大學(xué)儀器分析教學(xué)課件(紫外吸收基本原理)

紫外吸收光譜基本原理紫外吸收光譜簡介物質(zhì)特征紫外吸收光譜能夠揭示物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和組成信息。定量分析紫外吸收光譜可用于定量測定物質(zhì)的含量。有機(jī)化學(xué)廣泛應(yīng)用于有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域，例如識別官能團(tuán)和確定物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。電磁輻射與光譜電磁輻射是指以電磁波形式傳播的能量。它包括各種波長范圍的輻射，從低能量的無線電波到高能量的伽馬射線。電磁輻射的波長范圍決定了它的性質(zhì)?？梢姽庾V是電磁輻射中唯一能被人類肉眼看到的波長范圍。紫外光譜是指波長范圍在100-400納米之間的電磁輻射，具有更高的能量，可以用來研究物質(zhì)的電子能級和結(jié)構(gòu)。原子和分子的電子能級原子能級原子中的電子占據(jù)不同的能級，每個能級對應(yīng)一個特定的能量值。電子可以從一個能級躍遷到另一個能級，但只能躍遷到更高的能級，并吸收能量。原子能級可以通過光譜分析來研究，不同能級之間的能量差決定了原子吸收或發(fā)射光的波長。分子能級分子比原子結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，具有更復(fù)雜的電子能級結(jié)構(gòu)。分子能級包括電子能級、振動能級和轉(zhuǎn)動能級。電子能級決定了紫外可見光譜的特征，而振動和轉(zhuǎn)動能級決定了紅外光譜的特征。電子躍遷與光子吸收光子吸收當(dāng)一個光子被原子或分子吸收時，它會失去能量，而電子會從低能級躍遷到高能級。能量躍遷這個能量躍遷必須與光子能量相匹配，才能發(fā)生吸收。吸收光譜通過測量光通過樣品后的光強(qiáng)度，我們可以獲得吸收光譜，從而識別物質(zhì)。波粒二象性光具有波動性，表現(xiàn)為光的干涉和衍射現(xiàn)象。光具有粒子性，表現(xiàn)為光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)。光的波粒二象性是量子力學(xué)的基本原理之一。波函數(shù)與量子力學(xué)基礎(chǔ)1量子力學(xué)描述微觀世界運(yùn)動規(guī)律的理論。2波函數(shù)描述微觀粒子狀態(tài)的數(shù)學(xué)函數(shù)。3薛定諤方程描述波函數(shù)隨時間變化的微分方程。薛定諤方程1核心方程描述微觀粒子運(yùn)動規(guī)律2描述形式偏微分方程，包含時間和空間變量3求解結(jié)果波函數(shù)，包含粒子的狀態(tài)信息波函數(shù)的概率分布在特定時間和位置找到電子的概率密度由波函數(shù)的平方給出。波函數(shù)的平方表示電子在空間中的概率分布。電子云示意圖氫原子電子云s軌道電子云為球形，表示電子在原子核周圍的空間分布概率。p軌道電子云p軌道電子云呈啞鈴形，表示電子在原子核周圍空間的分布概率。d軌道電子云d軌道電子云形狀較為復(fù)雜，表示電子在原子核周圍空間的分布概率。分子的電子躍遷1σ→σ*從成鍵σ軌道躍遷到反鍵σ軌道2n→σ*從非鍵n軌道躍遷到反鍵σ軌道3π→π*從成鍵π軌道躍遷到反鍵π軌道4n→π*從非鍵n軌道躍遷到反鍵π軌道分子的電子躍遷是指電子從低能級軌道躍遷到高能級軌道的過程，需要吸收特定能量的光子。紫外可見光譜正是利用了這種電子躍遷現(xiàn)象，研究分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。不同的電子躍遷類型對應(yīng)不同的吸收波長，因此可以根據(jù)紫外可見光譜推測分子的結(jié)構(gòu)和組成。簡單分子的電子躍遷過程1σ*→σ最高能級反鍵軌道到最低能級成鍵軌道2π*→π反鍵π軌道到成鍵π軌道3n→π*非鍵軌道到反鍵π軌道激發(fā)態(tài)和基態(tài)基態(tài)電子處于最低能量狀態(tài)。大部分分子通常處于基態(tài)。激發(fā)態(tài)電子吸收能量后，躍遷到較高能量狀態(tài)。激發(fā)態(tài)電子不穩(wěn)定，會很快回到基態(tài)，釋放能量。電子吸收光譜的產(chǎn)生光束照射當(dāng)一束紫外可見光照射到樣品時，光束中的光子會被樣品分子吸收。電子躍遷吸收的光子能量會使樣品分子中的電子從低能級躍遷到高能級。光譜記錄通過測量不同波長光束的吸收程度，可以得到樣品的紫外可見吸收光譜。紫外吸收光譜的特征吸收峰特征吸收峰出現(xiàn)的位置可以提供有關(guān)分子結(jié)構(gòu)的信息。吸收強(qiáng)度吸收峰的高度與物質(zhì)的濃度成正比。譜帶形狀吸收峰的形狀可以反映物質(zhì)的電子能級結(jié)構(gòu)。紫外吸收光譜的影響因素結(jié)構(gòu)因素分子結(jié)構(gòu)決定電子能級，影響吸收峰的位置和強(qiáng)度。溶劑效應(yīng)極性溶劑會降低電子躍遷能量，導(dǎo)致紅移現(xiàn)象。溫度溫度升高會增加分子運(yùn)動，降低吸收峰的強(qiáng)度。濃度物質(zhì)濃度越高，吸收峰的強(qiáng)度越強(qiáng)。溶劑效應(yīng)極性溶劑極性溶劑會使吸收峰發(fā)生紅移，因為它們可以與溶質(zhì)發(fā)生偶極-偶極相互作用，降低了溶質(zhì)的電子能級，從而使吸收峰向長波方向移動。非極性溶劑非極性溶劑會使吸收峰發(fā)生藍(lán)移，因為它們不會與溶質(zhì)發(fā)生顯著的相互作用，導(dǎo)致溶質(zhì)的電子能級升高，從而使吸收峰向短波方向移動。淺色共軛體系共軛體系是指分子中含有交替的單雙鍵結(jié)構(gòu)，其π電子可以在整個體系內(nèi)離域，從而使分子具有特殊的物理和化學(xué)性質(zhì)。淺色共軛體系是指共軛體系中π電子離域程度較低，導(dǎo)致其最大吸收波長較短，通常在紫外區(qū)，因此表現(xiàn)為無色或淺色。深色共軛體系當(dāng)共軛體系中含有較多的雙鍵或三鍵，或者含有雜原子時，電子躍遷所需的能量較小，吸收峰會出現(xiàn)在可見光區(qū)，物質(zhì)呈現(xiàn)顏色。例如，β-胡蘿卜素含有11個雙鍵，吸收峰在可見光區(qū)，因此呈現(xiàn)橙色。配合物的電子躍遷1配位場理論中心金屬離子與配體之間的相互作用2電子躍遷類型d-d躍遷、電荷轉(zhuǎn)移躍遷3影響因素配位場強(qiáng)度、金屬離子的氧化態(tài)配合物的電子躍遷光譜1電荷轉(zhuǎn)移躍遷2配體場躍遷配合物的電子躍遷光譜主要由兩種類型的躍遷組成：電荷轉(zhuǎn)移躍遷和配體場躍遷。鈦酞菁化合物的紫外吸收光譜鈦酞菁化合物因其獨特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，在紫外吸收光譜中呈現(xiàn)出特征性的吸收峰。這些峰可以用來識別和定量分析鈦酞菁化合物。鈦酞菁化合物的紫外吸收光譜通常在300-800nm范圍內(nèi)進(jìn)行測量。由于酞菁環(huán)的π電子體系，鈦酞菁化合物在紫外可見光區(qū)域具有強(qiáng)烈的吸收。鈦酞菁化合物的紫外吸收光譜可以用于研究其在不同溶劑中的溶解度，以及其與不同物質(zhì)的相互作用。生物大分子的紫外吸收光譜生物大分子，如蛋白質(zhì)和核酸，由于其結(jié)構(gòu)中含有共軛體系，在紫外光區(qū)具有特征性的吸收光譜。這些光譜信息可以用于研究生物大分子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和功能。例如，蛋白質(zhì)中的酪氨酸和色氨酸殘基在280nm附近有強(qiáng)吸收，而核酸中的嘌呤和嘧啶堿基在260nm附近有強(qiáng)吸收。核酸的紫外吸收光譜嘌呤堿基腺嘌呤(A)和鳥嘌呤(G)嘧啶堿基胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)(DNA中)或尿嘧啶(U)(RNA中)蛋白質(zhì)的紫外吸收光譜蛋白質(zhì)的紫外吸收光譜主要由肽鍵和芳香族氨基酸殘基的貢獻(xiàn)。肽鍵在190-230nm處有一個強(qiáng)吸收峰，稱為肽鍵吸收帶。芳香族氨基酸殘基（如苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸）在250-300nm處有吸收峰。蛋白質(zhì)紫外吸收光譜可用于蛋白質(zhì)濃度測定、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析等。層析技術(shù)與紫外檢測1分離原理層析技術(shù)通過物質(zhì)在固定相和流動相之間的分配系數(shù)差異進(jìn)行分離。2紫外檢測紫外檢測器利用物質(zhì)對特定波長紫外光的吸收特性進(jìn)行定量分析。3應(yīng)用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于藥物分析、食品安全、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。高效液相色譜的紫外檢測1高靈敏度適用于痕量分析2高選擇性可選擇性檢測特定物質(zhì)3廣泛應(yīng)用適用于多種物質(zhì)的檢測氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用的紫外檢測1分離氣相色譜分離不同化合物2檢測紫外檢測器測