紫外-可见吸收光谱的原理与应用...ppt

4 2紫外 可见光谱与紫外 可见光谱仪 内容提要 一 紫外可见光谱概述二 各类化合物的紫外吸收三 紫外谱图的解析四 紫外光谱应用举例五 紫外及可见分光光度计六 紫外 可见分光光度法的应用 1 紫外 可见光区的划分 可见光部分 360 760nm近紫外 200 360nm远紫外 10 200nm 由于远紫外的吸收测量必须在真空条件下进行 故使用受到限制 通常紫外 可见光区域指的是200 800nm的范围 一 紫外可见光谱概述 赤色橙色红色绿色青色蓝色紫色 2 分子的紫外 可见吸收光谱是基于物质分子吸收紫外辐射或可见光 其外层电子跃迁而成 又称分子的电子跃迁光谱 与有机物分子紫外 可见吸收光谱有关的电子是 形成单键的 电子 形成双键的 电子以及未共享的或称为非键的n电子 3 各种电子的能级高低次序 n 4 吸收带的类型 在高极性溶剂中作图 精细结构完全消失 如图d 当稀薄气态分子吸收紫外辐射后 电子从基态跃迁到激发态 其同时伴随有振动能级的跃迁 和转动能级的跃迁 所以围绕I II III 有一系列分立的转动能级跃迁谱线如图a 当浓度增大时 转动能级受限制 形成连续曲线 如图b 在低极性溶剂中测定紫外吸收 还能保留一些紫外吸收的精细结构 c 5 紫外 可见吸收光谱的特点由于分子中的每个电子能级上都耦合有许多的振 转能级 所以 紫外 可见吸收光谱具有 带状吸收 的特点 紫外 可见吸收光谱图 max 紫外 可见光谱中最大吸收峰对应的波长 它用来描述某种有机物分子在紫外可见光谱中的特征吸收 6 紫外吸收光谱中的基本术语生色团 产生紫外 或可见 吸收的不饱和基团 如C C C O NO2等 助色团 其本身是饱和基团 常含杂原子 它连到生色团时 能使后者吸收波长变长或吸收强度增加 或同时两者兼有 如 OH NH2 Cl等 深色位移 由于基团取代或溶剂效应 最大吸收波长变长 深色位移亦称为红移 浅色位移 由于基团取代或溶剂效应 最大吸收波长变短 浅色位移亦称为蓝移 增色效应 使吸收强度增加的效应 减色效应 使吸收强度减小的效应 摩尔吸收系数 物质在浓度为1mol L 液层厚度为1cm时溶液的吸光度 二 各类化合物的紫外吸收 1 简单分子a 饱和的碳氢化合物 如甲烷 乙烷等唯一可发生的跃迁为 属远紫外范围 b 含杂原子的饱和化合物 如硫醚 二硫化物 硫醇 胺 溴化物 碘化物等有n 跃迁 但在近紫外的吸收很弱 c 含非共轭烯 炔基团的化合物 可以发生 跃迁 如乙烯吸收在165nm 乙炔吸收在173nm 所以 在近紫外区仍无吸收 d 含不饱和杂原子的化合物 由于存在n 的跃迁 尽管吸收强度低 但毕竟其吸收位置较佳 易于检测 因此 在紫外鉴定中是不应忽视的 2 含有共轭体系的分子a 共轭体系的形成使吸收移向长波方向 如从乙烯到共轭丁二烯 原烯基的两个能级各自分裂为两个新的能级 在原有 跃迁的长波方向出现新的吸收 一般把共轭体系的吸收带称为K带 217nm b 共轭烯吸收的计算值 计算举例 因两个环的张力 提高了电子基态的能量 注意 用上述规则进行计算时 有计算误差较大的例外情况 当存在环张力或两个烯键不处于同一平面而影响共轭体系的形成时 计算值都偏离实测 菠烯即是一例 C 共轭醛 酮紫外吸收 K带 的计算 最大吸收波长与取代基的类型和位置有关 计算举例 不饱和醛 酮的摩尔吸收系数一般大于10000 它的最大吸收波长随着共轭链的长度的增加而增大 d 不饱和酸 酯 比 位更高位的烷基取代 e 芳香族化合物 苯 它显示三个吸收带 它们均起源于苯环 的跃迁 如下表所示 其中II III为禁戒跃迁 给电子基主要使苯环的K带往长波长方向移动 给电子能力越强 移动越大 给电子基的给电子能力顺序为 N C2H5 2 N CH3 2 NH2 OH OCH3 NHCOCH3 OCOCH3 CH2CH2COOH H 吸电子基使苯环的B带往长波长方向移动 吸电子作用越强 移动越小 吸电子基的作用强度顺序是 N CH3 3 NO2 SO3H COH COO COOH COCH3 Cl Br I f 杂芳环化合物五员杂芳环按照呋喃 吡咯 噻吩的顺序紫外吸收波长逐渐增大 由于硫的电子较氮 氧能更好地和二烯的 电子共轭 g 溶剂的影响 溶剂极性增大 导致 跃迁 能量减少 所以 吸收带红移 n 跃迁 能量增大 所以 吸收带蓝移 如 N 亚硝基二甲胺在不同溶剂中的紫外吸收光谱图 溶剂极性增大 吸收峰呈规律性蓝移 化合物在220 800nm内无紫外吸收 说明该化合物是脂肪烃或它们的简单衍生物 氯化物 醇 醚 羧酸等 甚至可能是非共轭的烯 220 250nm内显示强的吸收 近10000或更大 这表明K带的存在 即存在共扼的两个不饱和键 共轭二烯或 不饱和醛 酮 3 紫外谱图提供的结构信息小结 250 290nm内显示中等强度吸收 且常显示不同程度的精细结构 说明有苯环或某些杂芳环的存在 250 350nm内显示中 低强度的吸收 说明羰基或共轭羰基的存在 300nm以上的高强度吸收 说明该化合物具有较大的共轭体系 若高强度吸收具有明显的精细结构 说明稠环芳烃 稠环杂芳烃或其衍生物的存在 两者具有相似的紫外吸收峰 是因为 两分子中有相同的O C C C共轭结构 例1 胆甾酮 a 与异亚丙基丙酮 b 的紫外光谱图 电子跃迁 n 电子跃迁 例2 烷基取代硝基苯的紫外光谱图 与硝基苯相比 2 4 6 三丁基硝基苯在255nm附近的吸收峰已经消失 可以清楚地看到空间阻碍对分子吸收光谱的影响 例3 偶氮苯顺反异构体的紫外吸收谱图 顺式偶氮苯 反式偶氮苯 反式偶氮苯的摩尔吸光系数则远远大于顺式 且吸收峰位红移 因为 反式偶氮苯的空间位阻小 三 紫外光谱的定析方法 1 比较未知物与已知标准物质的紫外光谱图 若两者的谱图相同 则可认为待测样品与已知物质具有相同的生色团 2 紫外吸收光谱相同 两种化合物有时不一定相同 所以在比较 max的同时 还要比较它们的 值 3 紫外 可见吸收光谱可用于检出某些官能团 1 Lamber Beer定律 吸收光谱法基本定律 四 紫外光谱的定量分析 它描述物质对单色光吸收强弱与液层厚度和待测物浓度的关系 假设一束平行单色光通过一个均匀的 非散射的吸光物体 取物体中一极薄层 Lamber Beer定律的适用条件 前提 入射光为单色光 均匀非散射的稀溶液该定律适用于均匀非散射固体 液体和气体样品在同一波长下 各组分吸光度具有加和性A A1 A2 An 2 吸光度测量的条件选择 1 测量波长的选择 max Amax 测定灵敏度高 选A 0 15 1 00 2 吸光度读数范围的选择 3 参比溶液 空白溶液 的选择 解两方程即可求出组份A和B的浓度 也可以利用双波长分光光度法或导数分光光度法等新方法测定 3 定量分析的类型 1 单组分分析 标准曲线法或标准比较法 2 多组分的分析 当各组分的吸收光谱不重叠时 如单组分测定 若两组分的吸收光谱互相重叠时 可以根据吸光度的加和性 在多个波长下测定吸光度并利用解联立方程方法求解 即 3 其它分光光度分析法 双波长分光光度法a 双波长等吸收法 当光谱重叠 但两组份的两吸收峰在测定波长范围内重叠时 在其光谱中选择两波长 在选定的波长处 干扰组分有相同的吸收 被测组分与干扰组分的吸收有足够大的差别 则两波长处吸光度的差值与被测组份的浓度成正比 因为 所以 可见 在双波长分光光度法中吸光度的差值与干扰组份无关 b 比例系数双波长法 当光谱重叠 但干扰组份的吸收峰不在测定波长范围内的两组份共存时 在其光谱中选择两波长 在选定的波长处 干扰组分的吸收与测定波长处的吸收存在一定比例 即时 被测组分与干扰组分的吸收有足够大的差别 则两波长处吸光度的差值与被测组份的浓度成正比 导数分光光度法导数分光光度法是利用自动电路对光谱进行求导 其导数信号与浓度成正比 即 奇数阶导数光谱中的零 偶数阶导数光谱中的极值 极大或极小 对应于常规吸收曲线上的最大值 随着导数阶数增加 吸收峰的尖锐程度增大 带宽减小 因此有利于重叠峰的分离 有利于肩峰的测定 并能准确地确定宽吸收带上的最大吸收波长 3 偏离Beer定律的因素 偏离Beer定律的主要因素表现为以下两个方面 光学因素化学因素透光率的测量误差 五 紫外及可见分光光度计 UV 1201紫外 可见分光光度计 1 整机结构 由光源 色散系统 单色器 样品室 检测系统 信号读出与显示系统等五部分组成 钨灯或卤钨灯 可见光源350 1000nm氢灯或氘灯 紫外光源200 360nm 光源 钨灯 氘灯 吸收池 玻璃 能吸收UV光 仅适用于可见光区石英 不能吸收紫外光 适用于紫外和可见光区要求 匹配性 对光的吸收和反射应一致 色散系统组成 由单色器或滤色片组成 主要目的 从复合光中选择或分离出某一特定波长的光 滤色片 一种简单而廉价的波长选择器 通常有中性滤光片 截止滤光片 带通滤光片以及校正滤光片等 棱镜 对不同波长的光折射率不同色散元件分出的光波长不等距光栅 衍射和干涉分出的光波长等距 单色器的组成 入射狭缝 准直装置 透镜或凹面反射镜 色散元件 棱镜或光栅 聚焦元件以及出射狭缝等部分组成 分光过程 入射狭缝用于限制杂散光进入单色器 准直镜将入射光束变为平行光束后进入棱镜 棱镜将复合光分解成单色光 然后通过聚焦镜将出自色散元件的同波长的平行光聚焦于出口狭缝 通过移动出口狭缝的位置就可以将不同波长的光选择性射出 棱镜单色器的结构如下图所示 光栅单色器的结构如下图所示 设S为位于透镜L1物方焦面上的入射狭缝 G为光栅 光栅常量为d 自L1射出的平行光垂直照射在光栅G上 透镜L2将与光栅法线成 角的衍射光会聚于出口狭缝所在的面上 则产生衍射亮条纹的条件为 调整 角的大小 就可以将不同波长的光选择性射出 检测器 将光信号转变为电信号的装置 光电池光电管 红敏和蓝敏 光电倍增管 PMT 二极管阵列检测器 检测器 内部抽真空的玻璃管内配置有光电阴极 K 和阳极 A 位于两者之间的是若干个倍增极 1 3个 光电阴极和倍增极上涂有容易发射电子的光敏物质 如Sb Cs或Ag O Cs等 在K和A之间施加1000V的直流电压 PMT的结构与原理 当光信号照射在K上时 由于光电效应而产生电子 并被电场加速撞击倍增极 1 3 产生出2 5倍的次级电子 依此类推 最后在A上收集到的电子数将是K发出的电子数的105一108倍光电流 单光束型紫外可见光谱仪 这种光谱仪的单一分析光束从单色器分离而得 交互通过参比溶液和样品溶液来进行吸光度的比较并测定 2 紫外可见光谱仪的类型根据仪器的光路 分为单光束和双光束型两种类型 这种光谱仪的最大优点是结构简单 价廉耐用 维修容易 适用于常规分析 2 双光束光谱仪从光源出发的紫外和可见光经聚焦后通过狭缝进人单色器中 从复合光中经色散得到的单色光经准直和聚焦后在分光器上分为两束 并分别通过样品池和参比池 经样品池紫外吸收后的光强度和参比池光强度的差异由检测器检出 放大后以吸光度一波长或透射率一波长的形式记录下来 就可以获得样品的UV Vis的吸收光谱 3 紫外可见光谱仪的操作 A 先将仪器预热至少10分钟 启动紫外可见分光光度计应用程序 软件将自动进入到自检画面进行光谱仪的校正 波长校正可用随机配置的镨铷 Pr Nd 玻璃或鈥 huo Ho 玻璃所具有的特征吸收峰来校正 吸光度的校正可通过若干物质如CuS04 K2Cr04的标准溶液来进行 校正前按仪器厂家要求的浓度配制好标准物 在一定温度 25oC 下利用不同波长测量标准吸光度值 再与仪器厂家提供的吸光度校正表对照调整即可 B 进行光谱扫描对参照物和待测物进行光谱扫描 如实地显示样品的全波长图谱并保存起来以用于分析 4 进行紫外可见光谱检测时的分析条件的选择优化 a 样品浓度通常样品浓度小于0 Olmol L的稀溶液才遵从朗伯比尔定律 所以样品浓度过大或过小时会影响测定结果 通常应调节样品浓度使之在合适的吸光度范围 0 2 0 8 之内 b 测量波长与狭缝宽度应选择最强吸收带的最大吸收波长max为测量波长以得到最大的测量灵敏度 另外 狭缝宽度大约为样品吸收峰半宽度的十分之一左右才能兼顾灵敏度和光强度 C 溶剂的选择考虑到紫外可见光谱仪测定中存在的溶剂效应问题 制备分析用样品的溶液时必须考虑选择合适的溶剂 对溶剂的基本要求是在测定波长范围内无吸收 透明且化学惰性 不与样品发生化学反应 同时也应考虑挥发性小 毒性低 不易燃等 另外 样品应在所选溶剂中有足够的溶解度 浓度一般宜在10 5 10 2mol L范围内 下表是若干常用有机溶剂及其吸收特性 可供参考 d 分析方法分析条件优化之后 应根据定性或定量分析的目的进行分析方法的合理选择 定性分析是根据样品物质的摩尔吸收系数 峰形等测定参数与已知的数据进行比对 以推断出样品物质的结构 纯度方面的信息 定量分析的基本依据就是Lambert Beer定律 即在特定波长处被测样品的吸光度与其浓度成线性关系 定量分析方法 1 标准曲线法 预先配制一系列不同浓度的标准溶液 以不含待测组分的空白溶液作参比 测定标准溶液的吸光度 描绘出吸光度 浓度的标准曲线 根据在同等条件下测定的样品的吸光度 即可从标准曲线上求得未知样品的浓度 举例 芦丁含量测定 取样品3mg稀释至25mL 2 标准加入法 它适用于标准溶液组成与未知样品组分不尽一致的情况 其方法是 取若干份同等体积的未知样液 除第一份外 其余的依次递增加入不同量的少量标准溶液 再测定各样液的吸光度 把测得的吸光度对被测组分的