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1、Chapter 12,Molecular Spectroscopic Analysis,第12章 分子光谱分析法 Molecular Spectroscopic Analysis,12.1 概述 An overview 12.2 紫外可见光分光光度法 UV-Vis spectrophotometry 12.3 分子发光分析法 Molecular luminescence analysis 12.4 紫外吸收光谱分析 UV-absorption spectroscopic analysis,12.1 概述 An overview 在辐射能作用下，分子内能级间的跃迁产生的光谱称为分子光谱。 由分子
2、中的电子能级、振动能级和转动能级跃迁所产生的光谱分别称为电子光谱、振动光谱、转动光谱。它们所对应的波谱区范围如下： 电子光谱紫外可见区 Electronic spectrum 振动光谱近红外、中红外区 Vibrational spectrum 转动光谱远红外、微波区 Rotational spectrum 因为在分子的电子能级跃迁的同时，总伴随着分子的振动能级和转动能级的跃迁，所以分子的电子光谱（紫外可见光谱）是由许多线光谱聚集的谱带组成的。,12.1.1 分子吸收光谱 Molecular absorption spectrum,有色物质的颜色是由于吸收了不同波长的光所致。溶液能选择性地吸收某
3、些波长的光，而让其他波长的光透过，这时溶液呈现出透过光的颜色。透过光的颜色是溶液吸收光的互补色。有色溶液对各种波长的光的吸收情况，常用光吸收曲线来描述。将不同波长的单色光依次通过有色溶液，分别测出对各种波长的光的吸收程度（用字母A表示）。以波长为横坐标，吸光程度为纵坐标作图，所得的曲线称为吸收曲线或吸收光谱曲线。,能复合成白光的两种颜色的光叫互补色光。物质所显示的颜色是吸收光的互补色。,KMnO4的颜色及吸收光谱,叶绿素的结构和吸收光谱,12.1.2 分子发射光谱 Molecular emission spectrum 分子发光：Molecular luminescence 处于基态的分子吸收
4、能量（电、热、化学和光能等）被激发至激发态，然后从不稳定的激发态返回至基态并发射出光子，此种现象称为分子发光。分子发射光的强度随波长（或波数）的变化曲线称为分子的发射光谱（曲线）。 物质吸收光能后所产生的光辐射称之为荧光和磷光。 分子能级、荧光及磷光的产生 Molecular energy level, fluorescence and phosphorescent 分子能级=电子能级(Ee)+振动能级(Ev)+转动能级(Er)。 其中电子能级包含振动能级和转动能级，如图。,Singlet state,Triplet state,Ground state,1）荧光发射 fluorescence
5、-emission 分子的电子从单重激发态（Kasha规则）的最低振动能级在很短时间（10-9-10-6s）跃迁到基态各振动能层时所产生的光子辐射称为荧光。由于各种去活化过程的存在，荧光辐射能通常要比激发能量低，或者说，荧光波长大于激发波长（Stokes效应）。 2）磷光发射phosphorescence-emission 从单重态到三重态分子间发生系间跨跃跃迁后，再经振动弛豫回到三重态最低振动能层，最后，在10-4-10s内跃迁到基态的各振动能层所产生的光子辐射称为磷光。,2. 去活化过程 (Deactivation) 处于激发态分子不稳定，通过辐射或非辐射跃迁等去活化过程返回至基态 。这些
6、过程包括： 1）振动弛豫（Vibration Relaxation, VR） 在液相或压力足够高的气相中，处于激发态的分子因碰撞将能量以热的形式传递给周围的分子，从而从高振动能层失活至低振动能层的过程，称为振动弛豫。 2）内转换（Internal Conversion，IC） 对于具有相同多重度的分子，若较高电子能级的低振动能层与较低电子能级的高振动能层相重叠时，则电子可在重叠的能层之间通过振动耦合产生无辐射跃迁，如S2-S1；T2-T1。,3）外转换（External Conversion，EC） 受激分子与溶剂或其它分子相互作用发生能量转换而使荧光或磷光强度减弱甚至消失的过程，也称“熄灭”
7、或“猝灭”。 4）系间跨跃（Intersystem Conversion，ISC） 系间跨跃是发生在两个不同多重态之间的无辐射跃迁，如从S1到T1，该跃迁是禁阻的。然而，当不同多重态的两个电子能层有较大重叠时，处于这两个能层上的受激电子的自旋方向发生变化，即可通过自旋-轨道耦合而产生无辐射跃迁，该过程称为系间跨跃。,12.2 紫外可见光分光光度法 UV-Vis spectrophotometry,12.2.1 概述 Overview 分光光度分析法是以物质对光的选择性吸收为基础的分析方法。根据物质所吸收光的波长范围不同，分光光度分析法又有紫外、可见及红外分光光度法。本章重点讨论可见光光度法，并
8、简单介绍紫外分光光度法。,1 方法的特点 Features,1. 灵敏度高High sensitivity 通常，待测物质的含量1105时，能够用分光光度法准确测定。所以它主要用于测定微量组分。 2. 应用广泛Wide applications 几乎所有的无机离子和许多有机化合物可以用分光光度法进行测定。如土壤中的氮、磷以及植物灰、动物体液中各种微量元素的测定。,3. 操作简便、快速Simple and fast 若采用灵敏度高、选择性好的有机显色剂，并加入适当的掩蔽剂，一般不经分离即可直接进行分光光度法测定,方法的相对误差通常为510，其准确度虽不及重量分析法和容量法，但对于微量组分的测定，
9、结果还是满意的。,12.2.2 基本原理 Basic principle,1. 光吸收基本定律 Light absorption law,当一束平行的单色光照射均匀的有色溶液时，光的一部分被吸收，一部分透过溶液，一部分被比色皿的表面反射。如果入射光的强度为I0，吸收光的强度为Ia，透过光的强度为It，反射光的强度为Ir，则: I0Ia It Ir 在吸光光度法中，由于采用同样质料的比色皿进行测量，反射光的强度基本上相同，其影响可以相互抵消，上式可简化为: I0Ia It,透过光的强度It与入射光的强度Io比之比称为透光度或透光率，用T 表示。 T It / Io,一束单色光通过溶液，由于溶液吸
10、收了一部分光能，光的强度减弱。若溶液的浓度不变，液层越厚，透过光的强度越小，光线减弱的程度越大。 如果将液层分成许多无限小的相等的薄层，其厚度为db。则dI应与db及I成正比，即dI Idb，从而，dI/I=k1db，积分此式，得：,(1) 朗伯定律,将上式用常用对数表示，得,上式称为朗伯定律。用吸光度 A = lg(I0/It) = lg(1/T), 则,例1. 有一单色光通过厚度为1cm的有色溶液,其强度减弱20%。若通过5cm厚度的相同溶液, 其强度减弱百分之几? 解： lgT2 = 5lgT1= 5lg0.80 = - 0.485 T2= 32.7% , 即减弱67.3%,当一束单色光
11、通过液层厚度一定的溶液时，溶液的浓度愈大，光线强度减弱愈显著。若溶液的浓度增加dc，入射光通过溶液，强度的减弱-dI与入射光强度I及dc成正比， 即-dI=k3Idc，或 -dI/I=k3dc，积分，可得到:,通常称比耳定律。,(2) 比耳定律 Beer law,(3) 朗伯一比耳定律 Lambert-Beer law,如果溶液浓度和液层厚度都是可变的，就要同时考虑溶液浓度c和液层厚度b对吸光度的影响。为此，将朗伯和比耳公式合并，得到,即通常所称的朗伯一比耳定律。,吸光系数、摩尔吸光系数和桑德尔灵敏度Absorptivity, molar absorptivity and Sandells s
12、ensitivity,朗伯-比耳公式中，k值决定于c，b所用的单位，与入射光的波长及溶液的性质有关。当浓度c以gL-1、液层厚度b以cm表示时，常数k以a表示，此时称为吸光系数，单位为Lg-1cm-1。朗伯比耳定律可表示为: Aabc 若b以 cm为单位，c以 molL-1为单位时，则将k称为摩尔吸光系数，以符号表示，其单位为Lmol-1cm-1。 的物理意义表达了当吸光物质的浓度为1molL-1，液层厚度为1cm时溶液的吸光度。在这种条件下上式可改写为: A = bc,摩尔吸光系数是有色化合物的重要特性。 愈大，表示该物质对某波长的光吸收能力愈强，因而光度测定的灵敏度就越高。 的值，不能直接
13、取1mol/L 这样高浓度的有色溶液来测量，而只能通过计算求得。由于溶液中吸光物质的浓度常因离解、聚合等因素而改变。因此，计算 时，必须知道溶液中吸光物质的真正浓度。但通常在实际工作中，多以被测物质的总浓度计算，这样计算出的 值称为表观摩尔吸光系数。文献中所报道的 值就是表观摩尔吸光系数值。,桑德尔（Sandells)灵敏度,桑德尔灵敏度又叫桑德尔指数，用S表示。在分光光度分析中常常使用。桑德尔灵敏度规定仪器的检测极限为A=0.001时，单位截面积光程内所能检测出被测物质的最低含量，以g/cm2表示。 S与的关系可如下推导： A=0.001= b c ，即 cb=0.001/ c为mol/10
14、00cm3; b为cm,故cb为单位截面积光程内的物质量，即mol/1000cm2。如果cb乘以被测物质的摩尔质量M，S=cb/1000M106=cbM103 g/cm2，代入cb后,(5) 偏离朗伯比耳定律的原因Deflecting,朗伯比耳定律是吸光光度分析的理论基础、实际应用时，通常使液层厚度保持不变，然后测定一系列浓度不同的标准溶液的吸光度，根据A=kbc=kc关系式，以浓度为横坐标，吸光度为纵坐标作图，应得到一通过原点的直线，称为标准曲线或工作曲线。但是，实际工作中，当有色溶液的浓度较高时，往往不成直线，这种现象称为偏离朗伯比耳定律。,引起偏离朗伯比耳定律的原因主要有以下几个方面：
15、(1). 入射光不是单色光而引起的偏离 朗伯比耳定律只适用于单色光。但实际上单波长的光不能得到。目前各种方法所得到的入射光是具有一定波长范围的波带，而非单色光。因而发生偏离朗伯一比耳定律的现象。单色光的纯度愈差，吸光物质的浓度愈高，偏离朗伯-比耳定律的程度愈严重。在实际工作中，若使用精度较高的分光光度计，可获得较纯的单色光。 (2). 介质的不均匀引起的偏离 当被测溶液是胶体溶液、悬浊液或乳浊液时，入射光通过溶液后除一部分被吸收外，还有一部分因溶液中存在微粒的散射作用而损失，使透光度减小。而当胶体或其他微粒凝聚沉淀时，又会使溶液吸光度下降。,(3). 溶液中的化学变化引起的偏离 溶液中的化学变
16、化如缔合、离解、溶剂化、形成新的化合物、互变异构等，使吸光度不随溶液浓度成正比地改变，而导致偏离朗伯比耳定律。 例如，重铬酸钾在弱酸性介质中有如下平衡： Cr2O72- +H2O 2HCrO4- 在450nm波长处测量不同浓度重铬酸钾溶液的吸光度。由于在浓度低时重铬酸根的离解度大，而浓度高时离解度小，同时由于铬酸氢根离子（HCrO4-）的摩尔吸光系数比重铬酸根离子的摩尔吸光系数要小得多，因此低浓度时重铬酸根离子的吸光度降低十分显著，这就使工作曲线偏离朗伯和耳定律。,12.2.3 光度分析方法和仪器,1 光度分析方法 Photometric analysis (1).目视比色法Visual colorimetry 用眼睛观察、比较溶液颜色深度以确定物质含量的方法称为目视比色法。将一系列不同量的标准溶液依次加入各比色管中，再分别加入等量的显色剂和其他试剂，并控制其他实验条件相同，最后稀释至同样体积，配成一套颜色逐渐加深的标准色阶。将一定量的被测溶液置于另一比色管中，在同样条件下进行显色，并稀释至同样体积，从管口垂直向下（有时由侧面）观察颜色。如果被测溶液与标准系列中某溶液的颜色相同，则被测
