紫外可見光譜.ppt

1、紫外-可見光譜 主講人,1.吸收 2.漫反射 3.熒光,紫外-可見吸收光譜,紫外線、可見光 定義 3. 紫外吸收光譜的產(chǎn)生,1. 紫外線、可見光,紫外線：是電磁波譜中波長從10nm到400nm輻射的總稱，不能引起人們的視覺。1801年德國物理學(xué)家里特發(fā)現(xiàn)在日光光譜的紫端外側(cè)一段能夠使含有溴化銀的照相底片感光，因而發(fā)現(xiàn)了紫外線的存在。紫外線可以用來滅菌過多的紫外線進(jìn)入體內(nèi)會對人體造成皮膚癌。 可見光：是電磁波譜中人眼可以感知的部分，可見光譜沒有精確的范圍；一般人的眼睛可以感知的電磁波的波長在400到800納米之間，但還有一些人能夠感知到波長大約在380到780納米之間的電磁波。,2. 定義,紫外

2、-可見吸收光譜法：根據(jù)溶液中物質(zhì)的分子或離子對紫外和可見光譜區(qū)輻射能的吸收來研究物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)的方法，包括比色分析法與分光光度法。,比色分析法：比較有色溶液深淺來確定物質(zhì)含量的方法，屬于可見吸收光度法的的范疇。 分光光度法：使用分光光度計(jì)進(jìn)行吸收光譜分析的方法。,紫外-可見波長范圍：,遠(yuǎn)紫外光區(qū)：10-200 nm； 近紫外光區(qū)：200-400 nm； 可見光區(qū)：400-780 nm。,紫外可見吸收光譜法特點(diǎn)：,儀器較簡單，價格較便宜； 分析操作簡單； 分析速度較快。,紫外-可見吸收光譜：分子價電子能級躍遷（伴隨著振動能級和轉(zhuǎn)動能級躍遷）。,3. 紫外-可見吸收光譜的產(chǎn)生,由于O2、N2、C

3、O2、H2O等在真空紫外區(qū)(60-200 nm)均有吸收，測定這一范圍光譜時須將光學(xué)系統(tǒng)抽真空并充充入惰性氣體。所以真空紫外分光光度計(jì)非常昂貴，在實(shí)際應(yīng)用中受到一定的限制。 通常所說的紫外-可見分光光度法，實(shí)際上是指近紫外-可見分光光度法(200-780 nm) 。,物質(zhì)分子內(nèi)部三種運(yùn)動形式：電子相對于原子核的運(yùn)動；原子核在其平衡位置附近的相對振動；分子本身繞其重心的轉(zhuǎn)動。 分子具有三種不同能級：電子能級、振動能級和轉(zhuǎn)動能級。 三種能級都是量子化的，且各自具有相應(yīng)的能量。 分子的內(nèi)能：電子能量Ee 、振動能量Ev 、轉(zhuǎn)動能量Er。,3.1 電子躍遷與分子吸收光譜,轉(zhuǎn)動能級間的能量差：0.005

4、0.05 eV，躍遷產(chǎn)生吸收光譜位于遠(yuǎn)紅外區(qū)（遠(yuǎn)紅外光譜或分子轉(zhuǎn)動光譜）； 振動能級的能量差：0.051 eV，躍遷產(chǎn)生的吸收光譜位于紅外區(qū)（紅外光譜或分子振動光譜）； 電子能級的能量差較大，約為120 eV。電子躍遷產(chǎn)生的吸收光譜在紫外-可見光區(qū)(紫外-可見光譜或分子的電子光譜)。,分子的各能級：,紫外-可見吸收光譜,1. 電子躍遷類型 2. 生色基團(tuán)與助色基團(tuán) 3. 紅移與藍(lán)移-增色與減色,有機(jī)化合物紫外-可見吸收光譜,有機(jī)化合物的紫外-可見吸收光譜是三種價電子躍遷的結(jié)果：鍵電子、鍵電子、n鍵電子。,分子軌道理論：成鍵軌道-反鍵軌道,當(dāng)外層電子吸收紫外或可見輻射后，就從基態(tài)（成鍵軌道）向激

5、發(fā)態(tài)（反鍵軌道）躍遷。主要有四種躍遷，所需能量E大小順序?yàn)椋簄 n ,1. 電子躍遷類型,1.1 躍遷,所需能量最大；電子只有吸收遠(yuǎn)紫外光的能量才能發(fā)生躍遷； 飽和烷烴的分子吸收光譜出現(xiàn)在遠(yuǎn)紫外區(qū)； 吸收波長150 nm；,例：甲烷的max為125 nm , 乙烷max為135 nm。只能被真空紫外分光光度計(jì)檢測到。,1.2 n躍遷,所需能量較大（躍遷)； 吸收波長為150250 nm，大部分在遠(yuǎn)紫外區(qū)，近紫外區(qū)不易觀察到； 含非鍵合電子（n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* 躍遷。,1.3 躍遷,所需能量較?。?吸收波長處于遠(yuǎn)紫外區(qū)的近紫外端或近紫外區(qū)； 摩爾吸收系

6、數(shù)max一般在104 Lmol-1cm-1以上，屬于強(qiáng)吸收。 不飽和烴、共軛烯烴和芳香烴類可發(fā)生此躍遷。如乙烯*躍遷的為162 nm， max為: 1104 L mol-1cm-1。,1.4 n躍遷,所需能量??； 吸收波長200nm； 吸收峰的吸收系數(shù) 很小，一般在10100。 分子中有孤對電子和鍵同時存在可發(fā)生此躍遷。,2. 生色基團(tuán)與助色基團(tuán),生色基團(tuán)： 凡是能導(dǎo)致化合物在紫外可見光區(qū)產(chǎn)生吸收的基團(tuán)，不論是否顯出顏色都稱為生色基團(tuán)。含有鍵的不飽和基團(tuán)屬于生色基團(tuán)。簡單的生色基團(tuán)由雙鍵、苯環(huán)或叁鍵體系組成。 助色團(tuán)： 有一些含有n電子的基團(tuán)(如-OH、-OR、-NH、-NHR、-X等)，它們

7、本身沒有生色功能(不能吸收 200 nm的光)，但當(dāng)它們與生色基團(tuán)相連時，就會發(fā)生n-共軛作用，增強(qiáng)生色基團(tuán)的生色能力(吸收波長向長波方向移動且吸收強(qiáng)度增加)，這樣的基團(tuán)稱為助色基團(tuán)。,3. 紅移與藍(lán)移、增色與減色,max向長波方向移動稱為紅移，向短波方向移動稱為藍(lán)移 (或紫移)； 吸收強(qiáng)度即摩爾吸光系數(shù)增大或減小的現(xiàn)象分別稱為增色效應(yīng)或減色效應(yīng)。,紫外-可見吸收光譜,基本原理 基本組成 3. 紫外-可見分光光度計(jì)類型,紫外-可見分光 光度計(jì),1. 基本原理,朗伯-比爾定律,要當(dāng)一束平行單色光通過含 有吸光物質(zhì)的稀溶液時，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=cb,2. 基

8、本組成,光源,單色器,樣品室,檢測器,顯示,2.1 光源,可見光區(qū)：鎢燈,其輻射波長范圍在3202500 nm 紫外區(qū)：氫、氘燈,發(fā)射180375 nm的連續(xù)光譜,要求：在整個紫外光區(qū)或可見光譜區(qū)可以發(fā)射連續(xù)光譜具有足夠的輻射強(qiáng)度、較好的穩(wěn)定性、較長的使用壽命。,2.2 單色器,將光源發(fā)射的復(fù)合光分解成單色光并可從中選出一任波長單色光的光學(xué)系統(tǒng)。,入射狹縫：光源的光由此進(jìn)入單色器； 準(zhǔn)直鏡：透鏡或返射鏡使入射光成為平行光束； 色散元件：將復(fù)合光分解成單色光，棱鏡或光柵； 聚焦透鏡：透鏡或凹面反射鏡，將分光后所得單色光聚焦至出射狹縫； 出射狹縫,光學(xué)系統(tǒng)的核心部分，起分光的作用。其性能直接影響入

9、射光的單色性，影響測定靈敏度、選擇性及校準(zhǔn)曲線的線性關(guān)系等。,色散元件：,棱鏡：依據(jù)不同波長光通過棱鏡時折射率不同而將不同波長的光分開，缺點(diǎn)是波長分布不均勻，分辨能力較低。 光柵：利用光的衍射與干涉作用制成，它可用于紫外、可見及紅外光域，而且在整個波長區(qū)具有幾乎均勻一致的高分辨能力。它具有色散波長范圍寬、分辨本領(lǐng)高、成本低、便于保存和易于制備等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是各級光譜會重疊而產(chǎn)生干擾。,2.3 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。,檢流計(jì)、微安表，電位計(jì)、數(shù)字電壓表、記錄儀、示波器及計(jì)算機(jī)等進(jìn)行儀器

10、自動控制和結(jié)果處理。,2.4 檢測器,利用光電效應(yīng)將透過吸收池的光信號變成可測的電信號,常用的有光電池、光電管或光電倍增管。,2.5 結(jié)果顯示記錄系統(tǒng),3. 分光光度計(jì)的類型,簡單，價廉，適于在給定波長處測量吸光度或透光度，一般不能作全波段光譜掃描，要求光源和檢測器具有很高的穩(wěn)定性。,自動記錄，快速全波段掃描。可消除光源不穩(wěn)定、檢測器靈敏度變化等因素的影響，特別適合于結(jié)構(gòu)分析。儀器復(fù)雜，價格較高。,3.1 單光束型,3.2 雙光束型,3.3 雙波長型,通過波長選擇可方便地校正背景吸收：消除吸收光譜重疊的干擾，適合于混濁液和多組分化合物分析； 只使用一個吸收池：參比溶液即被測溶液，避免了單波長法

11、中因被測溶液與參比溶液在組成、均勻性上的差異及兩個吸收池之間的差異所引入的誤差。,紫外可見吸收光譜,1. 定性分析 2. 定量分析 3. 純度檢查 4. 結(jié)構(gòu)輔助解析,紫外-可見分光吸收光譜法的應(yīng)用,紫外吸收光譜鑒定有機(jī)化合物：在相同的測定條件下，比較未知物與已知標(biāo)準(zhǔn)物的紫外光譜圖，若兩者譜圖相同則認(rèn)為有相同的生色基團(tuán)。如果沒有標(biāo)準(zhǔn)物可以借助標(biāo)準(zhǔn)圖譜或有關(guān)電子光譜數(shù)據(jù)表進(jìn)行比較。 標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫：46000種化合物紫外光譜的標(biāo)準(zhǔn)譜圖。,1. 定性分析,紫外光譜相同，兩種化合物有時不一定相同，只有當(dāng)max ，max都相同時，可認(rèn)為兩者是同一物質(zhì)。,2. 定量分析,朗伯-比爾定律 ：Alg(I0/It

12、) b c A：吸光度，描述溶液對光的吸收程度； b：液層厚度(光程長度)，通常以cm為單位； c：溶液的摩爾濃度，單位 molL-1； ：摩爾吸光系數(shù)，單位Lmol-1cm-1；在數(shù)值上等于 濃度為1mol/L、液層厚度為1cm時該溶液在某一波長下的吸光度；,3. 純度檢查,如果一化合物在紫外區(qū)沒有吸收，而其中的雜質(zhì)有較強(qiáng)吸收，就可以方便地檢出該化合物中的痕量雜質(zhì)。,甲醇或乙醇中雜質(zhì)苯：可利用苯在256nm處的B吸收帶而甲醇或乙醇在此波長處幾乎沒有吸收； 四氯化碳中二硫化碳雜質(zhì)：可觀察318nm處有無二硫化碳的吸收峰即可。,4. 有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)輔助解析,200-400nm 無吸收峰：飽和化合

13、物或單烯化合物 220-280nm 無吸收峰：化合物中不含苯環(huán)、共軛雙鍵、醛基、酮基、溴和碘 210-250 nm有強(qiáng)吸收峰(104)：表明含有一個共軛體系(K帶) 。共軛二烯：K帶230 nm； -不飽和醛酮：K帶230 nm ，R帶310-330 nm,可獲得的結(jié)構(gòu)信息：,250-300 nm 有中等強(qiáng)度的吸收峰(=200-2000)：芳環(huán)的特征 吸收(具有精細(xì)解構(gòu)的B帶)，化合物含芳環(huán) 270-300 nm有隨溶劑極性增大向短波方向移動的弱吸收帶：化合物中有羥基基團(tuán) 270-350 nm有弱吸收峰(=10-100)：醛酮 n* 躍遷產(chǎn)生的R 帶 260nm, 300 nm, 330 nm

14、有強(qiáng)吸收峰：有3、4、5個雙鍵的共軛體系,光譜解析注意事項(xiàng)：,確認(rèn)max，并算出log，初步估計(jì)屬于何種吸收帶； 觀察主要吸收帶的范圍，判斷屬于何種共軛體系； 須考慮pH值的影響。,光譜解析：,苯的*躍遷應(yīng)為一個譜帶。實(shí)際觀察到苯的紫外吸收光譜在184 nm、204 nm和256 nm附近出現(xiàn)三個吸收譜帶。,苯環(huán)上有烷基取代時，苯的B吸收帶（254nm）要發(fā)生紅移，E2帶沒有明顯變化。 甲苯峰顯著紅移是由于烷基CH鍵的電子與苯環(huán)產(chǎn)生超共軛引起的，同時 烷基苯的B吸收帶的精細(xì)結(jié) 構(gòu)減弱或消失。,含有n電子的基團(tuán)取代：-OH、-NH2等，與苯環(huán)發(fā)生n共軛效應(yīng)，使E帶和B帶發(fā)生紅移，強(qiáng)度也增加，且B

15、帶精細(xì)結(jié)構(gòu)消失。,紫外-可見漫反射光譜,漫反射光譜 基本原理 紫外分光光度計(jì)與紫外漫反射的區(qū)別 紫外-可見光漫反射的應(yīng)用,1. 漫反射光譜,漫反射光譜是一種不同于一般吸收光譜的在紫外、可見和近紅外區(qū)的光譜，是一種反射光譜，與物質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)有關(guān)。 漫反射光譜可以用于研究催化劑表面過渡金屬離子及其配合物的結(jié)構(gòu)、氧化狀態(tài)、配位狀態(tài)、配位對稱性；在光催化研究中還可用于催化劑的光吸收性能的測定；可用于色差的測定等等。,2. 基本原理,在過渡金屬離子-配位體體系中，一方是電子給予體，另一方為電子接受體。在光激發(fā)下，發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，電子吸收某能量光子從給予體轉(zhuǎn)移到接受體，在紫外區(qū)產(chǎn)生吸收光譜。 當(dāng)過渡金屬離子

16、本身吸收光子發(fā)生內(nèi)部d-d躍遷，引起配位場吸收帶，需要能量較低，表現(xiàn)為在可見光區(qū)或近紅外區(qū)的吸收光譜。 收集這些光譜信息，即獲得一個漫反射光譜，基于此可以確定過渡金屬離子的電子結(jié)構(gòu)。,2.1 固體中金屬離子的電荷躍遷：,當(dāng)光照射到固體表面時，發(fā)生反射和散射。 鏡面反射： 反射角=入射角 光不被吸收,2.2 漫反射,漫反射：當(dāng)光束入射至粉末狀的晶面層時，一部分光在表層各晶粒面產(chǎn)生鏡面反射；另一部分光則折射入表層晶粒的內(nèi)部，經(jīng)部分吸收后射至內(nèi)部晶粒界面，再發(fā)生反射、折射吸收。如此多次重復(fù)，最后由粉末表層朝各個方向反射出來， 這種輻射稱為漫反射光。,2.3 漫反射定律,K 為吸收系數(shù)，主要決定于漫反

17、射體的化學(xué)組成。 S 為散射系數(shù)，主要決定于漫反射體的物理特性。 R 表示無限厚樣品的反射系數(shù)R 的極限值。 F (R ) 稱為減免函數(shù)或KubelkaMunk函數(shù)。,R的確定 ：一般不測定樣品的絕對反射率，而是以白色標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為參比（假設(shè)其不吸收光，反射率為1），得到的相對反射率。 參比物質(zhì)：要求在200 nm 3 m波長范圍且反射率為100%，常用MgO, BaSO4，MgSO4等，其反射率R 定義為1（大約為0.98-0.99). MgO 機(jī)械性能不如BaSO4, 現(xiàn)在多用BaSO4作標(biāo)準(zhǔn)。,朗伯定律描述入射光和吸收光之間的關(guān)系。 KubelkaMunk 方程式描述一束單色光入射到一種既能

18、吸收光，又能反射光的物體上的光學(xué)關(guān)系。,2.4 漫反射光譜的曲線形式,橫坐標(biāo)：波數(shù)(cm-1)，波長（nm) 縱坐標(biāo): Log F（R) ， F（R) 對應(yīng)于吸收單位 （Absorbance), 譜線的峰值為吸收帶位置。 R 對應(yīng)于反射率， % reflectance，樣品反射強(qiáng)度比參比物的反射強(qiáng)度。 %R = (IS/IB)*100 IS 測試樣品反射光強(qiáng)度，IB 參考樣品的反射強(qiáng)度,Baso4,紫外分光光度計(jì)反射附件的原理是通過一個內(nèi)壁涂有氧化鎂積分球的裝置，把物體表面的反射光收集起來再投射到接收器（光電倍增管或光電池）上，來產(chǎn)生信號，并以波長的函數(shù)在記錄儀上記錄下來，就成了一條光譜曲線。

19、,2.5 積分球,積分球是漫反射測量中的常用附件之一，其內(nèi)表面的漫反 射物質(zhì)的反射系數(shù)高達(dá)98%，使得光在積分球內(nèi)部的損失 接近零。由于信號光從散射層面發(fā)出后，經(jīng)過了積分球的 空間積分，所以可以克服漫反射測量中隨機(jī)因素的影響， 提高數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和重復(fù)性。,2.6 樣品處理,樣品是具有一定平面的固體，只需將樣品放在積分球的樣品窗孔一邊，在參比窗孔一邊放標(biāo)準(zhǔn)白板即可測量漫反射光譜。 粉末樣品可放入漫反射樣品池中，用光滑的平頭玻璃棒壓緊，放在樣品窗孔即可測量?；蛘邔⒎勰悠贩旁趬耗Ｖ袎撼善?。,如果樣品吸收太強(qiáng)，可以用在此波段范圍內(nèi)無吸收的惰性稀釋劑稀釋測定，稀釋劑可用MgO，BaSO4等。 如果粉末

20、顆粒太大，不易壓緊，也可以加一些MgO。 如果樣品量少，也可以先用MgO將樣品池填滿，壓平，再將樣品撒在MgO表面上輕輕摩平即可測量。,3.紫外分光光度計(jì)與紫外漫反射的區(qū)別,前者：采用透射方式 ，所測樣品為溶液，符合朗伯比爾定律。 后者：采用漫反射的方式（積分球），所測樣品為固 體粉末、乳濁液和懸濁液，符合KublkaMunk 方程式。,4.紫外-可見光漫反射的應(yīng)用,研究固體的表面吸收。 催化領(lǐng)域研究的應(yīng)用，主要包括催化劑表面相組成、各組分相互作用、表面酸性測定等。 藥物分析中應(yīng)用，主要用于片劑的質(zhì)量控制及穩(wěn)定性的研究，可以比較兩種配方之間穩(wěn)定性的差異，根據(jù)藥片的反射率讀數(shù)可以確定藥劑的濃度和

21、降解速度。 應(yīng)用于染料、涂料、纖維、塑料等方面的測試和研究，特別是顏色的測量一直是反射光譜的主要用途之一。,紫外-可見熒光光譜,分子熒光光譜 熒光分光光度計(jì) 分子熒光光譜的應(yīng)用,1. 分子熒光光譜,分子熒光光譜分析也叫熒光分光光度法，是當(dāng)前普遍使用并有發(fā)展前途的一種光譜分析技術(shù)。 物質(zhì)的分子吸收了紫外和可見光后它的電子躍遷到激發(fā)態(tài)，然后以熱能的形式將這一部分能量釋放出來，本身回復(fù)到基態(tài)。如果吸收輻射能后處于電子激發(fā)態(tài)的分子以發(fā)射輻射的方式釋放這一部分能量，再發(fā)射的波長可以同分子所吸收的波長相同也可以不同，這個現(xiàn)象叫光致發(fā)光，最常見的光致發(fā)光現(xiàn)象是熒光和磷光。,1.1 概述,熒光 是當(dāng)用一種波長

22、的光照射某種物質(zhì)時，這個物質(zhì)會在極短的時間內(nèi)發(fā)射出比照射波長更長的光，這種光稱為熒光，激發(fā)光停止照射后，發(fā)光立即（10-9-10-6 S）停止。如果這種物質(zhì)在較長的時間內(nèi)發(fā)射出比照射波長更長的光稱為磷光。對于磷光來說，當(dāng)激發(fā)光停止照射后發(fā)光過程將持續(xù)一段時間（10-1-10 S）;,激發(fā)光譜：繪制激發(fā)光譜曲線時改變激發(fā)光的波長，測定熒光強(qiáng)度的變化。以激發(fā)光波長為橫坐標(biāo)，熒光強(qiáng)度為縱坐標(biāo)作圖，即可得到熒光化合物的激發(fā)光譜。 激發(fā)光譜的形狀與吸收光譜的形狀極為相似，經(jīng)校正后的真實(shí)激發(fā)光譜與吸收光譜不僅形狀相同，而且波長位置也一樣，這是因?yàn)槲镔|(zhì)分子吸收能量的過程就是激發(fā)過程。 區(qū)別在于紫外吸收光譜測

23、定對紫外光的的吸收度，而熒光激發(fā)光譜測定發(fā)射的熒光強(qiáng)度。,1.2 激發(fā)光譜與發(fā)射光譜,發(fā)射光譜： 簡稱熒光光譜。將激發(fā)光波長固定在最大激發(fā)波長處，然后掃描發(fā)射波長，測定不同發(fā)射波長處的熒光強(qiáng)度得到熒光發(fā)射光譜。,2. 熒光分光光度計(jì),由光源發(fā)出的光經(jīng)過第一單色器得到所需要的激發(fā)光波長，激發(fā)光通過樣品池，熒光物質(zhì)被激發(fā)后發(fā)射熒光。為了消除可能存在的其他光的干擾，在樣品池和檢測器之間設(shè)置了第二個單色器，熒光作用于檢測器上，記錄相應(yīng)的電信號。,激發(fā)光源 :在紫外可見光范圍，光源發(fā)出所需波長范圍內(nèi)的連續(xù)光譜,有足夠的光強(qiáng)度,穩(wěn)定。 可見光區(qū)：鎢燈，碘鎢燈(3202500nm) 紫外區(qū)：氫燈，氘燈(180375nm) 氙燈：紫外、可見光區(qū)均可用作光源,樣品池 :液體樣品池通常用石英材料制成，形狀以方型或者長方形為好，因?yàn)檫@種形狀散射光干擾較少。固體樣品用可用樣品架。 單色器 :包括色散元件和狹縫,較高級的單色器采用光柵其優(yōu)點(diǎn)是在所有波長都能夠色散而且色散均勻，有相同的分辨率。第一單色器用于選擇所需要的激發(fā)波長，第二單色器用于分離出熒