第五章紫外可見

第五章紫外－可見吸收光譜法5.1概述分光光度分析法是以物質(zhì)對光的選擇性吸收為基礎(chǔ)的分析方法。根據(jù)物質(zhì)所吸收光的波長范圍不同，分光光度分析法又有紫外、可見及紅外分光光度法。5.1.1方法的特點

1.靈敏度高

通常，待測物質(zhì)的含量1～10－5％時，能夠用分光光度法準(zhǔn)確測定。所以它主要用于測定微量組分。

2.應(yīng)用廣泛

幾乎所有的無機離子和許多有機化合物可以用分光光度法進行測定。如土壤中的氮、磷以及植物灰、動物體液中各種微量元素的測定。

3.操作簡便、迅速、儀器設(shè)備不太復(fù)雜

若采用靈敏度高、選擇性好的有機顯色劑，并加入適當(dāng)?shù)难诒蝿话悴唤?jīng)過分離即可直接進行分光光度法測定、其方法的相對誤差通常為5～10％，其準(zhǔn)確度雖不及重量分析法和容量法，但對于微量組分的測定，結(jié)果還是滿意的。5.2.1

顏色的產(chǎn)生5.2

吸光光度法的基本原理5.2.2電磁波和能量能復(fù)合成白光的兩種顏色的光叫互補色光。物質(zhì)所顯示的顏色是吸收光的互補色。

透過光的顏色是溶液吸收光的互補色。吸收曲線或吸收光譜曲線:將不同波長的單色光依次通過一定的有色溶液，分別測出對各種波長的光的吸收程度（用字母A表示）。以波長為橫坐標(biāo)，吸光程度為縱坐標(biāo)作圖所得的曲線。KMnO4的顏色及吸收光譜葉綠素的結(jié)構(gòu)和吸收光譜一個新配合物的吸收

光譜目視比色法

用眼睛觀察、比較溶液顏色深度以確定物質(zhì)含量的方法稱為目視比色法。制備標(biāo)準(zhǔn)色階

將一系列不同量的標(biāo)準(zhǔn)溶液依次加入各比色管中，再分別加入等量的顯色劑和其他試劑，并控制其他實驗條件相同，最后稀釋至同樣體積，配成一套顏色逐漸加深的標(biāo)準(zhǔn)色階。目視比色

將一定量的被測溶液置于另一比色管中，在同樣條件下進行顯色，并稀釋至同樣體積，從管口垂直向下（有時由側(cè)面）觀察顏色。如果被測溶液與標(biāo)準(zhǔn)系列中某溶液的顏色相同，則被測溶液的濃度就等于該標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度。如果被測試液濃度介于相鄰兩種標(biāo)準(zhǔn)溶液之間，則試液的濃度就介于這兩個標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度之間。2.物質(zhì)對光的選擇性吸收及吸收曲線E=E2-

E1=h

：量子化；選擇性吸收吸收曲線與最大吸收波長

max用不同波長的單色光照射，測吸光度光的互補：藍(lán)黃M+熱M+熒光或磷光M+

h

M*基態(tài)激發(fā)態(tài)E1

（△E）E2吸收曲線的討論：①同一種物質(zhì)對不同波長光的吸光度不同。吸光度最大處對應(yīng)的波長稱為最大吸收波長λmax②不同濃度的同一種物質(zhì)，其吸收曲線形狀相似λmax不變。而對于不同物質(zhì)，它們的吸收曲線形狀和λmax則不同。③吸收曲線可以提供物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息，并作為物質(zhì)定性分析的依據(jù)之一。④不同濃度的同一種物質(zhì)，在某一定波長下吸光度A有差異，在λmax處吸光度A的差異最大。此特性可作為物質(zhì)定量分析的依據(jù)。⑤在λmax處吸光度隨濃度變化的幅度最大，所以測定最靈敏。吸收曲線是定量分析中選擇入射光波長的重要依據(jù)。朗伯一比耳定律分子吸收光譜法吸光系數(shù)、摩爾吸光系數(shù)和桑德爾靈敏度

當(dāng)濃度c以g·L-1、液層厚度b以cm表示時，常數(shù)k是以a表示，此時稱為吸光系數(shù)，單位為L·g-1·cm-1。朗伯－比耳公式可表示為:

A＝abc

若b以cm為單位，c以mol·L-1為單位時，則將k稱為摩爾吸光系數(shù)，以符號ε表示，其單位為L·mol-1cm-1。ε的物理意義表達(dá)了當(dāng)吸光物質(zhì)的濃度為1mol·L-1，液層厚度為1cm時溶液的吸光度。在這種條件下上式可改寫為:A=εbc偏離朗伯—比爾定律：入射光不完全單色溶液的不均與性溶液中發(fā)生了解離、締合、配位等化學(xué)變化Ac標(biāo)準(zhǔn)工作曲線5.3分子吸收光譜與電子躍遷

有機化合物的紫外—可見吸收光譜，是其分子中外層價電子躍遷的結(jié)果（三種）σ電子、π電子、n電子。外層電子吸收紫外或可見輻射后，就從基態(tài)向激發(fā)態(tài)(反鍵軌道)躍遷。主要有四種躍遷，所需能量ΔΕ大小順序為n→π＊

<π→π＊

<n→σ＊

<σ→σ＊

A.σ→σ*

單鍵電子躍遷，主要發(fā)生在真空紫外區(qū)。B.π→π*

雙鍵或三鍵電子躍遷，吸收的波長較長，在200-700nm強吸收

C.n→π*

雜原子的雙鍵孤電子躍遷在近紫外區(qū)（200－400nm）弱吸收。

D.n→σ*

雜原子的單鍵孤電子躍遷，吸收波長在（150－250nm）中強吸收。紫外吸收光譜中常用的術(shù)語生色團：

最有用的紫外—可見光譜是由π→π＊和n→π＊躍遷產(chǎn)生的。這兩種躍遷均要求有機物分子中含有不飽和基團。這類含有π鍵的不飽和基團稱為生色團。簡單的生色團由雙鍵或叁鍵體系組成，如乙烯基、羰基、亞硝基、偶氮基—N＝N—、乙炔基、腈基—CN等。助色團：

有一些含有n電子的基團(如-OH、-OR、-NH2、-NHR、-X等)，它們本身沒有生色功能(不能吸收λ>200nm的光)，但當(dāng)它們與生色團相連時，就會發(fā)生n-π共軛作用，增強生色團的生色能力(吸收波長向長波方向移動，且吸收強度增加)，這樣的基團稱為助色團。吸收帶R吸收帶含雜原子的雙鍵的n→π*

躍遷產(chǎn)生，200-400nm弱吸收。K吸收帶共軛體系π→π*躍遷產(chǎn)生，217-280nm的強吸收。判斷共軛結(jié)構(gòu)。B吸收帶苯環(huán)的π→π*躍遷產(chǎn)生，230-270nm五指峰。有取代基且與苯環(huán)共軛或在極性溶劑中消失。E吸收帶苯環(huán)的π→π*躍遷產(chǎn)生，為苯環(huán)的特征吸收，E1185nm強吸收，E2204nm較強吸收紅移與藍(lán)移有機化合物的吸收譜帶常常因引入取代基或改變?nèi)軇┦棺畲笪詹ㄩLλmax和吸收強度發(fā)生變化:

λmax向長波方向移動稱為紅移，向短波方向移動稱為藍(lán)移(或紫移)。吸收強度即摩爾吸光系數(shù)ε增大或減小的現(xiàn)象分別稱為增色效應(yīng)或減色效應(yīng)，如圖所示。影響紫外-可見吸收光譜的因素共軛效應(yīng)：共軛體系越大，吸收波長越長（紅移），吸收強度越大。助色效應(yīng)：當(dāng)助色團與生色團相連時，吸收峰紅移，吸收強度增強。超共軛效應(yīng)溶劑效應(yīng)紫外吸收光譜中常用己烷、庚烷、環(huán)己烷、二氧雜己烷、水、乙醇等作溶劑。有些溶劑，特別是極性溶劑對溶質(zhì)吸收峰的波長、強度及形狀可能產(chǎn)生影響，這種現(xiàn)象稱溶劑效應(yīng)。例如，異丙叉丙酮的溶劑效應(yīng)見下表所示。

由上表可以看出，當(dāng)溶劑的極性增大時，由n

*躍遷產(chǎn)生的吸收帶發(fā)生藍(lán)移，而由*躍遷產(chǎn)生的吸收帶發(fā)生紅移。5.4.分光光度計停留分光光度計A原理基本構(gòu)造光源鎢燈可見區(qū)350-1000nm

氫燈或氘燈紫外區(qū)180-360nm單色器吸收池玻璃可見區(qū)石英紫外區(qū)檢測器光電管光電倍增管光電二極管陣列檢測器光柵和棱鏡分光原理光柵分光動畫棱鏡分光動畫儀器光通路圖B.分光光度計的類型動畫雙光束光度計示意雙波長光度計光路示意圖真空光電管90VDC直流放大陰極R-+光束e陽極絲（Ni）抽真空

陰極表面可涂漬不同光敏物質(zhì)：高靈敏(K,Cs,Sb其中二者)、紅光敏(Na/K/Cs/Sb,Ag/O/Cs)、紫外光敏、平坦響應(yīng)(Ga/As，響應(yīng)受波長影響小)。產(chǎn)生的光電流約為硒光電池的1/10。優(yōu)點：阻抗大，電流易放大；響應(yīng)快；應(yīng)用廣。缺點：有微小暗電流（Darkcurrent，40K的放射線激發(fā)）。

光電倍增管（photomultipliertube,PMT）

石英套光束1個光子產(chǎn)生106~107個電子?xùn)艠O，Grill陽極屏蔽光電倍增管示意圖共有9個打拿極(dynatron)，所加直流電壓共為9010V900Vdc90V123456789陽極陰極石英封讀出裝置R光電倍增管（PMT）電路圖優(yōu)點：高靈敏度；響應(yīng)快；適于弱光測定，甚至對單一光子均可響應(yīng)。缺點：熱發(fā)射強，因此暗電流大，需冷卻（-30oC)。不得置于強光(如日光)下，否則可永久損壞PMT！硅二極管p區(qū)n區(qū)pn

結(jié)p區(qū)n區(qū)(反向偏置)耗盡層空穴電子反向偏值—耗盡層(depletionlayer)—pn結(jié)電導(dǎo)趨于0(i=0)；

光照—耗盡層中形成空穴和電子—空穴移向p區(qū)并湮滅—外加電壓對pn“電容器”充電—產(chǎn)生充電電流信號(i0)。特點：靈敏度介于真空管和倍增管之間。光電二極管陣列，photodiodearray(PDA)SiO2窗p

型硅n型硅基pnpnpnpnpnpn0.025mm2.5mm側(cè)視(crosssection)頂視(topview)光束說明：在一個硅片上，許多pn

結(jié)以一維線性排列，構(gòu)成“陣列”；每個pn

結(jié)或元（element，64-4096個）相當(dāng)于一個硅二極管檢測器；硅片上布有集成線路，使每個pn

結(jié)相當(dāng)于一個獨立的光電轉(zhuǎn)換器；硅片上置于分光器焦面上，經(jīng)色散的不同波長的光分別被轉(zhuǎn)換形成電信號；實現(xiàn)多波長或多目標(biāo)同時（simultaneously）檢測。PDA在靈敏度、線性范圍和S/N方面不如光電倍增管。應(yīng)用較少。5.5儀器測量誤差和測量條件5.5.1儀器測量誤差

在分光光度分析法中，使用任何光度計進行測量時，都會產(chǎn)生一定的誤差。這些誤差可能來自光源的電壓不穩(wěn)定，光電元件靈敏度的變化和儀器刻度讀數(shù)不準(zhǔn)確等。如果測量時透光率讀數(shù)的絕對誤差是ΔT，對于同一臺儀器，它基本上是常數(shù)。但由于吸光度與透光率之間是負(fù)對數(shù)關(guān)系，在不同A值時，同樣的ΔT的讀數(shù)誤差所引起的吸光度的絕對誤差ΔA是不同的。A值越大，由ΔT引起的ΔA也越大。

根據(jù)朗伯－比耳定律,由ΔA引起的被測物質(zhì)濃度的誤差Δc為

ΔA＝k′Δc

再是根據(jù)吸收公式微分，可得：儀器測量誤差ΔT引起的濃度測量的相對誤差為：設(shè)ΔT＝0.01，計算不同T值與Δc/c的關(guān)系，可得到下圖：lnT=-1

lgT=-0.434T=0.368這時誤差最小5.5.2測量條件的選擇

除選擇適宜的顯色條件外，還應(yīng)當(dāng)選擇合適的測量條件。主要的測量條件包括入射光波長、吸光度范圍和空白溶液等。下面將分別討論。

1．選擇入射光波長入射光的波長對測定結(jié)果的靈敏度和準(zhǔn)確度都有很大的影響。選擇時，應(yīng)先繪制有色溶液的光吸收曲線。然后選用該溶液的最大吸收波長來進行測量。如果試液中某種組分在同樣的波長也有吸收，則對測定有干擾，這時，可選另一靈敏度稍低．但能避免干擾的入射光波長。

2．控制吸光度的范國由儀器測量誤差的討論中可知，為了使測定結(jié)果獲得較高的準(zhǔn)確度，應(yīng)該控制溶液的吸光度在一定的范圍內(nèi)，一般要求是0.2～0.7。控制吸光度范圍的方法是改變比色皿的厚度，也可以改變?nèi)芤旱臐舛然蛟嚇拥馁|(zhì)量。

3．選擇適當(dāng)?shù)膮⒈热芤簠⒈热芤河址Q空白溶液。在光度分析法中，利用參比溶液調(diào)節(jié)儀器的吸光度零點、消除顯色溶液中其他有色物質(zhì)的干擾，抵消比色皿壁及溶液對入射光的反射和吸收的影響等。5.6分光光度法的應(yīng)用5.6.1定性鑒定5.6.2定量測定微量成份

分光光度法被廣泛的應(yīng)用在各個領(lǐng)域，環(huán)境、醫(yī)藥、石油等測定無機、有機微量