儀器分析02-紫外可見(jiàn)光光譜

UV/VisSpectroscopy中南民族大學(xué)紫外可見(jiàn)光分光光度法內(nèi)容(contents)概述紫外可見(jiàn)光譜的產(chǎn)生光的吸收定律儀器和測(cè)量方法紫外光譜和分子結(jié)構(gòu)為什么先講紫外可見(jiàn)光譜?我們的世界是彩色的。為什么？發(fā)射的光(lightemit)吸收的光(lightabsorbed)一束白光透過(guò)藍(lán)色的玻璃，出來(lái)的是什么顏色的光？大海和天空為什么是藍(lán)色的？什么顏色的光被吸收了？所以可見(jiàn)光光譜是最早發(fā)現(xiàn)并使用的光譜分析方法光的互補(bǔ)色能復(fù)合成白光的兩種顏色的光叫互補(bǔ)色光。物質(zhì)所顯示的顏色是吸收光的互補(bǔ)色。概述(Overview)分光光度法：以物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收為基礎(chǔ)的分析方法。根據(jù)物質(zhì)所吸收光的波長(zhǎng)范圍不同，分光光度分析法又有紫外、可見(jiàn)及紅外分光光度。Basedonthecharacteristicabsorptiontolightfordifferentmaterials.本儀器方法特點(diǎn)(Features)：靈敏度高(goodsensitivity):1-10-5%,微量分析(micro-assay)簡(jiǎn)單易用，儀器方便，應(yīng)用廣泛widelyusedduetoeasyoperationandlowcost光譜(Spectrum)X-rayFarUV紫外UV200-400nm可見(jiàn)Visible400-800nm紅外IR2.5-15mFarIRMWRFBondbreakage化學(xué)鍵破裂Electrontransition電子躍遷VibrationalTransition振動(dòng)躍遷RotationalTransition轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷NuclearSpin核自轉(zhuǎn)ElectronSpin電子自轉(zhuǎn)核磁NMR1-5m波長(zhǎng)Wavelengthl頻率Frequencynor能量energyE紫外和可見(jiàn)光(UV/Vislight)光的波長(zhǎng)和能量(somefacts)紫外光近紫外(nearUV):200–400nm,3–6eV真空紫外(vacuumUV):100–200nm,6–12eV可見(jiàn)光波長(zhǎng):400–800nm能量:1.5–3eV一般的電子躍遷能量變化在1–20eV典型光譜圖(spectrum)帶狀光譜：電子躍遷的同時(shí)，伴隨著振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷。Transitionbetweenvibrationalandrotationalenergylevelsalwaysoccursinelectrontransition,resultingintheband-shapedspectrum.物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收物質(zhì)吸收光之后基態(tài)變到激發(fā)態(tài)M+hn

M*因?yàn)槟芗?jí)的量子化，光的吸收只能是選擇性的；分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了每一種物質(zhì)對(duì)于光的吸收程度都不同；用不同波長(zhǎng)的單色光照射，測(cè)量光度-吸收曲線與最大吸收波長(zhǎng)。M+heatM+hn2

有關(guān)吸收曲線(absorptioncurve)①同一種物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸光度不同。吸光度最大處對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為最大吸收波長(zhǎng)---λmax②不同濃度的同一種物質(zhì)，其吸收曲線形狀相似，λmax不變。而對(duì)于不同物質(zhì)，它們的吸收曲線形狀和λmax則不同。③吸收曲線可以提供物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息，并作為物質(zhì)定性分析的依據(jù)之一。有關(guān)吸收曲線(absorptioncurve)④不同濃度的同一種物質(zhì)，在某一定波長(zhǎng)下吸光度A有差異，在λmax處吸光度A的差異最大。此特性可作作為物質(zhì)定量分析的依據(jù)。⑤在λmax處吸光度隨濃度變化的幅度最大，所以測(cè)定最靈敏。吸收曲線是定量分析中選擇入射光波長(zhǎng)的重要依據(jù)。紫外可見(jiàn)光譜的產(chǎn)生HowUV/Visspectrumisproduced?紫外光譜的產(chǎn)生主要是因?yàn)槲镔|(zhì)分子的能量具有量子化(quantization)的特征，也即物質(zhì)分子的能量具有不連續(xù)化的特征。每個(gè)分子都具有一系列能級(jí)(energylevels)，其中包括許多電子能級(jí)、分子振動(dòng)能級(jí)以及分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)。分子的總能量有以下幾個(gè)部分組成：Etotal=Ee+Ev+Er紫外光譜的產(chǎn)生（2）物質(zhì)分子內(nèi)部三種運(yùn)動(dòng)形式：（1）電子相對(duì)于原子核的運(yùn)動(dòng)；（2）原子核在其平衡位置附近的相對(duì)振動(dòng)；（3）分子本身繞其重心的轉(zhuǎn)動(dòng)。分子具有三種不同能級(jí)：電子能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)三種能級(jí)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(dòng)能量Ev和轉(zhuǎn)動(dòng)能量Er其中：ΔΕe>ΔΕv>ΔΕr能級(jí)躍遷(transition)電子能級(jí)間躍遷的同時(shí)，總伴隨有振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的躍遷。即電子光譜中總包含有振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間躍遷產(chǎn)生的若干譜線而呈現(xiàn)寬譜帶。討論（1）

轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的能量差ΔΕr：0.005～0.050eV，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(dòng)光譜；（2）振動(dòng)能級(jí)的能量差ΔΕv約為：0.05～１eV，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(dòng)光譜；（3）電子能級(jí)的能量差ΔΕe較大1～20eV。電子躍遷產(chǎn)生的吸收光譜在紫外—可見(jiàn)光區(qū)，紫外—可見(jiàn)光譜或分子的電子光譜；討論（2）（4）吸收光譜的波長(zhǎng)分布是由產(chǎn)生譜帶的躍遷能級(jí)間的能量差所決定，反映了分子內(nèi)部能級(jí)分布狀況，是物質(zhì)定性的依據(jù)；（5）吸收譜帶的強(qiáng)度與分子偶極矩變化、躍遷幾率有關(guān)，也提供分子結(jié)構(gòu)的信息。通常將在最大吸收波長(zhǎng)處測(cè)得的摩爾吸光系數(shù)εmax也作為定性的依據(jù)。不同物質(zhì)的λmax有時(shí)可能相同，但εmax不一定相同；（6）吸收譜帶強(qiáng)度與該物質(zhì)分子吸收的光子數(shù)成正比，定量分析的依據(jù)。光的吸收定律Lawofabsorptionforlight光的吸收定律LI0IA=-lg(I/I0)=-lgT=eLCA:吸光度，absorbanceT:透光度，transmittanceC:濃度，concentratione:吸光系數(shù)，absorptivity,mostlyusedasmolarabsorptivityL:樣品在光穿透方向的長(zhǎng)度,pathlengthofsample吸光系數(shù)(absorptivity)吸光系數(shù)是有色化合物的重要特性。ε愈大，表示該物質(zhì)對(duì)某波長(zhǎng)的光吸收能力愈強(qiáng)，因而光度測(cè)定的靈敏度就越高。ε的值，不能直接取1mol/L這樣高濃度的有色溶液來(lái)測(cè)量，而只能通過(guò)計(jì)算求得。由于溶液中吸光物質(zhì)的濃度常因離解、聚合等因素而改變。因此，計(jì)算ε時(shí)，必須知道溶液中吸光物質(zhì)的真正濃度。但通常在實(shí)際工作中，多以被測(cè)物質(zhì)的總濃度計(jì)算，這樣計(jì)算出的ε值稱為表觀吸光系數(shù)。文獻(xiàn)中所報(bào)道的ε值就是表觀吸光系數(shù)值。多成分的吸收假設(shè)個(gè)成分之間無(wú)相互作用，那么多成分的吸收可以疊加:Atotal=A1+A2+…+An=e1LC1+e2LC2+…+enLCnThetotalabsorptioncanbelinearlyaddedfromtheabsorptionofeachspecies,providedthereisnointeractionamongthevariousspecies.偏離光吸收定律的原因Non-idealabsorption偏離LB定律(deviationfromLBlaw)以濃度為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)作圖，應(yīng)得到一通過(guò)原點(diǎn)的直線，稱為標(biāo)準(zhǔn)曲線或工作曲線。但是，在實(shí)際工作中，當(dāng)有色溶液的濃度較高時(shí)，往往不成直線positivenegative偏離LB定律的原因入射光不是單色光LB定律只適合于單色光。但實(shí)際上單波長(zhǎng)的光不可能得到。單色光純度越差，吸光物質(zhì)的濃度越高，偏離的越嚴(yán)重。

Singlewavelengthlightcannotbeobtained.偏離LB定律的原因（2）介質(zhì)的不均勻性(inhomogeneity)當(dāng)被測(cè)溶液是膠體溶液、懸濁液或乳濁液時(shí)，入射光通過(guò)溶液后除一部分被吸收外，還有一部分因溶液中存在微粒的散射作用（scattering）而損失，并使透光度減小。而當(dāng)膠體或其他微粒凝聚沉淀時(shí)，又會(huì)使溶液吸光度下降。偏離LB定律的原因（3）溶液中的化學(xué)變化(chemicalcompositionchange)溶液中的化學(xué)變化如締合(combination)、離解(dissociation)、溶劑化(solvation)、形成新的化合物(reaction)、互變異構(gòu)(tautomerism)等，使吸光度不隨溶液濃度而成正比地改變，而導(dǎo)致偏離朗伯－比耳定律。

HIn≒H++In-偏離LB定律的可能——比色皿Ce（IV）離子的吸收光譜A：使用玻璃比色皿B：使用石英比色皿虛假峰的出現(xiàn)（虛假吸收）LB定律應(yīng)用的要求單色光(monochromatic)低濃度(lowconcentration)無(wú)熒光發(fā)生(notfluorescent)溶液均一(homogeneous)光照下穩(wěn)定(nophotochemicalreaction)溶質(zhì)和溶劑之間作用的穩(wěn)定性(novariableassociationsbetweensoluteandsolvent)儀器和測(cè)量方法InstrumentsandMeasuringMethods儀器（1）儀器（2）DoublebeaminspaceDoublebeamintime儀器（3）多通道光譜儀--陣列檢測(cè)燈源(lightsource)鎢燈1200nmmaximumTungstenlamp可見(jiàn)和紅外區(qū)域燈源（2）氘燈Deuteriumlamp225nmmaximum紫外區(qū)域測(cè)量方法1——標(biāo)準(zhǔn)曲線法配制一系列已知的具有不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，分別在選定波長(zhǎng)處測(cè)其吸光度A，然后以標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度c為橫坐標(biāo)，以相應(yīng)的吸光度A為縱坐標(biāo)，繪制出A－c關(guān)系曲線。如果符合光的吸收定律，則可獲得一條直線，稱為標(biāo)準(zhǔn)曲線或稱工作曲線。在相同條件下測(cè)量樣品溶液的吸光度，就可以從標(biāo)準(zhǔn)曲線上查出樣品的濃度。Ac標(biāo)準(zhǔn)工作曲線測(cè)量方法2——加入標(biāo)準(zhǔn)法

所謂的加入標(biāo)準(zhǔn)法，即在一定濃度的試樣溶液測(cè)定吸光度A0后，加入合適濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，再測(cè)吸光度A1，或再加幾次標(biāo)準(zhǔn)溶液，得A2,A3…吸光度，計(jì)算或作圖外推求試樣濃度的方法。即：

A0=kC樣；A1=k(C樣＋C標(biāo)）設(shè)試樣體積為V0;加入的標(biāo)準(zhǔn)溶液體積為V標(biāo)，則：A1=k(C樣V0+C標(biāo)V標(biāo))/(V0+V標(biāo)），聯(lián)解方程可求出C樣。或用A對(duì)C標(biāo)作圖，外推求出C樣。二元組分的測(cè)定數(shù)據(jù)處理--deconvolution數(shù)據(jù)處理--baseline三點(diǎn)校正方式Three-pointcorrection數(shù)據(jù)處理–baseline(2)基線扣除后的吸收譜誤差error1.光源導(dǎo)致的誤差(lightsource)；2.檢測(cè)器的誤差(detector)；3.散射光的誤差(straylight);4.綜合誤差(totalerror):最小誤差大致在吸收度為0.7左右，minimumatA=0.7紫外可見(jiàn)光譜和分子軌道的躍遷ElectronicTransitionsoforganiccompoundsetc.概要紫外可見(jiàn)光譜研究的主要對(duì)象是有機(jī)分子(OrganiccompoundsrepresentthemajorityofthestudiesmadeinUV/Vis.)光譜的來(lái)源主要是在這些有機(jī)分子中s、p和n軌道上的電子的躍遷。(Theobservedtransitionsinvolveelectronsengagedinsorpornon-bondingnelectronorbitals.躍遷類型有ss*,n

s*,n

p*,pp*,dd分子軌道(molecularorbitals)Singlebond:σmolecularorbital.Doublebond:σanπmolecularorbitals分子軌道的形成O+OO21s2s2pO:1s22s22p4分子中的電子(electrontypes)Example:HCHO(formaldehyde)COHnpsHss*躍遷這一類型的躍遷需要比較高的能量（真空紫外部分，吸收波長(zhǎng)小于200nm）飽和碳?xì)浠衔锛淄椋?25nm，乙烷：135nm水也是如此，因?yàn)橹挥衧s*,n

s*

的躍遷對(duì)溶劑的要求：飽和脂肪烴。不適于對(duì)極性大的物質(zhì)的檢測(cè)，因?yàn)闆](méi)有相應(yīng)的溶劑n

s*躍遷含有雜原子（O、N、S和Cl）的飽和有機(jī)物質(zhì)：如飽和醇苯胺的吸收（220nm）吸光系數(shù)：100

–3000醇：180nm，醚和鹵素取代物：190nm。甲醇：183nm，乙醚：190nm，乙胺：210nm，1-氯丁烷：179nmn

p*躍遷比較弱，消光系數(shù)在10–100之間認(rèn)識(shí)比較多的是羰基的吸收，對(duì)應(yīng)在270–295nm之間比如乙醛最大吸收在293nm，但是摩爾吸光系數(shù)只有12.（溶劑為乙醇）pp*躍遷對(duì)應(yīng)于不飽和碳碳鍵，如C=C吸光系數(shù)很大，1000-15000主要吸收，比較適于定量分析單個(gè)非共軛的C=C吸收大致在170nm左右乙烯的最大吸收在165nmdd躍遷很多金屬絡(luò)合物，其中金屬具有沒(méi)有完全填滿的d軌道主要在可見(jiàn)光部分例如Cu(H2O)62+和Ti(H2O)63+為藍(lán)色，高錳酸鉀為紫色生色團(tuán)和助色團(tuán) 生色團(tuán)(chromophores)有機(jī)化合物中具有紫外可見(jiàn)吸收的功能團(tuán)如不飽和鍵，胺基等助色團(tuán)(auxochoromophores)該功能團(tuán)本身沒(méi)有紫外可見(jiàn)吸收但是它們的存在對(duì)生色團(tuán)的吸收造成了影響如醇基，醚基等共軛效應(yīng)共軛效應(yīng)隔一個(gè)的不飽和鍵許多p軌道的相互作用，同樣許多p*軌道的相互作用吸收往長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)同時(shí)出現(xiàn)許多精細(xì)結(jié)構(gòu)165nm217nm

?

?

?

芳香烴的三個(gè)吸收帶紅移和藍(lán)移外在原因使得某一類結(jié)構(gòu)的分子吸收往短波長(zhǎng)方向移動(dòng)，稱為藍(lán)移現(xiàn)象(blueshiftorhypsochromiceffect);反方向則為紅移現(xiàn)象(redshiftorbathochromiceffect)主要的外在原因?yàn)槿軇┑臉O性大小溶液的pH同樣可能造成藍(lán)移或紅移例子判斷下面三種物質(zhì)的吸收波長(zhǎng)高低abc最大吸收波長(zhǎng):b>c>a吸收強(qiáng)度同樣:c>a>b溶劑效應(yīng)苯甲酮在環(huán)己烷（虛線）和乙醇（實(shí)線）中的紫外吸收譜溶劑效應(yīng)紅移藍(lán)移pH的影響酚酞phenolphthalein取代基和吸收位置取代基作為助色團(tuán)，影響了吸收最大波長(zhǎng)的位置定性上可以參考前面的那些效應(yīng)定量上則有經(jīng)驗(yàn)原則Fieser-WoodwardrulesScottrules應(yīng)用例子推測(cè)化合物中所含有的功能團(tuán)如果沒(méi)有紫外可見(jiàn)光吸收，則可能不含雙鍵或環(huán)狀共軛體系，可能是飽和有機(jī)化合物如果在200-250nm有強(qiáng)吸收峰，則可能是含有兩個(gè)雙鍵的共軛體系如果在260-350nm有強(qiáng)吸收峰，則至少有3-5個(gè)共軛發(fā)色團(tuán)和助色團(tuán)如果在270-350nm有弱吸收峰并且無(wú)其他的強(qiáng)吸收峰時(shí)，則可能是含有n電子的無(wú)共軛的發(fā)色團(tuán)（-C=O,-NO2,-N=N-),因?yàn)槿醴迨怯蒼

p*引起的。如果在260nm處有吸收且具備一定的精細(xì)結(jié)構(gòu)，則可能含有芳香環(huán)結(jié)構(gòu)應(yīng)用例子判別有機(jī)化合物的同分異構(gòu)體乙酰乙酸乙酯的互變異構(gòu)體酮式烯醇式206nm，中吸收245nm，強(qiáng)吸收應(yīng)用例子判斷有機(jī)化合物的順?lè)串悩?gòu)體1,2-二苯乙烯反式吸收在295nm，吸光系數(shù)27000順式吸收再280