第三章紫外教材

1、第三章紫外可見吸收光譜分析第一節(jié)紫外可見吸收光譜分析的原理一、概述紫外可見吸收光譜分析是指利用分子在紫外可見區(qū)（200800nm ）的吸收光譜，進行定性、定量分析。注意：分子光譜：本譜區(qū)分析依據(jù)的信息是組成分子的原子、外層價電子的運動特征，負(fù)載信息的信號是紫外可見光。吸收光譜光譜儀分析的紫外區(qū)指可以通過石英的sio2 且不為氧所吸收的200420nm譜區(qū)，即石英紫外區(qū)?？梢娮V曲光的波長范圍約為420760nm 。大致范圍 200800。二、分子外層電子的分子軌道與能級結(jié)構(gòu)正像原子中電子的運動狀態(tài)用原子軌道來描述一樣，分子中電子運動的狀態(tài)可以用分子軌道來描述。1、五種分子軌道成鍵與反鍵軌道（ *

2、 ）成鍵與反鍵軌道（ * ）非鍵軌道 n：有的原子在組成分子時， 其外層電子沒有參與形成鍵，只與別的核發(fā)生較弱的作用， 而被束縛在原來的原子核周圍， 這個嵌在分子內(nèi)的原子軌道保持原來的能量狀態(tài)稱之為非鍵軌道。能量排列順序： n* * 電子傾向于優(yōu)先排布在能量比較低的成鍵分子軌道上?；鶓B(tài)分子的外層電子主要是 、n 軌道的電子，這些軌道通常是排滿的，分子的空軌道是* 、* 軌道。一般來說有機分子常包含幾種分子軌道。三、紫外可見吸收光譜的信息1、躍遷的類型* * n * * n * n 這些躍遷的能量特征是有機物紫外可見吸收光譜分析所依據(jù)的主要信息。* 躍遷主要是有機分子中的cc鍵與 c h鍵電子。

3、這些躍遷的特征性小，且躍遷的能量間距大， 產(chǎn)生躍遷需要吸收光的波長在真空紫外區(qū)，約 150nm ，普通的紫外可見光譜分析不能利用。* 躍遷的能量間距約6 電子伏特左右， 產(chǎn)生這類躍遷需要吸收光子的波長在真空紫外區(qū)與石英紫外區(qū)，約200nm ，可能被普通的紫外可見光譜分析利用，產(chǎn)生這類躍遷的幾率較高其摩爾系數(shù)約104 。n * 躍遷的主要是含有o 、n 、p 等雜原子的有機分子。這些雜原子的孤對電子在非鍵軌道n 上。n 與* 分子軌道的能量間距也越6 電子伏特，因此產(chǎn)生這種躍遷需要吸收的光子與* 躍遷相似，但發(fā)生這類躍遷的幾率較低。n* 躍遷的主要是既含有c=c雙鍵，又含有雜原子的有機分子。由于

4、 n 與* 這兩種分子軌道的能量間距小， 因此產(chǎn)生這種躍遷需要的吸收的光子在石英紫外區(qū)， 其波長范圍較寬， 能被普通的紫外可見光譜分析利用。這類躍遷的幾率更低，其摩爾吸收光系數(shù)10107。電荷遷移躍遷是指收光的照射后，分子中的電子從給體部分向內(nèi)部的受體部分的軌道上躍遷，相應(yīng)的吸收光譜稱為電荷遷移吸收光譜。某些取代芳烴可以產(chǎn)生這種吸收。如：芳酮中苯環(huán)部分是電子的給體，氧原子、電子的受體，接受一個光子后產(chǎn)生電荷的遷移。2、幾個概念生色團光譜分析中常把能吸收光子產(chǎn)生電子躍遷的基團成為生色團。其含有非鍵軌道 n 和分子軌道的電子體系，能夠引起n * 和 * 躍遷，例如：助色團有些原子核原子團本身雖然不

5、吸收大于200nm的光，但一些生色團與這些原子或原子團結(jié)合后， 原來生色團所產(chǎn)生的吸收峰向長波方向移動，并且吸收強度增加， 這樣的一些原子和原子團稱為助色團。 助色團一般含有孤對電子的原子，他們與生色團結(jié)合后會產(chǎn)生能級間距較小的n* 或 n*躍遷，如：oh 、nh2、sh及一些鹵族元素等。紅移與藍(lán)移紅移：某些有機化合物取代反應(yīng)引入含有未共享電子對的基團（如 oh 、nh2、cl 、br、sh等）之后，吸收峰的波長 max 將向長波方向移動，這種效應(yīng)稱為紅移效應(yīng)。 這些會使某些化合物的 max向長波方向移動的基團稱為向紅集團。藍(lán)移：以紅移效應(yīng)相反，有時在某些生色團（如：c=0 ）的碳原子一端移入

6、一些取代基之后， 吸收峰的波長會向短波方向移動， 這種效用稱為藍(lán)移效應(yīng)。這些會使某些化合物 max向短波方向移動的基團如：ch3、ch2ch3等）稱為向藍(lán)集團。溶劑效應(yīng)此外，溶劑的極性不同業(yè)會引起某些吸收光譜的紅移或藍(lán)移，這種作用稱為溶劑效應(yīng)。在 * 躍遷中，激發(fā)態(tài)極性大于基態(tài)，當(dāng)使用極性大的溶劑時，由于溶質(zhì)與溶劑的相互作用，激發(fā)態(tài)的*比基態(tài)的 的能量下降更多，因而激發(fā)態(tài)與基態(tài)之間能量差減少，導(dǎo)致吸收譜帶max紅移。而在 n *躍遷中，基態(tài)、 n 電子于極性溶劑形成氫效應(yīng)，降低了基態(tài)能量，使激發(fā)態(tài)與基態(tài)之間的能量差變大， 導(dǎo)致吸收帶 max向短波去移動（藍(lán)移） 。第二節(jié)紫外可見鳳光光度計一、主

7、要組成部件各種型號的紫外可見分光光度計，就其基本結(jié)構(gòu)來說，都是由五個部分組成，即光源、單色器、吸收池、監(jiān)測器和信號指示系統(tǒng)。吸收池分光系統(tǒng)樣品室光度計系統(tǒng)分光系統(tǒng)包括光源與單色器，用于產(chǎn)生一定波長的單色光作為光譜分析的作用光；作用光投射到樣品室中的樣品，與樣品分子相互作用， 通過樣品后成為負(fù)載了樣品信息的分析光；其強度由光度計系統(tǒng)檢測，并經(jīng)過胡子那環(huán)、傳送、處理后在顯示器顯示分析結(jié)果。1、光源：光源的數(shù)量與性質(zhì)特征數(shù)量特征：光源的總強度反映光源的數(shù)量特征，要求光源有足夠高且穩(wěn)定的強度。注意：光源的不穩(wěn)定性會疊加到分析信息中，影響測量的準(zhǔn)確度與精確度。性質(zhì)特征：反映在其光譜特征，每種光源所發(fā)的光

8、具有一定的波長范圍，其在此范圍內(nèi)，不同波長成分光的興隊強度， fs（）也不同。常用的光源常用的光源有：熱輻射光源和元體放電光源兩類?？梢姽鈪^(qū)：常用熱輻射光源如：鎢絲燈和鹵鎢燈（在燈泡內(nèi)充入鹵素元體，制成如溴鎢燈、碘鎢燈，可提高在可見區(qū)的輻射強度）。工作波長： 3502500nm 紫外區(qū)：氣體放電光源如氫燈和氚燈，能在160360 nm 發(fā)生波長連續(xù)的紫外光。有些等（如氚燈）在紫外區(qū)和可見區(qū)都可以發(fā)出強度高、波長連續(xù)的光。2、單色器：功能：光源產(chǎn)生的光包含多種成分，波長連續(xù)的復(fù)色光，單色器的功能就是通過色散器件， 將此復(fù)色光中的不同波長成分在空間分開，然后分別取所需光源單色器檢測器信號指示系統(tǒng)波

9、長（或波長范圍較窄）的單色光用于分析。結(jié)構(gòu)一般由入射狹鏈、準(zhǔn)直系統(tǒng)（透鏡）或四面發(fā)射鏡使入射光成平行光），色散元件（具有選擇波長作用的光柵或棱鏡）。成像物鏡、出射狹鏈。其核心部分是色散元件起分光作用。起分光作用的色散元件主要是棱鏡和光柵。單色器中入射狹鏈越窄，則光譜上任意一點的波長成分越純，光譜的質(zhì)量就越高，出射狹鏈越小，則單色其產(chǎn)生的單色光帶寬小，單色性好，但能量小，影響儀器的信噪比。 通常入射狹鏈與出射狹鏈實行同步調(diào)節(jié)，保持兩者的寬度相同。這種情況下單色光的能量輸出與狹鏈寬度的平方成正比。3、吸收池吸收池用于盛放分析試樣，一般有石英和玻璃材料兩種。石英池適用于可見光區(qū)及紫外光區(qū)， 玻璃吸收

10、池只能用于可見光區(qū)。為減少光的反射損失， 吸收池的光學(xué)面必須完全垂直于光束方向。在高精度的分析測定中（紫外區(qū)尤其重要） ，吸收池要挑選配對，因為吸收池材料的本身吸光特性以及吸收池的光成長度的精度等對分析結(jié)果都有影響。4、檢測器檢測器的功能是檢測光信號， 測量單色光透過溶液后強度變化的一種裝置，常用的檢測器有光電池、光電管和光電倍增管等，它們通過光電效應(yīng)將照射到監(jiān)測器上的光信號轉(zhuǎn)變成電信號。光電池常用的光電池有硒光電池和硅光電池，硒光電池價格便宜但容易出現(xiàn)疲勞效應(yīng)，只能用于低檔的分光光度計中。硅光電池不易疲勞， 但對短波區(qū)的響應(yīng)較差。光電管光電管在紫外可見分光光度計上應(yīng)用較為廣泛。它的結(jié)構(gòu)是以一

11、彎成半圓柱形的金屬片為陰極，陰極的內(nèi)表面涂有光敏層；在圓柱形的中心之一金屬絲為陽極，接受陰極釋放出的電子。 兩電極密封于玻璃或石英管內(nèi)并抽成真空。 陰極上光敏材料不同， 光譜的靈敏區(qū)也不同， 可分為藍(lán)敏和紅敏兩種光電管。藍(lán)敏：在鎳陰極表面上沉積銻和銫，可用于波長范圍為210625nm 。紅敏：在陰極表面上沉積了銀和氧化銫，可用范圍為 6251000nm 。與光電池比較，它有靈敏度高，光敏范圍寬，不易疲勞等優(yōu)點。光電倍增管光電倍增管是在光電管理增加了電子流的放大功能（放大系數(shù)可達(dá)108）而構(gòu)成的光電檢測器件。 它的靈敏度比一般的光電管要高200倍。常用于高中檔的分光光度計。5、信號指示系統(tǒng)它的作

12、用是放大信號并以適當(dāng)方式指示或記錄下來。常用的信號指示裝置有直讀檢流計、電位調(diào)劑指零裝置以及數(shù)字顯示或自動記錄裝置等。二、紫外可見分光光度計的類型歸納為三種類型：1、單光束分光光度計經(jīng)單色器分光后的一束平行光，輪流通過參比溶液和樣品溶液以進行吸光度測定。這種分光光度計結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、價格便宜，適用于常規(guī)分析。國產(chǎn)722 型、751 型、724型，英國 sp500型都屬于此類。2、雙光束分光光度計經(jīng)單色器分光后經(jīng)反射鏡m1分解為強度相等的兩束光，一束通過參比池，另一束用過樣品池。光度計能自動比較兩束光的強度， 此比值即為試樣的透射比，經(jīng)對數(shù)變換后將它轉(zhuǎn)化為吸光度并作為波長函數(shù)記錄下來。雙光束

13、分光光度計一般都能自動記錄吸收光譜曲線。 由于兩束光同時分別通過參比池和樣品池，還能自動消除光源強度變化引起的誤差。國產(chǎn) 710 型 730型、740 型3、雙波長的分光光度計由同一光源發(fā)出的光被分成兩束，分別經(jīng)過兩個單色器，得到兩束不同波長（1 和2）的單色光，利用切光器使兩束光以一定的頻率交替照射同一吸收池，然后經(jīng)過光電倍增管和電子控制系統(tǒng)，最后由顯示器顯示出兩個波長出的吸光度差值。a（a=a 1-a2）對于多組分混合物，混濁式樣（如生物組織液）分析，以及存在背景干擾或共存組分吸收干擾的情況下， 利用雙波長分光光度法， 往往能提高方法的靈敏度和選擇性。另用雙波長分光光度計，能獲得導(dǎo)數(shù)光譜。

14、三、分析條件的選擇（ p41）為了得到正確的測定結(jié)果，除了在分析測定前必須按待測物的光譜特點，確定選用分光光度計，還要選擇適當(dāng)?shù)臏y定條件。1、分析波長的選擇為了使測定結(jié)果有較高的靈敏度，在一般情況下，分析用的單色光應(yīng)選擇被測物質(zhì)溶液的最大吸收波長， 這樣可得到較大的吸光度之， 且測定受分析波長的誤差影響較小。 如果有背景干擾時， 則可選靈敏度稍低， 但能避免干擾的波長為作用光。2、單色作用光帶寬大體相當(dāng)于樣品光譜吸收峰寬1/5 1/10 。第三節(jié)紫外可見吸收光譜的應(yīng)用一、定性分析紫外可見分光光度計對無機元素的定性分析較少，在有機化合物的定性鑒定和結(jié)構(gòu)分析中， 由于紫外可見光譜較簡單，特征性不強

15、， 因此有一定局限性，但是它適用于不飽和有機化合物，尤其是共軛體系的鑒定， 以此推斷未知物的骨架結(jié)構(gòu)。常用方法：1、在相同的測量條件下，測定未知物的吸收光譜與所推斷化合物的標(biāo)準(zhǔn)光譜加以比較。若兩光譜相同，即可能為同一化合物。2、利用經(jīng)驗規(guī)則計算最大吸收波長max ，然后與實測值比較，例如：woodward規(guī)則等等。3、運用本章第一節(jié)知識，解析有機物紫外光譜：對某有機物的結(jié)構(gòu)一無所知時，可運用下述經(jīng)驗規(guī)律解析所得的紫外光譜。（1）如在 200400nm區(qū)域內(nèi)無吸收峰，則初步斷定該化合物無共軛雙鍵系統(tǒng)，可能是無機化合物。（2）在 250260nm處有吸收，最大摩爾吸光系數(shù)qmax在 103104，

16、則該化合物可能具有芳香環(huán)的結(jié)構(gòu)。（3）在 270350nm區(qū)域內(nèi)有一個很弱的吸收峰， （=10100） ，且 200nm以上無吸收，弱峰可能是 * 躍遷所致。例如：c=0 ， c=c o 或 c=c n （4）化合物在紫外光譜中有吸收，其波長吸收峰強度qmax在 11042104之間，則表示有 . 不飽和酮或共軛烯烴結(jié)構(gòu)。（5）若紫外光譜中有許多吸收峰，并有一些峰出現(xiàn)在可見區(qū)，則該化合物的結(jié)構(gòu)可能只有長鏈共軛體系或稠環(huán)芳香生色團。如果化合物有顏色， 則至少有45 個相互共軛的生色團（主要指雙鏈） 。含氮化合物及碘例外。二、定量分析1、定量依據(jù)紫外可見分光光度計定量分析的依據(jù)是lambertbeer 定律。 （a=bc）即在一定波長處被測定物質(zhì)的吸光度與它的濃度成淺性關(guān)系，因此通過測定溶液對一定波長 射光的強度，即可求出該物質(zhì)在溶液中的濃度和含量。2、常用的定量方法標(biāo)準(zhǔn)曲線法配制 510 個不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，在該溶液的