仪器分析紫外可见光光谱分析课件

1,第二章 紫外可见分光光度法,2.1 引言 2.2 紫外可见吸收光谱 2.3 光吸收定律Lambert-Beer定律 2.4 紫外可见分光光度计 2.5 分析条件的选择 2.6 UV-Vis光度法的应用,2,光谱分析法：利用物质与光（辐射能）相互作用而建立起来的定性、定量和结构分析方法。,作用粒子：原子光谱法 分子光谱法和核磁共振波谱法,吸收和发射光：吸收光谱和发射光谱,光的能量：射线光谱法、x射线光谱法、 紫外可见光谱法、红外光谱法 等,分 类,2.1 引言,3,紫外可见分光光度法 定义：（又称：紫外可见吸收光谱法）是根据溶液中物质的分子或离子对紫外可见光谱区的辐射能的吸收来研究物质的组成和结构的方法。,较高的灵敏度和准确度，检出限可达10-7g/ml，相对误差通常为1%5%。 该方法仪器设备简单、操作方便、易于掌握和推广，是常用分析方法之一。,4,光是一种电磁波,整个电磁波包括：,无线电波微波 红外光 可见光,紫外光 X射线 射线,共同特点：横向电磁波，在真空中的传播速度等于光速，即,5,光具有波粒二象性，即波动性和粒子性。,波动性：折射、衍射、偏振及干涉等性质。,粒子性：具有动量，光电效应。,光的特性,6,光子的能量与波长的关系（反比）,1eV=1.602 10-19 J 96.55kJ/mol,7,例：计算波长为200 nm的光子的能量,解：,8,各种电磁波谱波长范围：,无线电波 11000 m,微波 10-31 m,红外 0.761000 m,可见 400800 nm,紫外 100400 nm,近紫外200400,远紫外100200,X射线 0.0110 nm,9,2.2 紫外可见吸收光谱 一.吸收光谱的产生,分子内三种运动对应三种能级： 电子运动电子能级(Electron energy level) 原子之间的相对振动振动能级(vibration) 分子转动转动能级(rotation) 分子整体能级 E=Ee+Ev+Er,10,当有一频率v , 如果辐射能量hv恰好等于该分子较高能级与较低能级的能量差时，即有：,分子从基态能级跃迁到激发态能级,11,12,E电=1-20eV E振=0.05-1eV E转=0.005-0.05eV 在分子能级跃迁所产生的能量变化，电子跃迁能量变化最大，它对应电磁辐射能量主要在区紫外可见区。,用紫外可见光照射分子时，会发生电子能级的跃迁，对应产生的光谱，称为电子光谱，通常称为紫外可见吸收光谱。,13,电子能级跃迁伴随分子振动和转动能级的跃迁，因此得到光谱是带状光谱。,UV-Vis是带状光谱？,14,二、 物质的颜色与吸收光的关系,当一束白光通过棱镜后就色散成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等颜色的光，它们具有不同的波长范围。反之，这些不同颜色的光按一定的强度比混合后便又形成白光。,15,将两种适当颜色的光按一定的强度比例混合可形成白光，这两种光称为互补色光。,16,物质呈现的颜色与吸收光颜色是互补色关系。 若物质对白光中所有颜色的光全部吸收，它就呈现黑色。 若反射所有颜色的光则呈现白色 若透过所以颜色的光，则为无色。,17,物质不同颜色是对光的选择性吸收,不同物质的分子组成和结构不同， E不同，E也不同。,Mh M* 。由于Eh，所以能级差决定只能吸收特定波长的光。,人眼可以比作是定性分析可见光区分光光度计。,18,KMnO4溶液吸收525 nm绿青色光(互补光的400 nm附近的紫色光), 所以KMnO4溶液呈紫红色。,例：,19,溶液颜色的深浅，决定于溶液吸收光的量，即取决于吸光物质浓度的高低。 如CuSO4溶液的浓度愈高，对黄色光的吸收就愈多，表现为透过的蓝色光愈强，溶液的蓝色愈深。 因此，人眼可以通过比较溶液颜色的深浅来确定溶液中吸光物质的浓度大小。,20,三、吸收光谱,吸收光谱（吸收曲线）：不同波长的单色光依次照射溶液，并测量在每一波长处对光的吸收程度的大小（吸光度），并以波长（）为横坐标，吸光度（A）为纵坐标作图，即可得一条吸光度随波长变化的曲线，。 它反映物质对各种不同波长光的吸收情况。,21,肩峰,末端吸收,22,同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长max 不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似max不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和max则不同。,吸收曲线的讨论：,23,吸收曲线可以提供物质的结构信息，并作为物质定性分析的依据之一(分子内部能级分布状况)。 不同浓度的同一种物质，在max处吸光度A 的差异性可作为物质定量分析的依据。 在max处吸光度随浓度变化的幅度最大，所以测定最灵敏。吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。,24,a.有机分子的轨道类型及跃迁类型,四.有机化合物的吸收光谱,25,1. *跃迁,键类型：饱和键。 特点：1.所需能量高 2.吸收波长短200nm 3.不易检测 例子：甲烷125nm，乙烷135nm,成键作用越强，反键轨道能量越高。,26,2. *跃迁,键类型：碳碳双键、三键、共轭双键等 特点：吸收强度大,单个饱和键吸收波长200nm,如1，3-丁二烯210nm,27,3. n *跃迁,特点：1.n *所需能量小 2.吸收波长长 3.吸收强度很小(10100 ),键类型：连有杂原子（N、 S、 P、O）的 不饱和键,范围：醛、酮等,28,4. n*跃迁 键类型：含杂原子（N、S、P、O）饱和键,一般杂原子电负性越大，n电子被束缚得越紧，跃迁所需的能量越大，吸收的波长越短，如CH3Cl为173nm ，CH3Br为204nm，CH3I为258nm。不大，为100300,特点：n *所需能量在200nm 接近。,小结：,30,b.几个常用术语 生色团（发色团）：能吸收外来辐射并引起n*和* 跃迁结构单元。 例-C=C-、-C=O、-N=N-、-N=O等,31,助色团：一种能使生色团的吸收峰向长波方向位移并增强其吸收强度的官能团,如NH2 、OH 、NR2 、OR 、SH 、SR 、Cl 、Br 等,这些基团中的 n电子能与生色团中的电子相互作用(可能产生n共轭)，使*跃迁能量降低，跃迁几率变大。,32,红移：使化合物的吸收波长向长波方向移动效应。,影响红移因素： 1、引入助色团,引入n共轭，使分子整体共轭效应增强。 *跃迁吸收峰发生红移。,饱和脂肪酸与醛相比，吸收峰发生红移,33,2）共轭作用,不共轭双键不发生红移。,C=O双键同C=C双键的共轭作用使n*和*跃迁的吸收峰都发生红移。,34,3）溶剂效应,极性溶剂使-*跃迁发生红移。,4）pH值,pH增大，苯酚-*吸收带发生红移。,由于n共轭参与，使分子整体共轭效应增强。,Note: 测UV-Vis应注明溶剂,35,5)取代基 苯环或烯烃（吸电子基）上的H被各种取代基取代，多发生红移。 6）空间异构,36,蓝移（紫移）：使化合物的吸收波长向短波方向移动效应。,影响蓝移因素： 1）溶剂效应,极性溶剂使n-*跃迁发生蓝移,2）pH值,pH值减小，苯胺的-*吸收带蓝移n共轭参与少，使分子整体共轭效应减少。,37,增强效应：吸收强度增强的现象； 减弱效应：吸收强度减弱的现象。,38,c各类有机化合物的紫外吸收光谱 饱和化合物：跃迁，max一般在150nm；当含有n电子的原子取代时产生n跃迁，可使max增大，达到近紫外区(200270nm)。 烯烃：有双键，产生跃迁， max约在180nm；共轭体系中的跃迁，对应K带吸收，大； 跃迁的max随共轭增长，移向长波方向，当有五个双键时， max达到可见光区。,39,醛酮：有CO基因，产生n； n ； 三种跃迁。 n跃迁吸收带对应R带，其小，max位于较长波方向(300nm左右)。 ,-不饱和醛酮会使n与发生红移。 芳香族：芳环共轭跃迁，由跃迁产生，有三个吸收带，E1、E2和B带特征。随共轭增长吸收带红移。,40,某些苯衍生物的特征吸收（256),苯三个吸收带E1(184nm)、E2(204nm)、B(256nm), B带是苯及苯衍生物的特征吸收，其强度不变（250）,但其精细结构在极性溶剂中消失。,41,（三） 无机化合物的吸收光谱,1. dd跃迁和 ff 跃迁 过渡金属离子未充满的d轨道，由于受配位场（或晶体场）的影响而发生分裂，当吸收光时可发生dd跃迁，吸收波长取决于分裂能的大小，L越强，分裂能越大，吸收波长越短。,42,H2O的配位场小于NH3,特点：吸收强度小。,M(H2O)6M+(Cr3+、Co2+) 型水合离子分别为蓝色和桃红色。,43,2. 电荷迁移跃迁 在金属配合物中，配体和金属之间发生跃迁，一般是LM，吸收波长取决于L给电子和M接受电子能力。SCN-比Cl-易给电子，FeSCN2+，吸收波长长，在可见区，FeCl2+在紫外区。,44,特点：灵敏度高，实际工作中常用。 常将M与某L（显色剂）生成具有电荷迁移的配合物，然后进行含量测定。,3. * 跃迁 配体具有双键的金属络合物,45,2.3光的吸收定律,一、郎伯-比尔（Lambert-Beer ）定律,入射光强度,吸光强度,反光强度,透光强度, IS,散射光强度,均匀溶液，散射光小，可忽略,46,参比溶液： 1.材料和厚度基本相同，抵消池的反射光（10） 2.调节仪器零点吸收。,（T为透光度）,I a I t,参比,47,溶液对光透光度： 1.与b、c及入射光(波长与a有关）等因素有关。 2. a的大小反映测量的灵敏度。 3.如果保持 不变，则只与b、c有关。,溶液浓度,液层厚度,透光度 （Transmittance),t,48,49,当a、c一定时，Ab Lamberts law,当a、b一定时，Ac Beers law,Lambert-Beer 定律可表述为：在一定条件下，物质的吸光度与溶液的浓度和液层厚度的乘积成正比，称为光吸收定律，是吸收光谱定量的依据。,50,Lambert-Beer 定律是均匀、非散射介质对光吸收的基本定律，只有对入射光是单色光才完全适用。,Lambert-Beer 定律适应范围：,51,二、 吸光系数 absorptivity,当浓度以g/l表示时，k为吸收系数，用a表示,单位为Lcm-1g-1 ，则,当浓度以mol/l表示时，k为摩尔吸收系数，用表示,单位为Lcm-1mol-1，则,A=lg(I0/It)=kbc,A=lg(I0/It)=abc,A=lg(I0/It)=bc,a 与 关系：,a = / M (M为摩尔质量）,52,与物质的本性、溶剂和入射光的波长有关，即,（1）物质不同， 不同，是物质在一定条件下的特性常数。,（2）溶剂不同，同一物质的不同，所以应注明溶剂。,（3）不同，同一物质的吸收系数也不同，所以吸收系数应注明波长；,53,（4）可作为定性鉴定的参数（区分及 n）,（5）在数值上等于浓度为1mol/l,液层厚度为1cm时，溶液的吸光度。 （6）max越大表明该物质吸光能力越强，用光度法测定该物质灵敏度越高。, 105 超高灵敏；（610）104高灵敏；2104 不灵敏。,54,三、 偏离比耳定律的原因,1.L-B本身局限性(浓度过大不适合) 当c 0.01 mol L-1, 分子或离子间平均距离缩小，其电子云或电荷分布相互影响，分子轨道能级之差发生变化，从而改变最大吸收波长光的吸收能力。 消除措施：浓度控制在上限以下。,正偏离,负偏离,55,a非单色光,当E1=E2时，A=E1CL AC 有线性关系。,设1是需要的光：当E1E2时，测得的A值低，负误差；反之，产生正误差。且E1 与E2越接近，误差越小 单色光越纯越好；一般使用灵敏度最大的吸收波长作为测定波长。,当E1E2时 AC 非线性，偏离比尔定律。,2.仪器因素（光学因素）,56,b杂散光 仪器中常含有与所需波长相差较大的光，一般样品不吸收， 所以不干扰测定。 c散射光和反射光 浑浊溶液产生散射和反射，不能用空白消除影响(被认为成吸光），I变小，但I0不变。A变大，正误差。 d. 非平行光 通过吸收池的非平行光影响光程L，不同仪器测定A值不同的主要原因。,57,a. 吸光物质在溶液中发生化学变化引起的偏离,由于吸光物质变成了不同的存在形式 消除措施：控制适当的显色条件。如酸度控制。,b. 配合物不稳定也会引起的偏离 有些显色配合物不稳定,发生解离（越稀）。 消除措施：试液浓缩富集。,3.化学因素,58,2.4 紫外可见分光光度计,紫外可见分光光度计由上五部分组成。 对光源的要求 足够光强、稳定、连续辐射且强度随波长变化小 1.钨灯和碘钨灯：3402500nm，多用在可见光区。 2.氢灯和氘灯: 160375nm，用于紫外光区。,59,单色器,单色器的用途就是把混合光变成单色光，由入射狭缝、准直镜、色散元件、聚焦元件和出口狭缝组成。常用的色散元件有棱镜和光栅。,棱镜 不同波长的光具有不同的折射率 光栅 光的衍射和干涉。其特点是：色散波长范围宽，分辨率高，色散率基本上不随波长改变而改变。现代仪器多用光栅作色散元件。,60, 吸收池 absorption cell 比色皿cuvette 玻璃吸收池：用于可见光区 石英吸收池：用于紫外区 1）盛放参比的吸收池和盛放样品的吸收池应匹配，即有相同的厚度与透光性。 2）吸收池的光学面应垂直于光束方向。,比色池 0.1、1.0、1.5、2.0cm 微量池 0.5mL 流动池 511uL,61,检测器,将光信号转变为电信号进行检测。,光电池（硒光电池）、光电管 和光电倍增管,信号处理与显示装置 放大信号并以适当的方式指示或记录。检流计、数字显示及微机（控制及数据的采集和处理）。,62,1. 单波长分光光度计 a.单光束,优点：结构简单，操作方便；缺点：光源不稳定会影响测定。 721、751、724、英国SP500型以及Backman DU8型,63,b.双光束,特点：消除光源强度变化所引起的误差 国产710型、730型、740型都属于这类型。,64,S为背景吸收,切光器,吸收池,2. 双波长分光度计,特点：可测多组份试样、混浊试样、而且可作成导数光谱、不需参比液、克服了电源不稳而产生的误差，灵敏度高。 国产WFZ800-5型、岛津UV-260型、UV-265型,65,分光光度计校正 仪器使用过一段时间后波长和吸光度出现漂移，要进行校正。 波长校正镨玻璃或钬玻璃都有若干特征的吸收峰，可用来校正分光光度计的波长标尺，前者用于可见光区，后者则对紫外和可见光区都适用。 吸光度校正可用K2CrO4标准溶液来校正吸光度标度。将0.0400gK2CrO4溶解于1L的0.05molL1KOH溶液中，在1cm光程的吸收池中，在25时用不同波长测得的吸光度值（有表可对） 。,66,2.5 分析条件选择 一.仪器测量条件选择 测量波长的选择 a. 选择最强吸收带的最大吸收波长max b. 如果max处有干扰，应选择灵敏度稍低但能避免干扰的入射光波长。,67,2.吸光度范围选择,最佳吸光度范围 0.20.7(T为6520),(,，,68,二、反应条件选择 1.显色剂选择原则 显色剂与待测离子生成配合物组成恒定、稳定性好、吸收能力强，即大、显色剂与配合物的吸收波长有明显的差别，一般要求 60nm。 2.显色剂用量 形成逐级配合物时，显色剂的用量关系较大，一般就需过量较多或必须严格控制用量 。 3.溶液酸度（配位数和水解等与pH相关）。 4.显色时间、温度、放置时间,69,参比溶液的选择 why使用参比溶液 只有使用参比溶液，才能真正反映待测溶液的吸光度值。 1.溶剂参比 当组成简单，共存组分很少，显色剂没有吸收时， 可消除溶剂、吸收池等因素的影响。 2. 试剂参比 如果显色剂或其他试剂在测定波长有吸收，按显色反应 同的条件，只是不加入试样溶液。 消除显色剂的吸收影响。,70,3. 试样参比 如果试样基体（除被测组分外的其它共存组分）在测定波长处有吸收，而与显色剂不起显色反应时可按与显色反应相同的条件处理试样，只是不加显色剂，作为参比溶液。这种参比溶液适用于试样中有较多的共存组分，加入的显色剂量不大，且显色剂在测定波长无吸收的情况。 4. 平行操作溶液参比 用不含被测组分的试样，在相同条件下与被测试样同样进行处理，由此得到平行操作参比溶液干扰及消除方法。,71,小结： 参比溶液选择原则： 凡是有色的溶剂或显色剂或基底液，应尽量消除对测定配合物的吸收影响。当作为参比溶液时，可扣除这种影响。,如果仍有干扰，则可采取下列方式：,72,1.控制酸度 例双硫腙能与Hg2+、Pb2+、Cu2+、Ni2+、Cd2+等形成有色配合物，其中与Hg2+生成的配合物最稳定，而上述其他离子在此条件下不发生反应。 2.选择适当的掩蔽剂 3.选择适当的测量波长 4.干扰物分离 5.导数光谱及双波长技术,73,2.6 UV-Vis分光光度法应用 一、定性分析 二、纯度分析 三、结构分析 四、定量分析,74,作用：鉴定物质 做法：与已知或标准物的UV-Vis进行比较 原则：对比吸收光谱的特征（形状和 max ）,一、定性分析,1对比吸收光谱特征数据 max ， min ， 等,2.对比吸收光谱的形状一致性,75,比较未知物与已知标准物的吸收光谱曲线,76,1 Sadtler Standar Spectra(Ultraviolet),Heyden, London,1978. (46000种化合物)。 2 R.A.Friedel and M.Orchin,“Ultraviolet and Visible Absorption Spectra of Aromatic Comp -ounds” ,Wiley,New York, 1951.(597种芳香化合物)。 3 Kenzo Hirayama：“Handbook of Ultraviolet and Visible Absorption Spectra of Organic Compounds.”,New York,Plenum,1967。 4 “Organic Electronic Spectral Data”，John Wiley and Sons，1946 （目前还在继续编写）。,与标准谱图比较（以下四种）,77,二、纯度分析： 1.当化合物在紫外光谱区的某一波长范围内无吸收，而杂志有强的吸收时，则可用于测定该化合物中的杂质。 例如乙醇中微量苯的鉴定。 2.如果在某一紫外光谱区，化合物有强吸收而杂志无吸收，也可以用摩尔吸光系数检查它的纯度。 例如标准菲的氯仿溶液在296nm处有强吸收，测得摩尔吸光系数比精制的菲在相同波长处低10，说明菲样品的实际含量只有90,78,三、结构分析 可以鉴定化合物中的共轭结构和芳香环结构（无这些结构，则近紫外区内无吸收）。 经验规则： 伍德沃德（Woodward）规则 适用：计算二烯烃或多烯烃的最大吸收位置 斯科特（Scott）规则 适用：计算不饱和羰基化合物的 *最大吸收位置,79,（Woodward）规则,80,母体（同环二烯） 253 取代烷基（5个） 25 环外双键（3个） 15 延伸双键 30 323nm,例子：,(实测320nm）,81,母体 215 延伸双键 30 取代烷基（3个） 54 299 （实测296）,（Scott）规则,82,四、定量分析,（一）单组分定量,1. 标准曲线法,83,A,c,Ax,cx,标准曲线,84,2. 标准比较法,该法是标准曲线法的简化，即只配制一个浓度为cs的标准溶液，并测量其吸光度，求出吸收系数k，然后求出cx,该法只有在测定浓度范围内遵守L-B定律，且cx与cs大致相当时，才可得到准确结果。,85,（二）多组分定量方法,(a)当各组分的吸收光谱不重叠，如单组分测定其浓度。 (b)、（c)中A、B互相干扰，根据吸光度加和性，解方程组。,可分别用已知浓度A、B纯液求出,86,2. 双波长法等吸收点法,双波长输出信号为A,输出讯号A与干扰组分A无关，它只正比于待测组分B的浓度，即消除了A的干扰.,吸收光谱重叠较为严重,87,3.系数倍率法,当干扰组分A是陡坡状，不存在两个波长处等吸收点。,利用双波长分光光度计中差分函数放大器，把分别 (双波长分光光度计）放大k1、k2倍，则两波长处的信号差为S,、,调节放大器，使2和1满足：,干扰组分A无关，即消除了A的干扰,88,4.导数法 1）定义：