4紫外可见吸收光谱.ppt

紫外 可见吸收光谱法 Ultraviolet VisibleAbsorptionSpectrometry UV Vis 第四章 内容 第一节紫外可见吸收光谱基本原理BasicprinciplesofUV Vis第二节紫外可见分光光度计Utraviolet visiblespectrometer第三节紫外可见吸收光谱的应用Applicationofultravioletspectrometry第四节分子荧光光谱法Molecularfluorescencespectroscopy 1 掌握紫外 可见光谱的基本概念和原理2 掌握有机化合物中电子跃迁的基本类型3 了解无机化合物的紫外可见吸收光谱4 了解紫外可见吸收分光光度计的构造5 掌握紫外 可见光谱的定性和定量分析方法6 了解分子荧光光谱法的原理 第一节紫外可见吸收光谱基本原理 basicprincipleofUV Vis 一 概述二 分子吸收光谱产生及类型三 紫外可见吸收光谱四 吸收光谱的测量 一 概述 紫外可见吸收光谱法 利用某些物质分子能够吸收紫外可见光 10 800nm 的辐射而产生的分子吸收光谱来进行定性 定量和结构分析的方法 这种分子吸收光谱源于分子外层电子或价电子能级间跃迁而产生的电子光谱 广泛用于有机和无机物质的定量测定 辅助定性分析 如配合IR 电磁波谱 远紫外区 10 200nm 近紫外区 200 400nm 和可见光区 400 800nm 二 分子吸收光谱的产生及类型 1 分子吸收光谱的产生 E分子 Ee Ev Er 分子内部三种运动形式 1 电子相对于原子核的运动 2 原子核在其平衡位置附近的相对振动 3 分子本身绕其重心的转动分子具有三种不同能级 电子能级 振动能级和转动能级三种能级都是量子化的 且各自具有相应的能量分子的内能 电子能量Ee 振动能量Ev 转动能量Er 整个分子能量的变化包含着电子能级的变化 振动能级的变化和转动能级的变化 DEe DEv DEr 其中电子运动的能级间距最大 每个能级间的能量差叫间距或能级差 E 振动能级次之 转动能级的间距最小 即 DE分子 DEe DEv DEr 20 11 0 050 005 0 05eV0 06 1 25 25 250 m 电子能级间跃迁的同时总伴随有振动和转动能级间的跃迁即电子光谱中总包含有振动能级和转动能级间跃迁产生的若干谱线而呈现宽谱带 分子光谱是带状光谱 当有一频率n 即辐射能量为hn h为普朗克常数 的电磁辐射照射分子时 如果辐射能量hn恰好等于该分子较高能量与较低能量的能级差时 即有 分子就吸收了该电磁辐射 发生能级的跃迁 若用一连续的电磁辐射以波长大小顺序分别照射分子 并记录物质分子对辐射吸收程度随辐射波长变化的关系曲线 这就是分子吸收曲线 通常叫分子吸收光谱 2 分子吸收光谱类型 远红外光谱分子的转动能级跃迁 需吸收波长为远红外光 形成的光谱称为转动光谱或远红外光谱 红外光谱分子的振动能级差一般需吸收红外光才能产生跃迁 在分子振动时同时有分子的转动运动 因此分子振动产生的吸收光谱中 包括转动光谱 故常称为振 转光谱 又称红外光谱 主要用于有机化合物结构鉴定 紫外 可见吸收光谱电子的跃迁吸收光的波长主要在真空紫外到可见光区 对应形成的光谱 称为电子光谱或紫外 可见吸收光谱 可用于结构鉴定和定量分析 远紫外区10 200nm 真空紫外区 近紫外区200 400nm可见区400 800nm 1 紫外可见光谱图 不同物质结构不同 其分子能级的能量 各种能级能量总和 或能量间隔各异 因此不同物质将选择性地吸收不同波长或能量的外来辐射 这是UV Vis定性分析的基础 定性分析具体做法是让不同波长的光通过待测物 测量其对不同波长光的吸收程度 吸光度A 以吸光度A为纵坐标 以波长或频率为横坐标作图 得到该物质的吸收光谱或吸收曲线 据吸收曲线的特性 峰强度 位置及数目等 研究分子结构 三 紫外 可见吸收光谱 紫外可见吸收光谱示意图 2 有机化合物的紫外可见吸收光谱s电子 形成单键的电子p电子 形成不饱和键的电子n电子 氧 硫 氮 卤素等杂原子上未成键的电子以甲醛分子为例 电子跃迁类型 s s n s p p n p 各种跃迁所需要的能量顺序 s s 跃迁 所需能量最大 电子只有吸收远紫外光的能量才能发生的跃迁吸收波长 200nm 例如饱和烷烃甲烷的 max为125nm 只能被真空紫外分光光度计检测到 n s 跃迁 所需能量较大吸收波长为180 210nm 大部分在远紫外区 一部分在近紫外区含非键电子的饱和烃衍生物 如N O S和卤素等杂原子 均发生n s 跃迁如一氯甲烷 甲醇 三甲基胺n s 跃迁的 分别为173nm 183nm和227nm 因此 只含有 n 跃迁的化合物 如 饱和烷烃 卤代烷烃 醇 醚 水等是紫外可见吸收光谱测定时的良好溶剂 p p 跃迁 所需能量较小吸收峰的波长位于远紫外区的末端或200nm附近 最大摩尔吸光系数 max 104L mol 1 cm 1 属于强吸收峰不饱和烃 共轭烯烃 芳香族化合物都可以发生p p 跃迁例 乙烯的p p 跃迁 max为162nm max为104L mol 1 cm 1 当分子中存在两个或两个以上的双键共轭体系时 p p 跃迁能量降低 吸收波长向长波方向移动 所产生的吸收带为K带 共轭分子的特征吸收带 max 200nm max 104L mol 1 cm 1 为强吸收例 CH2 CH CH CH2的K带的 max为217nm max约为104L mol 1 cm 1 芳香族化合物的p p 跃迁所产生的吸收带为B带和E带 芳香族化合物的特征吸收带 以苯的紫外吸收光谱为例 n p 跃迁 所需能量比较小吸收波长位于近紫外或可见光区 100L mol 1 cm 1 为弱吸收含有杂原子的不饱和化合物可以发生n p 跃迁 如含有羰基 硝基 亚硝基等n p 跃迁所产生的吸收带称为R带 常用概念 发色团 或生色团 具有 电子的不饱和基团 即可在紫外 可见光区产生吸收的官能团 如C C C C C O NO2等助色团 有一些含有n电子的基团 如 OH NH2 OR SH Cl Br I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 p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 这样的基团称为助色团 红移和蓝移 由于取代基或溶剂的影响使吸收带的最大吸收波长向长波方向移动称为红移 反之 向短波方向移动称为蓝移 或紫移 增色效应和减色效应 使吸收强度增加的效应称为增色效应 反之称为减色的效应 强带和弱带 104L mol 1 cm 1的为强带 1000L mol 1 cm 1的为弱带 3 无机化合物的紫外可见吸收光谱 一些无机物也产生紫外 可见吸收光谱 其跃迁类型包括电荷转移跃迁和配位场跃迁 即d d跃迁和f f跃迁 产生 一些同时具有电子给予体 配位体 和受体 金属离子 的无机分子 在吸收外来辐射时 电子从予体跃迁至受体所产生的光谱 max较大 104以上 可用于定量分析 电荷转移跃迁 Chargetransfertransition 过渡元素的d或f轨道为简并轨道 Degenerationorbit 当与配位体配合时 轨道简并解除 d或f轨道发生能级分裂 如果轨道未充满 则低能量轨道上的电子吸收外来能量时 将会跃迁到高能量的d或f轨道 从而产生吸收光谱 吸收系数 max较小 102 很少用于定量分析 多用于研究配合物结构及其键合理论 配场跃迁 Ligandfieldtransition 透光率T 吸光度A I为透射光的强度I0为入射光的强度 四 吸收光谱的测量 1 朗伯 比尔 Lambert Beer 定律 二者的结合称为朗伯 比尔定律 其数学表达式为 式中A 吸光度 描述溶液对光的吸收程度 k 比例系数 与溶液性质 温度和入射波长有关b 液层厚度 光程长度 通常以cm为单位 c 溶液的浓度 当浓度以g L表示时 称k为吸光系数 以a表示 即 当浓度以mol L表示时 称k为摩尔吸光系数 以 表示 即 摩尔吸光系数 的讨论 1 吸收物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数 2 不随浓度c和光程长度b的改变而改变 在温度和波长等条件一定时 仅与吸收物质本身的性质有关 与待测物浓度无关 3 同一吸收物质在不同波长下的 值是不同的 在最大吸收波长 max处的摩尔吸光系数 常以 max表示 max表明了该吸收物质最大限度的吸光能力 也反映了光度法测定该物质可能达到的最大灵敏度 4 不同物质 max有时可能相同 但 max不一定相同 可作为定性鉴定的参数 2 偏离L B定律的因素 样品吸光度A与光程b总是成正比 但当b一定时 A与c并不总是成正比 即偏离L B定律 1 定律本身的局限性L B定律通常只有在稀溶液时才能成立 随着溶液浓度增大 吸光质点间距离缩小 彼此间相互影响和相互作用加强 破坏A和c之间的线性关系 2 化学因素试液中各组份的相互作用 如发生了分解 电离 酸碱 配位 缔合 光化反应或与溶剂发生反应等 改变了吸光物质的浓度 导致偏离比尔定律 3 仪器因素L B定律只适用于单色光 但经仪器狭缝投射到被测溶液的光 并不能保证理论要求的单色光 第二节紫外 可见分光光度计 UV Visspectrometer 一 基本组成二 分光光度计的类型 一 基本组成 1 光源 要求 提供能量 激发被测物质分子使之产生价电子的跃迁 从而产生电子光谱 在整个紫外光区或可见光谱区可以发射连续光谱 具有足够的辐射强度 较好的稳定性 较长的使用寿命 连续光源 紫外光区 氢灯 氙灯 氘灯 气体放电光源 可见光区 钨丝灯 卤钨灯 热辐射光源 2 单色器 功能 将光源发射的复合光分解成单色光 组成 入射狭缝 准直镜 色散元件 聚焦装置 出射狭缝 3 吸收池功能 盛放试样材料 由石英或普通玻璃制成 在紫外光区只能用石英吸收池 在可见光区可以使用石英或玻璃吸收池 4 检测器功能 利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号类型 1 光电池 硒光电池 可见 硅光电池 紫外可见 2 光电管 紫敏光电管锑铯阴极红敏光电管银和氧化铯阴极 3 光电倍增管 将光信号放大106 107倍 灵敏 5 记录系统功能 信号的处理及读出类型 常用的记录系统有电位计 检流计 示波器及数据台 数字电压表 微机等 二 紫外 可见分光光度计的类型 1 单光束分光光度计 优点 结构简单 价廉 缺点 受光源的波动影响较大 误差大 2 双光束分光光度计 优点 消除光源强度变化带来的误差 能够自动扫描吸收光谱缺点 仪器复杂 价格较高 3 双波长分光光度计 优点 将不同波长的两束单色光 1 2 快速交替通过同一吸收池而后到达检测器 不用参比溶液 测得吸光度差值 可用于高浓度组分的测定 可以测定混浊溶液 准确度高 双波长分光光度法 1 A1 1bc A干扰 2 A2 2bc A干扰 A 2 1 bc 一 定性 定量分析qualitativeandquantitativeanalysis二 有机物结构确定structuredeterminationoforganiccompounds 第三节紫外吸收光谱的应用 Applicationofultravioletspectrometry 一 定性 定量分析 1 定性分析的依据 吸收光谱的特征 吸收光谱的形状吸收峰的数目吸收峰的位置 最大吸收波长 吸收峰的强度相应的吸光系数 2 利用标准谱图或光谱数据比较 常用的 TheSadtlerstandardspectra Ultraviolet 萨特勒标准图谱 共收集了46000种化合物的紫外光谱 2 定性分析方法 1 利用标准物质比较 在相同的测量条件下 测定和比较未知物与已知标准物的吸收光谱曲线 如果两者的光谱完全一致 则可以初步认为它们是同一化合物 对比法 标准物质比较法和标准谱图比较法 3 定量分析的依据 朗伯 比尔定律和吸光度加和性 定量分析时首先要选择合适的吸收波长作为测定波长 选择的原则 当试样有几个吸收带时则选强吸收带的最大吸收波长 通常选择最大吸收波长为测定波长 以保证测定的灵敏度 没有溶剂或其他杂质的吸收干扰 1 微量单组分的测定 绝对法已知样品池厚度l和待测物的摩尔吸光系数 可以从紫外分光光度计上读出吸光度A 根据朗伯 比尔定律直接计算出待测物的浓度cx 直接比较法已知浓度的待测化合物的标准溶液测得其吸光度为As 在同一样品池中测得未知浓度样品的吸光度为Ax 由于两次的 l相同 根据朗伯 比尔定律 标准曲线法配制一系列不同浓度的待测组分的标准溶液 以不含待测组分的空白溶液为参比 测定标准溶液的吸光度 并绘制吸光度 浓度曲线 得到标准曲线 工作曲线 然后再在相同条件下测定试样溶液的吸光度 由测得的吸光度在曲线上查得试样溶液中待测组分的浓度 2 多组分同时测定 在含有多种组分的溶液中 如果要测定多个组分 可以根据情况的不同 采用不同的方法来进行测定 利用吸光度具有加和性的特点 两组分互不干扰 x y组分最大吸收波长不重迭 可以用测定单组分的方法分别在 1 2测定x y两组分的吸光度 x组分对y组分的测定有干扰 而y组分对x组分的测定无干扰 则可以在 1处单独测量x组分 求得x组分的浓度Cx 然后在 2处分别测量x y纯物质 最后在 2处测定试液的吸光度 根据吸光度的加和性 求得Cy 两组分彼此相互干扰 在 1 2处分别测定溶液的吸光度 而且同时测定x y纯物质的吸光度 然后列出联立方程 3 高含量组分的测定 示差法配制一系列待测组分的标准溶液且与待测组分浓度相近 以其中浓度最小的标准溶液 cs 作参比溶液 测定其它标准溶液的吸光度 以吸光度对测定溶液和参比溶液的浓度差作图 得到过原点的标准曲线 cx cs Dcx 再在相同的条件下测定试样的吸光度 由曲线上查得试样的浓度与参比溶液浓度的差值 从而求得待测组分的浓度 1 200 800nm无吸收峰 饱和烃 2 200 250nm有强吸收峰 104 表明含有一个共轭体系 K 带 共轭二烯 K带 230nm 不饱和醛酮 K带 230nm R带 310 330nm 260nm 300nm 330nm有强吸收峰 3 4 5个双键的共轭体系 3 250 300nm有中等强度的吸收峰 200 2000 芳环的特征吸收 具有精细结构的B带 4 270 350nm有弱吸收峰 10 100 醛酮n 跃迁产生的R带 二 有机物结构确定 1 有机化合物特征基团的判别 2 顺反异构和互变异构结构的确定 顺式 max 280nm max 10500反式 max 295 5nm max 29000共平面产生最大共轭效应 max大 互变异构 酮式 max 204nm 无共轭烯醇式 max 243nm 3 纯度检查 如果某化合物在紫外区没有吸收峰 而其杂质有较强吸收 就可方便的检出该化合物中的痕量杂质 例 鉴定甲醇和乙醇中的杂质苯 可利用苯在256nm处的B吸收带 而甲醇或乙醇在此波长几乎没有吸收 四氯化碳中有无二硫化碳杂质 只要观察在318nm处有无二硫化碳的吸收峰即可 4 光谱解析注意事项 1 确认 max 并算出 初步估计属于何种吸收带 2 观察主要吸收带的范围 判断属于何种共轭体系 3 助色团的影响 4 溶液pH值的影响加NaOH红移 酚类化合物 烯醇加HCl蓝移 苯胺类化合物 第四节分子荧光光谱法 Molecularfluorescencespectroscopy 一 基本原理二 分子荧光光谱仪三 定性定量分析及应用 一 基本原理 一 分子荧光光谱法 当物质分子吸收了特征频率的光子 就由原来的基态能级跃迁至电子激发态的各个不同振动能级 激发态分子经与周围分子撞击而消耗了部分能量 迅速下降至第一电子激发态的最低振动能级 并停留约10 8秒之后 直接以光的形式释放出多余的能量 下降至电子基态的各个不同振动能级 此时所发射的光即是荧光 利用某些物质分子受光照射时所发生的荧光的特性和强度 进行物质的定性分析或定量分析的方法 二 分子荧光的产生过程 1 分子的激发态 单线激发态和三线激发态 1 单线态 分子受辐射激发时 电子从最低占有轨道跃迁到较高空轨道 受激电子自旋仍保持方向相反 称单线激发态 2 三线态 受激电子自旋方向反转 电子自旋为平行时是三线激发态 2 分子的去活化过程及荧光的产生 1 去活化过程 处于激发态的分子不稳定 在较短的时间内可通过不同途径释放多余的能量 辐射或非辐射跃迁 回到激态 这个过程称为 去活化过程 2 荧光的产生 当激发态的分子通过内转换 振动驰豫到达第一单线激发态的最低振动能级时 电子可通过发射辐射 光子 跃回到基态的不同振动能级 此过程称为 荧光发射 三 有机分子荧光 必须具有能吸收激发光的结构 通常是共轭双键结构 该分子必须具有一定程度的荧光效率 1 有机分子产生荧光的必要条件 f 发射的荧光量子数 吸收的激发光的量子数 2 有机分子荧光与结构的关系 大的共轭 键结构刚性的平面结构取代基团为给电子取代基最低的激发单重态S1为 型 而不是n 型 强荧光物质所具有的结构特征 电子离域程度对荧光的影响 例1 2 二苯乙烯 顺式 不发光 反式 发荧光 刚性平面结构 例荧光素与酚酞 F 0 92 例芴与联苯 联苯 芴 取代基的影响 给电子取代基增强荧光 NH2 NHR NR2 OH OR等 吸电子取代基减弱荧光 NO2 COOH NHCOR Cl Br等 最低单重态的性质 不含有杂原子 N O S 的共轭分子均属于这一类 其特点是自旋允许跃迁 大 104 荧光强 n 含有杂原子 N O S 的共轭分子多属于这一类 含有n电子 其特点是自旋禁阻 小 102 荧光弱 仪器的主要部件 二 分子荧光分光光度计 激发光源 激发单色器 样品池 发射单色器 检测器 记录系统 1 激发光源 高压汞灯 氙灯 2 单色器 第一单色器 激发单色器 位于光源与液槽间 滤去非选择波长的激发光 第二单色器 发射单色器 位于液槽与检测器之间 滤去反色光 散色光和杂质产生的荧光 3 样品池 石英材质 四面透光 玻璃吸收323nm以下紫外光4 检测器 灵敏度要高 由于荧光弱光二极管阵列检测器 1 定性分析由两个特征光谱 荧光光谱 激发光谱 定性 可靠性强 但要有标准样品作对照 2 定量分析方法 标准曲线法 直接比较法 三 定性定量分析及应用 3 应用 无机物的荧光分析 8羟基喹啉及其衍生物 黄酮类试剂 二氨基化合物 有机物的荧光分析 油脂苯并芘测定 尿中N 甲基尼克酰胺 核酸分子荧光探针 习题 3 双波长紫外可见分光光度计与单波长分光光度计的主要区别在于 A 光源的种类B 检测器的个数C 吸收池的个数D 使用单色器的个数 2 在下列化合物中 有n s s 跃迁的化合物是 A 一氯甲烷B 丙酮C 丁二烯D 二甲苯 1 物质与电磁辐射相互作用后 产生紫外可见吸收光谱 这是由于 A 分子的振动 B 分子的转动 C 原子核外层的电子跃迁 D 原子核内层电子的跃迁 5 某非水溶性化合物 在200 250nm有吸收 当测定其紫外可见光谱时 应选用的合适溶剂是 4 指出下列哪种不是紫外 可见分光光度计使用的检测器 A 热电偶B 光电倍增管C 光电池D 光电管 A 正己烷 B 丙酮 C 甲酸甲酯 D 四氯乙烯 6 下列说法正确的是 A 透光率与浓度成直线关系 B 摩尔吸收系数随波长而变 C 比色法测定FeSCN2 时用红色滤光片 D 玻璃棱镜适用于紫外光区 填空 1 紫外可见吸收光谱研究的是分子的 跃迁 另外它还包括了 和 跃迁 2 一般来说 反式异构体的紫外可见吸收光谱的lmax比顺式异构体的lmax 填 大 或 小 3 用紫外可见分光光度法测定较高含量的组分时 若测得的吸光度值太高 超出适宜的读数范围而引入较大的误差 此时 可采用 法进行测定 以比待测试样浓度稍 填 高 或 低 的标准液作参比溶液 4 紫外可见吸收光谱法对应于分子的 能级间的激发跃迁 红外吸收光谱法则对应于分子的 能级间的激发跃迁 5 苯环上有吸电子基团会使其荧光强度 若有给电子基团则 填 增强 或 减弱 6 当羰基和乙烯基双键共轭时 形成了 不饱和醛酮 使得跃迁吸收带红移至220 260nm 成为带 简答 1 有机物CH3 C CH3 CH CO CH3及CH2 C CH3 CH2 CO CH3 它们的紫外吸收光谱为 a 最大吸收波长在235nm处 max 12000L mol 1 cm 1 b 220nm以后没有强吸收 如何根据这两个光谱来判断上述异构体 试说明理由 答 如果羰基双键与乙烯基双键共轭时 产生共轭效应 使得乙烯基的 跃迁吸收带红移至220 260n