03紫外可见分光光度法

第十一章紫外-可见分光光度法一、紫外-可见分光光度法的基本原理和概念（一）紫外-可见吸收光谱的产生（二）紫外-可见吸收光谱的电子跃迁类型（三）相关的基本概念（四）吸收带类型和影响因素（五）朗伯—比尔定律（六）偏离比尔定律的因素二、紫外-可见分光光度计（一）主要部件（二）分光光度计的类型和光学性能三、紫外-可见分光光度分析方法（一）定性鉴别（二）纯度检查（三）单组分的定量方法（四）多组分的定量方法——计算分光光度法（五）紫外在有机化合物分子结构研究上的应用（六）光电比色法第一节紫外-可见分光光度法的基本原理和概念一、紫外-可见吸收光谱的产生二、紫外-可见吸收光谱的电子跃迁类型三、相关的基本概念四、吸收带类型和影响因素一、紫外-可见吸收光谱的产生1．分子吸收光谱的产生——由能级间的跃迁引起能级：电子能级、振动能级、转动能级跃迁：电子受激发，从低能级转移到高能级的过程若用一连续的电磁辐射照射样品分子，将照射前后的光强度变化转变为电信号并记录下来，就可得到光强度变化对波长的关系曲线，即为分子吸收光谱转振电分EEEEchhE能级差续前2．分子吸收光谱的分类：分子内运动涉及三种跃迁能级，所需能量大小顺序转振电EEE远红外吸收光谱红外吸收光谱可见吸收光谱紫外转振电mevEmevEmevE25~25005.0~005.025.1~251~05.025.1~06.020~13．紫外-可见吸收光谱的产生由于分子吸收紫外-可见光区的电磁辐射，分子中价电子（或外层电子）的能级跃迁而产生（吸收能量=两个跃迁能级之差）二、紫外-可见吸收光谱的电子跃迁类型预备知识：价电子：σ电子→饱和的σ键π电子不饱和的π键n电子轨道：电子围绕原子或分子运动的几率轨道不同，电子所具有能量不同基态与激发态：电子吸收能量，由基态→激发态c成键轨道与反键轨道：σπnπ*σ*图示b电子跃迁类型：1.σ→σ*跃迁：饱和烃（甲烷，乙烷）E很高，λ150nm（远紫外区）2.n→σ*跃迁：含杂原子饱和基团（—OH，—NH2）E较大，λ150~250nm（真空紫外区）3.π→π*跃迁：不饱和基团（—C＝C—，—C＝O）E较小，λ~200nm体系共轭，E更小，λ更大4.n→π*跃迁：含杂原子不饱和基团（—C≡N，C＝O）E最小，λ200~400nm（近紫外区）按能量大小：σ→σ*n→σ*π→π*n→π*图示续前注：紫外光谱电子跃迁类型：n—π*跃迁π—π*跃迁饱和化合物无紫外吸收电子跃迁类型与分子结构及存在基团有密切联系•根据分子结构→推测可能产生的电子跃迁类型；•根据吸收谱带波长和电子跃迁类型→推测分子中可能存在的基团（分子结构鉴定）三、相关的基本概念1．吸收光谱（吸收曲线）：不同波长光对样品作用不同，吸收强度不同以λ~A作图next2．吸收光谱特征：定性依据吸收峰→λmax吸收谷→λmin肩峰→λsh末端吸收→饱和σ-σ跃迁产生图示back续前3．生色团（发色团）：能吸收紫外-可见光的基团有机化合物：具有不饱和键和未成对电子的基团具n电子和π电子的基团产生n→π*跃迁和π→π*跃迁跃迁E较低例：C＝C；C＝O；C＝N；—N＝N—4．助色团：本身无紫外吸收，但可以使生色团吸收峰加强同时使吸收峰长移的基团有机物：连有杂原子的饱和基团例：—OH，—OR，—NH—，—NR2—，—X注：当出现几个发色团共轭，则几个发色团所产生的吸收带将消失，代之出现新的共轭吸收带，其波长将比单个发色团的吸收波长长，强度也增强续前5．红移和蓝移：由于化合物结构变化（共轭、引入助色团取代基）或采用不同溶剂后吸收峰位置向长波方向的移动，叫红移（长移）吸收峰位置向短波方向移动，叫蓝移（紫移，短移）6．增色效应和减色效应增色效应：吸收强度增强的效应减色效应：吸收强度减小的效应7．强带和弱带：εmax105→强带εmin103→弱带四、吸收带类型和影响因素1．R带：由含杂原子的不饱和基团的n→π*跃迁产生C＝O；C＝N；—N＝N—•E小，λmax250~400nm，εmax100•溶剂极性↑，λmax↓→蓝移（短移）2．K带：由共轭双键的π→π*跃迁产生(—CH＝CH—)n，—CH＝C—CO—•λmax200nm，εmax104•共轭体系增长，λmax↑→红移，εmax↑•溶剂极性↑，对于—(—CH＝CH—)n—λmax不变对于—CH＝C—CO—λmax↑→红移续前3．B带：由π→π*跃迁产生芳香族化合物的主要特征吸收带•λmax=254nm，宽带，具有精细结构；•εmax=200•极性溶剂中，或苯环连有取代基，其精细结构消失4．E带：由苯环环形共轭系统的π→π*跃迁产生芳香族化合物的特征吸收带•E1180nmεmax104（常观察不到）•E2200nmεmax=7000强吸收•苯环有发色团取代且与苯环共轭时，E2带与K带合并一起红移（长移）图示图示图示续前影响吸收带位置的因素：1．溶剂效应：对λmax影响：nextn-π*跃迁：溶剂极性↑，λmax↓蓝移π-π*跃迁：溶剂极性↑，λmax↑红移对吸收光谱精细结构影响next溶剂极性↑，苯环精细结构消失溶剂的选择——极性；纯度高；截止波长λmax2．pH值的影响：影响物质存在型体，影响吸收波长图示back图示back五、Lamber-Beer定律（一）Lamber-Beer定律：吸收光谱法基本定律描述物质对单色光吸收强弱与液层厚度和待测物浓度的关系假设一束平行单色光通过一个吸光物体CABeerlALamber定律：定律：nlSII吸光质点数为厚度为物体截面为透过光强为入射光强为0续前取物体中一极薄层xxdISdnkSdSdnkdSdnI透过薄层减弱的光强为几率光子通过薄层被吸收的不让光子通过的面积为薄层的吸光质点数为设入射光强为SdnkIdIxxnIIxxSdSkIdI00SnEIISnkII00lglnClSnCVnlVS和由续前讨论：1．Lamber-Beer定律的适用条件（前提）入射光为单色光溶液是稀溶液2．该定律适用于固体、液体和气体样品3．在同一波长下，各组分吸光度具有加和性应用：多组分测定lCEIIBeerLamber0lg定律表达式lCETAIITlg0吸光度透光率lECAT1010或：吸光系数EcbaAAAA总（二）吸光系数和吸收光谱1．吸光系数的物理意义：单位浓度、单位厚度的吸光度讨论：1）E=f（组分性质，温度，溶剂，λ）当组分性质、温度和溶剂一定，E=f（λ）2）不同物质在同一波长下E可能不同（选择性吸收）同一物质在不同波长下E一定不同3）E↑，物质对光吸收能力↑,定量测定灵敏度↑→定性、定量依据lCAE续前2．吸光系数两种表示法：1）摩尔吸光系数ε：在一定λ下，C=1mol/L，L=1cm时的吸光度2）百分含量吸光系数/比吸光系数：在一定λ下，C=1g/100ml，L=1cm时的吸光度3）两者关系3．吸收光谱（吸收曲线）：λ~A%1110cmEM最大吸收最小吸收特征值→定性依据肩峰末端吸收续前4．吸光度测量的条件选择：1）测量波长的选择：2）吸光度读数范围的选择：3）参比溶液(空白溶液)的选择：下测定须在较小的左右测定灵敏度高maxmaxmaxmaxlCAEAA选A=0.2~0.7样参调节光路光学性质和厚度相同样品池样品溶液，参比池空白溶液样品池参比池配制样品的溶剂空白溶液ATA%1000注：采用空白对比消除因溶剂和容器的吸收、光的散射和界面反射等因素对透光率的干扰六、偏离Beer定律的因素依据Beer定律，A与C关系应为经过原点的直线偏离Beer定律的主要因素表现为以下两个方面（一）光学因素（二）化学因素lCEA（一）光学因素1．非单色光的影响：Beer定律应用的重要前提——入射光为单色光照射物质的光经单色器分光后并非真正单色光其波长宽度由入射狭缝的宽度和棱镜或光栅的分辨率决定为了保证透过光对检测器的响应，必须保证一定的狭缝宽度这就使分离出来的光具一定的谱带宽度续前21020121IIII和为对应的透过光光强分别和入射光光强分别为的光组成和设入射光由波长为lECIIlCEIITA10lglg0002010201020102010201211212110101010IIIIIIIIIIIITlCEElCElCElCE）（又0201020111210lglgIIIIlCETAlCEE）（续前讨论：入射光的谱带宽度严重影响吸光系数和吸收光谱形状结论：•选择较纯单色光（Δλ↓，单色性↑）•选λmax作为测定波长（ΔE↓，S↑且成线性）偏离线性关系越严重与）（定律不成线性关系，偏离与成线性关系CAEEBeerCAEElCEAEE1221121续前2．杂散光的影响：杂散光是指从单色器分出的光不在入射光谱带宽度范围内，与所选波长相距较远杂散光来源：仪器本身缺陷；光学元件污染造成杂散光可使吸收光谱变形，吸光度变值3．反射光和散色光的影响：反射光和散色光均是入射光谱带宽度内的光直接对T产生影响散射和反射使T↓，A↑，吸收光谱变形注：一般可用空白对比校正消除4．非平行光的影响：使光程↑，A↑，吸收光谱变形（二）化学因素Beer定律适用的另一个前提：稀溶液浓度过高会使C与A关系偏离定律（三）透光率的测量误差——ΔT影响测定结果的相对误差两个因素：T和ΔTΔT影响因素：仪器噪音1）暗噪音2）讯号噪音TlElEAClCETAlg1lgTTTCClg434.0浓度的相对误差续前1）暗噪音——与检测器和放大电路不确切性有关与光讯号无关0)lg()lg434.0(434.0)lg434.0(2TTTTTTTdTd对应最小的测量误差，%80.36434.0lgTT%5.0%1~%2.0TT今假设大多数分光光度计的适宜测量范围7.0~2.0%20~%65：：AT测定结果相对误差较小续前2）讯号噪音——与光讯号有关表明测量误差较小的范围一直可延至较高吸光度区，对测定有利第二节紫外－可见分光光度计1．光源：2．单色器：包括狭缝、准直镜、色散元件棱镜——对不同波长的光折射率不同色散元件分出光波长不等距光栅——衍射和干涉分出光波长等距钨灯或卤钨灯——可见光源350~1000nm氢灯或氘灯——紫外光源200~360nm续前3．吸收池：玻璃——能吸收UV光，仅适用于可见光区石英——不能吸收紫外光，适用于紫外和可见光区要求：匹配性（对光的吸收和反射应一致）4．检测器：将光信号转变为电信号的装置5．记录装置：讯号处理和显示系统光电池光电管光电倍增管二极管阵列检测器类型：1．单光束分光光度计：特点：•使用时来回拉动吸收池→移动误差•对光源要求高•比色池配对续前2．双光束分光光度计：特点：•不用拉动吸收池，可以减小移动误差•对光源要求不高•可以自动扫描吸收光谱续前3．双波长分光光度计特点：•利用吸光度差值定量•消除干扰和吸收池不匹配引起的误差第三节紫外-可见分光光度分析方法一、定性分析二、定量分析定性鉴别纯度检查和杂质限量测定单组分的定量方法多组分的定量方法三、紫外在有机化合物分子结构研究上的应用四、光电比色法一、定性分析（一）定性鉴别定性鉴别的依据→吸收光谱的特征吸收光谱的形状吸收峰的数目吸收峰的位置（波长）吸收峰的强度相应的吸光系数续前1．对比吸收光谱的一致性同一测定条件下，与标准对照物谱图或标准谱图进行对照比较续前2．对比吸收光谱的特征值min%11maxmax，，，shcmE续前3．