紫外可見(jiàn)分光光度分析法

1、現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)前言環(huán)境化學(xué)一般面臨的問(wèn)題：1.環(huán)境中潛在的有毒物質(zhì)？2.它們的來(lái)源是哪里？3. 進(jìn)入環(huán)境后有什么變化？4.可能造成什么？5.應(yīng)當(dāng)采取什么措施？6.新化學(xué)品進(jìn)入環(huán)境前應(yīng)采取什么防范措施？解決這些問(wèn)題的手段就是樣品檢測(cè)。2022/9/281通過(guò)檢測(cè)技術(shù)可以闡明物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)及含量?？茖W(xué)地回答“What is this?”、“ How much ? ”、“Why so?”現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)，實(shí)際上就是儀器分析。它利用特殊儀器測(cè)量物質(zhì)的物理或物理化學(xué)參數(shù)及其變化來(lái)對(duì)物質(zhì)進(jìn)行表征和測(cè)量的分析方法。儀器分析并不是一門獨(dú)立的學(xué)科，而是一門綜合學(xué)科。近代的儀器分析是涉及到物理學(xué)、數(shù)學(xué)和生物科學(xué)

2、以及微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)等諸多領(lǐng)域的一門學(xué)科。是多種儀器方法的組合。其中的各種方法一般都有獨(dú)立的方法原理及理論基礎(chǔ)。2022/9/282據(jù)統(tǒng)計(jì)，21世紀(jì)授予的諾貝爾獎(jiǎng)項(xiàng)目中，物理學(xué)科項(xiàng)目的684 ，化學(xué)學(xué)科項(xiàng)目的746 ，生物醫(yī)學(xué)學(xué)科項(xiàng)目的90 ，都是借助各種先進(jìn)儀器完成的。1992年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者RRErnst說(shuō)“現(xiàn)代科學(xué)的進(jìn)步越來(lái)越依靠尖端儀器的發(fā)展!”所以說(shuō)科學(xué)儀器技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、創(chuàng)新是人類科學(xué)發(fā)展、社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)。2022/9/283近年來(lái)分析儀器向小型化、專用化、簡(jiǎn)用化(甚至“傻瓜化”)的另一極端方向發(fā)展也已經(jīng)成為潮流、滿足現(xiàn)代社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的多樣化要求。分析儀器已經(jīng)由傳統(tǒng)的落地

3、式臺(tái)式移動(dòng)式便攜式袋裝式芯片式變化；分析儀器的應(yīng)用也已由條件可控的實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)過(guò)專門培訓(xùn)的分析人員向現(xiàn)場(chǎng)、野外、家庭和非專業(yè)人員轉(zhuǎn)移，出現(xiàn)了種種單鍵(start)操作，即插即用(plug and play)、無(wú)需控制(nocontro1)、無(wú)維護(hù)甚至“用過(guò)即棄”的簡(jiǎn)便、專用分析儀器。2022/9/284電化學(xué)分析法光學(xué)分析法其他儀器分析法色譜分析法電位分析法電導(dǎo)分析法電解分析法 庫(kù)侖分析法 極譜分析法儀器分析方法光譜分析法原子光譜法分子光譜法X射線光譜法 核磁共振波譜法非光譜分析法質(zhì)譜分析法熱分析法放射化學(xué)分板法氣相色譜分析法高效液相色譜分析法薄層色譜分析法紙色譜法2022/9/285 第一章

4、紫外可見(jiàn)分光光度法(Ultraviolet and Visible Spectrophotometry,UV-Vis ) 1-1 紫外可見(jiàn)吸收光譜法概述一. 何謂紫外可見(jiàn)分光光度分析法 利用液體分子（離子）對(duì)入射光的選擇性吸收而建立 起來(lái)的方法。 自然界中有許多有顏色的物質(zhì)，它們的濃度越大，顏色越深。而不同的物質(zhì)有不同的顏色。因此可以利用它們的顏色差異和深淺進(jìn)行定性、定量分析。而分析儀器的進(jìn)一步發(fā)展表明，即便是沒(méi)有顏色的物質(zhì)，如具有紫外吸收的，仍可采用分光光度法進(jìn)行定性及定量分析。 光源 分光器 樣品池 光電轉(zhuǎn)換器 I0 I0v Iv2022/9/286二. 紫外可見(jiàn)分光光度分析法的特點(diǎn) 主要

5、用于日常定量分析，特別是基層單位廣泛使用。 *靈敏度高 10-510-6mol/L,甚至ppb *精密度高(相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，變異系數(shù)） 25% *適用范圍廣 可對(duì)幾乎所有有機(jī)、無(wú)機(jī)物進(jìn)行定性及定量分析，可監(jiān)控降解等反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。 *選擇性較好 較傳統(tǒng)化學(xué)分析法選擇性好，干擾少。不同化合物有不同的光譜，當(dāng)化學(xué)性質(zhì)相近時(shí)，化學(xué)分析難以完成。 2022/9/287 *儀器簡(jiǎn)單、易操作 *局限性 a. 可見(jiàn)光部分前期操作較繁，如常需顯色、掩蔽，消耗試劑多。 b. 紫外部分不用顯色，但許多有機(jī)化合物無(wú)吸收或吸收光譜重疊，選擇性差。 c.高濃度分析誤差大，吸收信號(hào)與濃度成非線性關(guān)系。 d. 超純物質(zhì)的分析

6、誤差大。 2022/9/288三、分子吸收光譜的形成 過(guò)程：運(yùn)動(dòng)的分子外層電子-吸收外來(lái)外來(lái)輻射-產(chǎn)生電子能級(jí)為主的躍遷-分子吸收譜。 2. 能級(jí)組成：除了電子能級(jí)(Electron energy level)外，分子吸收能量將伴隨著分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，即同時(shí)將發(fā)生振動(dòng)(Vibration)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)(Rotation)能級(jí)的躍遷！據(jù)量子力學(xué)理論，分子的振-轉(zhuǎn)躍遷也是量子化的或者說(shuō)將產(chǎn)生非連續(xù)譜。因此，分子的能量變化E為各種形式能量變化的總和：2022/9/289其中 Ee最大：1-20 eV Ev次之：0.05-1 eV （伸縮和彎曲） Er最小：0.05 eV 可見(jiàn)，電子能級(jí)間隔比振動(dòng)能級(jí)和

7、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間隔大12個(gè)數(shù)量級(jí)，在發(fā)生電子能級(jí)躍遷時(shí)，伴有振-轉(zhuǎn)能級(jí)的躍遷，形成所謂的帶狀光譜。分子光譜由電子光譜、振動(dòng)光譜和轉(zhuǎn)動(dòng)光譜構(gòu)成。2022/9/2810120ev的波長(zhǎng)在1001000nm，即紫外至紅外。盡管電子光譜、振動(dòng)光譜和轉(zhuǎn)動(dòng)光譜的能量變化都是量子化的，即非連續(xù)的，但從宏觀上看，整個(gè)分子光譜可近似連續(xù)，稱為帶狀光譜。2022/9/2811 不同物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同或者說(shuō)其分子能級(jí)的能量(各種能級(jí)能量總和)或能量間隔各異，因此不同物質(zhì)將選擇性地吸收不同波長(zhǎng)或能量的外來(lái)輻射，這是UV-Vis定性分析的基礎(chǔ)。 定性分析具體做法是讓不同波長(zhǎng)的光通過(guò)待測(cè)物，經(jīng)待測(cè)物吸收后，測(cè)量其對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收程

8、度(吸光度A)，以吸光度A為縱坐標(biāo)，輻射波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)作圖，得到該物質(zhì)的吸收光譜或吸收曲線，據(jù)吸收曲線的特性(峰強(qiáng)度、位置及數(shù)目等)研究分子結(jié)構(gòu)。2022/9/28122022/9/2813 四 分光光度分析原理（Lambert-Beer 定律） I0 IV吸光度A：入射光強(qiáng)度與透射光強(qiáng)度之比的對(duì)數(shù)。2022/9/2814（一）Lambert-Beer 定律 當(dāng)入射光波長(zhǎng)一定時(shí)，待測(cè)溶液的吸光度A與其濃度c和液層厚度b成正比，即 ：k 為比例系數(shù)，與溶液性質(zhì)、溫度和入射波長(zhǎng)有關(guān)。 當(dāng)濃度以 g/L 表示時(shí)，稱 k 為吸光系數(shù)，以 a 表示，即 當(dāng)濃度以mol/L表示時(shí)，稱 k 為摩爾吸光系數(shù)，以

9、 表示，即 比 a 更常用。 越大，表示方法的靈敏度越高。 與波長(zhǎng)有關(guān)，因此， 常以表示。 2022/9/2815（二） 偏離 L-B 定律的因素 樣品吸光度 A 與光程 b 總是成正比。但當(dāng) b 一定時(shí)，A 與 c 并不總是成正比，即偏離 L-B 定律！這種偏離由樣品性質(zhì)和儀器決定。AC正偏離負(fù)偏離校正曲線（工作曲線）2022/9/2816 1. 樣品性質(zhì)影響 a）待測(cè)物高濃度-吸收質(zhì)點(diǎn)間隔變小質(zhì)點(diǎn)間相互作用對(duì)特定輻射的吸收能力發(fā)生變化- 變化； b）試液中各組份的相互作用，如締合、離解、光化反應(yīng)、異構(gòu)化、配體數(shù)目改變等，會(huì)引起待測(cè)組份吸收曲線的變化； c）溶劑的影響：對(duì)待測(cè)物生色團(tuán)吸收峰強(qiáng)

10、度及位置產(chǎn)生影響； d）樣品性狀的影響：膠體、乳狀液或懸浮液對(duì)光的散射損失。 多數(shù)具有拉平效應(yīng)，產(chǎn)生負(fù)干擾，但光散射產(chǎn)生正干擾。 2022/9/2817 2. 儀器因素 儀器因素包括光源穩(wěn)定性以及入射光的單色性等。a）入射光的非單色性的影響：不同光對(duì)所產(chǎn)生的吸收不同，可導(dǎo)致測(cè)定偏差。 假設(shè)入射光由測(cè)量波長(zhǎng)x 和干擾i 波長(zhǎng)組成，據(jù)Beer定律，溶液對(duì)在x和i 的光的吸光度分別為：Aix2022/9/2818 儀器檢測(cè)的信號(hào)是光強(qiáng)，綜合前兩式，則吸光度得 當(dāng)x=i時(shí)，或者說(shuō)當(dāng)x=i時(shí)，有A=xbc, 符合L-B定律； 當(dāng)xi時(shí)，或者說(shuō)當(dāng)xi時(shí)，則吸光度與濃度是非線性的。二者差別越大，則偏離L-B

11、越大； 由于ix，非單色光測(cè)得的吸光度比在“單色光” x處測(cè)得的低，即AAx，產(chǎn)生負(fù)偏離。2022/9/2819b）非單色性產(chǎn)生原因（譜帶寬度與狹縫寬度）：“單色光”僅是理想情況，經(jīng)分光元件色散所得的“單色光”實(shí)際上是有一定波長(zhǎng)范圍的光譜帶(即譜帶寬度)。單色光的“純度”與狹縫寬度有關(guān)，狹縫越窄，它所包含的波長(zhǎng)范圍越小，單色性越好。2022/9/2820 五、 有機(jī)化合物的紫外吸收光譜1. 分子中電子的躍遷類型價(jià)電子： 電子 飽和的鍵 電子 不飽和的鍵 n 電子 孤對(duì)電子 分子中分子軌道有成鍵軌道與反鍵軌道.它們的能級(jí)高低為：n *2022/9/2821 1) 電子能級(jí)躍遷示意圖2022/9/

12、2822 a. * 躍遷： 飽和烴（甲烷，乙烷） 能量很高， * * n * * n *由此可以看到：紫外-可見(jiàn)吸收光譜中包含有分子中存在的化學(xué)鍵信息。其吸收峰的位置與分子中特定的功能基團(tuán)密切相關(guān)，是有機(jī)化合物、無(wú)機(jī)配位化合物、生物分子的有效定性、定量分析手段。2022/9/2824以上躍遷有四種與成鍵和反鍵軌道有關(guān)（-*，-*，-*和n-*），躍遷能量較高，這些躍遷所產(chǎn)生的吸收譜多位于真空紫外區(qū)（真空紫外區(qū)指那些只能在真空傳播光波，它們?cè)诜钦婵罩斜晃眨?只有-* 和n-*兩種躍遷的能量小，相應(yīng)波長(zhǎng)出現(xiàn)在近紫外區(qū)甚至可見(jiàn)光區(qū)，特別是-* 躍遷對(duì)光的吸收強(qiáng)烈。因此，它們是我們研究的重點(diǎn)。 2

13、022/9/2825 2) 電子能級(jí)躍遷對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)和強(qiáng)度n *n *2022/9/28262、常用術(shù)語(yǔ) 1)生色團(tuán)與助色團(tuán)生色團(tuán)：能吸收紫外-可見(jiàn)光的基團(tuán)叫生色團(tuán)。對(duì)有機(jī)化合物： 主要為具有不飽和鍵和未成鍵的孤對(duì)電子的團(tuán)。例：CHO ； COOH ； CC；CO；CN； NN 注：當(dāng)出現(xiàn)幾個(gè)發(fā)色團(tuán)共軛，則幾個(gè)發(fā)色團(tuán)所產(chǎn)生的 吸收帶將消失，代之出現(xiàn)新的共軛吸收帶，其波 長(zhǎng)將比單個(gè)發(fā)色團(tuán)的吸收波長(zhǎng)長(zhǎng)，強(qiáng)度也增強(qiáng)。助色團(tuán)：本身不會(huì)使化合物產(chǎn)生顏色或無(wú)紫外吸收，但可以使 生色團(tuán)吸收 峰加強(qiáng)同時(shí)使吸收峰長(zhǎng)移的基團(tuán)。對(duì)有機(jī)化合物：主要為連有雜原子的飽和基團(tuán)例：OH，OR，SH， SR ，NH，NR2，I20

14、22/9/2827 2)紅移和藍(lán)移 由于化合物結(jié)構(gòu)變化（共軛、引入助 色團(tuán)取代基）或采用不同溶劑后吸收峰 位置向長(zhǎng)波方向的移動(dòng)，叫紅移吸收峰 位置向短波方向移動(dòng)，叫藍(lán)移。 3)增色效應(yīng)和減色效應(yīng) 增色效應(yīng)：吸收強(qiáng)度增強(qiáng)的效應(yīng) 減色效應(yīng)：吸收強(qiáng)度減小的效應(yīng) 4)強(qiáng)帶和弱帶： max 105 強(qiáng)帶 min 103 弱帶2022/9/28283.促使分子發(fā)生紅移或藍(lán)移的因素1）共軛體系的存在-紅移 如CH2=CH2的-*躍遷，max=165200nm；而1,3-丁二烯，max=217nm 2）異構(gòu)現(xiàn)象：使異構(gòu)物光譜出現(xiàn)差異。 如CH3CHO含水化合物有兩種可能的結(jié)構(gòu)：CH3CHO-H2O及CH3CH

15、(OH)2; 已烷中，max=290nm，表明有醛基存在，結(jié)構(gòu)為前者；而在水溶液中，此峰消失，結(jié)構(gòu)為后者。 3）空間異構(gòu)效應(yīng)-紅移 如CH3I(258nm), CH2I2(289nm), CHI3(349nm) 4）取代基：紅移或藍(lán)移。 取代基為含孤對(duì)電子，如-NH2、-OH、-Cl，可使分子紅移；取代基為斥電子基，如-R，-OCOR，則使分子藍(lán)移。 苯環(huán)或烯烴上的H被各種取代基取代，多產(chǎn)生紅移。2022/9/28295）pH值：紅移或藍(lán)移 苯酚在酸性或中性水溶液中，有210.5nm及270nm兩個(gè)吸收帶；而在堿性溶液中，則分別紅移到235nm和 287nm（p- 共軛）. 6）溶劑效應(yīng)：紅移

16、或藍(lán)移 隨溶劑極性增加 由n-*躍遷產(chǎn)生的吸收峰，隨溶劑極性增加，形成 H 鍵的能力增加，發(fā)生藍(lán)移； 由-*躍遷產(chǎn)生的吸收峰，隨溶劑極性增加，激發(fā)態(tài)比基態(tài)能量有更多的下降，發(fā)生紅移。 隨溶劑極性增加，吸收光譜變得平滑，精細(xì)結(jié)構(gòu)消失。2022/9/28302022/9/28312022/9/28322022/9/2833* 無(wú)機(jī)化合物的紫外吸收光譜 一些無(wú)機(jī)物也產(chǎn)生紫外-可見(jiàn)吸收光譜，其躍遷類型包括 p-d 躍遷或稱電荷轉(zhuǎn)移躍遷以及 d-d, f-f 躍遷或稱配場(chǎng)躍遷。 1. 電荷轉(zhuǎn)移躍遷 (Charge transfer transition) 一些同時(shí)具有電子予體(配位體)和受體(金屬離子)

17、的無(wú)機(jī)分子，在吸收外來(lái)輻射時(shí)，電子從予體躍遷至受體所產(chǎn)生的光譜。max 較大 (104 以上)，可用于定量分析。2022/9/2834 2. 配場(chǎng)躍遷(Ligand field transition) 過(guò)渡元素的 d 或 f 軌道為簡(jiǎn)并軌道(Degeneration orbit)，當(dāng)與配位體配合時(shí)，軌道簡(jiǎn)并解除，d 或 f 軌道發(fā)生能級(jí)分裂，如果軌道未充滿，則低能量軌道上的電子吸收外來(lái)能量時(shí)，將會(huì)躍遷到高能量的 d 或 f 軌道，從而產(chǎn)生吸收光譜。 吸收系數(shù) max 較小 (102)，很少用于定量分析；多用于研究配合物結(jié)構(gòu)及其鍵合理論。2022/9/2835 4. 溶劑對(duì)紫外吸收光譜的影響（溶

18、劑效應(yīng)）1)溶劑極性的影響a.對(duì)max影響：當(dāng)溶劑極性 n-*躍遷：max藍(lán)移 -*躍遷：max紅移2022/9/2836b.對(duì)吸收光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)影響： 溶劑極性時(shí)，（苯環(huán)）精細(xì)結(jié)構(gòu)消失溶劑影響吸收波長(zhǎng)，吸收強(qiáng)度及精細(xì)結(jié)構(gòu)（fine structure）2022/9/28372022/9/28382) 溶劑的選擇原則： 極性適當(dāng)； 透明、能溶解被測(cè)物； 化學(xué)、光學(xué)穩(wěn)定性高； 純度高； 截止吸收波長(zhǎng) max2022/9/2839 六、可見(jiàn)分光光度法 1.測(cè)定步驟 2.顯色條件選擇 包括顯色劑種類、用量、酸度、溫度、顯色時(shí)間和放置時(shí)間等。1）顯色劑的選擇 使配合物吸收系數(shù) 最大、選擇性好、組成恒定、

19、配合物穩(wěn)定、顯色劑吸收波長(zhǎng)與配合物吸收 波長(zhǎng)相差大等。選波長(zhǎng)選制備樣品選擇掩蔽劑選擇顯色劑測(cè)定2022/9/28402） 顯色劑用量： 配位數(shù)與顯色劑用量有關(guān)；在形成逐級(jí)配合物，其用量更要嚴(yán)格控制。 3） 溶液酸度：配位數(shù)和水解等與 pH 有關(guān) 4） 顯色時(shí)間、溫度、放置時(shí)間 3.干擾消除 1)選擇掩蔽劑 蔽劑顯色2)控制酸度 配合物穩(wěn)定性與pH有關(guān)，可以通過(guò)控制酸度提高反應(yīng)選擇性，副反應(yīng)減少，而主反應(yīng)進(jìn)行完全。如在0.5MH2SO4介質(zhì)中，雙硫腙與Hg2+生成穩(wěn)定有色配合物，而與Pb2+、Cu2+、Ni2+、Cd2+等離子生成的有色物不穩(wěn)定。 2022/9/28413)合適測(cè)量波長(zhǎng) 4) 干

20、擾物分離 5) 選擇參比液 a. 溶劑參比：試樣組成簡(jiǎn)單、共存組份少（基體干擾少）、顯色劑不吸收時(shí)，直 接采用溶劑（多為蒸餾水）為參比； b. 試劑參比：當(dāng)顯色劑或其它試劑在測(cè)定波長(zhǎng)處有吸收時(shí)，采用試劑作參比（不 加待測(cè)物）； c. 試樣參比：如試樣基體在測(cè)定波長(zhǎng)處有吸收，但不與顯色劑反應(yīng)時(shí)，可以試樣 作參比（不能加顯色劑）。* 6) 導(dǎo)數(shù)光譜及雙波長(zhǎng)技術(shù)2022/9/2842 七、紫外及可見(jiàn)分光光度計(jì)1、儀器結(jié)構(gòu)： 光源、分光系統(tǒng)、吸收池、檢測(cè)器 鎢燈或鹵鎢燈可見(jiàn)光源 3501000nm氫燈或氘燈紫外光源 200360nm1）光源： S1S2光柵準(zhǔn)直鏡匯聚鏡反射鏡吸收池檢測(cè)器光源2022/9

21、/28432022/9/28442022/9/2845 作用：產(chǎn)生足夠強(qiáng)度、穩(wěn)定、連續(xù)輻射且強(qiáng)度隨波長(zhǎng)變化小的光。2）吸收池：用于裝待測(cè)液 玻璃能吸收UV光，僅適用于可見(jiàn)光區(qū) 石英不能吸收紫外光，適用于紫外和 可見(jiàn)光區(qū) 要求：匹配性（對(duì)光的吸收和反射應(yīng)一致）3）單色器：包括狹縫、準(zhǔn)直鏡、色散元件、聚光鏡等作用：除去不需要的光波，形成單一波長(zhǎng)的光。與原子吸收光度儀不同，在UV-Vis光度計(jì)中，單色器通常置于吸收池的前面，（可防止強(qiáng)光照射引起吸收池中一些物質(zhì)的分解）2022/9/28462022/9/28474）檢測(cè)器：將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的裝置，包括信號(hào)放大系統(tǒng)、工作站和打印機(jī)等。 信號(hào)轉(zhuǎn)換器通

22、常有：光電池、光電倍增管和光二極管陣列檢測(cè)器。2、常用紫外可見(jiàn)光度計(jì)儀器 類型： 分光光度計(jì)分為 單波長(zhǎng)和 雙波長(zhǎng)儀器。 1） 單波長(zhǎng)分光光度計(jì) * 單光束 特點(diǎn)：簡(jiǎn)單、便宜、易操作、信噪比高；但光源不穩(wěn)定對(duì)精度影響大，每次都要扣空白，對(duì)經(jīng)常改變波長(zhǎng)的檢測(cè)非常麻煩，難以連續(xù)掃描吸收曲線。2022/9/28482022/9/28492022/9/28502022/9/2851* 雙光束 光路：通過(guò)切光器將光源發(fā)出的光分成兩路，一路通過(guò)參比，一路通過(guò)樣品，再通過(guò)減法器扣除參比信號(hào)，從而將光源不穩(wěn)定的影響消除。 特點(diǎn)： 精度高、可連續(xù)掃描吸收曲線，但價(jià)格較高，元件增加，信噪比下降。 2022/9/28522022/9/28532022/9/28542）雙波長(zhǎng)分光光度計(jì) 光路：有兩個(gè)單色器，產(chǎn)生兩個(gè)波長(zhǎng)的光。特點(diǎn)： a. 單波長(zhǎng)、雙光束需兩個(gè)吸收池，而雙波長(zhǎng)只用一個(gè)吸收池，可克服吸收池差異。精度更高。 b. 可用導(dǎo)數(shù)分光光度法；可加強(qiáng)精細(xì)結(jié)構(gòu)。2022/9/28552022/9/28562022/9/2857 八、