9第十章紫外

1第十章紫外-可见分光光度法教学目的、要求：掌握：紫外-可见分光光度法的基本原理和概念；比尔－朖伯定律；紫外-可见分光光度计；外-可见吸收光谱法的定性分析和定量分析方法及其应用；紫外吸收光谱与有机分子结构的关系。熟悉：吸收带及与分子结构的关系；吸光系数的概念及物理意义；紫外-可见分光光度计的类型。了解：吸收带的影响因素；紫外-可见分光光度计的光学性能；光电比色法Beer-lambert定律。教学重点及难点：重点：紫外-可见分光光度法的基本原理和概念。难点：吸收带及与分子结构的关系。Beer-lambert定律。第一节紫外-可见分光光度法的基本原理和概念一、光谱法简介1．分类根据物质发射的电磁辐射或与辐射的相互作用建立起来的一类仪器分析方法，统称光学分析法。光学分析法根据物质与辐射能作用的性质不同，可分为光谱法和非光谱法。当物质与辐射能相互作用时，物质内部发生能级跃迁，记录由能级跃迁所产生的辐射能随波长的变化所得的图谱称为光谱。利用物质的光谱进行定性、定量和结构分析的方法称为光谱分析法，简称光谱法。如紫外-可见吸收光谱法和红外吸收光谱法等。利用物质受辐射线照射时，改变电磁波的传播方向、速度等物理性质所建立起来的分析方法称为非光谱法，如折射分析法、旋光分析法等。按物质与辐射能的转换方向（能级跃迁方向），可分为吸收光谱法与发射光谱法。如紫外-可见分光光度法，红外分光光度法和原子吸收分光光度法等。常见的发射光谱法有原子发射光谱法、原子荧光光谱法、分子荧光光谱法和磷光光谱法等。按作用物质是分子或原子，可分为原子光谱法与分子光谱法。原子光谱法是以测量气态原子或离子外层电子能级跃迁所产生的原子光谱为基础的成分分析方法。分子光谱法是以测量分子中原子的振动能级（包括分子转动能级）、分子转动能级和分子电子能级（包括振-转能级）跃迁所产生的分子光谱为基础的定性、定量和物质结构分析方法。按辐射源的波长，可分为X-射线光谱法、紫外光谱法、红外光谱法等。2．光的性质与波长范围光是一种电磁波，又称电磁辐射，是能量在空间高速传播的一种形式。光具有波粒二象性。C是光在真空中的传播速度，所有电磁辐射在真空中的传播速度相同，C=2.997925×1010cm/s光的微粒性用每个光子具有的能量Ｅ描述，光子被认为是辐射能的最小单位。光子的能量与、和的关系为：Ehhchc式中，E是光子的能量，单位常用焦耳（J）和电子伏特（eV）；h是普朗克（Plank）常数，其值为6.6262×10-34J﹒s。由上式可知，光子具有的能量Ｅ与频率ν成正比而波长λ成反比。从γ射线至无线电波都是电磁辐射，光是电磁辐射的一部分，它们在性质上是完全相同的，仅是波长λ或频率ν不同，即光子具有的能量Ｅ不同。若把电磁辐射按波长大小顺序排列起来，称为电磁波谱。光学区域从红外线到X射线（表3-1），包括：X射线、远紫外区（100～200nm）与近紫外区（200～400nm）、可见区（400～760nm）、近红外区（0.76～2.5μm）、中红外区（2.5～50μm）与远2红外区（50～500μm）。通常所说的紫外吸收光谱指近紫外光谱，红外吸收光谱指中红外光谱。3．光谱分析仪器研究吸收或发射的电磁辐射强度和波长关系的仪器称为分光光度计（spectrophotometer），如荧光分光光度计、紫外-可见分光光度计等。这一类仪器都有三个最基本的组成部分：①辐射源，即光源；②把光源辐射分解为“单色”组分的单色器；③检测器和显示器。（二）紫外-可见分光光度法紫外-可见分光光度法是根据物质分子对紫外-可见光的吸收特性所建立起来的一种定性、定量和结构分析方法。紫外-可见光的波长范围为200～760nm。该法操作简单、准确度高、重现性好，在药物分析工作中普遍应用。目前应用紫外-可见分光光度法，在定性上不仅可以鉴别不同官能团和化学结构不同的化合物，而且可以鉴别结构相似的不同化合物；在定量上，可以进行单一组分的测定，也可以对多种混合组分不经分离而进行同时测定。此外，还可以根据吸收光谱的特性，与其他分析方法配合，用以推断有机化合物的分子结构。二、基本概念（一）跃迁类型紫外-可见吸收光谱是讨论分子中价电子在不同的分子轨道之间跃迁的能量关系。分子中的价电子有处于б轨道的б电子，轨道上的电子和未参与成键而仍处于原子道中的n电子（亦称p电子）。电子围绕分子或原子运动的几率分布叫做轨道。轨道不同，电子所具有的能量亦不同。当两个原子靠近而结合成分子时，两原子的原子轨道可线性组合成两个分子轨道。其中一分子轨道具有低较能量称为成键轨道，另—个分子轨道具有较高能量称为反键轨道。如图11-1所示，两个自旋方向相反的氢原子的s电子结合并以б键组成氢分子，分子轨道具有б成键轨道和б﹡反键轨道。同样两个原子的p轨道平行地重叠起来，组成两个分子轨道时，该分子轨道称б成键轨道和б﹡反键轨道。键的电子重叠比б键的电子重叠少，键能弱，跃迁所需的能量低。分子中n电子的能级，基本上保持原子状态的能级，称非键轨道。它比成键轨道所处能级高，比反键轨道能级低。由上所述，分子中不同轨道的价电子具有不同能量，处于低能级的价电子吸收一定能量后，就会跃迁到较高能级。在紫外和可见光区范围内，有机化合物的吸收光谱主要有n→π※、π→π※、n→σ※、σ→σ※1．σ→σ※跃迁处于σ成键轨道上的电子吸收光能后跃迁到σ反键轨道。分子中σ键较为牢固，故跃迁需要较大的能量，吸收峰在远紫外区。如乙烷的λmax在135nm。饱和烃类吸收峰一般都小于150nm，在200～400nm范围内没有吸收。2．π→π※跃迁处于π成键轨道上的电子跃迁到反键π轨道上，所需的能量小于σ→σ※跃迁所需的能量，孤立的π→π※跃迁一般在200nm左右，其特征是吸收光系数ε很大，一般ε104，为强吸收。例如CH2=CH2的吸收峰在165nm，ε为104。具有共轭双键的化合物，相间的π键与π键相互形成离域键，电子容易激发，使π→π※跃迁所需能量减少，如丁二烯λmax在217nm（ε为21000）。共轭键愈长跃迁所需能量愈小。33．n→σ※跃迁含有杂原子不饱和基团，如C=O、C=S、-N=N-等化合物，其非键轨道中孤对电子吸收能量后，向σ反键轨道跃迁，这种跃迁一般在近紫外区（200～400nm）。吸收强度弱，ε小，约在10～100之间。例如丙酮的λmax279nm，即属此种跃迁，ε为10～30。4．n→π※跃迁如含-OH，-NH2，-X，-S等基团化合物，其杂原子孤对电子吸收能量后向π反键轨道跃迁，这种跃迁可以吸收的波长在200nm左右。二、紫外-可见光谱中一些常用术语1．吸收光谱又称吸收曲线，是以波长λ（nm）为横坐标，以吸收度A为纵坐标所描绘的曲线。吸收光谱的纵坐标，也可用透光率、吸收系数（E或）来表示。因此，紫外-可见吸收光谱反映分子的电子结构特征，为结构研究提供重要信息。同一物质相同浓度的吸收曲线，应能相互重合。2．吸收峰吸收曲线上吸收最大的地方，它所对应的波长称最大吸收波长(λmax)。3．谷峰与峰之间的部位叫谷，该处的波长称最小吸收波长(λmin)。4．肩峰在一个吸收峰旁边产生的一个曲折，称为肩峰。5．末端吸收在图谱短波端只呈现强吸收而不成峰形的部分称为末端吸收。6．生色团有机化合物分子结构中含有π→π※或n→π※跃迁的基团，如CC、C=O、-N=N-、-NO2、-C=S等，能在紫外可见光范围内产生吸收的原子团。7．助色团助色团是指含有非键电子的杂原子饱和基团，如-OH、-NH2、-OR、-SH、-Cl、-Br、-I等。当它们与生色团或饱和烃相连时，能使该生色团或饱和烃的吸收峰向长波方向移动，并使吸收强度增加的基团。8．红移亦称长移，由于化合物的结构变化改变，如发生共轭作用，引入助色团以及溶剂改变等，而使吸收峰向长波方向移动。9．蓝（紫）移亦称短移，当化合物的结构改变或受溶剂影响而使吸收峰向短波方向移动。10．增色效应和减色效应由于化合物结构改变或其他原因，使吸收强度增加称增色效应或浓色效应。使吸收强度减弱称减色效应或淡色效应。11．强带和弱带化合物的紫外可见吸收光谱中，凡摩尔吸光系数εmax值大于104的吸收峰称为强带；凡小于εmax100的吸收峰称为弱带。（一）Beer-lambert定律Beer-lambert定律是吸收光度法的基本定律，是说明物质对单色光的吸收强弱与吸光物质的浓度和厚度关系的定律。Beer定律说明吸光度与浓度的关系；lambert定律说明吸光度与厚度间的关系。定律如下：A﹣lgTElc或T10-A10Elc式中E—吸光系数；A—吸光度；C—溶液浓度；l—液层厚度；T—透光率。（二）吸光系数与吸收光谱吸光系数的物理意义是吸光物质在单位浓度、单位液层厚度时的吸光度。在给定单色光、溶剂和温度等条件下，吸光系数是物质的特征常数，表明物质对某一特定波长光的吸收能力。不同物质对同一波长的单色光有不同的吸光系数，吸光系数愈大，表明该物质的吸光能力愈强，灵敏度愈高，所以吸光系数是定性和定量的依据。1．摩尔吸光系数是指在一定波长下，溶液浓度为1mol/L，厚度为1cm4时的吸光度，用表示。2．百分吸光系数（比吸光系数）是指在一定波长下，溶液浓度为1％（g/l00ml），厚度为1㎝时的吸光度，用1%1cmE表示。3．两种吸光系数之间的关系同一物质在同一波长时，摩尔吸光系数与百分吸光系数可以按下式进行换算。ε＝1%1cmEM/10式中，M—吸光物质的摩尔质量。摩尔吸收系数一般不超过105数量级，通常在104～105之间为强吸收，小于102为弱吸收，介于两者之间称中强吸收。吸收系数或1%1cmE不能直接测得，需用已知准确浓度的稀溶液测得吸收度换算而得到。如果溶液中同时存在两种或两种以上吸光物质时，只要共存物质不互相影响性质，即不因共存物质而改变本身的吸光系数，则总吸光度是各共存物吸收度的和，而各组分的吸光度由各自的浓度与吸光系数所决定。吸光度的这种加合性质是计算分光光度法测定混合组分的依据。四、影响Beer定律的因素按照Beer定律，浓度与吸光度之间的关系应该是一条通过原点的直线，在实际测定过程中，往往容易偏离直线而引入误差，从而影响测定的准确度。1．化学因素化学因素的影响主要表现为测定组分的表观浓度与真实浓度的差异，导致偏离Beer定律。物质在溶解配成溶液的过程中可能发生离解、缔合和与溶剂间的作用等，使测定组分的表现浓度与真实浓度不相符合，导致测定误差。化学因素的影响，一般可通过控制条件，在一定程度加以控制和消除。2．光学因素（1）非单色光：Beer定律的一个重要前提是单色光，事实上，即使现代高精度的分光光度计也难以获得纯净的单色光，—般只能得到接近单色光的狭窄谱带，因此会影响物质的吸收系数值和吸收光谱形状，单色光的纯度由单色器决定，是分光光度计的重要性能指标。（2）杂散光：与所需波长相隔较远的光称为杂散光，可使光谱变形变值。它是由仪器制造工艺、使用和保养不善、光路系统的不洁、损伤和霉变等造成的。（3）散射光和反射光：吸光质点对入射光有散射作用，入射光在吸收池内外界面之间通过时又有反射作用。散射光和反射光，都是入射光谱带宽度内的光，对透射光强度有直接影响。（4）非平行光：通过吸收池的光，一般都不是真正的平行光，倾斜光通过吸收池的实际光程比平行光的光程长，使实际厚度l增大而影响吸光度值。此外，温度等环境的变化会影响波长的准确度和重复性，应定期或在测定前对仪器进行校正和检定。第二节紫外-可见分光光度计将复合光分解为单色光的仪器称为单色器或分光器，测量光强的仪器称为光度计，兼有这两种性能的仪器称为分光光度计。紫外-可见分光光度计是在紫外-可见光区可选择一定波长的光，测定吸光度的仪器。仪器的类型很多，但基本原理与结构相似。主要部件及光路简示如下：光源单色器吸收池检测器讯号处理和显示器。5（一）主要部件1．光源分光光度计要求有能发射足够强度、稳定的、具有连续光谱且发光面积小的光源。对分子吸收测定来说，通常希望能连续改变测量波长进行扫描测定，故要求光源可