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1、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,电磁波区域 电磁波可分为高频、中频及低频区。高频对应放射线（g射线，C射线），涉及原子核，内层电子；而中等频率指紫外-可见光，近红外、中红外和远红外光，涉及外层电子能级的跃迁，振动及转动。低频指电波（微波，无线电波），涉及转动，电子自旋，核自旋等。,光
2、的本质是电磁辐射，光的基本特性是波粒二象性(wave and corpuscle duality)。 光的波动性是指光可以用互相垂直的、以正弦波振荡的电场和磁场表示。 电磁波具有速度、方向、波长、振幅和偏振面等。 光可有自然光、偏振光（线偏振或园偏振）、连续波、调制波、脉冲波等。,电磁辐射的特性,物质具有能量，是诱电体。物质与光的作用可看成是光子对能量的授受，即 hn=E1-E0，该原理广泛应用于光谱解析。 电磁辐射与物质的作用本质是物质吸收光能后发生跃迁。跃迁是指物质吸收光能后自身能量的改变。 因这种改变是量子化的，故称为跃迁。 不同波长的光，能量不同，跃迁形式也不同，因此有不同的光谱分析法
3、。,电磁辐射与物质的相互作用,谱图的三要素 一般进行光谱分析时，要同时注意谱图的位置（能量）、强度（跃迁几率）、波宽这三个要素，才能得出正确的结论。,远紫外 紫外 可见 红外 远红外,10200nm 200380nm 380780nm 0.7550m 50250 m,分子外层价电子跃迁 分子外层价电子跃迁 分子外层价电子跃迁 分子中原子的振动 分子的转动,远紫外吸收 紫外吸收 可见吸收 红外吸收 远红外吸收,光谱类型,分子运动形式,波 长,光谱区域,分子内部运动 价电子运动、分子内原子在平衡附近的振动、分子作为整体绕其重心的转动。 分子能级 电子能级、振动能级、转动能级 分子总能量 E=Ee+
4、Ev+Er,当分子吸收一定能量的电磁辐射时，分子由较低的能级E1 跃迁到较高的能级E2，吸收辐射的能量与分子的这两个能级的能量差相等。 E=E2-E1=h=hc/ 由于三种能级之间的差值很小，不能区分开，得到的分子光谱为带光谱。 由于三种能级跃迁所需要能量不同，所以需要吸收不同波长的电磁辐射使产生跃迁，所产生的光谱应在不同的光学区域。 eeE E,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,分子在吸收过程中发生电子能级跃迁的同时伴随振动能级和转动能级的能量变化。 原子对电磁辐射的吸收只涉及原子核外电子能量的变化，是一些分离的特征锐线，而分子的吸收光
5、谱是由成千上万条彼此靠得很紧的谱线组成，看起来是一条连续的吸收带。 溶液中相邻分子间的碰撞导致分子各种能级的细微变化，也会引起谱带的进一步加宽和汇合。当分子由气态变为溶液时，一般会失去振动精细结构,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,物质的紫外吸收光谱决定于分子中价电子的跃迁，因此分子的组成不同，特别是价电子性质不同，则产生吸收光谱也不用。,三、分子吸收光谱的特点,可进行分子的定性和定量分析 可用于一些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）,一、吸收光谱与分子结构,1
6、、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 cm,化合物 max max H2O 167 1480 CH3OH 184 150 CH3Cl 173 200 (CH3)2O 184 2520, * 和 n * 跃迁
7、 * 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，能进行n * 、 * 含碳碳双、三键，碳氧双键，氮氮双键基团。 助色团 基团本身无色，但能增强生色团颜色 为含有n电子， n *，且能与电子作用，产生n 共轭。 -OH、-NH2、-SH、-SO3H 红移和紫移 因取代基或溶剂的改变，使吸收带的最大吸收波长发生移动。向长波长方向移动为红移，向短波长方向移动为紫移。,CH4 *
8、 150210nm CH3I n* 259 nm CH2I2 n* 292nm CHI3 n* 349nm,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。,max,185nm,204nm,210nm,270nm,240nm,270nm,328nm,278.5nm,273.5nm,317.5nm,max,取代基的影响：在光的作用下，有机化合物都有发生极化的趋向，既能转变为激发态。当共轭双键的两端有容易使
9、电子流动的基团(给电子基或吸电子基)时，极化现象显著增加。给电子基为带有未共用电子对的原子的基团。如-NH2, -OH等。未共用电子对的流动性很大，能够和共轭体系中的p电子相互作用引起永久性的电荷转移，形成p-p共轭，降低了能量，lmax红移。吸电子基是指易吸引电子而使电子容易流动的基团。 共轭体系中引入吸电子基团，也产生p电子的永久性转移，lmax红移。p电子流动性增加，吸收光子的吸收分数增加，吸收强度增加。给电子基与吸电子基同时存在时，产生分子内电荷转移吸收，lmax红移，emax增加。,给电子基的给电子能力顺序为： -N(C2H5)2-N(CH3)2-NH2-OH-OCH3-NHCOCH
10、3-OCOCH3-CH2CH2COOH-H 吸电子基的作用强度顺序是： -N+(CH3)3-NO2-SO3H-COH-COO-COOH-COOCH3-Cl-Br-I,除了有机化合物的p p*和n p*跃迁吸收带以外，当外来辐射照射某些有机或无机化合物时,可能发生一个电子从体系具有电子给予体特性部分(称为给体,donor)转移到该体系的另一具有电子接受体特性的部分(称为受体，acceptor)，这种电子转移产生的吸收谱带，称为电荷转移吸收带。 电荷转移吸收带涉及的是给体的一个电子向受体的一个电子轨道上的跃迁，激发态是这一内氧化还原过程的产物。电荷转移过程可表示如下：,式中D与A分别代表电子给体与
11、受体。下面是能产生电荷转移吸收带的一些化合物。,-NR2是电子给体，苯环是电子受体。,苯环是电子给体，氧是电子受体。,电荷转移吸收带的一个特点是吸收强度大，emax 104l/mol cm因此含有这类结构的分子测定灵敏度高，该原理已被广泛应用于分子识别的主体分子设计中。,2、无机化合物的吸收光谱,某些无机金属离子也会产生紫外-可见吸收。如含d电子的过渡金属离子会产生配位体场吸收带。依据配位场理论，无配位场存在时，,能量简并；当过渡金属离子处于配位体形成的负电场中时，5个简并的d轨道会分裂成能量不同的轨道。不同配位体场，如八面体场、四面体场、正方平面配位场等使能级分裂不等。,d-d 电子跃迁 绝
12、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）,一般配位体场吸收带在可见区，emax约0.1-100 l/mol cm，吸收很弱。因此配位体场吸收带对定量分析用处不大。 镧系及锕系离子5f电子跃迁产生的f电子跃迁吸收谱带出现在紫外-可见区。由于f轨道为外层轨道所屏蔽，受溶剂性质或配位体的影响很小，故谱带窄。,少数无机阴离子，如NO3-(lmax=313 nm)、CO32-(lma
13、x =217 nm)、NO2-(lmax =360 、280 nm)、N3-(lmax =230 nm)、CS32-(lmax =500 nm)等也有紫外-可见吸收。,例如： H2O 配位场 NH3 配位场 Cu 2+ 水合离子 794 nm 浅蓝色 Cu 2+ 氨合离子 663 nm 深蓝色,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
14、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 = b c,吸收定律,二、吸收定律的适用性与限制,1、吸收定律具有加和性，即,特别是存在非吸收线(或吸收很小,杂散光)和浓度较大时，I变得 很小。 I i,= 常数,吸收定律或比尔定律，其成立条件是待测物为均一的稀溶液、气体等，无溶质、溶剂及悬浊物引起的散射；入射光为单色平行光。 比尔定律在有化学因素影响时不成立。 解离、缔合、生成络合物或溶剂化等会对比尔定律产生偏离。 比尔定律在有仪器因素影响时也不成立。 非单色光对比尔定律产生偏离。 杂散光(非吸收光)也会对比尔定律产生影响。 其他影响因素包括溶剂、
15、光效应等也应考虑。,三、紫外-可见吸收光谱的灵敏度, = 0.4343 N ai ai = 1x10-15 cm2 吸光分子的截面积 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 = 0.4343 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,第三节 紫外-可见分光光度计,一、基本结构,、光源 氢灯、氘灯、钨灯,常用的光源有热辐射光源和气体放电光源。 利用固体灯丝材料高温放热产生的辐射作为光源的是热辐射光源。如钨灯、卤钨灯。两者均在可见区使用,卤钨灯的使用寿命及发光效率高于钨灯。 气体放电光源是指在低压直流电条件下,氢或氘气放电所产生的连续辐射。一般为氢灯或氘灯,在紫外区使用。这种光源虽然能提供至160nm的辐射,但石英窗口材料使短波辐射的透过受到限制(石英200nm,熔融石英185nm),而大于360nm时,氢的发射谱线叠加于连续光谱之上,不宜使用。,2、单色器,单色器的作用是使光源发出的光变成所需要的单色光。通常由入射狭缝、准直镜、色
