儀器分析法：紫外可見分光光度法.ppt

1、儀器分析法紫外可見分光光度法,Contents：,概述generalization,光的吸收定律朗伯比爾定律,紫外可見分光光度計,分光光度法分析條件的選擇,4,1,2,3,2.1 概述generalization,分光光度法是基于物質(zhì)分子對光的選擇性吸收而建立起來的分析方法。按物質(zhì)吸收光的波長不同，可分為可見分光光度法、紫外分光光度法及紅外分光光度法。 特點： *靈敏度較高，適用于微量組分的測定。但相對誤差較大。 *具有操作方便、儀器設(shè)備簡單、靈敏度和選擇性較好等優(yōu)點，為常規(guī)的儀器分析方法。,紫外可見分光光度法的局限性: (Disadvantage of UV-Vis Spectrophoto

2、meters) 有些有機化合物在紫外可見光區(qū)沒有吸收譜帶,更有個別的化合物紫外可見吸收光譜圖大致相似。所以根據(jù)紫外可見光譜圖不能完全決定這些物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)。,一分子吸收光譜 (molecular absorption spectrum) 在分子中存在著電子的運動，以及組成分子的各原子間的振動和分子作為整體的轉(zhuǎn)動。分子的總能量可以認為等于這三種運動能量之和。即： E分子= E電子+ E振動+ E轉(zhuǎn)動 如果用 E電子， E振動以及E轉(zhuǎn)動表示各能級差，則： E電子 E振動E轉(zhuǎn)動,由分子中的電子能級、振動能級和轉(zhuǎn)動能級躍遷產(chǎn)生的光譜分別稱為電子光譜、振動光譜和轉(zhuǎn)動光譜。其對應(yīng)的波譜區(qū)范圍如下： Ee

3、Ev Er 電子光譜 振動光譜 轉(zhuǎn)動光譜 紫外可見光 近紅外、中紅外區(qū) 遠紅外、微波區(qū),由于分子選擇性的吸收了某些波長的光，所以這些光的能量就會降低，將這些波長的光及其所吸收的能量按一定順序排列起來，就得到了分子的吸收光譜。,了解紫外可見吸收光譜圖： 最大吸收峰： 最大吸收波長 次峰： 最小吸收波長 末端吸收,二有機化合物的紫外可見吸收光譜 UV-Vis absorption spectrum of organic compounds 與紫外-可見吸收光譜有關(guān)的電子有三種，即形成單鍵的電子、形成雙鍵的電子以及未參與成鍵的n電子(孤對電子）。 躍遷類型有： *、n * 、 *、 n * 四種。,

4、有機分子能級躍遷 有機分子包括: 成鍵軌道 、 ； 反鍵軌道 *、* 非鍵軌道 n 例如 CH2O分子的軌道：,1、飽合有機化合物的電子躍遷類型為*，躍遷所需的能量最大，吸收峰一般出現(xiàn)在遠紫外區(qū)，吸收峰低于200nm，實際應(yīng)用價值不大。如乙烷的最大吸收峰在135nm處。,2、n* 躍遷，所需的能量比*躍遷所需的能量少，吸收光譜的波長一般在150250nm處。一般發(fā)生在有機化合物中的H被雜原子取代后的產(chǎn)物中，如碘代乙烷的吸收峰在259nm處。 這種能使吸收峰向長波方向移動而產(chǎn)生紅移現(xiàn)象的原子團稱為助色團。 紅移與藍移在有機化合物中，常常由于取代基的變更或溶劑的改變，使化合物的最大吸收包產(chǎn)發(fā)生移動

5、，向長波方向移動稱為紅移動，向短波方向移動稱為藍移。,3、不飽和有機化合物的電子躍遷類型為n*，* 躍遷，所需的能量較低，吸收峰一般大于200nm。 這兩類躍遷都要求有機化合物的分子中含有不飽和鍵的官能團，這種含有不飽和鍵的基團稱為生色團。,在以上幾種躍遷中，只有-*和n-*兩種躍遷的能量小，相應(yīng)波長出現(xiàn)在近紫外區(qū)甚至可見光區(qū)，且對光的吸收強烈，是我們研究的重點。,4.無機化合物的紫外-可見吸收光譜 主要有兩種方式： （1）電荷遷移躍遷 電荷在配合物的中心離子與配位體之間進行躍遷（及配合物內(nèi)在的氧化還原反應(yīng)）。 （2）配位場躍遷對于過渡金屬元素而言，核外層的電子可以在不同的能級軌道間躍遷，如f

6、-f;d-d躍遷。,5.影響紫外可見吸收光譜的因素 影響：譜帶位移；譜帶強度的變化等。 譜帶位移：表現(xiàn)為物質(zhì)的最大吸收波長發(fā)生移動，包括有紅移和藍移。 譜帶強度的變化：包括增色效應(yīng)（吸收強度增加）與減色效應(yīng)（吸收強度減?。?。,影響的因素： （1）共軛效應(yīng)的影響 A：電子共軛體系增大，最大吸收波長紅移，吸收強度也增加。這是由于共軛效應(yīng)，使得電子離域到多個原子之間，導(dǎo)致-*躍遷能量降低。同時躍遷的幾率也增大，則吸收強度也隨之增大。 B 空間阻礙使共軛體系破壞，最大吸收波長藍移，吸收強度減小。,（2）取代基的影響 （3）溶劑的影響 A 溶劑的極性不同往往會引起某些化合物吸收光譜的紅移或藍移。 B 溶

7、劑的酸度影響 對于具有酸堿性的被測物質(zhì)，溶劑的pH變化，則溶質(zhì)的存在形式也發(fā)生變化，使分子中共軛效應(yīng)發(fā)生改變，則使吸收紅移或藍移。,C 極限波長 作為溶劑，在遠紫外區(qū)都有吸收，而測量通常是在近紫外和可見區(qū)，所以溶劑的吸收對溶質(zhì)不產(chǎn)生影響，但如果測定是在溶劑的極限波長以下，則溶劑本身的吸收將影響測定。因此，測定只能在溶劑的極限波長以上進行。,2.2 光的吸收定律Lambert-beer定律 Light absorption law- Lambert-beer law,光的選擇性吸收與物質(zhì)顏色的關(guān)系： 1可見光的顏色和互補色： 在可見光范圍內(nèi)，不同波長的光的顏色是不同的。平常所見的白光（日光、白熾

8、燈光等）是一種復(fù)合光，它是由各種顏色的光按一定比例混合而得的。利用棱鏡等分光器可將它分解成紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等不同顏色的單色光。,白光除了可由所有波長的可見光復(fù)合得到外，還可由適當?shù)膬煞N顏色的光按一定比例復(fù)合得到。能復(fù)合成白光的兩種顏色的光叫互補色光。 2、物質(zhì)的顏色與吸收光的關(guān)系：當白光照射到物質(zhì)上時，如果物質(zhì)對白光中某種顏色的光產(chǎn)生了選擇性的吸收，則物質(zhì)就會顯示出一定的顏色。物質(zhì)所顯示的顏色是吸收光的互補色。,物質(zhì)的顏色與光的關(guān)系,完全吸收,完全透過,吸收黃色光,光譜示意,表觀現(xiàn)象示意,復(fù)合光,黑色,白色,藍色,單色光(monochromatic light)只具有一種波長的光。

9、混合光 由兩種以上波長組成的光。 白光 是由紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等各種色光按一定比例混合而成的。 物質(zhì)的顏色 是由于物質(zhì)對不同波長的光具有選擇性的吸收作用而產(chǎn)生的。,一、朗伯比爾定律Lambert-beer law,透光率 （透射比）Transmittance,透光率定義：,T 取值為0.0 % 100.0 %,全部吸收,T = 0.0 %,全部透射,T = 100.0 %,透光度、吸光度與溶液濃度及液層寬度的關(guān)系 （2-2） 溶液濃度與寬度的乘積與吸光度成正比，以上兩式中k是比例系數(shù)，與入射光波長、溶液的性質(zhì)及溫度有關(guān)。,朗伯-比爾定律(A=Kbc)中的系數(shù)(K)因濃度(c)所取的單位

10、不同，有兩種表示方式：,當c的單位為gL-1 b的單位為cm時，k以a表示，稱為吸光系數(shù)(absorption coefficient)，其單位為Lg-1cm-1，此時式（2-2）變?yōu)?c的單位為molL-1 b的單位為cm 這時k常用 表示。稱為摩爾吸光系數(shù)(molar absorptivity)，其單位為Lmol-1cm-1 A=bc,例 題：,用鄰二氮菲分光光度法測鐵。已知溶液中Fe2+的濃度為500 g L-1 ，液層厚度為2cm，在508nm處測得透射比為0.645。 計算：吸光系數(shù) a、摩爾吸收系數(shù) (MFe=55.85 g mol-1),解：,A= - lgT= - lg0.64

11、5 = 0.190（三位有效數(shù)字） c = 500 g L-1 =5.0010-4 g L-1 b=2cm,定量分析時，通常液層厚度是相同的，按照比爾定律，濃度與吸光度之間的關(guān)系應(yīng)該是一條通過直角坐標原點的直線。但在實際工作中，往往會偏離線性而發(fā)生彎曲。若在彎曲部分進行定量，將產(chǎn)生較大的測定誤差,二 偏離朗伯一比爾定律的因素,朗伯一比爾定律只對一定波長的單色光才能成立，但在實際工作中，即使質(zhì)量較好的分光光度計所得的入射光，仍然具有一定波長范圍的波帶寬度。在這種情況下，吸光度與濃度并不完全成直線關(guān)系，因而導(dǎo)致了對朗伯一比爾定律的偏離。所得入射光的波長范圍越窄，即“單色光”越純，則偏離越小。,（一

12、）非單色光所引起的偏離,（二）非吸收作用引起的偏離,非吸收作用引起的對朗伯一比爾定律的偏離，主要有散射效應(yīng)和熒光效應(yīng)，一般情況下熒光效應(yīng)對分光光度法產(chǎn)生的影響較小。 散射效應(yīng)：朗伯一比爾定律只適用于十分均勻的吸收體系。當待測液的體系不是很均勻時，入射光通過待測液后將產(chǎn)生光的散射而損失，導(dǎo)致吸收體系的透過率減小，造成實測吸光值增加,朗伯比爾定律是建立在均勻、非散射的溶液這個基礎(chǔ)上的。如果介質(zhì)不均勻，呈膠體、乳濁、懸浮狀態(tài)，則入射光除了被吸收外，還會有反射、散射的損失，因而實際測得的吸光度增大，導(dǎo)致對朗伯比爾定律的偏離,熒光效應(yīng): 當入射光通過待測液，若吸光物質(zhì)分子吸收輻射能后所產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)分子以

13、發(fā)射輻射能的方式回到基態(tài)而發(fā)射熒光，結(jié)果必然使待測液的透光率相對增大，造成實測吸光值減小。,溶質(zhì)的離解、締合、互變異構(gòu)及化學(xué)變化也會引起偏離。其中有色化合物的離解是偏離朗伯比爾定律的主要化學(xué)因素。例如，顯色劑KSCN與Fe3+形成紅色配合物Fe(SCN)3，存在下列平衡： Fe(SCN)3 Fe3+3SCN,（三）化學(xué)反應(yīng)引起的偏離,溶液稀釋時，上述平衡向右，離解度增大。所以當溶液體積增大一倍時，F(xiàn)e(SCN)3的濃度不止降低一半，故吸光度降低一半以上，導(dǎo)致偏離朗伯比爾定律。,2.3 紫外可見分光光度計 UV-Vis Spectrophotometers,一、基本組成 general proc

14、ess,光源,單色器,樣品室,檢測器,顯示,1. 光源 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，具有足夠的輻射強度、較好的穩(wěn)定性、較長的使用壽命。,可見光區(qū)：鎢燈作為光源，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。,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：光源的光由此進入單色器； 準光裝置：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； 出射狹縫。,3.樣品室,樣品室放置各種類型的吸收池（比色皿）

15、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。 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。,5. 結(jié)果顯示記錄系統(tǒng) 檢流計、數(shù)字顯示、微機進行儀器自動控制和結(jié)果處理,二、分光光度計的類型 types of spectrometer,1.單光束 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。,2.雙光束 自動記錄，快速全波段掃描?？上庠床环€(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。,三、儀器的主要性

16、能指標,1、光度的準確度：是指樣品在最大吸收波長處吸光度的測量值與真實值間的偏差，該偏差越小，說明儀器的準確度越高。 國際上通常采用吸光度的準確度來表示儀器的光度準確度，常用酸性重鉻酸鉀法進行檢測。 2、波長準確度：是指儀器指示器上所指示的波長與實際所輸入的波長值之間的符合程度，常用波長誤差來表示。 波長準確度常用稀土玻璃進行檢測。,3、雜散光：是分光光度法測量中的主要誤差來源。 4、分辨率：指儀器對相鄰兩吸收帶可分辨的最小波長的間隔能力。 5、光譜帶寬：是指從單色器射出的單色光最大強度的1/2處的譜帶寬度。 6、基線穩(wěn)定度與平直度：指儀器在不放置樣品時掃描100%T線和0%T線時讀數(shù)偏離的程

17、度或基線彎曲的程度。,2.4 紫外可見分光光度法分析條件的選擇,一、溶劑選擇的原則： 1、不與被測組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 2、所選溶劑在測定波長范圍內(nèi)無明顯吸收 3、對被測組分有較好的溶解能力 4、被測組分在所選的溶劑中有較好的峰形,二、測量條件的選擇 1、入射波長的選擇：通常是根據(jù)被測組分的吸收光譜，選擇最強吸收帶的最大吸收波長為入射波長。當最強吸收峰的峰形比較尖銳時，往往選用吸收稍低，峰形稍平坦的次強峰進行測定。 2、狹縫寬度的選擇：為了選擇合適的狹縫寬度，應(yīng)以減少狹縫寬度時試樣的吸光度不再增加為準。一般來說，狹縫寬度大約是試樣吸收峰半寬度的十分之一。,3、吸光度測量范圍的選擇： 由朗伯-比爾定

18、律可知： A=lg1/T=cl 微分后得： dlgT=0.4343dT/T= -ldc 或 0.4343T/T= -lc 代入朗伯-比爾定律有： c/c=0.4343T/TlgT 要使測定的相對誤差c/c最小，求導(dǎo)取極小得出： lgT=-0.4343=A 即當A=0.4343時，吸光度測量誤差最小。 最適宜的測量范圍為0.20.8之間。,4、參比溶液的選擇： 測定試樣溶液的吸光度，需先用參比溶液調(diào)節(jié)透光度（吸光度為0）為100%，以消除其它成分及吸光池和溶劑等對光的反射和吸收帶來的測定誤差。 參比溶液的選擇視分析體系而定，具體有： （1）溶劑參比 試樣簡單、共存其它成分對測定波長吸收弱，只考慮

19、消除溶劑與吸收池等因素； （2）試樣參比 如果試樣基體溶液在測定波長有吸收，而顯色劑不與試樣基體顯色時，可按與顯色反應(yīng)相同的條件處理試樣，只是不加入顯色劑。,（3）試劑參比 如果顯色劑或其它試劑在測定波長有吸收，按顯色反應(yīng)相同的條件，不加入試樣，同樣加入試劑和溶劑作為參比溶液。 （4）平行操作參比 用不含被測組分的試樣，在相同的條件下與被測試樣同時進行處理，由此得到平行操作參比溶液。,三、反應(yīng)條件的選擇： 對多種物質(zhì)進行測定，常利用顯色反應(yīng)將被測組分轉(zhuǎn)變?yōu)樵谝欢úㄩL范圍有吸收的物質(zhì)。常見的顯色反應(yīng)有配位反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)等。,顯色劑,這種被測元素在某種試劑的作用下，轉(zhuǎn)變成有色化合物的反應(yīng)叫顯色

20、反應(yīng)（color reaction），所加入試劑稱為顯色劑(color reagent)。,（一）、選擇顯色劑的一般原則： 選擇性好 所用的顯色劑僅與被測組分顯色而與其它共存組分不顯色，或其它組分干擾少。 靈敏度要足夠高 有色化合物有大的摩爾吸光系數(shù)，一般應(yīng)有104105數(shù)量級。 有色配合物的組成要恒定 顯色劑與被測物質(zhì)的反應(yīng)要定量進行，生成有色配合物的組成要恒定。,生成的有色配合物穩(wěn)定性好 即要求配合物有較大的穩(wěn)定常數(shù)，有色配合物不易受外界環(huán)境條件的影響，亦不受溶液中其它化學(xué)因素的影響。有較好的重現(xiàn)性，結(jié)果才準確 色差大 有色配合物與顯色劑之間的顏色差別要大，這樣試劑空白小，顯色時顏色變化才

21、明顯。,（二）、顯色反應(yīng)條件的選擇 溶液的酸度 許多顯色劑都是有機弱酸或有機弱堿，溶液的酸度會直接影響顯色劑的解離程度。（例如二甲酚橙） 對某些能形成逐級配合物的顯色反應(yīng)，產(chǎn)物的組成會隨介質(zhì)酸度的改變而改變，從而影響溶液的顏色。 另外，某些金屬離子會隨著溶液酸度的降低而發(fā)生水解，甚至產(chǎn)生沉淀，使穩(wěn)定性較低的有色配合物的解離。,顯色溫度 有些反應(yīng)需要加熱。有些顯色劑或有色配合物在較高溫度下易分解褪色。此外溫度對光的吸收及顏色深淺也有影響，要求標準溶液和被測溶液在測定過程中溫度一致。 顯色時間 顯色反應(yīng)有快慢，有的有色配合物容易褪色，因此不同的顯色反應(yīng)需放置不同的時間，并在一定的時間范圍內(nèi)進行比色

22、測定。,四、干擾及消除方法 常用的消除干擾的方法： 1、控制酸度：提高反應(yīng)的選擇性 2、加入掩蔽劑：使其只與干擾離子反應(yīng)生成不干擾測定的配合物。 3、改變干擾離子的價態(tài)：消除共存組分的干擾 4、改變測定波長 5、分離干擾離子,2.5 測定方法及其應(yīng)用,一、一般定性分析及應(yīng)用 （一）、有機化合物的鑒定 先掃描未知化合物的吸收光譜，然后根據(jù)其吸收光譜的特征（吸收峰的數(shù)目、形狀、位置、相對強度）與相同條件下掃描得到的已知純化合物的吸收光譜進行比較而定性。 （二）、有機化合物結(jié)構(gòu)的分析 先將化合物的紫外可見吸收光譜掃描出來，然后根據(jù)其吸收譜帶及最大吸收波長處吸收值的大小，可推斷出該化合物的主要基團及其所在位置。,（三）、化合物純度的檢驗 將純化合物的吸收光譜與含雜質(zhì)化合物的吸收光譜進行比較，根據(jù)兩者吸收光譜的差異進行純度檢驗。對雜質(zhì)檢驗的靈敏度取決于化合物與雜質(zhì)間吸收系數(shù)的差異。,標準曲線法 其方法是先配制一系列濃度不同的標準溶液，用選定的顯色劑進行顯色，在一定波長下分別測定它們的吸光度A。以A為縱坐標，濃度c為橫坐標，繪制A-c曲線，若符合朗伯比爾定律，則得到一條通過原點的直線，稱為標準曲線。然后用完全相同的方法和步驟測定被測溶液的吸光度，便可從標準曲線上找出對應(yīng)的被測溶液濃度或含量，這就是標準曲線