紫外可见吸收光谱分析

基本要求：了解紫外-可见吸光光度法的特点，光的基本性质，物质对光的选择性吸收，吸收曲线。掌握朗伯-比耳定律，以及运用朗伯-比耳定律定量分析的方法。掌握紫外-可见分光光度计的基本结构、工作原理，了解其主要部件的基本性质和工作原理。掌握测量条件的选择以及显色反应选择的方法。了解双光束分光光度法的原理和应用。了解双波长分光光度法的原理和应用。第一节概述一、仪器分析方法分类（回顾）：电化学分析法光学分析法色谱分析法其它分析方法原子光谱法分子光谱法X射线光谱法核磁波谱紫外—可见光光谱法荧光光谱法红外吸收光谱法拉曼光谱法本章是仪器分析课程中光分析方法的第一章，光分析方法中的一些基本理论、基本概念、基本专业术语，在本章中首次出现并应用。紫外－可见吸收光谱法历史较久远，应用十分广泛，与其它各种仪器分析方法相比，紫外－可见吸收光谱法所用的仪器简单、价廉，分析操作也比较简单，而且分析速率较快。在有机化合物的定性、定量分析方面，例如化合物的鉴定、结构分析和纯度检查以及在药物、天然产物化学中应用较多。光分析的基本过程：（1）能源提供能量；（2）能量与被测物之间的相互作用；（3）产生信号。基本特点：（1）所有光分析法均包含三个基本过程；（2）选择性测量，不涉及混合物分离（不同于色谱分析）；（3）涉及大量光学元器件。电磁幅射的波长分布γ射线：5～140pmX射线：10－3～10nm光学区：10～1000μm远紫外区：10～200nm近紫外区：200～380nm可见区：380～780nm近红外区：0.78～2.5μm中红外区：2.5～50μm远红外区：50～1000μm微波：0.1mm～1m无线电波：1m紫外－可见吸收光谱是基于分子内电子跃迁，是分子光谱。电磁辐射的基本性质电磁辐射（电磁波）：以接近光速（真空中为光速）传播的能量；c=λν=ν/σE=hν=hc/λc：光速=2.998×1010cm·s；λ：波长；ν：频率；σ：波数；E：能量；h：普朗克常数＝6.624×10-34J·s电磁辐射具有波动性和微粒性；分子光谱（带状光谱）：基于分子中电子能级、振-转能级跃迁；紫外光谱法（UV）；红外光谱法（IR）；分子荧光光谱法（MFS）；分子磷光光谱法（MPS）；核磁共振与顺磁共振波谱（N）；不同物质具有不同的分子结构，对不同波长的光会产生选择性吸收，因而具有不同的吸收光谱。而各种化合物，无机化合物或有机化合物吸收光谱的产生在本质上是相同的，都是外层电子跃迁的结果，但二者在电子跃迁类型上有一定区别。有机化合物吸收可见光或紫外光，σ、π和n电子就跃迁到高能态，可能产生的跃迁有σ→σ*、n→σ*、π→π*和n→π*。各种跃迁所需要的能量或吸收波长与有机化合物的基团、结构有密切关系，根据此原理进行有机化合物的定性和结构分析。无机络合物吸收带主要是由电荷转移跃迁和配位场跃迁而产生的。电荷转移跃迁的摩尔吸收系数很大，根据朗伯－比尔定律，可以建立这些络合物的定量分析方法。x射线紫外红外微波无线电波射频区紫外振动红外可见核磁共振化学键断裂电子跃迁振动跃迁转动跃迁原子核自转电子自转能量a频率va低高UVIRNMR200nm400nm800nm15μm2.5μm5m1m波长λa光波谱区及能量跃迁相关图二、应用：1．定量分析：有色物质→可见光区：340~800nm对紫外线有吸收的无色物质→紫外光区：200~340nm灵敏度ppm，精密度RSD:0.5%二、应用：2．定性分析：提供某些分子的部分结构信息例：苯的B带吸收（230~270nm间出现7个精细结构的峰）第二节吸收定律与光谱图一、朗伯—比耳定律㈠吸光度(A)的定义I0It当一束平行光通过均匀的溶液介质时，光的一部分被吸收，一部分被器皿反射。设入射光强度为I0，透射光强度为It。则吸光度(A)表示物质对光的吸收程度，其定义为:tIIA0lg一、朗伯-比耳定律㈡朗伯-比耳定律(Lambert-Beer)是光吸收的基本定律，俗称光吸收定律，是分光光度法定量分析的依据和基础。⒈当C采用重量单位时，吸收定律表达为:A=abc式中：a：吸光系数，L/g*cmb：光程，cmc：浓度，g/L可知：A与c呈线形关系，为定量分析的理论依据一、朗伯—比耳定律2.当C采用摩尔浓度时，吸收定律表达为:A=εbcε:摩尔吸光系数，L/mol·cmc:摩尔浓度，mol/L一、朗伯—比耳定律㈢透光率（T）I0It定义为：则：应用：仪器的调整T（%）：0~100（全吸收）（无吸收）A：∞~00IITtTA1lg二、紫外-可见吸收光谱图定义：固定试样浓度和吸收池厚度，以吸收度（或透光率）对波长所作的曲线。[例]0.001mol·L-1高锰酸钾、重铬酸钾光谱图。扫描-胡罗卜素咖啡因阿斯匹林丙酮几种有机化合物的吸收光谱图。浓度与吸收曲线紫外-可见吸收光谱图的应用定量：一般总有一最大吸收峰，其对应波长称为最大吸收波长（λmax）,往往以λmax作为定量分析时的单色光波长，可最大限度地提高灵敏度。简单定性，回答“是不是”的问题。第三节紫外-可见光分光光度计一、分类单光束分光光度计双光束分光光度计单波长分光光度计双波长分光光度计可见光分光光度计紫外-可见光分光光度计二、基本光路图三、主要部件（以单光束分光光度计为例）光源单色器样品室检测器显示三、主要部件（以单光束分光光度计为例）1.光源：提供稳定的复合光可见光区：钨灯、碘钨灯。其辐射波长范围在320～2500nm。紫外区：氢灯、氘灯。发射185～400nm的连续光谱。三、主要部件（以单光束分光光度计为例）2.单色器作用：从光源的复合光中分离出所需单色光。组成：由色散元件和狭缝组成。光源单色器样品室检测器显示三、主要部件（以单光束分光光度计为例）2.单色器①色散元件作用：将复合光分解成连续单色光。A.棱镜（靠折射作用分光）可以得到波长非均匀分布的连续光谱，光强损失较大。400nm800nm三、主要部件（以单光束分光光度计为例）棱镜（Prism）：棱镜的色散作用是基于构成棱镜的光学材料对不同波长的光具有不同的折射率。波长大的折射率小，波长小的折射率大。Cornu棱镜bLittrow棱镜三、主要部件（以单光束分光光度计为例）棱镜：依据不同波长光通过棱镜时折射率不同入射狭缝准直透镜棱镜聚焦透镜出射狭缝白光λ1λ2800400500600三、主要部件（以单光束分光光度计为例）光栅：在镀铝的玻璃表面刻有数量很大的等宽度等间距条痕(600、1200、2400条/mm)。提供波长均匀分布的连续光谱，可用于吸收光谱的自动扫描。原理：利用光通过光栅时发生衍射和干涉现象而分光.。光栅衍射示意图M1光屏透镜平面透射光栅出射狭缝M2三、主要部件（以单光束分光光度计为例）ABCDdP0距离相对强度P’112光栅例：7530型紫外—可见光分光光度计。步进马达带动光栅，得到匀速变化的单色光。光栅制作：机刻600～2880条/mm复制光栅（照相，化学腐蚀）三、主要部件（以单光束分光光度计为例）2.单色器②狭缝由锐边金属片组成A.入射狭缝：位于光源与色散元件之间。作用：是限制杂散光进入色散元件。B.出口狭缝：位于色散元件与吸收池之间。作用：把额定波长单色光分离出单色器。光源样品室检测器显示三、主要部件（以单光束分光光度计为例）2.单色器②狭缝狭缝宽度可调定性分析时，窄一点，单色光纯，但光强弱。定量分析时，宽一点，灵敏度高。例：7530型分光光度计0.2nm，1.0nm，2.0nm三、主要部件（以单光束分光光度计为例）3.吸收池（也可称为比色皿、样品池）作用：盛放试液。①材料A.普通光学玻璃：用于可见光区，因为它吸收紫外光。B.石英玻璃：用于紫外光区，亦可用于可见光区。三、主要部件（以单光束分光光度计为例）3.吸收池（也可称为比色皿、样品池）②宽度：0.5cm，1cm，2cm③使用注意事项固定使用同一比色皿，因为每个比色皿的壁厚、光程、吸光特性等不尽相同。三、主要部件（以单光束分光光度计为例）4.检测器一类光电转换元件。常用类型有：①光电池②光电管③光电倍增管三、主要部件（以单光束分光光度计为例）4.检测器①光电池SeFe(Cu)h玻璃Ag(Au)透明膜-收集极塑料--对500~600nm光灵敏，用于可见光区。容易产生疲劳效应，便易。72G型光电比色计。三、主要部件（以单光束分光光度计为例）4.检测器②光电管90VDC直流放大阴极R-+光束e阳极丝（Ni）抽真空灵敏度比光电池大例：721型可见光分光光度计三、主要部件（以单光束分光光度计为例）4.检测器③光电倍增管1个光子产生106~107个电子石英套光束栅极，Grill阳极屏蔽对光特别敏感，灵敏度比光电管高200倍。对供电量要求高，需要达到0.01～0.05%的稳定性。一种新型检测器：光电二极管阵列，PDASiO2窗p型硅n型硅基pnpnpnpnpnpn0.025mm2.5mm侧视(crosssection)顶视(topview)光束512个1024个三、主要部件（以单光束分光光度计为例）5.显示器将检测器产生的光电流用直观的形式显示出来。例：72G型722型7530型电表指针显示数字形式显示屏幕形式显示第四节测试条件一、分析波长1.一般情况下，选λmax作分析波长，以便获得最高的灵敏度。2.对于高浓度样品，为保证足够的工作直线的线形范围，可选用灵敏度较低的吸收峰波长。3.λmax受到其它波峰干扰时，可选用别的吸收峰波长。二、出口狭缝宽度最佳宽度的选择方法：在A不减小时的最大狭缝宽度。（因为，在一定宽度范围内，A不变；过大时，由于干扰谱带或非吸收光出现在光谱通带内，A减小。）三、合适的吸收度范围根据吸收定律，A=0.4343时，吸收度测试量误差最小。实际工作中，将试样吸收度控制在0.2～0.8之间。控制方法：选择合适的比色皿宽度，稀释待测样等。第五节试样体系条件的选择显色反应在分光光度分析中，利用显色反应把待测组分X转变为有色化合物，然后再进行测定。使试样中的被测组分与化学试剂作用生成有色化合物的反应叫显色反应。mX（待测物）＋nR（显色剂）＝XmRn（有色化合物）显色反应主要有配位反应和氧化还原反应，其中绝大多数是配位反应。选择显色反应的一般标准1、灵敏度高选择较大(104～105)的显色反应。2、选择性好显色剂仅与被测组分显色而与其它共存组分不显色。避免共存组分干扰。3、有色物组成固定如：Fe3++磺基水杨酸→三磺基水杨酸铁(黄色)（组成固定）Fe3++SCN-→FeSCN2+、Fe(SCN)2+……（组成不固定）4、有色物稳定性高其它离子干扰才小。如三磺基水杨酸铁的Kf=1042,F-、H3PO4对它无干扰。5、显色过程易于控制而且有色化合物与显色剂之间的颜色差别应尽可能大。nmRMR60||maxmax一、酸碱度①影响显色剂的平衡浓度和颜色HR⇌H++R-nR-+Mn+⇌MRn②影响被测物质的存在状态pH升高，M→M(OH)……M(OH)n甚至↓③影响络合物的组成及颜色在pH＝2～3Fe(ssal)+紫红色在pH＝4～7Fe(ssal)22-棕橙色在pH＝8～10Fe(ssal)3黄色在pH12Fe(OH)3沉淀一、酸碱度pH会影响显色剂的解离，被测离子的水解等，所以，要选择最佳酸度，并用缓冲液来控制。ApH选择最佳pH值方法：固定试液浓度，改变pH值测A，做A-pH图，找出对A影响最小的pH值范围。二、显色剂浓度1、显色剂的用量显色反应一般可表示为M+R⇌MR显色剂用量，适当过量。Aab(1)CRa(2)CR(3)CR二、显色剂浓度2、最佳浓度选择作A-C显色剂图，找出对A影响最小的浓度范围。AC显色剂三、显色时间显色反应有快慢，有的有色配合物容易褪色，因此不同的显色反应需放置不同的时间，并在一定的时间范围内进行比色测定。试液自加入显色剂等且定容后开始计时，测A，制作A－t曲线，(2)、(3