现代仪器分析简化版

1第一章紫外-可见分光光度法UV-Vis方法是分子光谱方法，它利用分子对外来辐射的选择性吸收特性。UV-Vis涉及分子外层电子的能级跃迁；光谱区在190-780nmUV-Vis主要用于分子的定量分析，但紫外光谱(UV)为四大波谱之一，是鉴定许多化合物，尤其是有机化合物的重要定性工具之一。1.1紫外-可见吸收光谱一、分子吸收光谱的形成1.过程：运动的分子外层电子--吸收外来辐射--产生电子能级跃迁--分子吸收谱。2.能级组成：除了电子能级(Electronenergylevel)外，分子吸收能量将伴随着分子的振动和转动，即同时将发生振动(Vibration)能级和转动(Rotation)能级的跃迁！据量子力学理论，分子的振-转跃迁也是量子化的或者说将产生非连续谱。因此，分子的能量变化E为各种形式能量变化的总和：其中Ee最大：1-20eV;Ev次之：0.05-1eV;Er最小：0.05eV可见，电子能级间隔比振动能级和转动能级间隔大1-2个数量级，在发生电子能级跃迁时，伴有振-转能级的跃迁，形成所谓的带状光谱。不同物质将选择性地吸收不同波长或能量的外来辐射，这是UV-Vis定性分析的基础。定性分析具体做法是让不同波长的光通过待测物，经待测物吸收后，测量其对不同波长光的吸收程度(吸光度A)，以吸光度A为纵坐标，辐射波长为横坐标作图，得到该物质的吸收光谱或吸收曲线，据吸收曲线的特性(峰强度、位置及数目等)研究分子结构。二、分子吸收光谱跃迁类型有机分子能级跃迁1.可能的跃迁类型有机分子包括:成键轨道、；反键轨道*、*；非键轨道n各轨道能级高低顺序：n**（分子轨道理论计算结果）；可能的跃迁类型：-*；-*；-*；n-*；-*；n-*-*：C-H共价键，如CH4（125nm）；C-C键，如C2H6(135nm)，处于真空紫外区；-*和-*跃迁：尽管所需能量比上述-*跃迁能量小，但波长仍处真空紫外区；n-*：含有孤对电子的分子，如H2O(167nm)；CH3OH(184nm)；CH3Cl(173nm);CH3I(258nm)；(CH3)2S(229nm)；(CH3)2O(184nm)；CH3NH2(215nm)；(CH3)3N(227nm)，可见，大多数波长仍小于200nm，处于近紫外区。以上四种跃迁都与成键和反键轨道有关（-*，-*，-*和n-*），跃迁能量较高，这些跃迁所产生的吸收谱多位于真空紫外区，只有-*和n-*两种跃迁的能量小，相应波长出现在近紫外区甚至可见光区，且对光的吸收强烈，是我们研究的重点。2.几个概念生色团（Chromogenesisgroup）：分子中含有非键或键的电子体系，能吸收特征外来辐射时并引起n-*和-*跃迁，可产生此类跃迁或吸收的结构单元，称为生色团。助色团（Auxochromousgroup）：含有孤对电子，可使生色团吸收峰向长波方向移动并提高吸收强度的一些官能团，称之为助色团。常见助色团助色顺序为：-F-CH3-Br-OH-OCH3-NH2-NHCH3-NH(CH3)2-NHC6H5-O-红移或蓝移（Redshiftorblueshift）：在分子中引入的一些基团或受到其它外界因素影响，吸收峰向长波方向（红移）或短波方向移动（蓝移）的现象。吸收强度即摩尔吸光系数ε增大或减小的现象分别称为增色效应或减色效应。促使分子发生红移或蓝移的因素：1）共轭体系的存在----红移2）异构现象：使异构物光谱出现差异。3）空间异构效应---红移4）取代基：红移或蓝移。取代基为含孤对电子，如-NH2、-OH、-Cl，可使分子红移；取代基为斥电子基，如-R，-OCOR，则使分子蓝移。苯环或烯烃上的H被各种取代基取代，多产生红移。5）pH值：红移或蓝移。苯酚在酸性或中性水溶液中，有210.5nm及270nm两个吸收带；而在碱性溶液中，则分别红移到235nm和287nm（p-共轭）.6）溶剂效应：红移或蓝移。由n-*跃迁产生的吸收峰，随溶剂极性增加，形成H键的能力增加，发生蓝移；由-*跃迁产生的吸收峰，随溶剂极性增加，激发态比基态能量有更多的下降，发生红移。随溶剂极性增加，吸收光谱变得平滑，精细结构消失。hMhMtII*0rveΔΕΔΕΔΕΔΕ21.2吸收光谱的测量-----Lambert-Beer定律一、几个术语当强度为I0的入射光束(Incidentbeam)通过装有均匀待测物的介质时，该光束将被部分吸收，未被吸收的光将透过(Emergent)待测物溶液以及通过散射(Scattering)、反射(Reflection),包括在液面和容器表面的反射)而损失。这种损失有时可达10%，那么，I0=Ie+Is+Ir因此，在样品测量时必须同时采用参比池和参比溶液扣除这些影响。二、Lambert-Beer定律当入射光波长一定时，待测溶液的吸光度A与其浓度和液层厚度成正比，即A=kclk为比例系数，与溶液性质、温度和入射波长有关。当浓度以g/100ml表示时，称k为吸光系数，以E表示，即A=Ecl当浓度以mol/L表示时，称k为摩尔吸光系数，以表示，即A=εcl越大，表示方法的灵敏度越高。与波长有关，因此，常以表示。三、偏离L-B定律的因素样品吸光度A与光程b总是成正比。但当b一定时，A与c并不总是成正比，即偏离L-B定律！这种偏离由样品性质和仪器决定。1.样品性质影响a）待测物高浓度--吸收质点间隔变小—质点间相互作用—对特定辐射的吸收能力发生变化-变化；b）试液中各组份的相互作用，如缔合、离解、光化反应、异构化、配体数目改变等，会引起待测组份吸收曲线的变化；c）溶剂的影响：对待测物生色团吸收峰强度及位置产生影响；d）胶体、乳状液或悬浮液对光的散射损失。2.仪器因素：包括光源稳定性以及入射光的单色性等。a）入射光的非单色性：不同光对所产生的吸收不同,可导致测定偏差.当x=i时，或者说当x=i时，有A=xbc,符合L-B定律；当xi时，或者说当xi时，则吸光度与浓度是非线性的。二者差别越大，则偏离L-B越大;当xi，测得的吸光度比在“单色光”x处测得的低，产生负偏离；反之，当xi，则产生正偏离。b）谱带宽度与狭缝宽度:经分光元件色散所得的“单色光”实际上是有一定波长范围的光谱带(即谱带宽度)。单色光的“纯度”与狭缝宽度有关，狭缝越窄，它所包含的波长范围越小，单色性越好。1.3紫外-可见光度计仪器组成:由光源、单色器、吸收池和检测器四部分组成。一、光源:对光源基本要求：足够光强、稳定、连续辐射且强度随波长变化小。1.钨及碘钨灯：340-2500nm，多用在可见光区；2.氢灯和氘灯：160-375nm，多用在紫外区。二、单色器(Mnochromator)与原子吸收光度仪不同，在UV-Vis光度计中，单色器通常置于吸收池的前面！（可防止强光照射引起吸收池中一些物质的分解）三、吸收池(Cell，Container)：用于盛放样品。可用石英或玻璃两种材料制作，前者适于紫外区和可见光区；后者只适于可见光区。有些透明有机玻璃亦可用作吸收池。四、检测器：硒光电池、PMT、PDA分光光度计分为单波长和双波长仪器1.单波长分光光度计:单光束/双光束（空间分隔）/双光束（时间分隔）特点:双光束方法因光束几乎同时通过样品池和参比池,因此可消除光源不稳产生的误差。2.双波长分光度计:通过切光器使两束不同波长的光交替通过吸收池，测得吸光度差A。术语、符号定义其它表示方法辐射能P,P0吸光度A透过率T光程l吸光系数a摩尔吸收系数1秒内照在1cm2面积上的能量(erg)log(P0/P)或log(I0/I)P0/P或I0/I待测物液层厚度A/bc(c,g/L)A/bc(c,mol/L)光强I0，I光学密度D；消光值E透射比，透光度b,d吸收系数摩尔吸光系数11110lgBAbcIIA22220lgBAbcIIA3AB1和AB2分别为在1和2处的背景吸收，当1和2相近时，背景吸收近似相等。二式相减，得这表明，试样溶液浓度与两个波长处的吸光度差成正比。特点：可测多组份试样、混浊试样、而且可作成导数光谱、不需参比液(消除了由于参比池的不同和制备空白溶液等产生的误差)、克服了电源不稳而产生的误差，灵敏度高。3、二极管阵列分光光度计特点：单吸收池，测定速度快4.分光光度计的校正：当光度计使用一段时间后其波长和吸光度将出现漂移，因此需要对其进行校正。校正方法应参考仪器手册或咨询厂家。1.4分析条件选择一、仪器测量条件由于光源不稳定性、读数不准等带来的误差。当分析高浓度的样品时，误差更大。当相对误差c/c最小时，求得T=0.368或A=0.434。即当A=0.434时吸光度读数误差最小！通常可通过调节溶液浓度或改变光程b来控制A的读数在0.15-1.00范围内。二、反应条件选择1.显色剂的选择原则：使配合物吸收系数最大、选择性好、组成恒定、配合物稳定、显色剂吸收波长与配合物吸收波长相差大等。2.显色剂用量：配位数与显色剂用量有关；在形成逐级配合物，其用量更要严格控制。3.溶液酸度：配位数和水解等与pH有关。4.显色时间、温度、放置时间等。三参比液选择1溶剂参比：试样组成简单、共存组份少（基体干扰少）、显色剂不吸收时，直接采用溶剂（多为蒸馏水）为参比；2.试剂参比：当显色剂或其它试剂在测定波长处有吸收时，采用试剂作参比（不加待测物）；3.试样参比：如试样基体在测定波长处有吸收，但不与显色剂反应时，可以试样作参比（不能加显色剂）。四、干扰消除1.控制酸度：配合物稳定性与pH有关，可以通过控制酸度提高反应选择性，副反应减少，而主反应进行完全。2.选择掩蔽剂3.合适测量波长及方法4.干扰物分离5.导数光谱及双波长技术。二、定量分析1.单组份定量方法：1）标准曲线法（略）2）标准对比法：该法是标准曲线法的简化，即只配制一个浓度为cs的标准溶液，并测量其吸光度，求出吸收系数k，然后由Ax=kcx求出cx该法只有在测定浓度范围内遵守L-B定律，且cx与cs大致相当时，才可得到准确结果。2.多组分定量方法：由于吸光度具有加合性，因此可以在同一试样中测定多个组份。设试样中有两组份X和Y，将其显色后，分别绘制吸收曲线，会出现如图所示的三种情况：图a)：X,Y组份最大吸收波长不重迭，相互不干扰，可以按两个单一组份处理。图b)和c)：X,Y相互干扰，此时可通过解联立方程组求得X和Y的浓度yyxxyxlclcA111yyxxyxlclcA222其中，X,Y组份在波长1和2处的摩尔吸光系数可由已知浓度的X,Y纯溶液测得。解上述方程组可求得cx及cy。3.双波长法---等吸收点法当混合物的吸收曲线重迭时，利用双波长法来测定。具体做法：将a视为干扰组份，现要测定b组份。a)分别绘制各自的吸收曲线a,b；b)画一平行于横轴的直线分别交于a组份曲线上两点，并与b组分相交；c)以交于a上一点所对应的波长1为参比波长，另一点对应的为测量波长2，并对混合液进行测量，得到A1=A1a+A1b+A1sA2=A2a+A2b+A2s若两波长处的背景吸收相同，即A1s=A2s二式相减，得，A=(A2a-A1a)+(A2b-A1b)由于a组份在两波长处的吸光度相等，因此，A=(A2b-A1b)=(2b-1b)lcbbcAAIIA)(lg1212214从中可求出cb同理，可求出ca.3.系数倍率法：同3。但若其中一干扰组份b在测量波长范围内无吸收峰时，或者说没有等吸收点时可采用该法。具体做法：同前法可得到下式，A1=A1a+A1b（1）A2=A2a+A2b（2）K=E1b/E2b，(K-系数)（2）式乘以常数K并相减，得到，A=K(A2a+A2b)-(A1a+A1b)=(KA2b-A1b)+(K