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1、第三章 光学分析法,光分析方法的分类,classification of electrochemical analysis,光分析法,原子吸收法,红外法,原子发射法,核磁法,荧光法,紫外可见法,紫外-可见分光光度分析 (Ultraviolet and Visible Spectrophotometry, UV-Vis) 紫外-可见吸收光谱原理 吸收光谱的测量-Lambert-Beer 定律 紫外-可见光度计仪器组成 分析条件选择 不同类型分光光度法的应用,UV-Vis方法是分子光谱方法，它利用分子对外来辐射的选择性吸收特性。 UV-Vis涉及分子外层电子的能级跃迁；光谱区在160780nm.
2、UV-Vis主要用于分子的定量分析，但紫外光谱(UV)为四大波谱之一，是鉴定许多化合物，尤其是有机化合物的重要定性工具之一。,紫外-可见吸收光谱原理 一、分子吸收光谱的形成 过程：运动的分子外层电子-吸收外来辐射-产生电子能级跃迁-分子吸收谱。,有机分子能级跃迁 1. 可能的跃迁类型 有机分子包括: 成键轨道 、 ； 反键轨道 *、* 非键轨道 n,分子吸收光谱跃迁类型,各轨道能级高低顺序： n*（分子轨道理 论计算结果）； 可能的跃迁类型：-*；-*；-*；n-*；-*；n-*,2. 能级组成：除了电子能级外，分子吸收能量将伴随着分子的振动和转动，即同时将发生振动能级和转动能级的跃迁！据量子
3、力学理论，分子的振-转跃迁也是量子化的或者说将产生非连续谱。因此，分子的能量变化E为各种形式能量变化的总和： 其中Ee最大：1-20 eV; Ev次之：0.05-1 eV; Er最小：0.05 eV 可见，电子能级间隔比振动能级和转动能级间隔大12个数量级，在发生电子能级跃迁时，伴有振-转能级的跃迁，形成所谓的带状光谱。,不同物质结构不同或者说其分子能级的能量(各种能级能量总和)或能量间隔各异，因此不同物质将选择性地吸收不同波长或能量的外来辐射，这是UV-Vis定性分析的基础。 定性分析具体做法是让不同波长的光通过待测物，经待测物吸收后，测量其对不同波长光的吸收程度(吸光度A)，以吸光度A为纵
4、坐标，辐射波长为横坐标作图，得到该物质的吸收光谱或吸收曲线，据吸收曲线的特性(峰强度、位置及数目等)研究分子结构。,吸收光谱的测量-Lambert-Beer 定律 当入射光波长一定时，待测溶液的吸光度A与其浓度和液层 厚度成正比，即 k 为比例系数，与溶液性质、温度和入射波长有关。 当浓度以 g/L 表示时，称 k 为吸光系数，以 a 表示，即 当浓度以mol/L表示时，称 k 为摩尔吸光系数，以 表示，即 比 a 更常用。 越大，表示方法的灵敏度越高。 与波长有关，因此， 常以表示。,紫外-可见光度计仪器组成,一、基本组成 general process 二、分光光度计的类型 types o
5、f spectrometer,仪器,紫外-可见分光光度计,一、基本组成 general process,光源,单色器,样品室,检测器,显示,1. 光源 在整个紫外光区或可见光谱区可以发射连续光谱，具有足够的辐射强度、较好的稳定性、较长的使用寿命。,可见光区：钨灯作为光源，其辐射波长范围在3202500nm。 紫外区：氢、氘灯。发射185400nm的连续光谱。,2.单色器,将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出任一波长单色光的光学系统。 入射狭缝：光源的光由此进入单色器； 准光装置：透镜或返射镜使入射光成为平行光束； 色散元件：将复合光分解成单色光；棱镜或光栅；,聚焦装置：透镜或凹面反射镜，
6、将分光后所得单色光聚焦至出射狭缝； 出射狭缝。,3.样品室,样品室放置各种类型的吸收池（比色皿）和相应的池架附件。吸收池主要有石英池和玻璃池两种。在紫外区须采用石英池，可见区一般用玻璃池。 4.检测器 利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号，常用的有光电池、光电管或光电倍增管。,5. 结果显示记录系统 检流计、数字显示、微机进行仪器自动控制和结果处理,二、分光光度计的类型 types of spectrometer,1.单光束 简单，价廉，适于在给定波长处测量吸光度或透光度，一般不能作全波段光谱扫描，要求光源和检测器具有很高的稳定性。,2.双光束 自动记录，快速全波段扫描。可消除光源
7、不稳定、检测器灵敏度变化等因素的影响，特别适合于结构分析。仪器复杂，价格较高。,3.双波长 将不同波长的两束单色光(1、2) 快速交替通过同一吸收池而后到达检测器。产生交流信号。无需参比池。= 12nm。两波长同时扫描即可获得导数光谱。,光路图,分析条件选择,一、仪器测量条件 由于光源不稳定性、读数不准等带来的误差。当分析高浓度的样品时，误差更大。 当A=0.434 时，吸光度读数误差最小！ 通常可通过调节溶液浓度或改变光程b来控制A的读数在0.151.00范围内。,二、反应条件选择 显色剂的选择原则： 使配合物吸收系数 最大、选择性好、组成恒定、配合物稳定、显色剂吸收波长与配合物吸收波长相差
8、大等。 2. 显色剂用量： 配位数与显色剂用量有关；在形成逐级配合物，其用量更要严格控制。 3. 溶液酸度：配位数和水解等与 pH 有关。 4. 显色时间、温度、放置时间等。,三、参比液选择,当强度为I0的入射光束(Incident beam) 通过装有均匀待测物的介质时，该光束将被部分吸收，未被吸收的光将透过(Emergent)待测物溶液以及通过散射(Scattering)、反射(Reflection),包括在液面和容器表面的反射)而损失，这种损失有时可达10%，那么， I0=Ie + Is +I r 因此，在样品测量时必须同时采用参比池和参比溶液扣除这些影响！,参比液种类,1.溶剂参比：试
9、样组成简单、共存组份少（基体干扰少）、显色剂不吸收时，直接采用溶剂（多为蒸馏水）为参比； 2. 试剂参比：当显色剂或其它试剂在测定波长处有吸收时，采用试剂作参比（不加待测物）； 3. 试样参比：如试样基体在测定波长处有吸收，但不与显色剂反应时，可以试样 作参比（不能加显色剂）。,应用领域： 涉及化学化工、医疗卫生、冶金地质、食品饮料、农业化肥、畜牧水产、机械制造、计量科学、环保、制药、生物、材料、石油等领域中的科研、教学、生产中的质量控制、原材料和产品检验等各个方面，进行定性分析、定量测定、纯度检查、结构分析、络合物组成及稳定常数测定、动力学研究等等。,目前，紫外可见分光光度计已成为全世界历史
10、最悠久、使用最多、覆盖面最广的常规分析仪器。,测定范围： 几乎所有的无机元素和在紫外及可见光区有特征吸收的有机物或有机化合物都能用紫外/可见分光光度法进行测定。,具体应用,一、定性分析 二、纯度检查 三、定量分析 四、固体样品的分析,一、定性分析,1、利用标准物质定性 在相同条件下，用光谱扫描法测定未知物的吸收光谱，与所推断化合物的标准物的吸收光谱进行比较，如果两吸收光谱的形状和吸收峰的数目、位置、拐点等完全一致，就可初步判定未知物与标准物是同一种物质。但要注意，物质不同但光谱相似的特殊情况。2、用波长位置判断有机化合物的生色基团 例如，若发现在210-250nm有强吸收峰，则可能有双键并处在
11、共扼状态。在260nm、300nm、330nm有高强度的吸收带，表示有3-5个共扼单位，如在270-300nm之间有弱吸收(e=10-100)，表示有羟基的存在；在250-300nm之间有中强度吸收(e=1000 -10000)，表示有苯环存在等。,二、纯度检查,主要用于检查对光没有特征吸收的化合物中的具有特征吸收的杂质。 如检查乙醇中醛的量，可用蒸馏水作参比，在270 -290 nm处测量吸光度，如在280nm处有吸收，表示有醛。 双波长或三波长核酸（DNA、RNA）的测定时，根据A260 / A280的比值可确定DNA或RNA的纯度。对于DNA，比值为1.6-1.8之间,RNA比值为1.8
12、-2.0之间,认为纯度较高。 又如四氯化碳中，最主要的杂质是二硫化碳（CS2）。二硫化碳杂质的多少，衡量产品质量的好坏。二硫化碳在紫外区的318nm处有一个很强的吸收峰。因此，只要检查318nm处二硫化碳吸收峰的大小，就可知道四氯化碳产品是否合格。,三. 定量分析,依据：朗伯-比耳定律 吸光度：A=bc 当入射光波长一定时，待测溶液的吸光度A与其浓度和液层厚度成正比。,定量分析方法,1、绝对法 基于朗伯-比尔定律A =ebC ，当某一物质在一定波长下e为一常数，比色皿的光程也是已知，也是一个常数，只要在吸收系数指定的波长处测定样品溶液的吸光度值(A值)，然后由下式求得该样品溶液的浓度或含量：
13、C = A / e b 2、标准对照法 在同样条件下，在选定的波长处，分别测定已知浓度标准溶液的吸光度值A标和样品溶液的吸光度值A样，然后由下式求得样品溶液的浓度或含量： C样 = A样 A标 C标,3、标准曲线法（最常用的定量分析方法） 所配置的标准系列溶液的吸光度应在0.11.5Abs范围内，吸收测定的精密度可达0.5%。,4. 多组分定量方法 由于吸光度具有加合性，因此可以在同一试样中测定多个组份。 设试样中有两组份 X 和 Y，将其显色后，分别绘制吸收曲线，会出现如图所示的三种情况： 图a)：X,Y 组份最大吸收波长不重迭，相互不干扰，可以按两个单一组份处理。 图b)和c) ：X,Y
14、相互干扰，此时可通过解联立方程组求得X和Y的浓度： 其中，X,Y 组份在波长 1 和 2 处的摩尔吸光系数 可由已知浓度的 X, Y 纯溶液测得。解上述方程组可求得 cx 及 cy。,四、固体样品的分析 固体样品分析的配件主要有：积分球、镜面反射装置、固体样品支架、凝胶扫描装置及凝胶薄膜支架等。 积分球是利用固体样品的正反射（入射光按以法线为中心的对称角度反射，称镜面反射）或漫反射（入射光向各方向反射）的特性进行分析的装置。 镜面反射装置主要用于半导体、光学材料的反射率测试。 固体样品支架、凝胶扫描装置及凝胶薄膜支架用于光学玻璃、电泳胶条等的测定。 积分球、镜面反射装置是利用光的反射原理进行定
15、性、定量测定。如配备有透射样品池架，也可进行样品溶液的透射测定。如配备大内径积分球（150mm）可测定粉状、纸、布料及溶液等样品的反射透射光谱，同时最适合于色彩分析。,迷彩服基片,基准片（BaSO4）、基底,粉体样品,粉体槽,漫反射：可测定粉状、纸、布料及溶液等样品的反射透射光谱（还可进行面料的防紫外性能测定）,镜面反射装置主要用于半导体、光学材料的反射率测试。还可以利用光的干涉原理测定膜的厚度。,5度角镜面反射装置,薄膜支架,化学发光分析法,化学反应中，产物分子吸收了反应过程中释放的化学能而被激发，在返回基态时发出光辐射称为化学发光，根据化学发光强度或化学反应产生的总发光强度来确定物质含量的
16、方法称为化学发光分析法。,(chemiluminescence analysis),1.分子荧光分析的理论基础,分子荧光也称紫外-可见光荧光，即利用某些物质受到紫外-可见光照射后，发射出比吸收的紫外-可见光波长更长或相等的紫外-可见荧光。通过测定物质分子产生的荧光强度进行分析的方法称为分子荧光分析。,2.荧光分析可用于物质的定性或定量分析。 定性分析：依据不同结构的物质所发射的荧光波长不同； 定量分析：同种物质的稀溶液，其产生的荧光强度与浓度呈线性关系。,3. 特点,(4)应用不够广泛。,(3)取样量少，操作简单；,(2)选择性强；,(1)灵敏度高；,4.应用,荧光分析方法在有机化合物及其它领域中的应用也很广泛。在一般的有机物和生物化学物质方面包括100多类物质分析，例如，腺嘌呤、氨茴酸、芳香多环碳氢化合物、半光氨酸、胍、吲哚、萘酚、蛋白质、水杨酸及尿
