紫外-可見分光光度法 uv課件

1、第一章 紫外-可見分光光度法(Ultraviolet and Visible Spectrophotometry, UV-Vis)1.1 紫外-可見吸收光譜1.2 吸收光譜的測量-Lambert-Beer 定律1.3 紫外-可見光度計(jì)儀器組成1.4 分析條件選擇1.5 UV-Vis分光光度法的應(yīng)用 UV-Vis方法是分子光譜方法，它利用分子對外來輻射的選擇性吸收特性。 UV-Vis涉及分子外層電子的能級躍遷；光譜區(qū)在190780nm. UV-Vis主要用于分子的定量分析，但紫外光譜(UV)為四大波譜之一，是鑒定 許多化合物，尤其是有機(jī)化合物的重要定性工具之一。 1.1 紫外-可見吸收光譜一、分

2、子吸收光譜的形成1. 過程：運(yùn)動(dòng)的分子外層電子-吸收外來輻射-產(chǎn)生電子能級躍遷-分子吸收譜。2. 能級組成：除了電子能級(Electron energy level)外，分子吸收能量將伴隨著分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，即同時(shí)將發(fā)生振動(dòng)(Vibration)能級和轉(zhuǎn)動(dòng)(Rotation)能級的躍遷！據(jù)量子力學(xué)理論，分子的振-轉(zhuǎn)躍遷也是量子化的或者說將產(chǎn)生非連續(xù)譜。因此，分子的能量變化E為各種形式能量變化的總和：其中Ee最大：1-20 eV; Ev次之：0.05-1 eV; Er最?。?.05 eV 可見，電子能級間隔比振動(dòng)能級和轉(zhuǎn)動(dòng)能級間隔大12個(gè)數(shù)量級，在發(fā)生電子能級躍遷時(shí)，伴有振-轉(zhuǎn)能級的躍遷，形成所

3、謂的帶狀光譜。 不同物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同或者說其分子能級的能量(各種能級能量總和)或能量間隔各異，因此不同物質(zhì)將選擇性地吸收不同波長或能量的外來輻射，這是UV-Vis定性分析的基礎(chǔ)。 定性分析具體做法是讓不同波長的光通過待測物，經(jīng)待測物吸收后，測量其對不同波長光的吸收程度(吸光度A)，以吸光度A為縱坐標(biāo)，輻射波長為橫坐標(biāo)作圖，得到該物質(zhì)的吸收光譜或吸收曲線，據(jù)吸收曲線的特性(峰強(qiáng)度、位置及數(shù)目等)研究分子結(jié)構(gòu)。有機(jī)分子能級躍遷1. 可能的躍遷類型 有機(jī)分子包括:成鍵軌道 、 ；反鍵軌道 *、*非鍵軌道 n 例如 H2O分子的軌道： CHHOoooo=o=n二、分子吸收光譜躍遷類型各軌道能級高低順序：

4、n*（分子軌道理論計(jì)算結(jié)果）；可能的躍遷類型：-*；-*；-*；n-*；-*；n-*-*：C-H共價(jià)鍵，如CH4（125nm）；C-C鍵，如C2H6(135nm)，處于 真空紫外區(qū)；-* 和-*躍遷：盡管所需能量比上述-*躍遷能量小，但波長仍處于 真空紫外區(qū)；n-*：含有孤對電子的分子，如H2O(167nm)；CH3OH(184nm)；CH3Cl (173nm);CH3I(258nm)；(CH3)2S(229nm)；(CH3)2O(184nm) CH3NH2(215nm)；(CH3)3N(227nm)，可見，大多數(shù)波長仍小于 200nm，處于近紫外區(qū)。 以上四種躍遷都與成鍵和反鍵軌道有關(guān)（-*

5、，-*，-*和n-*），躍遷能量較高，這些躍遷所產(chǎn)生的吸收譜多位于真空紫外區(qū)，因而在此不加討論。 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(qiáng)烈，是我們研究的重點(diǎn)。 2. 幾個(gè)概念：生色團(tuán)（Chromogenesis group）： 分子中含有非鍵或鍵的電子體系，能吸收特征外來輻射時(shí)并引起n-* 和-*躍遷，可產(chǎn)生此類躍遷或吸收的結(jié)構(gòu)單元，稱為生色團(tuán)。助色團(tuán)（Auxochromous group） ： 含有孤對電子，可使生色團(tuán)吸收峰向長波方向移動(dòng)并提高吸收強(qiáng)度的一些官能團(tuán)，稱之為助色團(tuán)。常見助色團(tuán)助色順序?yàn)椋?F-CH3-Br-OH-OCH3-NH2-N

6、HCH3-NH(CH3)2-NHC6H5i，測得的吸光度比在“單色光” x處測得的低，產(chǎn)生負(fù)偏離；反之，當(dāng) xi，則產(chǎn)生正偏離。1.3 紫外-可見光度計(jì)儀器組成 紫外-可見光度計(jì)儀器由光源、單色器、吸收池和檢測器四部分組成。一、光源 對光源基本要求：足夠光強(qiáng)、穩(wěn)定、連續(xù)輻射且強(qiáng)度隨波長變化小。1. 鎢及碘鎢燈：3402500 nm，多用在可見光區(qū)；2. 氫燈和氘燈：160375nm，多用在紫外區(qū)。二、單色器(Mnochromator) 與原子吸收光度儀不同，在UV-Vis光度計(jì)中，單色器通常置于吸收池的前面！（可防止強(qiáng)光照射引起吸收池中一些物質(zhì)的分解）三、吸收池(Cell，Container)

7、： 用于盛放樣品。可用石英或玻璃兩種材料制作，前者適于紫外區(qū)和可見光區(qū)；后者只適于可見光區(qū)。有些透明有機(jī)玻璃亦可用作吸收池。四、檢測器：硒光電池、PMT、PDA二、紫外可見光度計(jì)儀器 分光光度計(jì)分為單波長和雙波長儀器。1. 單波長分光光度計(jì) 單光束 雙光束（空間分隔） 雙光束（時(shí)間分隔）特點(diǎn)： 雙光束方法因光束幾乎同時(shí)通過樣品池和參比池，因此可消除光源不穩(wěn)產(chǎn)生的誤差。 3、二極管陣列分光光度計(jì)特點(diǎn)：單吸收池，測定速度快4. 分光光度計(jì)的校正 當(dāng)光度計(jì)使用一段時(shí)間后其波長和吸光度將出現(xiàn)漂移，因此需要對其進(jìn)行校正。波長標(biāo)度校正： 使用鐠-釹玻璃（可見光區(qū)）和鈥玻璃（紫外光區(qū)）進(jìn)行校正。因?yàn)槎呔?/p>

8、其各自的特征吸收峰。吸光度標(biāo)度校正： 采用 K2CrO4 標(biāo)準(zhǔn)液校正（在25oC時(shí)，于不同波長處測定0.04000g/L的 KOH 溶液（0.05mol/L）的吸光度 A，調(diào)整光度計(jì)使其A 達(dá)到教材 P31 中表 2.1 所列的吸光度。二、反應(yīng)條件選擇 顯色劑的選擇原則： 使配合物吸收系數(shù) 最大、選擇性好、組成恒定、配合物穩(wěn)定、顯色劑吸收波長與配合物吸收波長相差大等。2. 顯色劑用量： 配位數(shù)與顯色劑用量有關(guān)；在形成逐級配合物，其用量更要嚴(yán)格控制。3. 溶液酸度：配位數(shù)和水解等與 pH 有關(guān)。4. 顯色時(shí)間、溫度、放置時(shí)間等。三、參比液選擇 溶劑參比：試樣組成簡單、共存組份少（基體干擾少）、顯

9、色劑不吸收時(shí)，直 接采用溶劑（多為蒸餾水）為參比；2. 試劑參比：當(dāng)顯色劑或其它試劑在測定波長處有吸收時(shí)，采用試劑作參比（不 加待測物）；3. 試樣參比：如試樣基體在測定波長處有吸收，但不與顯色劑反應(yīng)時(shí)，可以試樣 作參比（不能加顯色劑）。四、干擾消除1. 控制酸度： 配合物穩(wěn)定性與pH有關(guān)，可以通過控制酸度提高反應(yīng)選擇性，副反應(yīng)減少，而主反應(yīng)進(jìn)行完全。如在0.5MH2SO4介質(zhì)中，雙硫腙與Hg2+生成穩(wěn)定有色配合物，而與Pb2+、Cu2+、Ni2+、Cd2+等離子生成的有色物不穩(wěn)定。2. 選擇掩蔽劑3. 合適測量波長4. 干擾物分離5. 導(dǎo)數(shù)光譜及雙波長技術(shù)二、定量分析1. 單組份定量方法1）

10、標(biāo)準(zhǔn)曲線法（略）2）標(biāo)準(zhǔn)對比法： 該法是標(biāo)準(zhǔn)曲線法的簡化，即只配制一個(gè)濃度為cs的標(biāo)準(zhǔn)溶液，并測量其吸光度，求出吸收系數(shù)k，然后由Ax=kcx求出cx 該法只有在測定濃度范圍內(nèi)遵守L-B定律，且cx與cs大致相當(dāng)時(shí)，才可得到準(zhǔn)確結(jié)果。3. 雙波長法-等吸收點(diǎn)法 當(dāng)混合物的吸收曲線重迭時(shí)，如右下圖所示，可利用雙波長法來測定。具體做法：將 a 視為干擾組份，現(xiàn)要測定 b 組份。a)分別繪制各自的吸收曲線a, b；b)畫一平行于橫軸的直線分別交于a組份曲線上兩點(diǎn)，并與b組分相交；c)以交于 a 上一點(diǎn)所對應(yīng)的波長 1 為參比波長，另一點(diǎn)對應(yīng)的為測量波長 2，并對混合液進(jìn)行測量，得到： A1=A1a

11、+ A1b + A1s A2 =A2a + A2b + A2s若兩波長處的背景吸收相同，即A1s= A2s二式相減，得，A=(A2a- A1a)+( A2b- A1b)由于 a 組份在兩波長處的吸光度相等，因此， A=( A2b- A1b)=(2b-1b)lcb從中可求出cb同理，可求出ca.4. 系數(shù)倍率法 情況同3。但若其中一干擾組份 b 在測量波長范圍內(nèi)無吸收峰時(shí)，或者說沒有等吸收點(diǎn)時(shí)可采用該法。具體做法：同前法可得到下式，A1=A1a + A1bA2 =A2a + A2b兩式分別乘以常數(shù)k1、k2并相減，得到，S=k2(A2a+A2b)-k1(A1a+A1b)=(k2A2b-k1A1b

12、)+(k2A2a-k1A1a)調(diào)節(jié)信號(hào)放大器，使之滿足k2/k1=A1b/A2b，（K=E1/E2，K掩蔽系數(shù)）則S=(k2A2a-k1A1a)=(k22-k11)lca因此，差示信號(hào)只與 ca 有關(guān)，從而求出 ca。同樣可求出cb。5、多波長線性回歸法A=E1C1L+E2C2LA/E2=(E1/E2)C1L+C2L對多波長下的值進(jìn)行線性回歸，得C1，C26. 導(dǎo)數(shù)光譜法1）定義：將吸光度信號(hào)轉(zhuǎn)化為對波長的導(dǎo)數(shù)信號(hào)的方法。導(dǎo)數(shù)光譜是解決干 擾物質(zhì)與被測物光譜重疊，消除膠體等散射影響和背景吸收，提高 光譜分辨率的一種數(shù)據(jù)處理技術(shù)。2）原理： 已知 ， 對波長求一階導(dǎo)數(shù)，得 可見，一階導(dǎo)數(shù)信號(hào)與濃

13、度成正比。 同樣可得到二階、三階.n 階導(dǎo)數(shù)信號(hào)亦與濃度成正比。導(dǎo)數(shù)光譜的特點(diǎn)：1、峰形特點(diǎn)2、特征性增加 吸收峰數(shù)為：導(dǎo)數(shù)階數(shù)+1，即 n+13、可消除干擾：高一階的導(dǎo)數(shù)，可消除低一階的干擾。4、分辨率提高：隨導(dǎo)數(shù)階數(shù)的增加，峰形越來越尖銳，峰變窄，因而導(dǎo)數(shù)光譜法分辨率高5、靈敏度提高10ppm苯的乙醇液1ppm苯的乙醇液0ppm純乙醇1ppm苯的乙醇溶液，一階導(dǎo)數(shù)光譜基本光譜1ppm苯的乙醇溶液，四階導(dǎo)數(shù)光譜選擇性及靈敏度均提高（苯的導(dǎo)數(shù)信號(hào)）/nmA3）導(dǎo)數(shù)峰高測量方法 測量方法有三，如下圖：正切法：相鄰峰(極大或極小)切線中點(diǎn)至相鄰峰切線(極小或極大)的距離d；峰谷法：兩相鄰峰值(極大

14、或極小)間的距離p1或p2；峰零法：極值峰至零線間的距離。7. 配合物組成和穩(wěn)定常數(shù)測定1）摩爾比法(飽和法)設(shè)配合物的顯色反應(yīng)為：具體做法：固定cM，增加cR，并測定一系列MRn的吸光度A，以cR/cM比值對A作圖，得如圖所示曲線。其中，曲線拐點(diǎn)處對應(yīng)的值為配合比 n。 設(shè)MRn 的電離度為，則2）等摩爾連續(xù)變化法(Job法)具體做法：保持cR+cM=c 恒定，但改變cM與cR的相對比例，若以cM/c對吸光度A作圖，當(dāng)達(dá)最大吸光度時(shí)cM/cR之比即為配位比。由兩曲線外推的交點(diǎn)所對應(yīng)的cM/c亦可得出配位比。若比值為0.5，則配位比n為1:1；若比值為0.33，則配位比n為1:2或者n=(1-cM/c)/(cM/c) 設(shè)cM/c=f，則 該法適于離解度小、配合比低的配合物組成測定。00.20.40.60.81.0AAAcM/c8. 弱酸離解常數(shù)的測定 設(shè)有一元弱酸HB，其離解反應(yīng)如下：若測出B-和HB，即可求出Ka。 測