分子吸光分析法課件

1、第二章 分子吸光分析法第一節(jié) 紫外可見(jiàn)吸收光譜法第二節(jié) 紅外吸收光譜法第一節(jié)紫外-可見(jiàn)分子吸收光譜法一 概述(一)、分子吸收光譜分析的發(fā)展概況紫外-可見(jiàn)-紅外目視比色-光電比色-分光光度光聲光譜-長(zhǎng)光程吸收光譜-傳感器(二)、分子吸收光譜的分類(lèi)和特征紫外-可見(jiàn)電子光譜Ee =1 - 20 eV紅外振動(dòng)光譜 0.05-1遠(yuǎn)紅外轉(zhuǎn)動(dòng)光譜 0.005-0.05a b cRoRoRoVoV1EoE1E電子能級(jí)V振動(dòng)能級(jí)R轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)A /nmHCN NN NCH對(duì)稱(chēng)四嗪水中環(huán)己烷中蒸汽中500555分子的電子光譜的特點(diǎn)： 在波長(zhǎng)范圍內(nèi)按一定強(qiáng)度分布的譜帶帶光譜 波長(zhǎng)位于紫外-可見(jiàn)區(qū)可進(jìn)行分子的定性和定量分

2、析可用于一些物理化學(xué)常數(shù)的測(cè)定（如平衡常數(shù)等）儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜應(yīng)用范圍廣泛（無(wú)機(jī)離子、有機(jī)化合物、生物大分子分析等）3、分子吸收光譜的特點(diǎn)(一)、吸收光譜與分子結(jié)構(gòu)1、有機(jī)化合物的吸收光譜根據(jù)分子軌道理論，分子中的電子軌道有 n、和 三種*n二 紫外-可見(jiàn)分子吸收光譜的理論基礎(chǔ)反鍵軌道非鍵軌道成鍵軌道 *躍遷 能量很大 吸收光譜在真空紫外區(qū) 多為飽和烴甲烷125 nm乙烷135 nmn * 躍遷 所需能量小于 *躍遷（150-250 nm） 含有未共用電子對(duì)（n電子）原子的飽和化合物都可發(fā)生躍遷的摩爾吸光系數(shù)比較小，一般在100-3000 L / mol cm化合物maxmaxH2O16

3、71480CH3OH184150CH3Cl173200(CH3)2O1842520 * 和 n * 躍遷 * 和 n * 躍遷能量低（200 nm） 含有不飽和鍵的有機(jī)分子易發(fā)生這類(lèi)躍遷 C=C C=C ; N=N ; C=O 有機(jī)化合物的紫外-可見(jiàn)吸收光譜分析多以這兩類(lèi)躍遷為基礎(chǔ) * 比 n * 躍遷幾率大 100-1000 倍 *躍遷吸收強(qiáng)， 104 n * 躍遷吸收弱， 500生色團(tuán) 含有 鍵不飽和官能團(tuán)助色團(tuán) 基團(tuán)本身無(wú)色，但能增強(qiáng)生色團(tuán)顏色 為含有n電子，且能與電子作用， 產(chǎn)生n 共軛184204254270苯（ *）苯酚（OH為助色團(tuán)）A/nm2、無(wú)機(jī)化合物的吸收光譜d-d 電子躍

4、遷絕大多數(shù)過(guò)渡金屬離子都具有未充滿的 d 軌道，按照晶體場(chǎng)理論，當(dāng)它們?cè)谌芤褐信c水或其它配體生成配合物時(shí)，受配體配位場(chǎng)的影響，原來(lái)能量相同的 d軌道發(fā)生能級(jí)分裂，產(chǎn)生 d-d 電子躍遷。配體配位場(chǎng)越強(qiáng)，d 軌道分裂能越大，吸收波長(zhǎng)越短。（f - f 躍遷與此類(lèi)似）沒(méi)有配位場(chǎng)八面體配位場(chǎng)dxy dxx dyzdx2 dx2-y2E例如：H2O 配位場(chǎng) NH3 配位場(chǎng)Cu 2+ 水合離子 794 nm淺藍(lán)色Cu 2+ 氨合離子663 nm深藍(lán)色電荷轉(zhuǎn)移躍遷電子接受體電子給予體配合物中一方電子向主要屬于另一方的軌道躍遷電荷轉(zhuǎn)移躍遷的摩爾吸光系數(shù)都很大（10000以上），因此利用配合物可建立靈敏的分析

5、方法。例如Fe（III）- SCN 配合物金屬離子影響下的配體 * 躍遷金屬離子與有機(jī)物配合后使配體的共軛結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致吸收光譜藍(lán)移或紅移。偶氮氯瞵III偶氮氯瞵IIIU（VI）配合物500 600 700/nmA小結(jié)：分子結(jié)構(gòu)光譜特征定性分析不同結(jié)構(gòu)的分子由于共軛程度不同，分子吸收的特征不同；相同共軛結(jié)構(gòu)的分子骨架，因助色團(tuán)的加入或改變，導(dǎo)致光譜位移和吸收系數(shù)變化；相同配體，因過(guò)渡金屬離子不同，導(dǎo)致配位場(chǎng)的變化或電荷轉(zhuǎn)移躍遷，或配體共軛結(jié)構(gòu)的變化，光譜發(fā)生變化IoIbSdx(二)、吸收定律（定量分析的基礎(chǔ)）IxdIxdIxIx吸收光強(qiáng)入射光強(qiáng)吸收率任一截面的吸收率adnds = adn截

6、面為S的區(qū)域內(nèi)俘獲光的有效面積從分子吸收的角度考慮因此俘獲光的幾率應(yīng)為：a1dn1dn2dn3a3a2ds = a1dn1+a2dn2+a3dn3令 i = 0.4343NaiAi = i b ci 如果吸光介質(zhì)內(nèi)只有一種吸光分子A = b c定量分析的依據(jù)(三)、吸收定律的適用性與限制1、吸收定律具有加和性，即1 2 A1A2A2、吸收定律只適合單色光設(shè)當(dāng)1 = 2 = 當(dāng)時(shí)，出現(xiàn)偏離AC011 + 2特別是存在非吸收線(或吸收很小,雜散光)和濃度較大時(shí)，I變的 很小，I3000 飽和 200很強(qiáng) =75-200強(qiáng) =25-75中 =5-25弱 5很弱（3）檢測(cè)器熱檢測(cè)器熱電偶等光檢測(cè)器In

7、Sb、InAs、PbSe等半導(dǎo)體材料受光照射后導(dǎo)電性變化而產(chǎn)生信號(hào)光檢測(cè)器的靈敏度比熱檢測(cè)器高幾倍，但需要液氮冷卻。（4）吸收池（A）固體樣品通常采用壓片法，將KBr與樣品充分研磨，混勻，壓片后進(jìn)行測(cè)定。也可采用調(diào)糊法，將研細(xì)的樣品用氟化煤油或重?zé)N油調(diào)糊，夾在兩鹽片間測(cè)定。（B）氣體和液體吸收池因玻璃有紅外吸收，因此吸收池通常采用鹽類(lèi)的單晶，如KBr、LiF等。這些材料易吸潮，故操作環(huán)境應(yīng)干燥（C）光聲光譜強(qiáng)吸收、高分散、不透明的樣品，如煤等；常規(guī)難制樣的樣品，如橡膠、高聚物等；可采用光聲光譜法。二、傅立葉變換紅外光譜儀Fourier Transform Infrared Spectromet

8、er (FTIR)70年代出現(xiàn)，是一種非色散型紅外吸收光譜儀，其光學(xué)系統(tǒng)的主體是邁克爾遜（Michelson）干涉儀。測(cè)量步驟：1、測(cè)得一組包含原輻射全部光譜信息的干涉圖；2、經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行傅立葉變換，獲得紅外吸收光譜圖。光源檢測(cè)器 樣品動(dòng)鏡定鏡O掃描距離2-18cm速度0.05-4cm/s1）當(dāng)O點(diǎn)到動(dòng)鏡和定鏡的距離相等無(wú)光程差相長(zhǎng)干涉2）O點(diǎn)到兩鏡距離（表示）相差/4的偶數(shù)倍相長(zhǎng)干涉相差/4的奇數(shù)倍相消干涉發(fā)生在上述兩種位移之間，亦部分為相消干涉。若令 I 為兩光束干涉后的強(qiáng)度，則 I（ ）=0.5 I() Cos2 / 或 I（ ）=0.5I() Cos2以上討論的是單色光的干涉，若同時(shí)有

9、多個(gè)頻率的光，則任意頻率的光強(qiáng)隨兩鏡距離之差為：Ii()=0.5Ii(i)Cos2i 總光強(qiáng)為I()= Ii()= 0.5 Ii(i)Cos2i +-I()= 0.5I()Cos2d若光的波長(zhǎng)連續(xù)分布以上討論的是Michelson干涉儀移動(dòng)時(shí)兩鏡相差任意時(shí)的光強(qiáng)I()，而我們更關(guān)心光強(qiáng)隨波長(zhǎng)的變化 I（ ）而不是光強(qiáng)隨兩鏡距離差的變化I()+-I()= 0.5I()Cos2d+-I ()= I()Cos2d傅立葉變換（時(shí)域譜）（頻域譜）I ()傅立葉變換的優(yōu)點(diǎn)：1、FTIR不需要分光，因此檢測(cè)器接收到的光通量較色散型儀器大得多，因此提高了信噪比和靈敏度，有利于弱光譜的檢測(cè)；2、FTIR的掃描速

10、度極快，能在很短的時(shí)間里（ 0因此， 越小，分子對(duì)稱(chēng)性越高通過(guò)測(cè)量拉曼譜線的去偏振度可以確定分子的對(duì)稱(chēng)性CN（CH3）2N（CH3）2CI-（CH3）2 NCN（CH3）2N（CH3）2（CH3）2 N+測(cè)得： 0故為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)結(jié)晶紫去偏振度測(cè)量 = II/入射光拉曼散射偏振器5. 拉曼光譜的強(qiáng)度I = K (0 - ) 4 I0 ( )ddr(三)、拉曼光譜儀光源單色器檢測(cè)器樣品室1、光源通常采用激光光源（1）He-Ne激光器主要波長(zhǎng)632.8 nm（2）氬離子激光器主要波長(zhǎng)514.5 nm488.0 nm與Rayleigh散射一樣，拉曼散射的強(qiáng)度反比于波長(zhǎng)的四次方，因此使用較短波長(zhǎng)的激光可以

11、獲得較大的散射強(qiáng)度熒光干擾拉曼光譜的測(cè)定，因此當(dāng)樣品或雜質(zhì)有熒光時(shí)，使用較短波長(zhǎng)的激光也獲得較大的熒光干擾2、樣品室樣品池的設(shè)計(jì)可用于測(cè)不僅液體、固體、也可氣體可進(jìn)行變溫、變壓實(shí)驗(yàn)為防止樣品在強(qiáng)光照射下分解，可設(shè)置旋轉(zhuǎn)池3、單色器色散型 ：色散性好且降低雜散光影響常采用雙光柵分光非色散型：采用傅立葉變換型儀器(四)、檢測(cè)器早期采用攝譜儀現(xiàn)采用光電倍增管和CCD顯微拉曼分析儀器CCDUnfilteredFiltered without R6G210-11M R6G210-11M R6G210-10M R6G210-9M R6G(五)、高靈敏度拉曼光譜分析的應(yīng)用傳統(tǒng)上認(rèn)為，拉曼光譜的主要缺點(diǎn)是靈敏

12、度低，其強(qiáng)度較熒光若10-12-10-14數(shù)量級(jí)，因此應(yīng)用受到限制。為了提高靈敏度，近年來(lái)發(fā)展了一些新的技術(shù)：1、共振拉曼光譜當(dāng)激光的頻率接近或等于樣品分子中某些官能團(tuán)（生色團(tuán)）的電子躍遷吸收頻率時(shí)，由于電子躍遷和振動(dòng)躍遷的耦合，產(chǎn)生共振拉曼效應(yīng)。拉曼譜線強(qiáng)度提高104-106倍。2、表面增強(qiáng)拉曼散射效應(yīng)Surface-enhance Raman Scattering （SERS）拉曼譜線強(qiáng)度提高1012-1014倍INRS(s)=NI(l)SfreeRaman 普通Raman表面增強(qiáng)Raman機(jī)理示意圖SERSAgISERS(s)=NI(l)|A (l)|2|A(s)|2SadsSERS基質(zhì) 金屬 Ag,Au,Cu Ni,Al,Li,Na,K,Pt 半導(dǎo)體 CdS,Fe2O3,TiO2SERS活性物質(zhì) 先決條件：能吸附在金屬基體表面 吡啶等雜環(huán)化合物 苯甲酸衍生物 氰基衍生物 一些染料，金屬絡(luò)合物，生物分子，無(wú)機(jī)分子1984年,J.Phys.Chem 上Peter Hildebrandt等首先研究了R6G在Ag膠表面SERS光譜，發(fā)現(xiàn)兩種不同機(jī)理造成的增強(qiáng)，聚集的納米銀粒子有更強(qiáng)的Raman增強(qiáng)。1997年，