紫外可(本硕)辩析.ppt

第五章紫外 可见分光光度法 ultraviolet visiblespectrophotometry UV VIS 紫外 可见吸收光谱朗伯 比耳定律紫外 可见分光光度计分析条件的选择测定方法在医学检验中的应用 研究物质在紫外 可见光区的分子吸收光谱的分析方法称为紫外 可见分光光度法 紫外 可见分光光度法是利用某些物质的分子吸收200 800nm光谱区的辐射来进行分析测定的方法 这种分子吸收光谱产生于价电子和分子轨道上的电子在电子能级间的跃迁 广泛用于无机和有机物质的定性和定量测定 紫外光谱的研究对象大多是具有共轭双键结构的分子 前言 第一节紫外 可见吸收光谱 一 分子吸收光谱的产生在分子中 除了电子相对于原子核的运动外 还有核间相对位移引起的振动和转动 这三种运动能量都是量子化的 并对应有一定能级 下图为分子的能级示意图 分子中电子能级 振动能级和转动能级示意图 电子能级 振动能级 转动能级 B A 图中A和B表示不同能量的电子能级 在每一电子能级上有许多间距较小的振动能级 在每一振动能级上又有许多更小的转动能级 若用 E电子 E振动 E转动分别表示电子能级 振动能级转动能级差 即有 E电子 E振动 E转动 处在同一电子能级的分子 可能因其振动能量不同 而处在不同的振动能级上 当分子处在同一电子能级和同一振动能级时 它的能量还会因转动能量不同 而处在不同的转动能级上 所以分子的总能量可以认为是这三种能量的总和 E分子 E电子 E振动 E转动 分子的转动能级差一般在0 005 0 05eV 此范围形成的光谱称为转动光谱或远红外光谱 分子的振动能级差一般在0 05 1eV 能量处于红外光区 故又称红外光谱 实际上为振动 转动光谱 电子的跃迁能差约为1 20eV 比分子振动能级差要大几十倍 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 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 见教材P16 图3 2 大多数的分子光谱分析 都是用液体样品 加之仪器的分辨率有限 因而使记录所得电子光谱的谱带变宽 由于氧 氮 二氧化碳 水等在真空紫外区 60 200nm 均有吸收 因此在测定这一范围的光谱时 必须将光学系统抽成真空 然后充以一些惰性气体 如氦 氖 氩等 鉴于真空紫外吸收光谱的研究需要昂贵的真空紫外分光光度计 故在实际应用中受到一定的限制 我们通常所说的紫外 可见分光光度法 实际上是指近紫外 可见分光光度法 当用频率为 的电磁波照射分子 而该分子的较高能级与较低能级之差 E恰好等于该电磁波的能量h 时 即有 E h h为普朗克常数 此时 在微观上出现分子由较低的能级跃迁到较高的能级 在宏观上则透射光的强度变小 若用一连续辐射的电磁波照射分子 将照射前后光强度的变化转变为电信号 并记录下来 然后以波长为横坐标 以电信号 吸光度A 为纵坐标 就可以得到一张光强度变化对波长的关系曲线图 分子吸收光谱图 A 10mg L 20mg L 30mg L 240 220 260 280 nm 不同浓度抗坏血酸在醋酸水溶液中的紫外吸收光谱图图表明 在波长241nm处 三种浓度都有最大吸收 且随浓度增大吸收光能力增强 吸收曲线的意义 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 不同浓度的同种物质 其吸收曲线形状相似 max不变 特定波长下吸光度有差异 在 max处吸光度的差异最大 此可作作为物质定量分析的依据 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 不同物质 它们的吸收曲线形状和 max则不同 在 max处测定最灵敏 吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据 2分子中的电子跃迁与紫外 可见吸收光谱 n n 200 300 400 nm 各种电子跃迁相应的吸收峰和能量示意图 有机化合物的紫外 可见吸收光谱是三种电子跃迁的结果 电子 电子 n电子 当外层电子吸收紫外或可见辐射后 就从基态向激发态 反键轨道 跃迁 主要有四种跃迁所需能量 大小顺序为 n n 1 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跃迁 饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区 吸收波长 200nm 例 甲烷的 max为125nm 乙烷 max为135nm 只能被真空紫外分光光度计检测到 通常作为溶剂使用 2 n 跃迁 所需能量较大 吸收波长为150 250nm 大部分在远紫外区 近紫外区仍不易观察到 含非键电子的饱和烃衍生物 含N O S和卤素等杂原子 均呈现n 跃迁 在发生跃迁时 其中 电子跃迁 发生所需能量较大 吸收光谱处于低于200nm的远紫外区 由于仪器原因 此三种跃迁吸收光谱研究甚少 3 跃迁 所需能量较小 吸收波长处于远紫外区的近紫外端或近紫外区 max一般在104L mol 1 cm 1以上 属于强吸收 不饱和烃 共轭烯烃和芳香烃类均可发生该类跃迁 如乙烯 跃迁的 max为162nm max为1 104L mol 1 cm 1 4 n 跃迁这类跃迁发生在近紫外光区 max大多大于200nm 它是简单的生色团如羰基 硝基等中的孤对电子向反键轨道跃迁 其特点是跃迁几率小 是弱吸收带 一般 max 500谱带强度弱 分子中孤对电子和 键同时存在时发生n 跃迁 丙酮n 跃迁的 max为275nm max为22L mol 1 cm 1 溶剂环己烷 和n 跃迁都要求有机化合物分子中含有不饱和基团 以提供 轨道 含有 键不饱和基团的化合物的最大吸收波长在紫外 可见区 因而含有 键的不饱和基团称为生色团 简单的生色团由双键或叁键体系组成 如乙烯基 羰基 亚硝基 偶氮基 N N 乙炔基 腈基 C N等 有一些含有n电子的基团 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 这样的基团称为助色团 见P19表3 3和3 4 例子 1 乙醛分子在160 180 290nm处产生吸收 它们对应的电子跃迁类型分别是 2 环戊烯 190nm 甲醚 185nm 三乙胺 195nm 分别对应的跃迁类型是 3 一化合物可能是 N CH2 CH2 CH3或 N CH2 CH CH2其紫外吸收光谱为 该化合物是何种化合物 3影响有机化合物紫外可见谱图因素 红移与蓝移有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长 max和吸收强度发生变化 max向长波方向移动称为红移 向短波方向移动称为蓝移 或紫移 吸收强度即摩尔吸光系数 增大或减小的现象分别称为增色效应或减色效应 引起红移或蓝移的因素 1 共轭体系的存在 红移如CH2 CH2的 跃迁 max 165 200nm 而1 3 丁二烯 max 217nm2 异构现象 使异构物光谱出现差异 如CH3CHO含水化合物有两种可能的结构 CH3CHO H2O及CH3CH OH 2 已烷中 max 290nm 表明有醛基存在 结构为前者 而在水溶液中 此峰消失 结构为后者 3 空间异构效应 红移如CH3I 258nm CH2I2 289nm CHI3 349nm 4 取代基 红移或蓝移 取代基为含孤对电子 如 NH2 OH Cl 可使分子红移 会发生n 共轭作用 取代基为斥电子基 如 R OCOR 则使分子蓝移 苯环或烯烃上的H被各种取代基取代 多产生红移 5 pH值 红移或蓝移苯酚在酸性或中性水溶液中 有210 5nm及270nm两个吸收带 而在碱性溶液中 则分别红移到235nm和287nm p 共轭 6 溶剂效应 红移或蓝移由n 跃迁产生的吸收峰 随溶剂极性增加 形成H键的能力增加 发生蓝移 由 跃迁产生的吸收峰 随溶剂极性增加 激发态比基态能量有更多的下降 发生红移 随溶剂极性增加 吸收光谱变得平滑 精细结构消失 因此 选用溶剂要注意以下几个问题 1 溶剂应能很好地溶解被测试样 溶剂对溶质应该是惰性的 2 在溶解度允许的范围内 尽量选择极性较小的溶剂 3 溶剂在样品的吸收光谱区应无明显吸收 问题 为什么大多有机物用正已烷作溶剂呢 3有机化合物的紫外 可见吸收光谱特点 有机物的 C O NO NO2 N N C S发色团的连有助色团时 电子发生跃迁时所需能量小 吸收带 R吸收带 一般位于300nm左右 但跃迁几率小 MAX 100 当化合物含有共轭体系时 发生 跃迁时 随着共轭体系增加 吸收带 K吸收带 向长波方向移动 吸收强度增大 一般 MAX 1 104 苯有三个吸收带 都是由 跃迁引起的 E1带出现在180nm MAX 60 000 E2带出现在204nm MAX 8 000 B带出现在255nm MAX 200 在气态或非极性溶剂中 苯及其许多同系物的B谱带有许多的精细结构 这是由于振动跃迁在基态电子上的跃迁上的叠加而引起的 当苯环上有取代基时 苯的三个特征谱带都会发生显著的变化 其中影响较大的是E2带和B谱带 4无机物分子能级跃迁一些无机物也产生紫外 可见吸收光谱 其跃迁类型包括p d跃迁或称电荷转移跃迁以及d d f f跃迁或称配场跃迁 1 电荷转移跃迁 Chargetransfertransition 一些同时具有电子予体 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 2 配场跃迁 Ligandfieldtransition 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 5物质颜色与光的吸收 日光或白炽灯是由波长400nm 800nm的电磁波构成的混合光 人们观察到的某种颜色的光是为某一波长范围的光 如绿光为500nm 550nm的光 如白光通过高锰酸钾溶液呈紫色 说明高锰酸钾溶液吸收了白光中的绿色光 第二节 朗伯 比尔定律 设入射光强度为I0 吸收光强度为Ia 透射光强度为It 反射光强度为Ir 则I0 Ia It Ir由于参比溶液和被测溶液的反射光强度基本相同 其影响可相互抵消 上式可简化为 I0 Ia It 1吸光度和透光度 I0 It Ir Ia 吸光度 为透光度倒数的对数 用A表示 即A lg1 T lgI0 ItA值越大 意味着物质对光吸收越多 透光度 透光度为透过光的强度It与入射光强度I0之比 用T表示 即T It I0 2朗伯 比尔定律如果保持入射光的强度不变 则光吸收程度A与液层厚度l及溶液浓度c有关 这种关系用朗伯 比耳定律描述如下 A Kcl或A cl式中比例常数K与吸光物质的本性 入射光波长等因素有关 称为吸收系数 单位为L g cm 若浓度c单位用mol L表示 K又称摩尔吸光系数 用 符号 此关系式仅适合于单色光 只含一种波长的光 常负载分析信息 及均匀非散射的液体 固体和气体 朗伯 比尔定律是分光光度法定量测定的基础 摩尔吸光系数表示物质对一定波长辐射的吸收特性 越大 表示物质一定波长辐射的吸收能力越强 因而分光光度测定的灵敏度越高 若固定物质的浓度和吸收池的厚度 以吸光度对辐射波长作图 就得到物质的吸收光谱曲线 不同的物质有不同的光谱特征吸收曲线 因此吸收光谱可做物质的定性鉴定 3偏离朗伯 比耳定律的因素 1 非单色光的影响仪器分析中 由于分辨率 狭缝宽度 的限制 入射到被测物质上的光并不是理论意义上的单色光 而是一个光谱带宽 随带宽 的变化 溶液的实际摩尔吸光系数也发生变化 从而吸光度 A cl 与浓度之间的线性就会发生偏离 2 非吸收光的影响当出射光的光谱带宽度大于吸收光谱带时 投射在试样上就有非吸收光 非吸收光导致测定灵敏度下降 使校正曲线弯向横坐标 从而与定律偏离 这种程度随试样浓度增大而增加 3 散射的影响当被测试样中含有悬浮物或胶粒等散射质点时 入射光通过试样会因散射损失一部分 造成吸收光度增大的假象 从而导致与定律发生偏离 3 紫外 可见分光光度计 仪器 紫外 可见分光光度计 一 基本组成generalprocess 光源 单色器 样品室 检测器 显示 1 光源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 可见光区 钨灯作为光源 其辐射波长范围在320 2500nm 紫外区 氢 氘灯 发射185 400nm的连续光谱 2 单色器 将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出一任波长单色光的光学系统 入射狭缝 光源的光由此进入单色器 准光装置 透镜或返射镜使入射光成为平行光束 色散元件 将复合光分解成单色光 棱镜或光栅 聚焦装置 透镜或凹面反射镜 将分光后所得单色光聚焦至出射狭缝 出射狭缝 吸收池又称比色皿或比色杯 按材料可分为玻璃吸收池和石英吸收池 前者不能用于紫外区 3吸收池 吸收池的种类很多 其光径可在0 1 10cm之间 其中以1cm光径吸收池最为常用 4检测器检测器的作用是检测光信号 并将光信号转变为电信号 基本要求是灵敏度高 响应时间快 对辐射能量的响应线性亲系好等 广泛采用的检测器是硅光电池 光电管或光电倍增管 5信号显示系统常用的信号显示装置有直读检流计 电位调节指零装置 以及自动记录和数字显示装置等 二 紫外 可见分光光度计的类 1单波长分光光度计特点 光路简单 光源能量损失少 信噪比高 重现性较好 2 单波长双光束分光光度计 特点 可消除光源变化引起的误差 双波长将不同波长的两束单色光 1 2 快束交替通过同一吸收池而后到达检测器 产生交流信号 无需参比池 1 2nm 两波长同时扫描即可获得导数光谱 3双波长分光光度计 特点 不需用参比池 可消除混浊背景干扰 简单多组分能同时测定 4分析条件的选择 一 仪器测量条件的选择1 适宜吸光度范围选择由朗伯 比尔定律可知 A lg1 T cl 1 微分后得 dlgT 0 4343dT T ldc 2 代入 1 式可得 c c 0 4343 T TlgT 3 要使测定的相对误差 c c最小 对 3 式求导取极小值 得 lgT 0 434 A即当A 0 4343时 吸光度测量误差最小 由 3 式可算出的读数在最适宜的测量范围为0 115 0 70之内 浓度测定误差小于2 因此 通过调节溶液浓度或改变光程使测定吸光度范围控制在这个范围之内 能有效降低测定误差 根据被测组分的吸收光谱 一般选择最强吸收带的最大吸收波长为测量 入射 波长 可得到最大的测量灵敏度 但实际工作中这样选择波长并非最佳 如 max受到共存杂质干扰 或待测组分的浓度太高 或吸收光谱的峰形太尖锐 测量波长难以重复 则往往选用吸收稍低 峰形稍平坦的次强峰或肩峰进行测定 2 测量波长的选择 3 狭缝宽度的选择增加狭缝宽度 就是增加带宽 降低单色光的纯度 使灵敏度下降 校正曲线变坏 以致偏离比尔定律 但狭缝宽度太小 则入射光强度太弱 仪器噪声增大 不利于测定 为了选择合适的狭缝宽度 应以减少狭缝宽度时试样的吸光度不再增加为准 5定性与定量分析应用物质的紫外 可见吸收光谱基本上是分子中发色团和助色团的特性 因此能提供分子中分子中助色团 发色团和共轭程度的信息 是定性了解有机物结构的依据 含 电子和共轭双键化合物在紫外区有强烈吸收 分析时有很高的灵敏度和准确度 因而可用于定量分析 但由于不同化合物分子中具有相同发色团和助色团时 往往具有相似的紫外吸收光谱特性 峰位 峰数 峰形 峰强 如甲苯和乙苯 因而紫外 可见光谱在应用上受到一定的限制 1化合物纯度的鉴定如果某一化合物在紫外区无吸收峰 而杂质有较强的吸收峰 则可用紫外吸收光谱法检出此化合物中的痕量杂质 如乙醇中是否含有杂质苯 可利用苯在256nm处的吸收带检出 如果化合物在紫外区有较强的吸收带 可用吸收系数法检查纯度 如菲的氯仿溶液在296处有强吸收 但某方法精制的菲 却发现值比标准低10 说明很可能含有其它杂质 一 定性分析应用 2未知物的定性鉴定分析物的谱图与标准物的标准谱图对照 在相同条件下比较 max和 max等特征常数的一致性 如合成维生素A2与天然产物的吸收光谱对照 当最大吸收波长相同时 可比较其百分吸收系数 如甲基睾丸酮与丙酸睾丸素的对照 当被鉴定物质有多个吸收峰 可用几个吸收峰处的吸光度比或摩尔系数比值比较 当未知物在相同波长处 其比值处于规定范围内 可认为是同一物质 3 分子结构的推断根据化合物的紫外 可见光区的吸收光谱 可推测化合物所含的官能团 如某一化合物在220 400nm范围内无吸收 它是饱和有机物 在270 350nm范围内仅出现很弱的吸收峰 说明它具有n电子的生色团 在250 300有中强吸收带 且有一定精细结构 表示有苯环存在 在260 350有强吸收带 可能含有3 5个共轭单位 有机化合物结构辅助解析 1 可获得的结构信息 1 200 400nm无吸收峰 饱和化合物 单烯 2 270 350nm有吸收峰 10 100 醛酮n 跃迁产生的R带 3 250 300nm有中等强度的吸收峰 200 2000 芳环的特征吸收 具有精细解构的B带 4 200 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 330nm260nm 300nm 330nm有强吸收峰 3 4 5个双键的共轭体系 2 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 乙酰化位移 B带 262nm 302 274nm 2040 261nm 300 4 pH值的影响