紫外-可见光谱与荧光光谱

紫外-可见光谱与荧光光谱分析方法主要内容•光谱产生的原理•光谱仪的基本构造•光谱分析的应用•光谱仪的操作方法光谱的产生：辐射跃迁－光吸收和光发射分子的电子光谱：通过光与分子的相互作用，基态分子吸收光跃迁到电子激发态和电子激发态发射光跃迁到基态的光物理过程吸收光谱发射光谱（紫外－可见吸收光谱）（荧光光谱、磷光光谱）分子的电子吸收光谱和电子发射光谱为电子激发态的结构、能学和动态学的研究提供了重要的信息（1）光谱的产生光是什么？分子为什么会/能吸收光？•光谱产生的原理图：电磁波（一个小的有机分子的“尺寸”比一个波长要小得多）作为电磁波：可对带电粒子（例如电子与核）和磁偶极子（如电子自旋和核自旋）施加电力和磁力光是一种电磁波，可以看成是由在光传播方向上互相垂直的两个平面上相互作用的交变电场与交变磁场组成的。光与分子的相互作用看作是振荡偶极子（电子）和辐射场（振荡电场）产生的一种能量交换过程。偶极子理解光与分子相互作用的关键概念是：光的振荡电场可以使电子运动，也就是被激发的电子表现得象是一个振荡的偶极子。这种偶极子的振荡相当于化学键中的电子相对于物质中带正电的原子核的运动，也就是电子围绕分子的核骨架振动。在分子的电子云中任一给定点，光波引起的电场强度变化将是时间的函数即：零→（吸引）最大值→零→（产生一个相反的场）→（排斥）最大值→零重合（正、负电中心）分开图：电场诱导产生偶极矩＋－＋δ＋δ－δ－δε＝0ε≠0μiμi净效应：瞬时偶极矩偶极矩光与分子之间的相互作用取决于共振能量：ΔEΔE＝hν=hc/λ光子能量：E=hvh:普朗克常数6.626176×10-34焦耳·秒v:频率c:光速λ:波长电子能级的一个基本特点：能级量子化电子的跃迁能级差约为1~20eV，比分子振动能级差要大几十倍kT=25meV体系热能的标度E电子跃迁所处的波长范围（能量）电子跃迁类型：（1）σ→σ*跃迁指处于成键轨道上的σ电子吸收光子后被激发跃迁到σ*反键轨道（2）n→σ*跃迁指分子中处于非键轨道上的n电子吸收能量后向σ*反键轨道的跃迁（3）π→π*跃迁指不饱和键中的π电子吸收光波能量后跃迁到π*反键轨道。（4）n→π*跃迁指分子中处于非键轨道上的n电子吸收能量后向π*反键轨道的跃迁。（2）光吸收与光发射光谱相关的一些基本概念你做过吸收和发射光谱吗？你为什么要做吸收和发射光谱？你理解的吸收和发射光谱是什么？S0S1T1T2S2VRVRVRISCISCICFPCRCREXhh'EX'EX'h'VRIC光反应产物吸收光谱与测试一个基态分子M吸收能量为h的一个光子，使占据轨道的一个电子跃迁到空轨道而处于电子激发态M*，这种光激发过程可表示为M＋hM*通过吸收光谱的测定，可以确定与跃迁相关的两个轨道的能级间隔。吸收光谱以被吸收的光子的能量(波长、波数和能量eV)为横坐标，吸光度D或、log为纵坐标，给出分子对具有不同能量光子的吸收特性。被吸收的光子能量等于激发态的能量。吸光度被吸收的光子的能量(波长、波数和能量eV):摩尔消光系数。是评价物质吸收光的能力的重要物理量I0IAhvlI0:入射光强度I:透射光强度是分子的一个基本性质，与物质的种类和入射光的波长有关,不依赖于浓度和光程长度。其大小与跃迁是否满足选择定则密切相关.Lambert定律指出：被透明介质所吸收的入射光的百分数与入射光的强度无关。（激光光源除外）Beer定律指出：被吸收的光的量正比于光程中吸光分子的浓度。Lambert－Beer定律I=I010clA=log(I0/I)=cl（稀溶液）A：吸光值(2)能量吸收光谱通常用吸收光的波长λ(nm)、波数ΰ(cm1)或光子能量(eV)表示激发态能量。波长通常用峰值波长λmax(nm)，有时也可采用带边波长λedge(nm)表示。波长、波数和eV之间能量换算关系如下：ΰ(cm1)=1/λ(cm)=1×107/λ(nm)E(eV)=1240/λ(nm)OD=log(I0/I)(1)吸光度(absorbance)或光密度(opticaldensity)OD=2=0.011%transmitanceor99%absorbance~98%transmitanceor2%absorbance吸收光谱用峰值的ε值或者用谱带的积分强度表示吸收强度。用于表示这种积分强度的物理量是振子强度(oscillatorstrength)：=4.32109∫d4.32×109max1/2式中max为峰值摩尔消光系数，1/2为半峰宽。积分吸收强度与描述电子跃迁的基本理论单位振动强度有关，最大允许的跃迁强度的数值为1。应用这个方程式可以计算任何一个吸收带的振动强度，并且可以将这个计算至与1比较，来判断产生这一能带的电子跃迁是允许的还是禁阻的。一些基本概念（1）发色团（Chromophoricgroup）：分子中能吸收紫外光或可见光的结构系统叫做发色团或色基。象C=C、C=O、C≡C等都是发色团。发色团的结构不同，电子跃迁类型也不同。（2）助色团（Auxochromicgroup）：有些原子或基团，本身不能吸收光波，但它与一定的发色团相连时，则可使发色团所产生的吸收峰移动，这样的原子或基团叫做助色团。如：-OH、-NH2、-SH及一些卤素等。红移和蓝移•有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长λmax和吸收强度发生变化:•λmax向长波方向移动称为红移，向短波方向移动称为蓝移(或紫移)。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，如图所示。吸收光谱的测定装置示意图:光源发射的多波长连续光经过单色仪分光，按波长顺序进入样品池，透过样品池的透射光用光电倍增管和光子计数器测定强度，用计算机控制操作并处理数据。光源单色仪样品池光子计数器计算机绘图仪打印机光电倍增管在双光路系统中，一个光路上为溶剂池，另一个光路上为样品池，经过单色仪的单色光交替透过两个吸收池测得log(I0/I)随波长的变化。吸收光谱仪双光路分光光度计的光学系统机械转动P使单色光以从长波到短波波长顺序连续通过出射狭缝(S2)长波区：钨灯（340－2500nm）短波区：氘灯（185－360nm）石英棱镜反射镜样品池参比池光电倍增管（PbS光电池长波）实验操作相关吸收池有石英池和光学玻璃池，石英池在紫外-可见区和近红外区的透过率很高，可测紫外-可见吸收光谱和近红外吸收光谱，光学玻璃在紫外区有吸收，不能用来测定紫外区吸收光谱。（区分吸收池）各种有机溶剂在紫外区有吸收，吸收端波长(nm)如下：乙腈(190)、水(191)、戊烷(190)、己烷(195)、异辛烷(197)、环己烷(198)、甲醇(203)、乙醇(204)、乙醚(215)、二氯甲烷(230)、四氢呋喃(235)、氯仿(245)、乙酸(251)、乙酸乙酯(254)、四氯化碳(266)、DMF(270)、苯(278)、甲苯(285)、四氯乙烯(290)、吡啶(305)、二硫化碳(380)和CH3NO2(380)。这些吸收带的长波区是溶剂透过光的可利用的光谱区。溶剂的极性对于吸收带的位置产生影响。（纯化溶剂）光致电子激发态是很活泼的可以经过分子内辐射与无辐射跃迁回到基态，还可以与猝灭剂进行分子间能量转移、电子转移和化学反应而猝灭。？发射光谱与测试荧光光谱法基本原理•分子的激发与失活•分子的多重态•单重态：一个所有电子自旋都配对的分子的电子状态。大多数有机物分子的基态是单重态。当基态一对电子中的一个被激发到较高能级，其自旋方向不会立刻改变，分子仍处于单重态。•三重态：有两个电子的自旋不配对而平行的状态。激发三重态能量较激发单重态低。S0S1T1T2S2VRVRVRISCISCICFPCRCREXhh'EX'EX'h'VRIC光反应产物Jablonskidiagram发射光谱磷光光谱荧光光谱无辐射跃迁☆振动弛豫：☆内转换：☆系间窜越：☆外转换：荧光磷光光源样品池光子计数器计算机绘图仪打印机光电倍增管激发单色仪发射单色仪荧光光谱有荧光发射谱和荧光激发谱测定荧光发射谱时，利用激发单色仪固定激发光的波长ex，这时只有具有ex波长的光子进入样品池，使基态分子M处于M*。M*发射的光用发射单色仪分光，给出发射光的强度随波长变化曲线。测定荧光激发谱时，选择发射谱中的某个发射波长em作为观测波长,测定不同波长的激发光对发射观测波长的贡献。发射光荧光光谱仪激发光谱和荧光光谱荧光光谱的特点：①斯托克斯位移（Stokesshift)。与激发光谱相比，荧光光谱的波长总是出现在更长的波长处；②荧光光谱与激发波长无关。无论用λ=250和350nm作激发光源，所得荧光光谱形状和峰的位置都是相同；③吸收光谱与发射光谱大致成镜像对称。Em：ex＋20——2ex－20Ex：em/2＋20——em－20（3）吸收光谱和发射光谱的形状ΔE＝hν你所见到的吸收光谱和发射光谱:“锐线”?为什么不是与吸收的光或发射的光的频率有关的“锐线”?AbsEmA原子B具有分立的支态的分子C具有不可分辨的支态的分子锐线光谱带振动结构宽带光谱低压气相原子低压气相刚性分子溶剂分子典型例子紫外吸收光谱的应用物质的紫外吸收光谱基本上是其分子中生色团及助色团的特征，而不是整个分子的特征。如果物质组成的变化不影响生色团和助色团，就不会显著地影响其吸收光谱，如甲苯和乙苯具有相同的紫外吸收光谱。另外，外界因素如溶剂的改变也会影响吸收光谱，在极性溶剂中某些化合物吸收光谱的精细结构会消失，成为一个宽带。所以，只根据紫外光谱是不能完全确定物质的分子结构，还必须与红外吸收光谱、核磁共振波谱、质谱以及其他化学、物理方法共同配合才能得出可靠的结论。1化合物的初步鉴定利用紫外光谱可以推导有机化合物的分子骨架中是否含有共轭结构体系，如C＝C－C＝C、C＝C－C＝O、苯环等。利用紫外光谱鉴定有机化合物远不如利用红外光谱有效，因为很多化合物在紫外没有吸收或者只有微弱的吸收，并且紫外光谱一般比较简单，特征性不强。利用紫外光谱可以用来检验一些具有大的共轭体系或发色官能团的化合物，可以作为其他鉴定方法的补充。•如果一个化合物在紫外区是透明的，则说明分子中不存在共轭体系，不含有醛基、酮基或溴和碘。可能是脂肪族碳氢化合物、胺、腈、醇等不含双键或环状共轭体系的化合物。•如果在210～250nm有强吸收，则可能含有两个双键的共轭体系，如共轭二烯或α，β-不饱和酮等。同样在260，300，330nm处有高强度吸收带，在表示有三个、四个和五个共轭体系存在。•如果在260～300nm有中强吸收（ε＝200～1000），则表示体系中可能有苯环存在。如果苯环上有共轭的生色基团存在时，则ε可以大于10000。•如果在250～300nm有弱吸收带则可能含有简单的非共轭并含有n电子的生色基团，如羰基等。2纯度检测如果有机化合物在紫外可见光区没有明显的吸收峰，而杂质在紫外区有较强的吸收，则可利用紫外光谱检验化合物的纯度。如果有机化合物在紫外可见光区没有明显的吸收峰，而杂质在紫外区有较强的吸收，则可利用紫外光谱检验化合物的纯度。在相同条件下配制样品溶液和标准溶液，在最佳波长λ最佳处测得二者的吸光度A样和A标，进行比较，按式计算样品溶液中被测组分的浓度。标标样cAcXA2.1比较法2.2标准曲线配制一系列不同浓度的标准溶液，在λ最佳处分别测定标准溶液的吸光度A，然后以浓度为横坐标，以相应的吸光度为纵坐标绘制出标准曲线，在完全相同的条件下测定试液的吸光度，并从标准曲线上求得试液的浓度。该法适用于大批量样品的测定。3定量分析朗伯-比尔定律朗伯-比尔定律是紫外-可见吸收光谱法进行定量分析的理论基础，它的数学表达式为:A=εlc4氢键强度的测定溶剂分子与溶质分子缔合生成氢键时，对溶质分子的UV光谱有较大的影响。对于羰基化合物，根据在极性溶剂和非极性溶剂中吸收带的差别，可以近似测定氢键的强度。溶剂分子与溶质分子缔合生成氢键时，对溶质分子的UV光谱有较大的影响。对于羰基化合物，根据在极