紫外吸收光谱法

第九章紫外吸收光谱法UltravioletMolecularAbsorptionSpectrometry,利用紫外吸收光谱进行定量分析的由来已久，公元60年古希腊已知道利用五味子浸液来估计醋中铁的含量。这一古老的方法由于最初是运用人的眼睛来进行检测，所以叫比色法。20世纪30年代产生了第一台光电比色计，40年代出现的BakmanUV分光光度计,促进了新的分光光度计的发展。随着计算机的发展，紫外分光光度计已向着微型化自动化在线和多组分同时测定等方向发展。,一、分子内部的运动及分子能级分子光谱比原子光谱要复杂得多,在分子中，除了有电子相对于原子核的运动外，还有组成分子的各原子在其平衡位置附近的振动，以及分子本身绕其重心的转动,分子总的能量可以认为是这三种运动能量之和即：EEe+Ev+Er式中Ee为电子能量，Ev为振动能量，Er转动能量。分子中除了电子能级外，还有振动能级和转动能级这三种能级都是量子化的、不连续的。对于简单的双原子分子，EeEvEr,二、能级跃迁与分子吸收光谱的类型,通常情况下，分子处于较低的能量状态，即基态。分子吸收能量具有量子化特征，即分子只能吸收等于二个能级之差的能量。如果外界给分子提供能量（如光能），分子就可能吸收能量引起能级跃迁，而由基态跃迁到激发态能级。E=E1-E2=h=hc/由于三种能级跃迁所需要的能量不同，所以需要不同的波长范围的电磁辐射使其跃迁，即在不同的光学区域产生吸收光谱。,1.转动能级跃迁与远红外光谱转动能级间的能量差Er约为：0.0250.003eV。可计算出转动能级跃迁产生吸收光谱位于远红外区（50300mm）,称远红外光谱或分子转动光谱。2.振动能级振动能级间的能量差Ev约为：0.025eV。可计算出振动能级跃迁产生的吸收光谱位于红外区(0.7850m)，称红外光谱或分子振动光谱。振动能级跃迁时不可避免地会产生转动能级间的跃迁。即振动光谱中总包含有转动能级间跃迁，因而产生光谱也叫振动-转动光谱。3.电子能级电子能级的能量差Ee:201eV。可计算出电子跃迁产生的吸收光谱在紫外可见光区(200780nm)，称紫外可见光谱或分子的电子光谱。电子能级迁时不可避免地会产生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，因而产生的谱线呈现宽谱带。紫外可见光谱实际上是电子-振动-转动光谱。,应该指出，紫外光可分为近紫外光（200400nm）和真空紫外光（60200nm）。由于氧、氮、二氧化碳、水等在真空紫外区（60200nm）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。,三、有机化合物的紫外吸收光谱,有机化合物此外吸收光谱（电子光谱）是由分子外层电子或价电子跃迁所产生的。按分子轨道理论，有机化合物分子中有：成键轨道，反键*轨道；成键轨道，反键轨道（不饱和烃）；另外还有非键轨道（杂原子存在）。各种轨道的能级不同，如图所示。,有机化合物的紫外可见吸收光谱，是其分子中外层价电子跃迁的结果（三种）：电子、电子、n电子。,分子轨道理论：一个成键轨道必定有一个相应的反键轨道。通常外层电子均处于分子轨道的基态，即成键轨道或非键轨道上。,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：nn*n*,生色团与助色团,生色团：最有用的紫外可见光谱是由和n跃迁产生的。这两种跃迁均要求有机物分子中含有不饱和基团。这类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NN、乙炔基、腈基CN等。助色团：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。,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。这类跃迁在跃迁选律上属于禁阻跃迁，摩尔吸光系数一般为10100Lmol-1cm-1，吸收谱带强度较弱。分子中孤对电子和键同时存在时发生n跃迁。丙酮n跃迁的为275nmmax为22Lmol-1cm-1（溶剂环己烷)。,n*跃迁发生在含有杂原子的不饱和化合物中，其最大摩尔吸光系数max（表示物质对光吸收能力大小的参量）比较小，吸收峰随溶剂极性增加而向短波方向移动，即产生蓝移，下表列出了一些常见生色团n*跃迁的吸收特性。,*跃迁可以发生在任何具有不饱和键的有机化合物分子中，其最大摩尔吸光率很大，吸收峰随溶剂极性增加向长波方向移动，即产生红移。下表列出了一些常见生色团*跃迁的吸收特性。,当一个分子中含有两个或两个以上的生色团时，按相互间的位置可以分为共轭和非共轭两种情况：非共轭时，各个生色团各自独立吸收，吸收带由各生色团的吸收带叠加而成；共轭时，生色团原有的吸收峰会发生改变，可产生新的吸收峰。下表列出了一些有关共轭结构的化合物的吸收特性。,另有一些基团，本身并不产生吸收峰，但与生色团共存于同一分子时，可引起吸收峰的位移和吸收强度的改变，这些基团称为助色团。如苯环的一个氢原子被一些基团取代后，苯环在254nm处的吸收带的最大吸收位置和强度就会改变。,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，如图所示。,红移和蓝移,5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）,6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7强带和弱带：max105强带min104共轭体系增长，max红移，max溶剂极性，对于(CHCH)nmax不变对于CHCCOmax红移,3B带：由*跃迁产生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极性溶剂中，或苯环连有取代基，其精细结构消失,4E带：由苯环环形共轭系统的*跃迁产生芳香族化合物的特征吸收带E1180nmmax104（常观察不到）E2200nmmax=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）,影响紫外-可见吸收光谱的因素,物质的吸收光谱与测定条件有密切的关系。测定条件（温度、溶剂极性、pH等）不同，吸收光谱的形状、吸收峰的位置、吸收强度等都可能发生变化。1.温度在室温范围内，温度对吸收光谱的影响不大。,2.溶剂注意如下几点：（1）同一种物质由于使用的溶剂不同，得到的紫外可见吸收光谱的峰形和最大吸收位置可能不一样，所以在测定物质的吸收光谱时，一定要注明所使用的溶剂（2）尽量选用低极性溶剂；（3）能很好地溶解被测物，并且形成的溶液具有良好的化学和光化学稳定性；（4）溶剂在样品的吸收光谱区无明显吸收。,影响吸收带位置的因素：1溶剂效应：对max影响：n-*跃迁：溶剂极性，max蓝移-*跃迁：溶剂极性，max红移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max2pH值的影响：影响物质存在型体，影响吸收波长,可见分光光度计,紫外-可见分光光度计,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3202500nm。紫外区：氢、氘灯。发射185400nm的连续光谱。,仪器结构,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。,3.样品室,样品室放置各种类型的吸收池（比色皿）和相应的池架附件。吸收池主要有石英池和玻璃池两种。在紫外区须采用石英池，可见区一般用玻璃池。4.检测器利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号，常用的有光电池、光电管或光电倍增管。,5.结果显示记录系统检流计、数字显示、微机进行仪器自动控制和结果处理,1.单光束简单，价廉，适于在给定波长处测量吸光度或透光度，一般不能作全波段光谱扫描，要求光源和检测器具有很高的稳定性。,2.双光束自动记录，快速全波段扫描。可消除光源不稳定、检测器灵敏度变化等因素的影响，特别适合于结构分析。仪器复杂，价格较高。,分光光度计类型,3.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。=12nm。两波长同时扫描即可获得导数光谱。,1.单组分的测定通常采用A-C标准曲线法定量测定。2.多组分的同时测定若各组分的吸收曲线互不重叠，则可在各自最大吸收波长处分别进行测定。这本质上与单组分测定没有区别。若各组分的吸收曲线互有重叠，则可根据吸光度的加合性求解联立方程组得出各组分的含量。A1=a1bcab1bcbA2=a2bcab2bcb,普通分光光度分析方法,普通分光光度法一般只适于测定微量组分，当待测组分含量较高时，将产生较大的误差。需采用示差法。即提高入射光强度，并采用浓度稍低于待测溶液浓度的标准溶液作参比溶液。设：待测溶液浓度为cx，标准溶液浓度为cs(cscx)。则：Ax=bcxAs=bcsxs=b(cxcs）=bc测得的吸光度相当于普通法中待测溶液与标准溶液的吸光度之差。,示差分光光度法,示差法测得的吸光度与c呈直线关系。由标准曲线上查得相应的c值，则待测溶液浓度cx：cx=cs+c,普通法：cs的T=10%；cx的T=5%示差法：cs做参比，调T=100%则：cx的T=50%；标尺扩展10倍,示差法标尺扩展原理,不需空白溶液作参比；但需要两个单色器获得两束单色光(1和2)；以参比波长1处的吸光度A1作为参比，来消除干扰。在分析浑浊或背景吸收较大的复杂试样时显示出很大的优越性。灵敏度、选择性、测量精密度等方面都比单波长法有所提高。AA2A1(21)bc两波长处测得的吸光度差值A与待测组分浓度成正比。1和2分别表示待测组分在1和2处的摩尔吸光系数。,双波长法,关键问题:,测量波长2和参比波长1的选择与组合以两组分x和y的双波长法测定为例：设：x为待测组分，y为干扰组分，二者的吸光度差分别为:Ax和Ay，则该体系的总吸光度差Ax+y为：Ax+y=Ax+Ay如何选择波长1、2有一定的要求。,选择波长组合1、2的基本要求是：,选定的波长1和2处干扰组分应具有相同吸光度，即：Ay=Ay2Ay1=0故：Ax+y=Ax=(x2x1)bcx此时：测得的吸光度差A只与待测组分x的浓度呈线性关系，而与干扰组分y无关。若x为干扰组分，则也可用同样的方法测定y组分。,可采用作图法选择符合上述两个条件的波长组合。,在选定的两个波长1和2处待测组分的吸光度应具有足够大的差值。,导数分光光度法在多组分同时测定、浑浊样品分析、消除背景干扰、加强光谱的精细结构以及复杂光谱的辨析等方面，显示了很大的优越性。利用吸光度(或透光度)对波长的导数曲线来进行分析：0e-bc假定入射光强度0在整个波长范围内保持恒定：dI0/d0则：dI/d0bce-bcd/d0bcd/d,导数分光光度法,dI/d0bcd/d一阶导数信号与试样浓度呈线性关系；测定灵敏度依赖于摩尔吸光系数对波长的变化率d/d。吸收曲线的拐点处d/d最大，故其灵敏度最高(见图）。同理可以导出其二阶和三阶导数光谱（略）,紫外-可见吸收光谱的应用,紫外-可见吸收光谱除主要可用