材料方法-第6章-紫外與熒光光譜課件

第6章（1)紫外-可見光譜紫外-可見吸收光譜（UltravioletandVisibleSpectroscopy,UV-VIS）統(tǒng)稱為電子光譜。紫外-可見吸收光譜法是利用某些物質(zhì)的分子吸收200～800nm光譜區(qū)的輻射來進(jìn)行分析測(cè)定的方法。這種分子吸收光譜產(chǎn)生于價(jià)電子和分子軌道上的電子在電子能級(jí)間的躍遷，廣泛用于有機(jī)和無機(jī)物質(zhì)的定性和定量測(cè)定。

Hitachi（日立）紫外可見光譜儀

一、紫外-可見吸收光譜的基本概念1、電子躍遷類型

（1）σ-σ*躍遷。位于σ成鍵軌道上的電子向σ*反鍵軌道躍遷。（2）π-π*躍遷。位于π成鍵軌道上的電子向π*反鍵軌道躍遷。（3）n-π*躍遷。位于n軌道上的電子向π*反鍵軌道躍遷。（4）n-σ*躍遷。位于n軌道上的電子向σ*反鍵軌道躍遷。σ、π和n軌道的能級(jí)2、發(fā)色團(tuán)

分子中能吸收紫外光或可見光的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)叫做發(fā)色團(tuán)或色基。象C=C、C=O、C≡C等都是發(fā)色團(tuán)。發(fā)色團(tuán)的結(jié)構(gòu)不同，電子躍遷類型也不同。3、助色團(tuán)

有些原子或基團(tuán)，本身不能吸收波長大于200nm的光波，但它與一定的發(fā)色團(tuán)相連時(shí)，則可使發(fā)色團(tuán)所產(chǎn)生的吸收峰向長波長方向移動(dòng)。并使吸收強(qiáng)度增加，這樣的原子或基團(tuán)叫做助色團(tuán)。

4、紅移和藍(lán)移某些有機(jī)化合物因反應(yīng)引入含有未共享電子對(duì)的基團(tuán)使吸收峰向長波長移動(dòng)的現(xiàn)象稱為長移或紅移（redshift），這些基團(tuán)稱為向紅基團(tuán)；相反，使吸收峰向短波長移動(dòng)的現(xiàn)象稱為短移或藍(lán)移（blueshift），引起藍(lán)移效應(yīng)的基團(tuán)稱為向藍(lán)基團(tuán)。另外，使吸收強(qiáng)度增加的現(xiàn)象稱為濃色效應(yīng)或增色效應(yīng)（hyperchromiceffect）；使吸收強(qiáng)度降低的現(xiàn)象稱為淡色效應(yīng)（hypochromiceffect）。5、吸收帶分類（1）R—帶：n→π*躍遷產(chǎn)生的吸收帶，該帶的特點(diǎn)是吸收強(qiáng)度很弱，εmax＜100，吸收波長一般在270nm以上。（2）K—帶：共軛譜帶），它是由共軛體系的π→π*躍遷產(chǎn)生的。它的特點(diǎn)是：躍遷所需要的能量較R吸收帶大，摩爾吸收系數(shù)εmax＞104。K吸收帶是共軛分子的特征吸收帶，因此用于判斷化合物的共軛結(jié)構(gòu)。紫外-可見吸收光譜中應(yīng)用最多的吸收帶。苯的紫外吸收光譜（異辛烷）

6、光吸收定律Beer-Lambert定律在光譜中，常用投射率T（transmittance）來表示光通過的情況，被定義為

紫外光譜的橫坐標(biāo)表示波長，縱坐標(biāo)可用吸收強(qiáng)度A（或用ε、lgε）表示，也可用透射率T表示。2、物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收及吸收曲線M+熱M+熒光或磷光E=E2-

E1=h量子化；選擇性吸收吸收曲線與最大吸收波長max

M+

h

→M*基態(tài)激發(fā)態(tài)E1（△E）E2

紫外吸收光譜以波長λ（nm）為橫坐標(biāo)，以吸光度A或吸收系數(shù)ε為縱坐標(biāo)。最大吸收峰所對(duì)應(yīng)的波長相當(dāng)于躍遷時(shí)所吸收光線的波長稱為λmax和λmax相應(yīng)的摩爾吸收系數(shù)為εmax。εmax＞104為強(qiáng)吸收，εmax＜103為弱吸收。三、紫外光譜法的特點(diǎn)1、反映了分子中價(jià)電子能級(jí)躍遷情況。主要應(yīng)用于共軛體系（共軛烯烴和不飽和羰基化合物）及芳香族化合物的分析。2、由于電子能級(jí)改變的同時(shí)，往往伴隨有振動(dòng)能級(jí)的躍遷，所以電子光譜圖比較簡單，但峰形較寬。一般來說，利用紫外吸收光譜進(jìn)行定性分析信號(hào)較少。3、紫外吸收光譜常用于共軛體系的定量分析，靈敏度高，檢出限低。2、溶劑效應(yīng)

（1）n→π*躍遷所產(chǎn)生的吸收峰隨溶劑極性的增加而向短波長方向移動(dòng)。因?yàn)榫哂泄聦?duì)電子對(duì)的分子能與極性溶劑發(fā)生氫鍵締合，其作用強(qiáng)度以極性較強(qiáng)的基態(tài)大于極性較弱的激發(fā)態(tài)，致使基態(tài)能級(jí)的能量下降較大，而激發(fā)態(tài)能級(jí)的能量下降較小，故兩個(gè)能級(jí)間的能量差值增加。實(shí)現(xiàn)n→π*躍遷需要的能量也相應(yīng)增加，故使吸收峰向短波長方向位移。紅移：溶劑對(duì)躍遷的影響

苯酚鈉的紫外吸收光譜苯酚的紫外吸收光譜五、紫外-可見分光光度計(jì)1紫外-可見分光光度計(jì)的基本結(jié)構(gòu)

紫外-可見分光光度計(jì)由光源、單色器、吸收池、檢測(cè)器以及數(shù)據(jù)處理及記錄（計(jì)算機(jī)）等部分組成。

雙光束分光光度計(jì)的原理圖六、紫外吸收光譜的應(yīng)用

物質(zhì)的紫外吸收光譜基本上是其分子中生色團(tuán)及助色團(tuán)的特征，而不是整個(gè)分子的特征。如果物質(zhì)組成的變化不影響生色團(tuán)和助色團(tuán)，就不會(huì)顯著地影響其吸收光譜，如甲苯和乙苯具有相同的紫外吸收光譜。另外，外界因素如溶劑的改變也會(huì)影響吸收光譜，在極性溶劑中某些化合物吸收光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)會(huì)消失，成為一個(gè)寬帶。所以，只根據(jù)紫外光譜是不能完全確定物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，還必須與紅外吸收光譜、核磁共振波譜、質(zhì)譜以及其他化學(xué)、物理方法共同配合才能得出可靠的結(jié)論。1、化合物的鑒定

利用紫外光譜可以推導(dǎo)有機(jī)化合物的分子骨架中是否含有共軛結(jié)構(gòu)體系，如C＝C－C＝C、C＝C－C＝O、苯環(huán)等。利用紫外光譜鑒定有機(jī)化合物遠(yuǎn)不如利用紅外光譜有效，因?yàn)楹芏嗷衔镌谧贤鉀]有吸收或者只有微弱的吸收，并且紫外光譜一般比較簡單，特征性不強(qiáng)。利用紫外光譜可以用來檢驗(yàn)一些具有大的共軛體系或發(fā)色官能團(tuán)的化合物，可以作為其他鑒定方法的補(bǔ)充。3、異構(gòu)體的確定

對(duì)于異構(gòu)體的確定，可以通過經(jīng)驗(yàn)規(guī)則計(jì)算出λmax值，與實(shí)測(cè)值比較，即可證實(shí)化合物是哪種異構(gòu)體。如:乙酰乙酸乙酯的酮-烯醇式互變異構(gòu)

溶劑：1.己烷；2.乙醇；3.水乙酰乙酸乙酯的紫外吸收曲線

（3）標(biāo)準(zhǔn)曲線法

配制一系列不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，在λ最佳處分別測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度A，然后以濃度為橫坐標(biāo)，以相應(yīng)的吸光度為縱坐標(biāo)繪制出標(biāo)準(zhǔn)曲線，在完全相同的條件下測(cè)定試液的吸光度，并從標(biāo)準(zhǔn)曲線上求得試液的濃度。該法適用于大批量樣品的測(cè)定。1、熒光光譜法基本原理

分子的多重態(tài)(1)單重態(tài)一個(gè)所有電子自旋都配對(duì)的分子的電子狀態(tài)。大多數(shù)有機(jī)物分子的基態(tài)是單重態(tài)。當(dāng)基態(tài)一對(duì)電子中的一個(gè)被激發(fā)到較高能級(jí)，其自旋方向不會(huì)立刻改變，分子仍處于單重態(tài)。(2)三重態(tài)有兩個(gè)電子的自旋不配對(duì)而平行的狀態(tài)。激發(fā)三重態(tài)能量較激發(fā)單重態(tài)低。第6章（1)熒光光譜激發(fā)態(tài)分子的失活:

激發(fā)態(tài)分子不穩(wěn)定，它要以輻射或無輻射躍遷的方式回到基態(tài)。

無輻射躍遷振動(dòng)弛豫：激發(fā)態(tài)分子由同一電子能級(jí)中的較高振動(dòng)能級(jí)轉(zhuǎn)至較低振動(dòng)能級(jí)的過程，其效率較高。內(nèi)轉(zhuǎn)換：相同多重態(tài)的兩個(gè)電子能級(jí)間，電子由高能級(jí)回到低能級(jí)的分子內(nèi)過程。系間竄越：激發(fā)態(tài)分子的電子自旋發(fā)生倒轉(zhuǎn)而使分子的多重態(tài)發(fā)生變化的過程。外轉(zhuǎn)換：激發(fā)態(tài)分子與溶劑或其他溶質(zhì)相互作用、能量轉(zhuǎn)換而使熒光（或磷光）減弱甚至消失的過程。熒光強(qiáng)度的減弱或消失，稱為熒光熄滅（或猝滅）。輻射躍遷:熒光：受光激發(fā)的分子從第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)回到基態(tài)所發(fā)出的輻射。壽命為10-8~10-11s。由于是相同多重態(tài)之間的躍遷，幾率較大，速度大，速率常數(shù)kf為106~109s-1。磷光：從第一激發(fā)三重態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)回到基態(tài)所發(fā)出的輻射。由于磷光的產(chǎn)生伴隨自旋多重態(tài)的改變，輻射速度遠(yuǎn)小于熒光，磷光壽命為10-4~10s。2、熒光與結(jié)構(gòu)的關(guān)系

（1）電子躍遷類型發(fā)射π*→π躍遷比π*→n躍遷更常見（2）共軛效應(yīng)芳香族化合物的熒光最常見且最強(qiáng)，大多數(shù)未取代芳烴在溶液中發(fā)熒光，隨著環(huán)的數(shù)目和稠合程度增加，熒光峰紅移，Φ↑。簡單雜環(huán)化合物不發(fā)熒光，但具有稠環(huán)結(jié)構(gòu)的雜環(huán)化合物都發(fā)熒光。（3）平面剛性結(jié)構(gòu)效應(yīng)有剛性結(jié)構(gòu)的分子容易發(fā)熒光，剛性和共平面性的增加有利于熒光發(fā)射。CH2聯(lián)苯Φ=0.2

芴Φ=1剛性平面結(jié)構(gòu)

化合物相對(duì)熒光強(qiáng)度苯10C6H5COOHC6H5NO230C6H5CH3C6H5OHC6H5OCH3C6H5NH2C6H5CN1718202020C6H5ClC6H5BrC6H5I750(4)取代基的影響芳環(huán)上有羧基、羰基或亞硝基等吸電子基團(tuán)取代時(shí)，熒光減弱；給電子取代基如-OH、-NH2、-CN、-OCH3等會(huì)使熒光強(qiáng)度增加。重原子效應(yīng)含有重原子的分子中，系間竄躍的幾率大,使熒光減弱，磷光增強(qiáng)。鹵素取代的“重原子效應(yīng)”化合物ΦP/φF熒光波長/nm磷光波長/nmτp/s萘0.0933154702.61-甲基萘0.0533184762.51-氟萘0.0683164731.41-氯萘5.23194830.231-溴萘6.43204840.0141-碘萘>1000沒觀察到4880.0023不同取代基對(duì)芳烴熒光的影響取代基對(duì)波長的影響對(duì)熒光強(qiáng)度的影響烷基不明顯微弱增加或減少OH,OCH3,OC2H5向長波長移動(dòng)增加NH2,NHR,NR2向長波長移動(dòng)增加NO2,NO向長波長移動(dòng)減少CN不明顯增加SH向長波長移動(dòng)減少F向長波長移動(dòng)減少ClBrISO3-不明顯不明顯3、激發(fā)光譜和熒光光譜

任何熒光化合物都具有兩種特征光譜：（1）熒光激發(fā)光譜（吸收光譜）—固定某一發(fā)射波長，測(cè)定該波長下的熒光發(fā)射強(qiáng)度隨激發(fā)波長變化所得的光譜。（2）熒光發(fā)射光譜（熒光光譜）——固定某一激發(fā)波長，測(cè)定熒光發(fā)射強(qiáng)度隨發(fā)射波長變化得到的光譜。4.由熒光光譜可獲悉的信息定性鑒定：利用激發(fā)光譜和熒光光譜可進(jìn)行樣品的鑒定及推測(cè)雜質(zhì)的存在與否。(2)定量分析：不發(fā)生濃度猝滅的稀溶液，其熒光強(qiáng)度和物質(zhì)的濃度成比例。(3)解析分子間相互作用：從熒光光譜中求出的熒光發(fā)射峰的波長、熒光強(qiáng)度(量子產(chǎn)率)、熒光壽命，可推測(cè)所吸收的光能經(jīng)過的途徑，并且通過考察這些結(jié)果與試樣濃度的關(guān)系及共存物質(zhì)的影響，可解析分子間的相互作用。光譜解析

硫酸奎寧的熒光光譜(a)365nm激發(fā)(Hg線)(b)313nm激發(fā)(Hg線)(c)254nm激發(fā)(Hg線)5、熒光光譜的特點(diǎn)：(1)斯托克斯位移（Stokesshift)。與激發(fā)光譜相比，熒光光譜的波長總是出現(xiàn)在更長的波長處；(2)熒光光譜與激發(fā)波長無關(guān)。無論用λ=250和350nm作激發(fā)光源，所得熒光光譜形狀和峰的位置都是相同；(3)吸收光譜與發(fā)射光譜大致成鏡像對(duì)稱。6、無機(jī)化合物的熒光本身會(huì)發(fā)熒光的無機(jī)化合物有鑭系元素（III）化合物，U(VI)化合物，類汞離子化合物Tl(I)，Sn(II)，Pb(II)，As(III)，Sb(III)，Bi(III)，Se(IV)，Te(IV)，過渡金屬Cr(III)，Re(I)，Ru(II)，Os(II)，Pt(II)，Rh(III)，Ir(III)等。

7、有機(jī)化合物的熒光

化合物λex/nmλem/nm化合物λex/nmλem/nm苯205278丁省390480萘286321戊省580640蒽365400強(qiáng)熒光物質(zhì)往往具備如下特征：（1）具有大的共軛π鍵結(jié)構(gòu)；（2）具有剛性的平面結(jié)構(gòu)；（3）具有最低的單線電子激發(fā)態(tài)S1,為π，π*型；（4）取代基團(tuán)為給電子取代基。8、熒光法的應(yīng)用(1)無機(jī)物通過與熒光試劑作用生成熒光螯合物而進(jìn)行熒光分析，非過渡金屬離子的熒光螯合物較多，熒光試劑具有兩個(gè)（或以上）與MZ+形成螯合物的電子給予體官能團(tuán)的芳香結(jié)構(gòu)。(2)熒光法靈敏度高、選擇性好，可用于痕量分析，但是能發(fā)生熒光的化學(xué)體系不多。名稱結(jié)構(gòu)式應(yīng)用9-蒽基重氮甲烷某些羧酸丹磺酰氯伯胺、仲胺、酚或氨基酸CH2N2N(CH3)2SO2Cl 熒光法在有機(jī)化合物中應(yīng)用較廣。芳香化合物多能發(fā)生熒光。脂肪族化合物往往與熒光試劑作用后才可產(chǎn)生熒光。9、電子光譜在材料分析中的應(yīng)用材料分析聚合物結(jié)構(gòu)分析

某些高分子的紫外吸收特征高分子發(fā)色團(tuán)最長的吸收波長/nm聚苯乙烯聚對(duì)二甲酸乙二醇酯聚甲基丙烯酸甲酯聚醋酸乙烯聚乙烯基咔唑苯基對(duì)苯二甲酸酯基脂肪族酯基脂肪族酯基咔唑基270，280（吸收邊界）290（吸收尾部），300250-260（吸收邊界）210（最大值處）345和聚合物單體的定量分析材料中微量元素或添加劑含量的測(cè)定電子光譜研究聚合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)典型的類酶催化反應(yīng)分子動(dòng)態(tài)譜圖（a