儀器分析紫外可見分光光度法

關(guān)于儀器分析紫外可見分光光度法分子光譜概述紫外及可見分光光度法基本原理紫外及可見分光光度計(jì)2第2頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天分子光譜概述

3分子光譜比原子光譜要復(fù)雜的多，因?yàn)樵诜肿又谐擞须娮拥倪\(yùn)動(dòng)以外，還有組成分子的各原子間的振動(dòng)，以及分子作為整體的轉(zhuǎn)動(dòng)。如不考慮這三種運(yùn)動(dòng)形式之間的相互作用，則分子的總能量可認(rèn)為是這三種運(yùn)動(dòng)能量之和。

E分子=E電子+E振動(dòng)+E轉(zhuǎn)動(dòng)（2-1）分子中這三種不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都對(duì)應(yīng)有一定的能級(jí)，即分子除了有電子能級(jí)外還有振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，這三種能級(jí)都是量子化的。第3頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天分子中電子能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)示意圖4BA電子能級(jí)振動(dòng)能級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)圖中A和B表示不同能量的電子能級(jí)。在每一電子能級(jí)上有許多間距較小的振動(dòng)能級(jí)，在每一振動(dòng)能級(jí)上又有許多更小的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)。若用△E電子、△E振動(dòng)、△E轉(zhuǎn)動(dòng)分別表示電子能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)差，即有△E電子

△

E振動(dòng)

△

E轉(zhuǎn)動(dòng)。第4頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天5當(dāng)分子吸收一定能量的電磁輻射時(shí)，分子就由較低的能級(jí)E躍遷到較高的能級(jí)，吸收輻射的能量與分子的這兩個(gè)能級(jí)差相等。即根據(jù)式（2-1）用頻率表示即分子吸收輻射的頻率是由上述三者加合而成的。第5頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天6可見光區(qū)：400-750nm紫外光區(qū)：近紫外區(qū)200-400nm

遠(yuǎn)紫外區(qū)10-200nm（真空紫外區(qū)）200nm400nm800nm2.5mm25mm紫外及可見光紅外光微波、電磁波無(wú)線電波X－射線l60MHz600MHz第6頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天7電子能級(jí)的能量差一般為1~20eV，相當(dāng)于紫外和可見光的能量，因此由于電子能級(jí)的躍遷而產(chǎn)生的光譜叫紫外-可見光譜，又稱電子光譜。因?yàn)樵谕浑娮幽芗?jí)上還有許多間隔較小的振動(dòng)能級(jí)和間隔更小的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，當(dāng)用紫外可見光照射分子時(shí)，則不但發(fā)生電子能級(jí)間的躍遷，同時(shí)又有許多不同振動(dòng)能級(jí)間的躍遷和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的躍遷。第7頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天8因此，在一對(duì)電子能級(jí)間發(fā)生躍遷時(shí)，得到的是很多的光譜帶，這些譜帶都對(duì)應(yīng)于同一個(gè)值，但是包含許多不同的和值，形成一個(gè)光譜帶系。對(duì)于一種分子來說，可以觀察到許多不同電子能級(jí)躍遷的許多個(gè)光譜帶系，所以說電子光譜實(shí)際上是電子-振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)光譜，是復(fù)雜的帶狀光譜。第8頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天紫外及可見分光光度法基本原理紫外及可見吸收光譜的電子躍遷輻射吸收定率—朗伯-比爾定律偏離朗伯-比爾定律的因素9第9頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天紫外及可見吸收光譜的電子躍遷10一般所說的電子光譜是指分子的外層電子或價(jià)電子躍遷所得到的光譜。各類分子軌道的能量有很大的差別，通常是非鍵電子的能級(jí)位于成鍵和反鍵軌道的能級(jí)之間。當(dāng)分子吸收一定能量的輻射時(shí)，就發(fā)生相應(yīng)的能級(jí)間的電子躍遷。第10頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天紫外及可見吸收光譜的電子躍遷11從化學(xué)鍵的性質(zhì)上考慮，與電子光譜有關(guān)的主要是三種電子：形成單鍵的σ電子；形成雙鍵的π電子；分子中非鍵電子即n電子。分子軌道理論：一個(gè)成鍵軌道必定有一個(gè)相應(yīng)的反鍵軌道。通常外層電子均處于分子軌道的基態(tài)，即成鍵軌道或非鍵軌道上。第11頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天12外層電子吸收紫外或可見輻射后，就從基態(tài)向激發(fā)態(tài)(反鍵軌道)躍遷。根據(jù)分子軌道理論，分子中這三種電子能級(jí)的高低次序大致是：（σ）＜（π）＜（n）＜（π*）＜（σ*）可以躍遷的電子有：

電子,

電子和n電子。有機(jī)分子吸收紫外光引起的電子躍遷有以下幾種類型：

*>n*>

*>n

*第12頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天13

*躍遷：電子從軌道

躍遷到σ*反鍵軌道的躍遷，實(shí)現(xiàn)躍遷需要吸收很多能量，約為185千卡/摩爾，這類躍遷主要發(fā)生在真空紫外區(qū)。飽和烴只有

*躍遷，它們的吸收光譜一般在低于200nm區(qū)域才能觀察到。例如甲烷的吸收峰在125nm處，而乙烷則在135nm處有一個(gè)吸收峰。n

*躍遷：電子由n非鍵軌道躍遷到σ*反鍵軌道的躍遷，所需能量較大。吸收波長(zhǎng)為150～250nm，大部分在遠(yuǎn)紫外區(qū)，近紫外區(qū)仍不易觀察到。含非鍵電子的飽和烴衍生物（含N、O、S和鹵素等雜原子）均呈現(xiàn)n→σ*躍遷。如一氯甲烷、甲醇、三甲基胺n→σ*躍遷的λ分別為173nm、183nm和227nm。第13頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天生色團(tuán)化合物溶劑λmaxεmax羰基正己烷28016羧基乙醇20441硝基CH3NO2異辛烷28022亞硝基C4H9NO乙醚66520143.n

*和

*躍遷：有機(jī)物的最有用的吸收光譜是基于n

*和

*躍遷所產(chǎn)生的，和n電子比較容易激發(fā)，這類躍遷所需的能量使產(chǎn)生的吸收峰都出現(xiàn)在波長(zhǎng)大于200nm的區(qū)域內(nèi)。既然一般的紫外光譜是指近紫外區(qū)，即200-400nm，那么就只能觀察*和n*躍遷。也就是說紫外光譜只適用于分析分子中具有不飽和結(jié)構(gòu)的化合物，這種含有鍵的基團(tuán)就稱為生色基。下表是某些常見生色基的吸收特性。第14頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天15n

*躍遷與

*躍遷的差別：首先是吸收峰強(qiáng)度的不同。n

*躍遷所產(chǎn)生的吸收峰，其摩爾吸收系數(shù)ε很低，僅在10~100范圍內(nèi)。而

*躍遷產(chǎn)生的吸收峰的摩爾吸收系數(shù)則很大，一般要比n

*大100~1000倍。其次是溶劑的極性對(duì)這兩類躍遷所產(chǎn)生的吸收峰位置的影響不同，當(dāng)溶劑的極性增加時(shí)，n

*躍遷所產(chǎn)生的吸收峰向短波方向移動(dòng)，稱為藍(lán)移，

*躍遷則常常觀察到相反的趨勢(shì)，即吸收峰向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，稱為紅移。第15頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天16在解析有機(jī)物的紫外光譜時(shí)，可把吸收帶分為一下四類：R吸收帶是由生色基的n

*躍遷產(chǎn)生的，由于εmax值太小，有時(shí)往往被強(qiáng)吸收帶所掩蓋。K吸收帶是由

*躍遷產(chǎn)生的，含共軛生色基的化合物的紫外光譜都有這種吸收帶。B吸收帶是芳香族化合物（包括雜環(huán)芳香族）的特征吸收帶，由苯環(huán)本身振動(dòng)及閉合環(huán)狀共軛雙鍵

*躍遷產(chǎn)生的，苯的B吸收帶在230nm~270nm呈現(xiàn)精細(xì)的振動(dòng)結(jié)構(gòu)。E吸收帶也是芳香族化合物的特征譜帶，其εmax為2000~14000，苯的兩個(gè)E吸收帶分別在184nm和204nm處。第16頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天輻射吸收定率—朗伯-比耳定律17分子對(duì)輻射的吸收，可以看作是分子或分子中某一部分對(duì)光子的俘獲過程。因此只有當(dāng)光子和吸收輻射的的物質(zhì)分子相碰撞時(shí)，才有可能發(fā)生吸收；當(dāng)光子的能量與分子由低能級(jí)（基態(tài)能級(jí)）躍遷到更高能級(jí)（激發(fā)態(tài)能級(jí)）所需的能量相等時(shí)，該分子就可能俘獲具有這種能量的光子。由此可見，物質(zhì)分子對(duì)輻射的吸收，既和分子對(duì)該頻率輻射的吸收本領(lǐng)有關(guān)，又和分子同光子的碰撞幾率有關(guān)。第17頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天輻射吸收定率—朗伯-比耳定律18吸光度和透光度設(shè)入射光強(qiáng)度I0，吸收光強(qiáng)度為Ia,透射光強(qiáng)度為It，反射光強(qiáng)度為Ir，則

I0

=Ia+It+Ir由于反射光強(qiáng)度基本相同，其影響可相互抵消，上式可簡(jiǎn)化為：I0=Ia+It第18頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天輻射吸收定率—朗伯-比耳定律19透光度：透光度為透過光的強(qiáng)度It與入射光強(qiáng)度I0之比，用T表示：即T=It/I0吸光度:

為透光度倒數(shù)的對(duì)數(shù)，用A表示：即A=lg（1/T）=lgI0/It第19頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天輻射吸收定率—朗伯-比耳定律20朗伯-比爾定律：當(dāng)一束平行單色光通過含有吸光物質(zhì)的稀溶液時(shí)，溶液的吸光度與吸光物質(zhì)濃度、液層厚度乘積成正比，即

A=κcl

式中比例常數(shù)κ與吸光物質(zhì)的本性，入射光波長(zhǎng)及溫度等因素有關(guān)。c為吸光物質(zhì)濃度，l為透光液層厚度。朗伯-比爾定律是紫外-可見分光光度法的理論基礎(chǔ)。第20頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天輻射吸收定率—朗伯-比耳定律21摩爾吸收系數(shù)表示物質(zhì)對(duì)某一波長(zhǎng)的輻射的吸收特性，ε愈大，表示物質(zhì)對(duì)某波長(zhǎng)輻射的的吸收能力愈強(qiáng)，因而分光光度測(cè)量的靈敏度就愈高。對(duì)于某一特定的物質(zhì)來說，吸收不同波長(zhǎng)的輻射時(shí)，其相應(yīng)的摩爾吸收系數(shù)是不同的。第21頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天偏離朗伯-比爾定律的因素221.非單色光的影響

在紫外及可見分光光度計(jì)中，使用連續(xù)光源和分光分光，得到的不可能是真正的單色光，而是一個(gè)有限寬度的譜帶，稱為光譜帶通，隨著光譜帶通寬度的增大，吸收光譜的分辨率下降，并且偏離比爾定律。2.非吸收光的影響

當(dāng)來自出射狹縫的光，其光譜帶通寬度大于吸收光譜譜帶時(shí)，則投射在試樣上的光中就有非吸收光，這會(huì)導(dǎo)致靈敏度下降，非吸收光愈強(qiáng)，被測(cè)試樣濃度愈大，對(duì)測(cè)定靈敏度的影響就愈嚴(yán)重。當(dāng)吸收很小時(shí)，非吸收光的影響可以忽略不計(jì)。3.散射的影響是由于試樣的不均勻性引起的對(duì)比爾定律的偏離。4.非平行光、熒光等都會(huì)對(duì)比爾定律造成影響第22頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天紫外及可見分光光度計(jì)23第23頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天紫外及可見分光光度計(jì)的結(jié)構(gòu)原理24分光光度計(jì)就其結(jié)構(gòu)原理來講，都是由光源、分光系統(tǒng)（單色器）、吸收池、檢測(cè)器和測(cè)量信號(hào)顯示系統(tǒng)（記錄裝置）這樣五個(gè)基本部件組成。第24頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天紫外及可見分光光度計(jì)的結(jié)構(gòu)原理1.光源對(duì)光源的基本要求是在廣泛的光譜區(qū)域內(nèi)發(fā)射連續(xù)光譜；有足夠的輻射強(qiáng)度；光源有良好的穩(wěn)定性；輻射能量隨波長(zhǎng)沒有明顯的變化?？梢姽鈪^(qū)：鎢燈作為光源，其輻射波長(zhǎng)范圍在320～2500nm。紫外區(qū)：氫、氘燈。發(fā)射185～400nm的連續(xù)光譜。25第25頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天紫外及可見分光光度計(jì)的結(jié)構(gòu)原理2.單色器

單色器是一種能分解輻射的不同波長(zhǎng)成分，并能從中分出所需要的那一部分光的儀器。包括：①入射狹縫：光源的光由此進(jìn)入單色器；②準(zhǔn)光裝置：透鏡或反射鏡使入射光成為平行光束；③色散元件：棱鏡或光柵作為色散元件，將復(fù)合光分解成單色光；④聚焦裝置：透鏡或凹面反射鏡，將分光后所得單色光聚焦至出射狹縫；⑤出射狹縫。26第26頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天紫外及可見分光光度計(jì)的結(jié)構(gòu)原理3.樣品室樣品室放置各種類型的吸收池（比色皿）和相應(yīng)的池架附件。吸收池主要有石英池和玻璃池兩種。在紫外區(qū)須采用石英池，可見區(qū)一般用玻璃池。27第27頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天紫外及可見分光光度計(jì)的結(jié)構(gòu)原理4.檢測(cè)器