制備樣品選擇掩蔽劑選擇顯色劑測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

▲3.干擾消除1)選擇掩蔽劑

蔽劑→顯色2)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選擇性，副反應減少，而主反應進行完全。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。9/28/2023412）顯色劑用量：8/7/2023413)合適測量波長4)干擾物分離

5)選擇參比液a.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；b.試劑參比：當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）；c.試樣參比：如試樣基體在測定波長處有吸收，但不與顯色劑反應時，可以試樣作參比（不能加顯色劑）。*6)導數(shù)光譜及雙波長技術(shù)9/28/2023423)合適測量波長8/7/202342▲七、紫外及可見分光光度計1、儀器結(jié)構(gòu)：光源、分光系統(tǒng)、吸收池、檢測器

鎢燈或鹵鎢燈——可見光源350~1000nm氫燈或氘燈——紫外光源200~360nm1）光源：

S1S2光柵準直鏡匯聚鏡反射鏡吸收池檢測器光源9/28/202343▲七、紫外及可見分光光度計鎢燈或鹵鎢燈——可見光源3

作用：產(chǎn)生足夠強度、穩(wěn)定、連續(xù)輻射且強度隨波長變化小的光。2）吸收池：用于裝待測液玻璃——能吸收UV光，僅適用于可見光區(qū)石英——不能吸收紫外光，適用于紫外和可見光區(qū)要求：匹配性（對光的吸收和反射應一致）3）單色器：包括狹縫、準直鏡、色散元件、聚光鏡等作用：除去不需要的光波，形成單一波長的光。與原子吸收光度儀不同，在UV-Vis光度計中，單色器通常置于吸收池的前面，（可防止強光照射引起吸收池中一些物質(zhì)的分解）9/28/202344 作用：產(chǎn)生足夠強度、穩(wěn)定、連續(xù)輻射且強4）檢測器：將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕难b置，包括信號放大系統(tǒng)、工作站和打印機等。信號轉(zhuǎn)換器通常有：光電池、光電倍增管和二極管陣列檢測器。2、常用紫外可見光度計儀器

類型：分光光度計分為單波長和雙波長儀器。1）單波長分光光度計*單光束特點：簡單、便宜、易操作、信噪比高；但光源不穩(wěn)定對精度影響大，每次都要扣空白，對經(jīng)常改變波長的檢測非常麻煩，難以連續(xù)掃描吸收曲線。9/28/2023458/7/202345*雙光束光路：通過切光器將光源發(fā)出的光分成兩路，一路通過參比，一路通過樣品，再通過減法器扣除參比信號，從而將光源不穩(wěn)定的影響消除。特點：精度高、可連續(xù)掃描吸收曲線，但價格較高，元件增加，信噪比下降。9/28/202346*雙光束8/7/2023462）雙波長分光光度計

光路：有兩個單色器，產(chǎn)生兩個波長的光。特點：a.單波長、雙光束需兩個吸收池，而雙波長只用一個吸收池，可克服吸收池差異。精度更高。b.可用導數(shù)分光光度法；可加強精細結(jié)構(gòu)。9/28/2023472）雙波長分光光度計8/7/202347

9/28/202348 8/7/202348

9/28/202349 8/7/202349

9/28/202350 8/7/202350

9/28/202351 8/7/202351

9/28/202352 8/7/202352

9/28/202353 8/7/202353

9/28/202354 8/7/202354

9/28/202355 8/7/202355

9/28/202356 8/7/202356

9/28/202357 8/7/202357

▲八、紫外-可見光譜的應用1、定性分析1）未知物鑒定原則：定性鑒別的依據(jù)→吸收光譜的特征吸收光譜的形狀→吸收峰的數(shù)目→吸收峰的位置（波長）→吸收峰的強度→相應的吸光系數(shù)。9/28/202358