9紫外-可见分光光度法

分析化学1第九章紫外-可见分光光度法◆学习目的⊙◆知识要求⊙◆能力要求⊙分析化学2◆学习目的通过学习光谱分析法概论、紫外-可见分光光度法的基本原理、分光光度计的基本构造、降低测量误差的方法、常用的定性、定量方法等知识，了解光学分析法的知识体系，熟悉紫外-可见分光光度法的实际应用，会用紫外-可见分光光度计测定溶液的吸光度，并对有关物质进行定性定量分析，为学习红外分光光度法、荧光分光光度法、核磁共振波谱法及药物分析课中有关药品的定性鉴别、杂质检查和含量测定方法奠定基础。分析化学3◆知识要求1．掌握朗伯-比尔定律概念、表示及条件，吸光系数和吸收光谱的意义、表示，常用的定量分析方法原理和应用。2．熟悉紫外-可见吸收光谱的产生机制、分光光度计的基本结构、偏离朗伯-比尔定律的主要因素。3．了解光谱分析法的分类、测量条件的选择、定性分析的依据和方法。分析化学4◆能力要求1.能够用朗伯-比尔定律解决定量计算问题。2.能够绘制吸收光谱曲线，找出被测物质的最大吸收波长。3.能够制备标准曲线，并能应用标准曲线对样品进行定量分析。4.会使用常见的紫外-可见分光光度计测定溶液的吸光度。分析化学5第一节光谱分析法概论第一节光谱分析法概论一、电磁辐射与电磁波谱电磁辐射：电磁辐射，也叫电磁波，具有波粒二象性。c＝λυE＝hυ电磁波谱：把电磁辐射按照波长大小顺序排列起来，就称为电磁波谱。紫外光区和可见光区仅是电磁波谱中的一小部分。分析化学6表9-1电磁波谱分区表电磁辐射区段波长范围能级跃迁的类型射线10-3~0.1nm原子核能级X射线0.1~10nm内层电子能级远紫外辐射10~200nm内层电子能级紫外辐射200~400nm价电子或成键电子能级可见光区400~760nm价电子或成键电子能级近红外辐射0.76~2.5μm涉及氢原子的振动能级中红外辐射2.5~50μm原子或分子的振动能级远红外辐射50~500μm分子的转动能级微波区0.3mm~1m分子的转动能级无线电波区1~1000m磁场诱导核自旋能级第一节光谱分析法概论分析化学7分析化学8第一节光谱分析法概论二、光谱分析法的分类（一）发射光谱法发射光谱法：物质的原子、分子或离子在一定条件下，由低能态（基态）跃迁至高能态（激发态），再由高能态跃迁至低能态，同时产生电磁辐射，根据这种光谱而建立的分析方法称为发射光谱法。发射光谱法分类：原子发射光谱法、原子荧光光谱法、分子荧光光谱法、X射线荧光谱法。分析化学9第一节光谱分析法概论二、光谱分析法的分类（二）吸收光谱法吸收光谱法：利用物质对电磁辐射的选择性吸收而建立的分析方法称为吸收光谱法。吸收光谱法分类：原子吸收光谱法、紫外-可见分光光度法、红外分光光度法、磁共振波谱法。分析化学10第一节光谱分析法概论三、紫外-可见分光光度的特点1.灵敏度高2.准确度高3.精密度好4.选择性好5.仪器设备简单，价格低廉，易于普及；操作简便，测定快速6.应用范围广泛分析化学11第二节紫外-可见分光光度法第二节紫外-可见分光光度法一、紫外-可见吸收光谱的产生当分子（或离子）受到光照射时，能够吸收具有一定能量的光量子，由能量较低的基态能级E1跃迁到能量较高的激发态能级E2，即物质对光具有选择性吸收。紫外-可见光的能量(h)与分子（或离子）发生电子能级跃迁前后的能量差（E2-E1）恰好相等，电磁辐射与被测物发生能量交换，产生紫外-可见吸收光谱。分析化学12吸光光度法的基本原理(一)物质的颜色及对光的选择性吸收1、可见光人们日常所看到的日光、白炽灯光只是电磁波中的一个很小的波段。人的眼睛能觉察到的那一小部分波段称为可见光，波长范围在400～760nm。在可见光谱区内不同波长的光有着不同的颜色。从波长较短的紫色光到波长较长的红色光。分析化学13各种单色光的波长范围（可见光波长范围：400~760纳米）红光：中心波长：660纳米；波长范围：760~622纳米；橙光：中心波长：610纳米；波长范围：622~597纳米；黄光：中心波长：570纳米；波长范围：597~577纳米；绿光：中心波长：550纳米；波长范围：577~492纳米；青光：中心波长：460纳米；波长范围：492~450纳米；蓝光：中心波长：440纳米；波长范围：450~435纳米；紫光：中心波长：410纳米；波长范围：435~400纳米。分析化学14吸光光度法的基本原理2、复合光由不同波长的光混合而成的光称为复合光。实验证明，日光、白炽灯光等可见光都是复合光。如果让一束白光通过棱镜，便可分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的光，这种现象称为光的色散。3、单色光只具一种颜色的光即单一波长的光称为单色光。分光光度计则是依靠单色光器中的棱镜或光栅（色散元件）把复合光色散成所需要的单色光。分析化学15吸光光度法的基本原理4、互补色光将两种适当颜色的单色光按一定强度比例混合可成为白光。这两种单色光称为互补色光。（二）溶液的颜色在漆黑的夜晚，我们看不到任何物质的颜色，只有在白天我们才能欣赏到多彩的世界。物质呈现何种颜色跟光源有关，也跟该物质的结构（本性）有关。物质的结构（本性）不同，物质对光的性质就会不同，物质的颜色也就不一样。图13-1光的互补色分析化学16吸光光度法的基本原理1、有色溶液当光束照射到物体上时，如果物质对各种波长的光完全吸收，则呈现黑色；如果物质对各种波长的光均匀吸收，则呈现灰色；如果完全反射，则呈现白色；如果选择性地吸收某些波长的光。当一束白光通过某种溶液时，如果它选择性地吸收了白光中某种色光。那么溶液呈现的是它吸收光的补色光（透过光）的颜色。例如硫酸铜溶液因吸收了白光中的黄色光而呈现蓝色，高锰酸钾溶液因吸收了白光中的绿色光而呈现紫色。分析化学17吸光光度法的基本原理由此可见，有色溶液的颜色是被吸收光颜色的补色。吸收越多，则补色的颜色越深。比较溶液颜色的深度，实质上就是比较溶液对它所吸收光的吸收程度。2、无色溶液当光束照射到物体上时，如果物质对各种波长的光既不吸收也不反射，则呈现无色（透明）。当一束白光通过某种溶液时，如果它对白光中的任何颜色的光都没有吸收和反射，则溶液呈现无色（透明），为无色溶液。图13-1光的互补色分析化学18分析化学19第二节紫外-可见分光光度法二、透光率与吸光度当一束单色光穿过均匀、透明介质时，一部分光被溶液吸收，还有的透过、反射。I0＝Ia+It+IrI0＝Ia+ItI0入射光强度Ia吸收光强度It透射光强度Ir反射光强度分析化学20lgAT透光率T:透射光强度It与入射光强度I0的比值称为透光率或透光度。吸光度A:对透光率的倒数取对数，称为吸光度即：第二节紫外-可见分光光度法0IITt0lgIIAt分析化学21第二节紫外-可见分光光度法三、朗伯-比尔定律当一束平行的单色光通过均匀、无散射的含有吸光性物质的溶液时，在入射光的波长、强度及溶液的温度等条件不变的情况下，该溶液的吸光度A与溶液的浓度c及液层厚度L的乘积成正比:A＝K·L·c朗伯-比尔定律是定量分析的理论依据。分析化学22朗伯-比尔定律不仅适用于可见光，而且也适用于紫外光和红外光；不仅适用于均匀、无散射的溶液，而且也适用于均匀、无散射的固体和气体。实验证明：溶液对光的吸光度具有加和性。如果溶液中同时存在两种或两种以上的吸光性物质，则测得的该溶液的吸光度等于溶液中各吸光性物质吸光度的总和，即：A（a+b+c）＝Aa＋Ab＋Ac第二节紫外-可见分光光度法分析化学23第二节紫外-可见分光光度法四、吸光系数摩尔吸光系数：在入射光波长一定时，溶液浓度为1mol/L，液层厚度为1cm时所测得的吸光度称为摩尔吸光系数，常用ε表示。吸收系数不可能直接用1mol/L浓度的吸光物质测量，一般是由较稀溶液的吸光系数换算得到。分析化学24例1：已知含Fe3+为500µg/L溶液用KSCN显色，在波长480nm处用2cm吸收池测得A=0.197,计算摩尔吸光系数ε。解：答：摩尔吸光系数ε为1.1×104L/mol•cm。)/(1095.885.551050066333LmolMcFeFeFe)/(101.121095.8197.046cmmolLcLA分析化学25第二节紫外-可见分光光度法四、吸光系数百分吸光系数：在入射光波长一定时，溶液浓度为1﹪（g/100ml）、液层厚度为1cm时所测得的吸光度称为百分吸光系数，常用表示。摩尔吸光系数和百分吸光系数的关系：1%1cmE1%110cmME分析化学26第二节紫外-可见分光光度法五、吸收光谱曲线概念：以波长λ为横坐标，吸光度A为纵坐标所描绘的曲线，称为吸收光谱曲线，简称吸收光谱。分析化学27分析化学28吸收光谱曲线的特征参数第二节紫外-可见分光光度法λsh分析化学29第二节紫外-可见分光光度法五、吸收光谱曲线特点:（1）在相同条件下，同一物质的不同浓度的溶液，其吸收光谱曲线相似，且λmax相同。这是定性分析的基础。（2）测定条件一定时，吸光性物质的浓度越大，其吸光度也越大。这是定量分析的基础。分析化学30•在正常情况下，选用同一种物质的几种不同浓度的溶液所测得的吸收光谱曲线的图形是完全相似的，λmax值也是固定不变的。•图9-3是四种不同浓度的KMnO4溶液的四条吸收曲线，这四条吸收曲线的形状完全相似，λmax值相同，这说明物质对不同波长的光吸收的程度是不一样的（选择性吸收），这个特性只与溶液中物质的结构有关，而与溶液的浓度无关。分析化学31第二节紫外-可见分光光度法六、偏离朗伯-比尔定律的因素化学因素:(1)溶液的浓度(2)物质的化学变化(3)溶剂的影响光学因素:(1)非单色光(2)杂散光(3)非平行光(4)反射现象(5)散射现象分析化学32第二节紫外-可见分光光度法分析化学33第二节紫外-可见分光光度法七、紫外-可见分光光度计基本结构：光源—单色器—吸收池—检测器—显示器基本类型:(1)可见分光光度计(2)紫外-可见分光光度计1）单波长分光光度计单光束分光光度计双光束分光光度计2）双波长分光光度计分析化学34紫外-可见分光光度计分析化学35第二节紫外-可见分光光度法分析化学36一、分光光度计的结构紫外-可见分光光度计的基本结构是由五个部分组成：即光源、单色器、吸收池、检测器和信号显示系统。光源单色器吸收池检测器显示器分析化学37（一）光源对光源的基本要求是应在仪器操作所需的光谱区域(整个紫外光区或可见光谱区)内能够发射连续辐射、有足够的辐射强度和良好的稳定性，而且辐射能量随波长的变化应尽可能小,较长的使用寿命。分光光度计中常用的光源有热辐射光源和气体放电光源两类。分析化学38热辐射光源用于可见光区，如钨丝灯和卤钨灯，可使用的范围在340~2500nm。这类光源的辐射能量与施加的外加电压有关，因此必须严格控制灯丝电压，仪器必须配有稳压装置。气体放电光源用于紫外光区，如氢灯和氘灯。可使用的范围在185~375nm。氘灯的灯管内充有氢的同位素氘，它是紫外光区应用最广泛的一种光源，其光谱分布与氢灯类似，但光强度比相同功率的氢灯要大3~5倍。分析化学39分析化学40（二）单色器单色器是能从光源辐射的复合光中分出单色光的光学装置，其主要功能：产生光谱纯度高的波长且波长在紫外可见区域内任意可调。单色器的组成：①入射狭缝：光源的光由此进入单色器；②准光装置：透镜或返射镜使入射光成为平行光束；③色散元件：将复合光分解成单色光；④聚焦装置：透镜或凹面反射镜，将分光后所得单色光聚焦至出射狭缝；⑤出射狭缝。分析化学41单色器的核心部分是色散元件，起分光的作用。单色器的性能直接影响入射光的单色性，从而也影响到测定的灵敏度、选择性及校准曲线的线性关系等。能起分光作用的色散元件主要是棱镜和光栅。棱镜有玻璃和石英两种材料。它们的色散原理是依据不同的波长光通过棱镜时有不同的折射率而将不同波长的光分开。由于玻璃可吸收紫外光，所以玻璃棱镜只能用于350~3200nm的波长范围，即只能用于可见光域内。石英棱镜可使用的波长范围较宽，可