第二章 紫外-可见分光光度法.ppt.ppt

第2章紫外 可见分光光度法 基本要求1 了解分子能级与电磁波谱 光谱法的分类 影响比尔定律的因素 透光率的测量误差 紫外 可见分光光度计各部件的作用 光度法显色反应的条件 定性鉴别方法 2 掌握紫外 可见分光光度法的定量依据 朗伯 比尔定律的表达形式 物理意义 摩尔吸收系数和比吸收系数的物理意义及有关计算 3 掌握测定波长的选择 紫外 可见吸收光谱的产生 电子跃迁类型 吸收带 生色团 助色团 蓝移 红移 增色效应和减色效应 溶剂效应等基本概念 第2章紫外 可见分光光度法 2 1电磁辐射与电磁波谱2 2基本原理2 3紫外 可见分光光度计2 4定性与定量分析方法2 5紫外吸收光谱与有机化合物分子结构的关系 2 1 1电磁辐射和电磁波谱 1 电磁辐射在真空中以光速c c 2 998 108m s 1 进行传播的光子流 是一种能量 又称电磁波 电磁辐射具有波粒二向性 电磁辐射波动性 电磁辐射的波动性可以用正弦波进行描述 通常用波长 频率 波数 进行表征 参数之间的关系为 2 1电磁辐射和电磁波谱 电磁辐射的微粒性 电磁辐射与物质作用时 吸收 发射和光电效应等都是微粒性的表现 这时电磁辐射的能量不是均匀连续分布在它传播的空间 而是集中在辐射产生的光子微粒上 是量子化的 电磁辐射能量与频率之间的关系为 式中h为普朗克常数 6 626 10 34j s 2 1 1电磁辐射和电磁波谱 2 电磁波谱将电磁辐射按波长大小顺序排列 2 1 2光谱法的分类 光谱法的分类按物质与辐射能的转换方向 能级跃迁方向 不同 可分为吸收光谱法和发射光谱法 吸收光谱分析法 原子或分子选择吸收电磁辐射源中具有适宜能量的光子 使相应波长位置出现吸收线或吸收带构成的光谱即为吸收光谱 发射光谱分析法 原子或分子受辐射激发跃迁到激发态 再由激发态回到基态 以辐射的方式释放能量产生的光谱为发射光谱 2 2基本原理 紫外 可见分光光度法 uv vis 是指根据物质分子选择性吸收特定频率的紫外或可见光建立起来的分析方法 波长范围 200 760nm产生原因 分子中价电子的跃迁特点 适用于微量和痕量组分分析 灵敏度达10 7g l 1 为什么上述溶液呈现不同的颜色 由于溶液对光的选择性吸收引起的 溶液呈现的是被物质吸收颜色的互补色 单色光 复色光 互补光 原因 单色光 复合光 光的互补 单色光 复合光 光的互补 单一波长的光 由不同波长的光组合而成的光 若两种不同颜色的单色光按一定的强度比例混合得到白光 那么就称这两种单色光为互补色光 这种现象称为光的互补 2 2 1朗伯 比尔 lamber beer 定律 描述物质对单色光吸收强弱与吸光物质厚度和物浓度的关系 是吸光光度法的基本定律 lamber定律 说明吸光与物质厚度l的关系beer定律 说明吸光与物质浓度c的关系 假设一束平行单色光通过一个吸光物体 取物体中一极薄层 式中e是比例常数 又称为吸收系数 朗伯 比尔定律是吸收光谱法定量分析的基础 即为朗伯 比尔定律的数学表达式 1 lamber beer定律的适用条件 入射光为单色光 溶液是稀溶液2 该定律适用于固体 液体和气体样品 讨论 朗伯 比尔定律说明 透光率t与物质浓度c或厚度l之间是指数函数的关系 吸光度a与物质浓度c或厚度l之间是正比关系 在同一波长下 彼此间无相互作用的多组分体系的总吸光度是各物质吸光度的总和 a a1 a2 an e1lc1 e2lc2 enlcn 吸光度的加和性 吸光度a 透光率t与浓度c的关系 t 0 0 a t 100 0 a 0 0 2 2 2吸光系数和吸收光谱 1 吸光系数吸光系数的物理意义 单位浓度 单位厚度的吸光度 1 当单色光波长 组分性质 温度和溶剂一定时 e一定 2 不同物质在同一波长下e可能不同 选择性吸收 但同一物质在不同波长下e一定不同 3 e越大 物质对光吸收能力越强 测定灵敏度越高 4 e是定性 定量分析的依据 吸光系数的两种表示方式 1 摩尔吸光系数 单位浓度及单位厚度时的吸光度 用 或em标记 2 百分吸光系数 比吸光系数 是指在一定 下 c 1g 100ml l 1cm时的吸光度 用e1cm1 标记 两者之间的关系 摩尔吸收系数 值通常在104 105之间为强吸收 为高灵敏度 小于102为弱吸收 为低灵敏度 介于两者之间为中强吸收 2 紫外 可见吸收光谱 又称吸收曲线 即以波长为横坐标 吸光程度为纵坐标作图 所得的a 曲线 1 吸收峰最大吸收波长 max2 谷最小吸收波长 mix3 肩峰4 末端吸收 吸收光谱反映了物质分子的特征吸收 1 同一物质对不同波长光的吸收程度不同 如kmno4对紫色和红色光吸收吸收很弱 而对525nm附近的绿色光吸收最强 吸光度a最大处的波长称为最大吸收波长 用 max表示 在处测得的摩尔吸收系数为emax 2 同一物质浓度不同时 在同一波长处吸光度不同 c愈大 a愈大 这是吸光光度法对物质进行定量分析的依据 3 同一物质分子运动的形式相同 结构相同 吸收曲线的形状相同 且 max位置不变 但不同物质的 max和吸收曲线的形状互不相同 据此可对物质进行定性分析 4 若选择在 max处测量a 则灵敏度高 5 从吸收光谱曲线得出结论 c愈大 颜色愈深 吸收愈强 即c增大 则a增加 t减小 但 max和 max不变 6 吸收光谱反映了分子的电子结构特征 可为物质结构的研究提供重要信息 2 紫外 可见吸收光谱 3 吸光度的测量溶剂和容器紫外光区 石英吸收池可见光区 玻璃吸收池空白对比空白 与试样完全相同的溶液和容器但不含被测物质 以空白作参比 调节a 0 t 100 2 2 3偏离beer定律的因素 依据beer定律 a与c关系应为经过原点的直线 但往往偏离 主要有以下因素 光学和化学因素 偏离的原因主要是仪器或溶液的实际条件与朗伯 比尔定律所要求的理想条件不一致 a 由于分子间的相互作用 高浓度时 吸收质点靠得很近 会互相影响对方的电荷分布 使吸收质点对某一给定波长光的吸收能力改变 从而偏离比尔定律 b 吸光物质因浓度改变而有解离 缔合 溶剂化及配合物组成改变等现象 溶液浓度高时偏离比尔定律 原因是 1 化学因素的影响 1 化学因素的影响 例如苯甲酸在水溶液中 发生电离反应c6h5cooh h2o c6h5coo h3o max nm 273268 max l mol cm 970560 稀释溶液或改变溶液ph值时 会产生对比尔定律的偏离 例如重铬酸根溶液cr2o72 h2o 2hcro4 2cro42 2h 2 仪器因素的影响 1 非单色光的影响 朗伯 比尔定律只适用于单色光 但目前的光度计得到的入射光实际上仍是具有一定波长范围的复合光 此范围称为谱带宽度 由于物质对不同波长的光的吸收程度不同 从而导致对朗伯 比尔定律的偏离 或正或负 谱带宽度愈大 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 讨论 故入射光的谱带宽度严重影响吸收系数和吸收光谱形状 采取措施使用较好的单色器 单色性 选 max作为测定波长 e s 且线性好 2 杂散光的影响杂散光是指从单色器得到的入射光中 那些波长不在谱带宽度范围内 与所选波长相距较远的光 杂散光来源 仪器本身缺陷 光学元件污染造成 杂散光可使吸收光谱变形 吸光度变化 3 散射光和反射光的影响散射光和反射光均是入射光谱带宽度内的光 直接对t产生影响 散射和反射使t a 吸收光谱变形 注 一般可用空白溶液对比校正消除 4 非平行光的影响使光程 a 吸收光谱变形 2 2 4透光率测量误差 透光率测量误差 t是随机误差 来自仪器的噪音 暗噪音 与光信号大小无关 散粒噪音 随光信号强弱而变化 分析结果 浓度 的相对误差与透光率测量误差的关系为 微分后再除以上式 得 表明测定结果的相对误差取决于t和 t的大小 与检测器和放大电路的不确切性有关 与光信号大小无关 可视为常数 1 暗噪声 设 t 0 005 计算不同t值与 c c的关系 可得到下图 t过大或过小时 浓度测量的相对误差都较大 在实际测定时 一般控制 t 65 15 或a 0 2 0 8此时 er 4 吸光度a 0 2 0 8 减少测量误差 吸光度测量的误差 减小浓度 稀释改变吸收池厚度 令 得 此时测量误差最小 2 信号散粒噪声 讯号噪音 是指光敏元件受光照射时单位时间内电子迁移的数量不相等 形成测量光强时的不确定性 信号噪声与被测光强的方根成正比 图3 15虚线表明 测量误差较小的范围 一直可延至较高吸光度区 对测定是个有利因素 2 3紫外 可见分光光度计 光源 单色器 吸收池 检测器 讯号处理及显示器 作用 发出连续光谱 作用 将复合光分散成单色光 作用 盛放试液 作用 将光信号转换为电信号 并放大测量 表头 记录仪 屏幕 数字显示 2 3 1分光光度计的主要部件 1 光源 发出所需波长范围内的连续光谱 要求有足够的光强度 且稳定 可见光区 钨灯 卤钨灯 350 1000nm 紫外区 氢灯 氘灯 150 400nm 2 单色器 将光源发出的连续光谱分解为单色光的装置 包括包括狭缝 准直镜 色散元件等 常用的色散元件有棱镜和光栅 狭缝 狭缝过宽单色光不纯 太窄光通量小 灵敏度低 减小狭缝宽度试样a值不再改变时的宽度为合适狭缝 准直镜 使入射光成为平行光束 包括透镜或反射镜 3 吸收池玻璃吸收池 能吸收紫外光 仅适用于可见光区石英吸收池 不吸收紫外光 适用于紫外和可见光区 4 检测器利用光电效应将透过吸收池的光信号转变成电信号 有光电池 光电管 光电倍增管 光二极管等 5 讯号显示装置 信号处理 放大和数学运算等元件显示器 显示结果 如检流计 数字显示仪 打印机 扫描仪等 2 3 2 分光光度计类型 1 单光束分光光度计 仪器结构简单 只有一束单色光 对光源发光强度要求较高 2 双光束分光光度计 可以减免因光源强度不稳而引入的误差 对光源要求不高 可以自动扫描绘制吸收光谱 3 双波长分光光度计 有两个单色器 无需参比溶液 1 2 2 3 3分光光度计的光学性能及校正 性能指标 波长范围 200 800nm 波长准确度 0 5nm 波长重复性 变动值 1 2波长准确度 狭缝或谱带宽 0 5nm 测光准确度 t 0 5 测光重现性 测光准确度误差的二分之一 分辨率 260nm处为 0 3nm 杂散光 220nm处 溴化钠溶液为t 0 5 2 4 1化合物的鉴别 定性鉴定的依据 吸收光谱曲线的形状 吸收峰的数目 肩峰 max和 max 吸光度比等 其中 max及 max是主要参数 1 比较光谱的一致性 用未知纯试样与已知标准品或标准谱图比较 若两个化合物相同 则其吸收光谱应完全一致 2 4定性与定量分析方法 相同浓度 相同溶剂 2 对比吸收光谱特征数据的一致性 紫外吸收光谱相同的两种化合物有时不一定相同 但是它们的吸收系数是有差别的 所以在比较 max的同时 还要比较 max 或e1cm1 max相同 则比较e1cm1 例如结构相似的甲基睾丸酮及丙酸睾丸素 它们在无水乙醇中的 max都为240nm 但在该波长处的e1cm1 数值 前者为540 后者为460 比较 max及 max 或e1cm1 例如 2005版药典规定维生素b12鉴定 3 对比吸光度比值的一致性 吸收峰较多时 可利用几个吸收峰处a或吸光系数的比值鉴别 2 4 2纯度检测 1 杂质检查 1 峰位不重叠 一定 时主成分无吸收 杂质有吸收 直接考察杂质含量2 峰位重叠 主成分强吸收 杂质无吸收 弱吸收 与纯品比较 e 杂质强吸收 主成分吸收 与纯品比较 e 光谱变形 2 杂质限量的测定 例 肾上腺素中微量杂质 肾上腺酮含量计算2mg ml 0 05mol l的hcl溶液 310nm下测定规定a310 0 05即符合要求的杂质限量 0 06 2 4 3比色法 可见分光光度法也称为光电比色法 要求被测物必须有颜色 对于许多无色物质 可以加入显色剂与之发生显色反应变成有色物质 再进行测定 显色反应应用最多的是络合反应 也有氧化还原反应和缩合反应等 1 对显色反应的要求 显色剂与被测物可发生定量反应 生成的有色化合物化学性质有足够的稳定性 有色化合物与显色剂之间的颜色差别要大 60nm 灵敏度高 一般 104 选择性好 干扰少 显色剂用量 2 显色条件的选择 m 被测组分 r 显色剂 mr 有色络合物 一般加入稍过量显色剂 使平衡向右移 具体由实验确定 溶液的酸度 酸度影响显色剂平衡浓度和颜色 影响被测金属离子的存在状态 影响显色反应历程 在实际工作中 显色反应的适宜酸度是通过绘制a ph曲线 从图上确定适宜的ph范围 ph 不同显色反应 反应时间和稳定时间不同 有些显色反应快且稳定 有些显色反应快但不稳定 有些显色反应慢 需要一段时间才稳定 显色反应时间 大多显色反应可在室温下进行 但对有些反应需要加热加快反应速度 但温度太高会导致显色剂或产物分解 显色温度由实验确定 显色反应温度 实际工作中 制作a t曲线来确定适宜反应时间 1 测定波长选择 选择原则 吸收最大 干扰最小 选择性 3 仪器测量条件的选择 灵敏度 测定波长的选择 2 吸光度读数范围的选择 精确测量a 0 2 0 8 或t 20 65 一般a 0 1 1 03 参比溶液 空白溶液 的选择 为什么需要使用参比溶液 利用参比溶液调节仪器的吸光度零点 消除吸收池对光的吸收 反射 以及溶剂 试剂对光的吸收 散射等影响 使测得的吸光度真正反映待测物的吸光度 a 参比液 a 吸收池体 共存组分 溶剂 怎样选择参比溶液 溶剂参比 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 试剂参比 如试样基体在测定波长处有吸收 可以试样作参比 不能加显色剂 试样参比 试样组成简单 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 紫外 可见分光光度法在药物分析中主要用于含量测定 定量分析的理论依据是朗伯 比尔定律 2 4 4单组分的定量方法 分析波长 一般选择无干扰的最大吸收波长 所选溶剂应不干扰被测组分的测定 1 吸光系数法 绝对法 吸光系数法 绝对法 试液浓度 试样百分含量 此法要求单色光纯度较高 2 标准曲线法 固定仪器测定条件 则有 也可用一元线性回归方程进行计算 例如芦丁含量测定 试样3 0mg 溶解 稀释至25ml 标液如下表 3 对照法 外标一点法 解 解法一 对照法 例 维生素b12的含量测定精密吸取b12注射液2 50ml 加水稀释至10 00ml 另配制对照液 精密称取对照品25 00mg 加水稀释至1000ml 在361nm处 用1cm吸收池 分别测定吸光度为0 508和0 518 求b12注射液注射液的浓度以及标示量的百分含量 该b12注射液的标示量为100 g ml 解法二 吸收系数法 2 4 5多组分的测定方法 分三种情况 两组分吸收光谱不重叠 互不干扰 两组分在各自 max处不重叠 分别按单组分测定 两组分吸收光谱有部分重叠 1 测a1 b组分不干扰 可按单组分定量测ca 2 测a2 a组分干扰 不能按单组分定量测cb 两组分吸收光谱完全重叠 互有干扰 解线性方程组法 则 步骤 当l 1cm时 定量分析原理 双波长吸光光度法 可测定混浊溶液 也可测定光谱重叠的两个混合组分 不需用空白参比溶液 根据波长对 1 2的选择方法不同 可分为等吸收双波长消去法和系数倍率法 须满足两个基本条件 在选定的两个波长处 干扰组分具有等吸收 在选定的两个波长处 待测物的吸光度差值应足够大 等吸收双波长消去法 a为待测组分 消去b的影响 b为待测组分 消去a的影响 系数倍率法 前提 干扰组分b 虚线 不成峰形 无等吸收点 如右图所示 如图测x步骤 在y曲线上任找一点 1 则得另一点 2 设l 1cm 称掩蔽系数 倍率因子 优点 同时将待测组分和干扰组分的信号放大k倍 提高了待测组分测定灵敏度 三波长分光光度法也是一种消除共存干扰组分的测定方法 略 导数光谱即吸光度随波长的变化率对波长的曲线 对n阶导数而言 导数光谱即 优点 分辨力高 消除背景干扰 定量分析的理论基础 自学 导数分光光度法 解 例1取咖啡酸 在165 干燥至恒重 精密称取10 00mg 加少量乙醇溶解 转移至200ml容量瓶中 加水至刻度线 取此溶液5 00ml 置于50ml容量瓶中 加6mol l的hcl4ml 加水至刻度线 取此溶液于1cm比色池中 在323nm处测定吸光度为0 463 已知该波长处的 求咖啡酸百分含量 解 例2精密称取0 0500g样品 置于250ml容量瓶中 加入0 02mol lhcl溶解 稀释至刻度 准确吸取2ml 稀释至100ml 以0 02mol lhcl为空白 在263nm处用1cm吸收池测定透光率为41 7 其摩尔吸光系数为12000 被测物分子量为100 0 试计算263nm处和样品的百分含量 2 5紫外 可见吸收光谱与有机物分子结构的关系 2 5 1基本概念 紫外 可见吸收光谱的产生 运动的分子外层电子 吸收外来紫外 可见光 发生价电子能级跃迁 紫外 可见吸收光谱吸收谱带的位置和强度与物质分子的结构有关 1 电子跃迁类型 轨道 电子围绕原子或分子运动的几率分布 轨道不同 电子所具有能量也不同 有机分子中的价电子 电子 形成 键 电子 形成 键n电子 不成键 成键轨道 反键轨道和非键轨道 能量顺序 n 基态与激发态 电子吸收能量 由基态 激发态 1 跃迁饱和烃 甲烷 乙烷 所需能量很高 150nm 远紫外区 2 跃迁不饱和基团 c c c o 所需能量较小 约200nm 强吸收 104 体系共轭 能量更小 更大 电子跃迁类型 所需能量大小顺序 n n 3 n 跃迁含杂原子不饱和基团 c n c o 所需能量最小 200 400nm 近紫外区 弱吸收 10 100 4 n 跃迁含杂原子饱和基团 oh nh2 所需能量较大 150 250nm 真空紫外区 此外还有 电荷迁移跃迁 配位场跃迁 1 生色团能在紫外 可见光区产生吸收的原子团 通常指可以产生 和n 跃迁的不饱和基团 如 c c c o n n no2等 2 助色团含n电子的杂原子饱和基团为助色团 如 oh or nh nhr x等 它们本身没有生色功能 不能吸收 200nm的光 但当它们与生色团相连时 就会发生n 共轭作用 增强生色团的生色能力 吸收波长向长波方向移动 且吸收强度增加 2 一些常用术语 3 红移和蓝移由于化合物结构变化 共轭 引入助色团取代基 或采用不同溶剂后 吸收峰位置向长波方向的移动 叫红移 长移 吸收峰位置向短波方向移动 叫蓝移 紫移 短移 4 增色效应和减色效应增色效应 吸收强度增强的效应减色效应 吸收强度减小的效应 5 强带和弱带强带 max 104l mol 1 cm 1的吸收带弱带 max 103l mol 1 cm 1的吸收带 3 吸收带类型和影响因素 1 r带 由含杂原子的不饱和基团的n 跃迁产生 如c o c n n n 特点是能量小 max250 400nm max 100 溶剂极性 max 蓝移 短移 2 k带 由共轭双键的 跃迁产生 如 ch ch n ch c co 特点是 max 200nm max 104 共轭体系增长 max 红移 max 溶剂极性 对于 ch ch n max不变对于 ch c co max 红移 3 b带 由 跃迁产生 是芳香族化合物的主要特征吸收带 max 254nm 宽带 具有精细结构 max 200 在极性溶剂中 或苯环连有取代基 其精细结构消失 4 e带 由苯环环形共轭系统的 跃迁产生 是芳香族化合物的特征吸收带 e1180nm max 104 但常观察不到 e2200nm max 7000强吸收苯环有发色团取代且与苯环共轭时 e2带与k带合并一起红移 长移 对 max影响 n 跃迁 溶剂极性 max 蓝移 跃迁 溶剂极性 max 红移 4 溶剂效应 有些溶剂 特别是极性溶剂对溶质吸收峰的波长 强度及形状可能产生影响 这种现象称溶剂效应 例如 异丙叉丙酮的溶剂效应见下表所示 对吸收光谱精细结构影响 溶剂极性 苯环精细结构消失 溶剂的选择 极性 纯度高 截止波长 max 1 饱和碳氢化合物 跃迁类型 跃迁 吸收带在真空紫外区 在200 400nm没有吸收 在紫外分光光度法中常作为溶剂 例 甲烷 max125nm乙烷 max135nm 2 5 2 一些有机化合物的紫外吸收光谱特征 2 含孤立助色团和生色团的饱和化合物 跃迁类型 n 跃迁 跃迁 吸收峰的位置取决于杂原子的种类 max nm 173208259177195215 化合物ch3clch3ch2brch3ich3ohch3shch3nh2 溶剂正己烷正己烷正己烷正己烷乙醇乙醇 杂原子电负性小原子半径大 n电子能级高 n 跃迁所需能量小 吸收峰的波长较长 3 共轭烯烃 跃迁类型 跃迁 跃迁 共轭体系增加 跃迁所需能量减少 吸收峰红移 吸光系数增加 吸收峰位置 孤立双键的 跃迁 约180nm 共轭体系的 跃迁 200nm 乙烯