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1、第四章 紫外-可见分子吸收光谱法 (UV-VIS spectrometry),第一节 概述,一、分子吸收光谱分析的发展概况 可见-紫外-红外 目视比色-光电比色-分光光度 光声光谱-长光程吸收光谱-传感器,二、分子吸收光谱的分类和特征,紫外-可见 电子光谱 Ee =1 - 20 eV 红外 振动光谱 0.05-1 远红外 转动光谱 0.005-0.05,a b c,Ro Ro Ro,Vo,V1,Eo,E1,E电子能级 V振动能级 R转动能级,分子的电子光谱的特点：,在波长范围内按一定强度分布的谱带 带光谱 波长位于紫外-可见区,分子在不同环境中的谱带形状,可进行分子的定性和定量分析 可用于一些
2、物理化学常数的测定（如平衡常数等） 仪器结构简单、价格便宜 应用范围广泛（无机离子、有机化合物、生物大分子分析等）,三、分子吸收光谱的特点,一、吸收光谱与分子结构,1、有机化合物的吸收光谱 根据分子轨道理论，分子中的电子轨道有 n、和 三种,*,*,n,第二节 紫外-可见分子吸收光谱的理论基础,反键轨道 非键轨道 成键轨道, *跃迁 能量很大 吸收光谱在真空紫外区 多为饱和烃,甲烷 125 nm 乙烷 135 nm,n * 跃迁 所需能量小于 *跃迁（150-250 nm） 含有未共用电子对（n电子）原子的饱和化合物都可发生 跃迁的摩尔吸光系数比较小，一般在100-3000 L / mol c
3、m,化合物 max max H2O 167 1480 CH3OH 184 150 CH3Cl 173 200 (CH3)2O 184 2520, * 和 n * 跃迁 * 和 n * 跃迁能量低（200 nm） 含有不饱和键的有机分子易发生这类跃迁,有机化合物的紫外-可见吸收光谱分析多以这两类跃迁为基础 * 比 n * 跃迁几率大 100-1000 倍 *跃迁吸收强， 104 n * 跃迁吸收弱， 500,生色团 含有 键不饱和官能团 助色团 基团本身无色，但能增强生色团颜色 为含有n电子，且能与电子作用， 产生n 共轭,184,204,254,270,苯 （ *）,苯酚 （OH为助色团）,A
4、,/nm,影响紫外-可见光谱的因素,共轭效应：电子共轭体系增大，波长红移、吸收增强； 取代基影响：能够引起电子永久性转移的取代基使波长红移（助色团）； 溶剂影响：一般情况下分子的激发态极性大于基态，因此溶剂极性增大有利于激发态稳定，能量降低，波长红移。,2、无机化合物的吸收光谱,d-d 电子跃迁 绝大多数过渡金属离子都具有未充满的 d 轨道，按照晶体场理论，当它们在溶液中与水或其它配体生成配合物时，受配体配位场的影响，原来能量相同的 d轨道发生能级分裂，产生 d-d 电子跃迁。 配体配位场越强，d 轨道分裂能越大，吸收波长越短。 （f - f 跃迁与此类似）,例如： H2O 配位场 NH3 配
5、位场 Cu 2+ 水合离子 794 nm 浅蓝色 Cu 2+ 氨合离子 663 nm 深蓝色,电荷转移跃迁,电子接受体 电子给予体,配合物中一方电子向主要属于另一方的轨道跃迁,电荷转移跃迁的摩尔吸光系数都很大（10000以上），因此利用配合物可建立灵敏的分析方法。例如 Fe（III）- SCN 配合物,金属离子影响下的配体 * 跃迁,金属离子与有机物配合后使配体的共轭结构发生变化，导致吸收光谱蓝移或红移。,偶氮氯瞵III,偶氮氯瞵III U（VI）配合物,500 600 700,/nm,A,小结： 分子结构光谱特征定性分析,不同结构的分子由于共轭程度不同，分子吸收的特征不同； 相同共轭结构的分
6、子骨架，因助色团的加入或改变，导致光谱位移和吸收系数变化； 相同配体，因过渡金属离子不同，导致配位场的变化或电荷转移跃迁，或配体共轭结构的变化，光谱发生变化,Io,I,b,S,dx,二、吸收定律（定量分析的基础）,Ix,dIx,dIx Ix,吸收光强,入射光强,吸收率,任一截面的吸收率,a,dn,ds = adn,截面为S的区域内俘获光的有效面积,从分子吸收的角度考虑,因此俘获光的几率应为：,a1,dn1,dn2,dn3,a3,a2,ds = a1dn1+a2dn2+a3dn3,令 i = 0.4343Nai,Ai = i b ci,如果吸光介质内只有一种吸光分子,A = b c,定量分析的依
7、据,二、吸收定律的适用性与限制,1、吸收定律具有加和性，即,A,2、吸收定律只适合单色光,设,当1 = 2 = ,当,时，出现偏离,A,C,0,1,1 + 2,特别是存在非吸收线(或吸收很小,杂散光)和浓度较大时，I变的 很小， I i,= 常数,A,i,I0,3、吸收定律因化学反应而偏离 因解离等原因，被测物并不都以对特定频率辐射吸收有效的形态存在，导致吸收定律的偏离。,三、紫外-可见吸收光谱的灵敏度, = 0.4343 N ai ai = 1x10-15 cm2 N = 6.02x 1023,因为 为摩尔吸光系数 ai 的单位是 cm2 （cm3 是 ml,变成L除1000）,所以 = 0
8、.4343 N ai = 0.4343 x 6.02x 1023 x 1x10-15/ 1000 = 105,若1%吸收 A=0.0044 b = 1 C=,A 0.0044 b 100000,=,= 4.4 x 10-8 (M),此即为方法的理论灵敏度,思考题,UV-VIS的理论灵敏度为 4.4 x 10-8 M，这一极限值能够从哪几个方面突破？请你提出有效的方法。,第三节 紫外-可见分光光度计,一、基本结构,光源,单色器,狭 缝,样品室,检测器,讨论：与原子吸收光谱仪比较： 光源的单色性 单色器 样品室 检测器,1、光源 钨丝灯 卤钨灯 氢灯和氘灯,100 400 800 1 4 8 10
9、 m,钨丝灯,相对辐射功率,D2 灯,H2 灯,200 250 300,/nm,相对辐射功率,2、单色器 光栅棱镜 与原子吸收要求类似,3、检测器 光电被增管 CCD,4、样品室,1 cm,5 cm,石英 玻璃,二、紫外-可见分光光度计 1、单光束仪器,H,W,红,蓝,S1,S2,单光束仪器的缺点： 操作麻烦：,空白IO 样品I,任一波长,不能进行吸收光谱的自动扫描 光源不稳定性影响测量精密度,2、双光束仪器,IO,I,双光束仪器的特点和不足： 测量方便，不需要更换吸收池 补偿了仪器不稳定性的影响 实现了快速自动吸收光谱扫描 不能消除试液的背景成分吸收干扰,3、双波长仪器,切 光 器,1,2,
10、( 1 )消除光谱重叠干扰 A1 = Aa 1 + Ai 1 A2 = Aa 2 + Ai 2 Ai 1 = Ai 2 A = Aa 2 - Aa 1 =（a1 -a2）bCa,消除了共存组分的干扰,双波长仪器能否消除背景干扰？,A1 = lg I0/ I1 = 1bC + Ab A2 = lg I0/ I2 = 2bC + Ab 式中 Ab 为背景吸收或干扰物质的吸收 若波长选择合适， 1和 2处 Ab相同,则 A = lg I1/ I2 =（ 1 - 2）bC 因此测量两波长 吸光度之差，就 消除了背景吸收 的干扰。,( 3 ) 进行导数光谱测定, ,A,A,A = b C dA d,=
11、bC,d d ,（1）灵敏度取决于 d /d ，拐点d /d 最大，灵敏度最高； （2） d /d = 0 为吸收曲线极大值； （3）两个重叠度很大的曲线的导数曲线有可能区别开。,/nm,A,/nm,A,0,200 300 400,1,2,3,（4）多组分混合物中各组分分别测定 多波长分光光度法,A1 = 11C1 + 12C2 + 13C3 A2 = 21C1 + 22C2 + 23C3 A3 = 31C1 + 32C2 + 33C3,ij为在波长i测定组分j的摩尔吸光系数 Ai 为在波长i测得该体系的总吸光度,解上联立方程可求出待测物浓度C1、C2、C3,一、络和物组成的测定,摩尔比率法
12、等摩尔系列法 斜率比法 平衡移动法,第四节 紫外-可见分光光度法的应用,定性分析与定量分析（略）,摩尔比率法测定络和比：,mM+nR MmRn,配制：不同CR/CM的系列溶液：如CR/CM=1，2，3，n,分别测吸光度：A1, A2 ,A3An, 作A CR/CM曲线,A,CR/CM,0,D,络和比,A0 A,若络合物稳定性差，络合物解离使吸光度下降，转折不明显，据此可以测定络合物不稳定常数。 设：络合物解离度为 ，不解离时转折处浓度为 C, =,A0 - A,A0,K =,CMmCRn (m C)m(n C)n mmnn m+n Cm+n-1,CMmCRn,(1- )C,1- ,=,=,二、
13、酸碱离解常数的测定,(1),同样由（2）得：,则：A=A HB +AB-=HBHB+ B-B- (2),(4),C=HB+B-,三、测量误差,0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0,相对误差,T,只有当,则,测量误差最小，此时,- logT = log e = 0.434 = A,即吸光度为0.434时，浓度测量才具有最小相对误差。,四、紫外-可见分子吸收光谱的发展,1、光声光谱,激光光源,吸收池,光声传感器,记录装置,不仅可用于液体样品、也可用于固体样品,二、长光程紫外-可见分光光度计,激光光源,吸收池,记录装置,双 叉 光 纤,光导纤维传感器,第五节 荧光、磷光和化学发光分析法 （Fl
14、uorescence，phosphorescence and chemiluminescence analysis）,一、理论基础 1、分子发射光谱与分子能级结构,（1）分子吸收光谱与分子荧光光谱,吸光,荧光,250 300 350 400 450,蒽乙醇溶液吸收和荧光光谱,相对强度,300 400 500,相对强度,荧光光谱与吸收光谱镜像对称 荧光光谱较吸收光谱简单,硫酸奎宁在稀硫酸中的荧光光谱与吸收光谱,（2）荧光量子产率（荧光效率）,发荧光的两个必要条件 分子能吸收光子而跃迁至激发态 激发态分子能以光的形式释放能量,荧光效率（f）=,发出光子数 吸收光子数,如果一个分子将吸收的光子全部释放，则其量子产率为100%。,化合物 荧光效率 溶剂 荧光素 0.92 （0.1MNaOH） 曙红 0.19 （ 0.1MNaOH） 罗丹明B 0.97 （乙醇） 蒽 0.31
