紫外吸收光譜分析

關(guān)于紫外吸收光譜分析03.04.2024103.04.20242物質(zhì)的顏色和對(duì)光的選擇性吸收完全吸收完全透過吸收黃色光光譜示意表觀現(xiàn)象示意復(fù)合光第2頁,共44頁，2024年2月25日，星期天03.04.20243

測量某物質(zhì)對(duì)不同波長單色光的吸收程度，以波長()為橫坐標(biāo)，吸光度(A)為縱坐標(biāo)，繪制吸光度隨波長的變化可得一曲線，此曲線即為吸收光譜。用途①進(jìn)行定性分析②進(jìn)行定量分析③選擇吸收波長④判斷干擾情況吸收曲線:KMnO4溶液的光吸收曲線λmax=525nm第3頁,共44頁，2024年2月25日，星期天03.04.20244定性分析與定量分析的基礎(chǔ)根據(jù)物質(zhì)對(duì)光的最大吸收波長，可進(jìn)行定性分析。一定的實(shí)驗(yàn)條件下，物質(zhì)對(duì)光的吸收與物質(zhì)的濃度成正比。根據(jù)物質(zhì)對(duì)光的吸收多少可進(jìn)行物質(zhì)的定量分析。KMnO4吸收光譜λmax=525nm第4頁,共44頁，2024年2月25日，星期天03.04.20245

當(dāng)一束強(qiáng)度為I0的平行單色光垂直照射到長度為b、濃度為c的液層，通過溶液后光的強(qiáng)度減弱為It

，則：

此式即為朗伯—比爾定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，是光度法定量分析的基礎(chǔ)。式中比例常數(shù)α（—吸收系數(shù)，單位為L·g-l·cm-1

）與吸光物質(zhì)的性質(zhì)、入射光波長及溫度等因素有關(guān)。光吸收的基本定律

——朗伯-比爾定律第5頁,共44頁，2024年2月25日，星期天03.04.20246摩爾吸收系數(shù)

當(dāng)濃度c用mol·L-1，液層厚度b用cm為單位表示，則

α用符號(hào)κ(或ε)來表示。

κ稱為摩爾吸收系數(shù)：單位為L·mol-l·cm-1，它表示物質(zhì)的量濃度為lmol·L-1，液層厚度為lcm時(shí)溶液的吸光度。注：同一吸收物質(zhì)在不同波長下的κ值是不同的。在最大吸收波長處的摩爾吸光系數(shù)，常以κmax表示。κmax表明了該吸收物質(zhì)最大限度的吸光能力，也反映了光度法測定該物質(zhì)可能達(dá)到的最大靈敏度。

κ=Mα第6頁,共44頁，2024年2月25日，星期天03.04.20247§2-1

概述光的特性本質(zhì)：電磁波。特性：波粒二象性(waveandcorpuscleduality)。波動(dòng)性：指光可以用互相垂直的、以正弦波振蕩的電場和磁場表示。粒子性：光可以看成是由一系列量子化的能量子（即光子）組成。光子能量為E＝hνh為Plank常數(shù)，h=6.626×10-34Js。第7頁,共44頁，2024年2月25日，星期天03.04.20248電磁輻射與物質(zhì)的相互作用原理：物質(zhì)與光的作用可看成是對(duì)光子能量的授受，即hν=E1-E0，該原理廣泛應(yīng)用于光譜解析。本質(zhì)：物質(zhì)吸收光能后發(fā)生躍遷。躍遷是指物質(zhì)吸收光能后自身能量的改變。因這種改變是量子化的，故稱為躍遷。不同波長的光，能量不同，躍遷形式也不同，因此有不同的光譜分析法。第8頁,共44頁，2024年2月25日，星期天03.04.20249光學(xué)分析法利用物質(zhì)發(fā)射、吸收電磁輻射的性質(zhì)以及物質(zhì)與電磁輻射的相互作用實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)（組分）成分分析和結(jié)構(gòu)分析的一類儀器分析方法。此類分析方法是儀器分析中較早且重要的一類。電磁輻射區(qū)域劃分圖2.1光學(xué)區(qū)電磁輻射區(qū)域第9頁,共44頁，2024年2月25日，星期天03.04.202410光學(xué)分析法分類：光譜分析法：測量試樣光譜的波長和強(qiáng)度，利用物質(zhì)組分的吸收或發(fā)射光譜與物質(zhì)結(jié)構(gòu)及含量的內(nèi)在聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)的定性和定量分析。方法與分類：定性：紅外、原子發(fā)射、紫外定量：紫外-可見、原子吸收/發(fā)射、紅外、熒光、磷光分子光譜原子光譜吸收光譜紫外-可見、紅外原子吸收發(fā)射光譜分子熒光、磷光原子發(fā)射第10頁,共44頁，2024年2月25日，星期天03.04.202411非光譜分析法：不涉及光譜電磁輻射與物質(zhì)（組分）間的相互作用，引起電磁輻射在方向或物理性質(zhì)上的變化，如，折射、反射、色散、干涉、衍射、偏射等，利用這些變化與物質(zhì)結(jié)構(gòu)及含量的內(nèi)在聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)的定性和定量分析。例如：測有機(jī)物的折射率——定性分析

X-射線衍射——測定晶體結(jié)構(gòu)第11頁,共44頁，2024年2月25日，星期天03.04.202412光譜分析法波長區(qū)域波數(shù)區(qū)域,cm-1躍遷類型g

射線發(fā)射0.005-1.4

－核X射線吸收，發(fā)射，熒光，衍射0.1-100

－內(nèi)層電子真空紫外吸收10-180nm1×106to5×104價(jià)電子紫外-可見吸收，發(fā)射，熒光180-780nm5×104to1.3×104價(jià)電子紅外吸收，拉曼散射0.78-300mm1.3×104to3.3×101分子振動(dòng)/轉(zhuǎn)動(dòng)微波吸收0.75-3.75mm13-27分子轉(zhuǎn)動(dòng)電子自旋共振3cm0.33電子在磁場中的自旋核磁共振0.6-10m1.7×10-2to1×10-3核在磁場中的

自旋表2.1常用光譜分析法分類第12頁,共44頁，2024年2月25日，星期天03.04.202413§2-2

分子吸收光譜分子光譜分子吸收光譜：

當(dāng)光輻射通過吸收介質(zhì)時(shí)，輻射能因被介質(zhì)選擇性吸收而使其透過后的強(qiáng)度有不同程度的減弱，所損失的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榻橘|(zhì)的內(nèi)能，這種吸收的結(jié)果就產(chǎn)生了分子吸收光譜。利用這種吸收與物質(zhì)的性質(zhì)以及物質(zhì)的量的關(guān)系可以實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的定量及定性分析。分子和原子一樣，也有它的特征分子能級(jí)。第13頁,共44頁，2024年2月25日，星期天03.04.202414分子內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)：價(jià)電子運(yùn)動(dòng)分子內(nèi)原子在平衡位置附近的振動(dòng)分子繞其重心的轉(zhuǎn)動(dòng)分子能級(jí)：

分子和原子一樣，也有它的特征分子能級(jí)。電子能級(jí)1-20ev振動(dòng)能級(jí)0.025-1ev轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)0.003-0.025ev第14頁,共44頁，2024年2月25日，星期天03.04.202415分子結(jié)構(gòu)與吸收光譜分子光譜是帶狀光譜：分子對(duì)電磁輻射的吸收是分子總能量變化之和。即：E=Ee+Ev+Er電子躍遷時(shí)不可避免地產(chǎn)生振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷，分子的吸收光譜是由成千上萬條彼此靠得很近的譜線組成，看起來是一條連續(xù)的吸收帶。

圖2.2電磁波吸收與分子能級(jí)躍遷第15頁,共44頁，2024年2月25日，星期天03.04.202416配體配合物L(fēng)aL3?4H2OFc(紫外區(qū))247.5nmFc(紫外區(qū))244.5nmFc(可見光區(qū))445.5nmFc(可見光區(qū))445.0nmC=N315.0nm無第16頁,共44頁，2024年2月25日，星期天03.04.202417遠(yuǎn)紅外光譜：吸收0.003ev-0.025ev的光輻射產(chǎn)生的吸收光譜。對(duì)應(yīng)于遠(yuǎn)紅外線（50-300μm）。分子內(nèi)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷，又稱轉(zhuǎn)動(dòng)光譜。紅外光譜：吸收0.025ev-1ev的光輻射產(chǎn)生的吸收光譜。對(duì)應(yīng)于紅外線（0.78-50μm）。分子內(nèi)發(fā)生振動(dòng)能級(jí)的躍遷，同時(shí)伴有轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷，又稱振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)光譜。紫外－可見光譜：吸收1ev-20ev的光輻射產(chǎn)生的吸收光譜。對(duì)應(yīng)于紫外線和可見光（200-780nm）。分子內(nèi)發(fā)生電子能級(jí)的躍遷，同時(shí)伴有振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷，又稱電子光譜。第17頁,共44頁，2024年2月25日，星期天03.04.202418圖2.2紫外－可見光譜區(qū)域及其激發(fā)類型第18頁,共44頁，2024年2月25日，星期天03.04.202419紫外吸收光譜法概述原理：基于物質(zhì)對(duì)紫外光的選擇性吸收。是分子中價(jià)電子在能級(jí)間的躍遷所產(chǎn)生的吸收。分子在紫外－可見區(qū)的吸收與其電子結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。定量基礎(chǔ)：朗伯－比爾定律研究對(duì)象：多為具有共軛雙鍵結(jié)構(gòu)的分子。光譜區(qū)域：其研究對(duì)象大多在200-380nm的近紫外光區(qū)和380-780nm的可見光區(qū)有吸收§2-3紫外吸收光譜原理測定的靈敏度：由吸光分子的摩爾吸光系數(shù)表征。特點(diǎn)：儀器設(shè)備簡單，應(yīng)用十分廣泛。如醫(yī)院的常規(guī)化驗(yàn)中，大量定量分析都用紫外-可見分光光度法。在化學(xué)研究中，如平衡常數(shù)的測定、求算主-客體結(jié)合常數(shù)等都離不開紫外-可見吸收光譜。第19頁,共44頁，2024年2月25日，星期天03.04.202420

一、有機(jī)化合物的紫外-可見吸收光譜紫外-可見吸收光譜是由分子中的價(jià)電子躍遷產(chǎn)生。因此有機(jī)化合物的紫外-可見吸收光譜決定于分子中價(jià)電子的分布和結(jié)合情況。1.有機(jī)物分子中與光譜有關(guān)的價(jià)電子：形成單鍵的σ電子，形成雙鍵的π電子未成鍵的孤對(duì)電子稱為n電子。

第20頁,共44頁，2024年2月25日，星期天03.04.2024212.電子躍遷：當(dāng)這些價(jià)電子吸收一定能量ΔE后，將躍遷到較高的能級(jí)(激發(fā)態(tài))，此時(shí)電子所占的軌道稱為反鍵軌道，而這種特定的躍遷是同分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系的，一般可將這些躍遷分成如下四類：

σ→σ＊

ｎ→σ＊

π→π＊ｎ→π＊圖2.3電子能級(jí)及電子躍遷示意圖躍遷能量第21頁,共44頁，2024年2月25日，星期天03.04.202422各躍遷對(duì)應(yīng)的光譜區(qū)：圖2.４最常見電子躍遷所處的波長范圍及強(qiáng)度1010040020030060050070080052341λ／ｎｍlgκ遠(yuǎn)紫外光近紫外光可見光

σσ＊π

π＊nσ＊nπ＊nπ＊第22頁,共44頁，2024年2月25日，星期天03.04.202423（1）σ→σ＊躍遷：需要的能量較高，相當(dāng)于真空（遠(yuǎn)）紫外光。飽和烴的C-C鍵和C-H鍵屬于這種躍遷，如，甲烷的λmax=135nm。由于它們?cè)?00-800nm無吸收帶，所以在紫外-可見吸收光譜分析中常用作溶劑（如己烷、環(huán)己烷等）。（2）ｎ→σ＊躍遷：其能量比σ→σ＊稍低，在近紫外端200nm附近。含雜原子（O,N,S,Cl等）的飽和烴，如C-OH中，除了σ→σ＊外還有n→σ＊躍遷。κmax小。第23頁,共44頁，2024年2月25日，星期天03.04.202424（3）π→π＊躍遷：雙鍵、三鍵上價(jià)電子躍遷到π＊上形成,吸收峰大多在紫外區(qū),在200nm左右，κmax≈104屬于強(qiáng)吸收。如乙烯的λmax=165nm,κmax=104L·mol-1·cm-1。共軛烯炔中的π→π＊躍遷的吸收峰成為K帶，比非共軛烯炔的π→π＊的波長更長。苯環(huán)上的π→π＊躍遷產(chǎn)生三個(gè)譜帶：

E1帶：λmax為180nm左右,κmax>104L·mol-1·cm-1

E2帶：λmax為200nm左右,κmax≈104L·mol-1·cm-1

B帶：λmax為278nm左右,κmax＝10-103L·mol-1·cm-1非極性溶劑中有精細(xì)結(jié)構(gòu)，用于芳香化合物法的鑒別，但極性溶劑中精細(xì)結(jié)構(gòu)消失。第24頁,共44頁，2024年2月25日，星期天03.04.202425（4）ｎ→π＊躍遷：含雜原子的雙鍵化合物C=O、C=N等，雜原子上有n電子，同時(shí)又有π＊軌道，形成ｎ→π＊躍遷。吸收光波長在近紫外區(qū)，亦稱R吸收帶。屬于禁阻躍遷，吸收較弱，κmax≤102L·mol-1·cm-1，如丙酮的吸收峰在280nm，

κmax=10-30

L·mol-1·cm-1躍遷類型吸收帶特征emaxs

s*遠(yuǎn)紫外區(qū)遠(yuǎn)紫外區(qū)測定

n

s*端吸收紫外區(qū)短波長端至遠(yuǎn)紫外區(qū)的強(qiáng)吸收

p

p*E1芳香環(huán)的雙鍵吸收>200K(E2)共軛多烯、-C=C-C=O-等的吸收>10,000B芳香環(huán)、芳香雜環(huán)化合物的芳香環(huán)吸收。有的具有精細(xì)結(jié)構(gòu)>100n

p*R含CO，NO2等n電子基團(tuán)的吸收<100表2.2吸收帶的劃分第25頁,共44頁，2024年2月25日，星期天03.04.202426Fc(紫外區(qū))247.5nmC=N315.0nm第26頁,共44頁，2024年2月25日，星期天03.04.202427（5）電荷轉(zhuǎn)移躍遷

分子同時(shí)具有電子給予體和電子接受體，吸收能量使電子從給予體軌道向接受體軌道躍遷。實(shí)為一個(gè)內(nèi)氧化過程。

譜帶寬，吸收強(qiáng)。

二、無機(jī)化合物的紫外-可見吸收光譜無機(jī)化合物的紫外-可見吸收光譜主要由電荷轉(zhuǎn)移躍遷和配位場躍遷產(chǎn)生。

1.電荷轉(zhuǎn)移躍遷電子由配位體的軌道躍遷到中心離子相關(guān)的軌道上。過渡金屬離子與含生色團(tuán)的試劑所生成的絡(luò)合物、水合無機(jī)離子及含d10電子結(jié)構(gòu)的過渡元素形成的鹵化物和硫化物，均可產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移躍遷。κmax>

104L·mol-1·cm-1,定量。第27頁,共44頁，2024年2月25日，星期天03.04.202428

2.配位場躍遷

含3d、4d、4f、5f軌道的過渡元素，在絡(luò)合物中，由于配體的配位場影響，d軌道和f軌道分裂，如果軌道未充滿，吸光后會(huì)出現(xiàn)d-d躍遷和f-f躍遷。κmax<

100

L·mol-1·cm-1,研究。

三、常用術(shù)語

生色團(tuán)——分子中能吸收紫外或可見光的基團(tuán)。具有不飽和鍵和含有孤對(duì)電子的基團(tuán)。如：生色團(tuán)的共軛效應(yīng)：兩個(gè)彼此相鄰的生色團(tuán)形成共軛體系，原生色團(tuán)的吸收帶消失，同時(shí)出現(xiàn)新的吸收帶，位置移向長波長處，吸收增強(qiáng)。助色團(tuán)——本身不產(chǎn)生吸收峰，但與生色團(tuán)相連時(shí)，使生色團(tuán)的吸收峰向長波方向移動(dòng)，且加強(qiáng)。如：-OH,-OR,-NH2,-SH,-X等。紅移和藍(lán)移——取代基、溶劑的變化導(dǎo)致λmax變化。第28頁,共44頁，2024年2月25日，星期天03.04.202429

增色效應(yīng)和減色效應(yīng)——κmax

增大或減小

強(qiáng)帶和弱帶——κmax

>

104L·mol-1·cm-1強(qiáng)帶

κmax

<

103L·mol-1·cm-1弱帶

R帶——含雜原子的生色團(tuán)(C=O、C=N等)的ｎ→π＊躍遷所產(chǎn)生的吸

收帶。κmax≤102L·mol-1·cm-1，位于200-400nm。

K帶——共軛體系的π→π＊躍遷產(chǎn)生的吸收峰，位于217-280nm，

κmax

>

104L·mol-1·cm-1。K帶是紫外-可見吸收光譜中應(yīng)用最多

的吸收帶。

B帶——芳香族化合物的π→π＊躍遷而產(chǎn)生的精細(xì)結(jié)構(gòu)吸收帶。

κmax

=200

L·mol-1·cm-1

，位于230-270nm。

E帶——芳香族化合物的π→π＊躍遷所產(chǎn)生的吸收帶，也是芳香

族化合物的特征吸收。分為E1帶和E2帶。

第29頁,共44頁，2024年2月25日，星期天03.04.202430四、影響紫外吸收光譜的因素1.共軛效應(yīng)：使共軛體系形成大π鍵，共軛效應(yīng)增強(qiáng)，能差減小，吸收波長紅移，吸收增強(qiáng)。2.溶劑極性：光譜的形狀：非極性溶劑—精細(xì)結(jié)構(gòu)。對(duì)稱四嗪(qin)極性溶劑—精細(xì)結(jié)構(gòu)不明顯或消失。吸收波長：使用極性大溶劑：π→π＊躍遷紅移。

n→π＊躍遷藍(lán)移。溶劑的選擇：極性；溶解效果；無吸收。第30頁,共44頁，2024年2月25日，星期天03.04.2024313.溶液pH值：當(dāng)被測物質(zhì)具有酸性或堿性基團(tuán)時(shí)，溶液的pH值變化對(duì)光譜影響較大。利用溶液的pH值不同對(duì)光譜的影響，可測定化合物結(jié)構(gòu)中的酸性、堿性基團(tuán)。4.空間效應(yīng)：空間阻礙有空間阻礙：不能形成大的共軛體系，吸收波長λmax較短，κ小。無空間阻礙：能形成大的共軛體系，吸收波長λmax較長，κ大。

第31頁,共44頁，2024年2月25日，星期天03.04.202432§2-4

紫外分光光度計(jì)構(gòu)成光源：鎢絲燈及氫燈（或氘燈）可見光區(qū)：鎢絲燈（320～2500nm）紫外光區(qū)：氫燈（或氘燈）（160～375nm）分光：單色器：石英棱鏡（或光柵）吸收池：光路方向應(yīng)為石英檢測器：光電轉(zhuǎn)換用光電管。使用兩只光電管:紫敏：銻銫光電管，200－625nm紅敏：氧化銫光電管，625-1000nm第32頁,共44頁，2024年2月25日，星期天03.04.202433儀器:圖2.4雙光束分光光度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖第33頁,共44頁，2024年2月25日，星期天03.04.202434§2-5

紫外吸收光譜的應(yīng)用應(yīng)用：以有機(jī)物為主定性分析：比較未知物與已知標(biāo)準(zhǔn)物的紫外光譜圖:

通過比較εmax和λmax有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)的推斷：所含官能團(tuán)的判斷區(qū)分同分異構(gòu)體和順反異構(gòu)純度檢查：化合物本身在紫外區(qū)沒吸收，雜質(zhì)有吸收，可測痕量雜質(zhì)含量?；衔镌谧贤鈪^(qū)有較強(qiáng)吸收，摩爾吸收系數(shù)檢查純度。第34頁,共44頁，2024年2月25日，星期天03.04.202435定量分析：紫外-可見吸收光譜是進(jìn)行定量分析最廣泛使用的、最有效的手段之一。

單一組分：標(biāo)準(zhǔn)曲線法，標(biāo)準(zhǔn)加入法。多組份：聯(lián)立方程，要符