UV-Vis原理及应用概述VIP

.,Chap.2紫外可见分光光度法（UV-Vis）,.,主要内容,紫外-可见分光光度法的基本原理定量分析依据：Lambert-Beer定律定性和定量分析,.,又称紫外可见分子吸收光谱法，它是利用某些物质的分子吸收200800nm光谱区的辐射来进行分析测定的方法。这种产生于分子价电子在电子能级间的跃迁的光谱，广泛用于无机和有机物质的定性和定量测定。（近）紫外光区：200400nm可见光区：400800nm,紫外-可见分光光度法（Ultraviolet-visiblespectrophotometry,UV-Vis）,.,紫外-可见分光光度法的特点,1）与其它光谱分析方法相比，其仪器设备和操作都比较简单，费用少，分析速度快;2）灵敏度高（10-410-7g/ml）3）选择性好;4）精密度和准确度较高;5）用途广泛,.,1基本原理,UV-Vis的产生电子跃迁主要类型常用术语吸收带,.,1.紫外可见吸收光谱的产生,分子中电子能级、振动能级和转动能级示意图,B,A,.,吸收辐射能后：E=Ee+Ev+ErUV-Vis光谱是由分子外层电子跃迁所产生的，属于电子光谱。同时，还伴有分子内部振动能级和转动能级的跃迁，从而使谱带变宽。因此，UV-Vis光谱是带状光谱。,.,2.电子跃迁主要类型,按照价电子性质不同讨论不同的紫外-可见吸收光谱。以甲醛分子为例：存在电子，电子，n（p）电子。,.,分子轨道理论：成键轨道成键轨道n非键轨道104）。,.,配位场跃迁包括d-d跃迁和f-f跃迁。由于这两类跃迁必须在配体的配位场作用下才可能发生，因此又称为配位场跃迁。吸收峰强烈受配位环境的影响。例如Cu2+以水为配位体，吸收峰在794nm处，而以氨为配位体，吸收峰在663nm处。此类光谱吸收强度弱，较少用于定量分析。,2.6配位场跃迁,.,电子跃迁类型不同，实际跃迁需要的能量不同，吸收能量的次序为：*n*n*150nmn*200nm*200nmn*300nm,.,常见电子跃迁所处的波长范围及强度,.,实例,下列结构中所需能量最低和最高的跃迁类型？CH2=CHCH=CH2CH3-CH=CH-CHO,.,3.常用术语,3.1发色团分子中能吸收紫外光或可见光的结构系统叫做发色团或生色团。象C=C、C=O、CC等都是发色团。发色团的结构不同，电子跃迁类型也不同。一般有*或n*跃迁。,.,常见生色团的吸收光谱,.,有些原子或基团，本身不能吸收波长大于200nm的光波，但它与一定的发色团相连时，则可使发色团所产生的吸收峰向长波长方向移动，并使吸收强度增加，这样的原子或基团叫做助色团。一般指带有非键电子对的基团，如-OH、-OR、-NHR、-SH、-Cl、-Br、-I等。,3.2助色团,.,某些有机化合物因反应引入含有未共享电子对的基团使吸收峰向长波长移动的现象称为长移或红移（redshift）；相反，使吸收峰向短波长移动的现象称为短移或蓝移（紫移）（blueshift）。,3.3蓝移和红移,.,使吸收强度增加的现象称为浓色效应或增色效应（hyperchromiceffect）；使吸收强度降低的现象称为淡色效应或减色效应（hypochromiceffect）。,3.4浓色效应和淡色效应,.,又称吸收曲线，以波长（nm）为横坐标，以吸光度A或吸收系数为纵坐标。光谱曲线中最大吸收峰所对应的波长相当于跃迁时所吸收光线的波长称为max。和max相应的摩尔吸收系数为max。max104的吸收峰为强带。max270nm跃迁的几率小，吸收强度弱，104,.,CH2=CHCH=CH2max=217nmmax=104CH3-CH=CH-CHOmax=217.5nmmax=1.5104在芳香环上如有发色团取代时，也会出现K带。苯乙烯max=248nm；max=1.4104；K带苯甲醛max=249nm；max=1.1104；K带,.,取自德文：benzenoidband（苯型谱带）。它是芳香族化合物的特征吸收带。是由苯环本身的振动及闭合环状共轭双键*跃迁而产生的吸收带，又称苯的多重吸收。,4.3B带,.,特点：在230270nm呈现一宽峰，中心max=256nm，且具有精细结构（在极性溶剂中测定或苯环上有取代基时，精细结构消失）是弱吸收,max=220,4.3B带,.,苯蒸气的吸收曲线,.,取自德文：ethylenicband（乙烯型谱带）。它是芳香族化合物的另一特征吸收带。E带可分为E1及E2两个吸收带，二者可以分别看成是苯环中的乙烯键和共轭乙烯键所引起的，也属*跃迁。,4.4E带,.,E1带：max184nm左右，强吸收，4.7104，由苯环内乙烯键上的电子被激发所致。E2带：max203nm处，中强吸收，7103，由苯环的共轭二烯所引起。当苯环上有发色团取代且与苯环共轭时，E2带常与K带合并，同时吸收峰向长波移动。,.,例：苯乙酮的三个吸收峰为K（E2）带：max=240nm，=1.3104B带：max=278nm，=1100R带：max=319nm，=50,.,苯乙酮的紫外吸收光谱（溶剂：正庚烷）,.,Lambert-Beer定律是物质对光吸收的基本定律，是分光光度法定量分析的依据和基础。Lambert-Beer定律吸光系数光度法的误差,2Lambert-Beer定律,.,1.吸光度和透光率,物质对光的吸收程度：透光率：透光率为透过光的强度It与入射光强度I0之比，用T（）表示：即T=It/I0吸光度:为透光率倒数的对数，用A表示：即A=lg1/T=lgI0/It,.,1.吸光度和透光率,.,Lambert：、c一定时：AlBeer：、l一定时：Ac合并两式：Alc（c为吸光物质浓度，l为透光液层厚度）Lambert-Beer定律的物理意义：当一束平行单色光通过含有吸光物质的稀溶液时，溶液的吸光度与吸光物质浓度、液层厚度乘积成正比。,2.Lambert-Beer定律,朗伯(Lambert)像,朗伯Lambert（1728-1777）出生地：Alsace，France他发现新的几何观念：当三角形面积逐渐减少时，它的角度和会逐渐增加。Lambert被大家所熟悉的是他在上的研究。第一位提供严谨证法来说明是无理数。在Hermite证明e之前，Lambert早已推测出e及是超越数了。Lambert使得双曲函数HyperbolicFunctions首度有系统的发展，而且在物理学上对光和热的研究有许多创新。因此可知Lambert在数学、物理、天文均有重要的贡献。,.,Lambert-Beer定律的数学表达式：A=cl式中比例常数与吸光物质的本性，入射光波长及温度等因素有关，称为吸光系数。吸光系数的物理意义：吸光物质在单位浓度及单位厚度时的吸收度。是物质在一定波长下的特性常数。作用：定性、定量依据,3.吸光系数,.,3.1摩尔吸光系数,当l以cm，c以mol/L为单位，称为摩尔吸光系数，用表示。的单位为L/molcm，它表示在一定的下，物质的浓度为1.0mol/L，液层厚度为1.0cm时溶液的吸光度。,.,在一定的下，溶液浓度为1（即1g/100ml），液层厚度为1.00cm时的吸光度，用表示。,3.2百分吸光系数,.,摩尔吸光系数和百分吸光系数的关系,.,4.多组分体系-加和性,体系的总吸光度等于各组分吸光度之和A=lici前提：各吸光物质间无相互作用结论：Lambert-Beer定律适用于多组分体系,.,5.吸光度的测定-空白对比法,（1）采用光学性质相同、厚度相同的吸收池，装入空白液作参比。（2）调节仪器，使透过参比的透光率为100%。（3）测定被测液的透光率或吸光度A。,.,6.光度法的误差,主要由两方面引起：一是实际情况偏离Beer定律；二是测量误差。,根据A=cl关系式，以浓度为横坐标，吸光度为纵坐标作图，应得到一通过原点的直线，称为标准曲线或工作曲线。在实际工作中，当有色溶液的浓度较高时，往往不成直线，这种现象称为偏离朗伯比耳定律。,.,1）光学因素-入射光为非单色光原因：仪器不能提供纯粹单色光改进：选用性能好，分辨率高的分光光度计选择合适的入射光波长,6.1偏离Beer定律的原因,.,2）化学因素-介质的不均性原因：溶液中的吸光物质因浓度的改变而发生离解、缔合、溶剂化以及配合物生成等的变化，影响物质对光的吸收能力。减小方法：控制显色反应的条件适用：稀溶液,.,6.2测量误差,由朗伯-比尔定律可知：,微分后除以上式可得浓度的相对误差为：,浓度测量的误差，不但与分光光度计的读数误差（T）有关，而且与透光率T有关。求极值，令,当溶液的透光率为36.8%或吸光度为0.434时，浓度的相对误差最小。T值在6520%或A值在0.20.7之间，浓度相对误差较小，是测量的适宜范围。,.,仪器测量条件的选择显色反应条件的选择参比溶液的选择,3分析条件的选择,.,1.仪器测量条件的选择,1.1适宜的吸光度范围即当A=0.434时，吸光度测量误差最小。最适宜的测量范围为0.20.7之间。,.,通常是根据被测组分的吸收光谱，选择最强吸收带的最大吸收波长（max）为入射波长。当最强吸收峰的峰形比较尖锐时，往往选用吸收稍低，峰形稍平坦的次强峰进行测定。,1.2入射光波长的选择,.,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。一般来说，狭缝宽度大约是试样吸收峰半宽度的十分之一。,1.3狭缝宽度的选择,.,可见分光光度法一般用来测定能吸收可见光的有色溶液。对某些无色或浅色物质进行测定，常利用显色反应将被测组分转变为在可见波长范围有吸收的物质。常见的显色反应有配位反应、氧化还原反应等。,2.显色反应条件的选择,.,显色反应须满足以下条件：,1反应的生成物必须在紫外-可见光区有较强的吸光能力，即摩尔吸光系数较大；2反应有较高的选择性，即被测组分生成的化合物吸收曲线应与共存物质的吸收光谱有明显的差别；3.反应生成的产物有足够的稳定性，以保证测量过程中溶液的吸光度不变；4.反应生成物的组成恒定。,.,显色条件：,1）酸度2）显色剂的用量：过量3）显色时间和温度4）溶剂,.,3.参比溶液的选择,测定试样溶液的吸光度，需先用参比溶液调节T为100%（A为0），以消除其它成分及吸收池和溶剂等对光的反射和吸收带来的测定误差。,.,参比溶液,3.1溶剂参比试样简单、共存其它成分对测定波长吸收弱，只考虑消除溶剂与吸收池等因素；3.2试样参比如果试样基体溶液在测定波长有吸收，而显色剂不与试样基体显色时，可按与显色反应相同的条件处理试样，只是不加入显色剂。,.,3.3试剂参比如果显色剂或其它试剂在测定波长有吸收，按显色反应相同的条件，不加入试样，同样加入试剂和溶剂作为参比溶液。3.4平行操作参比用不含被测组分的试样，在相同的条件下与被测试样同时进行处理，由此得到平行操作参比溶液。,.,4紫外可见分光光度计,紫外-可见分光光度计的基本结构,.,1.1光源基本要求：在仪器操作所需的光谱区域内能够发射连续辐射，有足够的辐射强度和良好的稳定性，而且辐射能量随波长的变化应尽可能小。常用的光源有两类：热辐射光源和气体放电光源,1.主要部件,.,热辐射光源：钨灯和卤钨灯，主要用于可见光区(400760nm)；气体放电光源：氢灯和氘灯，主要用于紫外光区(200400nm)。,氘灯,.,单色器的作用是将光源辐射出的复合光分离成单色光，由狭缝（入射和出射）、准直镜和色散元件组成。核心部分是色散元件，起分光的作用。,1.2单色器,.,单色器示意图,.,1）棱镜玻璃：在紫外光区有吸收，只能用于可见光区。石英：在紫外-可见光区均无吸收，一般只用于紫外光区。2）光栅已经逐渐取代棱镜，扩大了波长测量范围，改善了波长精度和分辨率。,能起分光作用的色散元件主要是棱镜和光栅。,光栅和棱镜分光原理,.,狭缝是单色器的组成之一，对单色光的纯度起着重要作用。狭缝越窄，单色光越纯；测得的吸收峰越尖锐，但光的强度减弱，影响测定灵敏度。,.,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。石英池适用于可见光区及紫外光区，玻璃吸收池只能用于可见光区。,1.3吸收池,.,常见吸收池光程为0.11.0cm，其中1.0cm最常用。为减少光的损失，吸收池的光学面必须完全垂直于光束方向。,.,检测器的作用是检测光信号，并将光信号转变为电信号。类型：（1）光电池：硒光电池（可见）硅光电池（紫外可见）（2）光电管：蓝（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，灵敏现今使用的分光光度计大多采用光电管或光电倍增管作为检测器。,1.4检测器,.,1）光电管阴极凹面内侧涂有光敏材料，被足够能量的光子照射后发射电子。当阴极与阳极之间存在电位差时，阴极发射的电子流向阳极形成光电流。光电流的大小与照射光强度成正比。光电流较小，需要放大后才能检测。,.,2）光电倍增管原理与光电管相似，区别在于阴极与阳极之间还有9个倍增极。每个电子经过倍增极时发射出多个新电子，该过程一直重复到第9个倍增极，此时发射出的电子数目大大增加，然后被阳极收集，产生较大的电流，再经放大，显示。这样，大大提高了仪器的灵敏度。,.,1.5信号显示系统,功能：信号的处理及读出常用的记录系统有电位计、检流计、示波器及数据台、数字电压表等,.,2.紫外-可见分光光度计的类型,2.1单光束分光光度计简易型分光光度计，结构简单，操作方便，维修容易，适用于常规分析。2.2双光束分光光度计一般都能自动记录吸收光谱曲线。由于两束光同时分别通过参比池和样品池，还能自动消除光源强度变化所引起的误差。2.3双波长分光光度计优点：是可以在有背景干扰或共存组分吸收干扰的情况下对某组分进行定量测定。,双光束光度计示意图,双波长光度计光路示意图,.,3.分光光度计的校正和检验,3.1波长校正3.2吸光度校正3.3杂散光的检验3.4稳定性的检验,.,5紫外-可见吸收光谱与分子结构,化合物的UV-Vis特征，主要取决于分子中发色团与助色团以及它们之间的共轭情况，UV-Vis光谱在研究化合物的结构中，可以推定分子的骨架，判断发色团之间的共轭关系和估计共轭体系中取代基的种类、位置和数目。,.,1.有机化合物的紫外吸收光谱,1.1饱和化合物1）饱和烃类化合物：只含有单键（键），只能产生*跃迁，吸收带位于远紫外区，如甲烷和乙烷的吸收带分别在125nm和135nm。在近紫外区（200400nm）没有吸收（透明），因此在紫外吸收光谱中常用作溶剂。,.,2）含有杂原子的饱和化合物：除了*跃迁，还有n*跃迁，其吸收带在近紫外区的也不多，但若作溶剂使用，可能在200nm以上出现末端吸收，会增强或影响被测组分在该区域的吸收，从而产生测量误差。因此测定波长须大于溶剂的截止波长。,.,1.2不饱和化合物,1）简单的不饱和化合物：由于含有键而具有*跃迁，*跃迁能量比*小，但对于非共轭的简单不饱和化合物跃迁能量仍然较高，吸收峰位于远紫外区。如最简单的乙烯化合物，吸收峰在170nm附近，104。若C=C双键上连接的H原子被烷基取代，可产生超共轭效应，吸收峰红移，烷基取代数越多，红移值越大。,.,若C=C双键上连接的H原子被助色团取代，*吸收将发生红移，甚至移到紫外光区。原因是助色团中的n电子可以产生p-共轭，使*跃迁能量降低。CH2CH-OCH3max190nmCH2CH-N(CH3)2max228nm,.,2）共轭烯烃：在同一分子中，若两个生色团只隔一个单键则形成共轭体系，共轭体系中两个生色团相互影响，其吸收光谱与单一生色团相比，有很大改变：即吸收峰红移，吸收强度增加。共轭体系越长，吸收峰红移越显著。,.,.,3）、-不饱和羰基化合物在、-不饱和醛、酮、酸、酯中，由于C=O与C=C共轭，使n*、*跃迁红移。*：200nm至215250nm（104）n*：280nm至310350nm（100）,.,4）芳香族化合物芳香族化合物在近紫外区显示特征的吸收光谱。苯是最简单的芳香族化合物，具有环状共轭体系，在紫外光区有E1带、E2带和B带三个吸收带，都是由*跃迁产生的。B带是芳香族化合物的特征，对鉴定芳香族化合物很有价值。,.,在苯环上引入取代基，会使苯的*跃迁引起的各吸收带发生位移。苯环上有取代基时，一般引起B带的精细结构消失，并且各谱带的max发生红移，max值通常增大。,.,i.单取代苯当引入的基团为助色基团时，取代基对吸收带的影响大小与取代基的推电子能力有关。推电子能力越强，影响越大。顺序为-O-NH2-OCH3-OH-Br-Cl-CH3当引入的基团为发色基团时，其对吸收谱带的影响程度大于助色基团。影响的大小与发色基团的吸电子能力有关，吸电子能力越强，影响越大。其顺序为-NO2-CHO-COCH3-COOH-CN-、-COO-SO2NH2-NH3+,.,ii二取代苯在二取代苯中，由于取代基的性质和取代位置不同，产生的影响也不同。a当两个不同类基团对位取代时，由于两个取代基效应相反，产生协同作用，故max产生显著的红移。效应相反的两个取代基若相互处于间位或邻位时，则二取代物的光谱与各单取代物的区别是很小的。,.,例如：,260nm280nm380nm280nm282.5nm,.,b当同类基团取代时，由于效应相同，两个基团不能协同，则吸收峰往往不超过单取代时的波长，且邻、间、对三个异构体的波长也相近。例如：,230nm260nm258nm255nm255nm,.,2.影响紫外吸收光谱的因素,UV-Vis光谱主要取决于分子结构和取代基，但是分子中的结构因素和测定条件也会影响光谱。主要体现在对共轭作用的影响。,.,2.1空间位阻的影响,各生色因子处于同一平面才能达到有效共轭，若发色团之间或发色团与助色团之间太拥挤，就会排斥于同一平面之外，使共轭程度降低，跃迁所需能量增大，吸收峰蓝移，吸收强度减小。,.,1）基团异构：共轭体系越大，吸收波长越长，越大；共轭体系越小，吸收波长越短，越小。2）顺反异构：通常顺式异构体由于空间位阻的影响，吸收峰蓝移，吸收强度降低。max（顺式）激发态能级的能量下降：基态激发态实现n*跃迁需要的E增加，故使吸收峰蓝移。,2.4溶剂效应的影响,.,2）*跃迁所产生的吸收峰随着溶剂极性的增加而向长波长方向移动。极性：基态激发态氢键作用强度：基态激发态能级的能量下降：基态激发态实现p*跃迁需要的E增加，故使吸收峰红移。,溶剂对n*，*的影响,.,体系pH的改变可能引起共轭体系的延长或缩短，从而引起吸收峰位置的改变，对一些不饱和酸、烯醇、酚及苯胺类化合物的紫外光谱影响很大。,2.5体系pH的影响,（a）苯酚的UV光谱图（b）苯胺的UV光谱图,溶液酸碱性对紫外光谱的影响,酚酚盐，氧上孤对电子增多，p-p共轭增强，E减小，吸收峰红移。,胺胺盐，氮上孤对电子消失，p-p共轭消失，E增大，吸收峰蓝移。,.,在药物成分分析中，可利用紫外吸收光谱变化规律来推断结构中的酸性、碱性基团。如果化合物溶液从中性变为碱性时，吸收峰发生红移，表明该化合物为酸性物质；如果化合物溶液从中性变为酸性时，吸收峰发生蓝移，表明化合物可能为芳胺。,2.5体系pH的影响,.,6紫外-可见吸收光谱的应用,定性鉴别纯度检查定量分析结构分析,.,1.定性鉴别,利用UV-Vis光谱对有机化合物进行定性鉴别的主要依据是多数有机化合物具有特征吸收光谱，如吸收光谱的形状、吸收峰数目、各吸收峰的波长位置、强度与相应的吸光系数等。利用UV-Vis光谱对有机化合物进行定性鉴别，一般采用对比法。,.,1）比较吸收光谱的特征数据：有些结构相似的化合物max相同，但分子量不同，所以吸光系数存在差别，可用作鉴别依据。2）比较吸光度比值的一致性：有些化合物不只一个吸收峰，可用在不同吸收峰处测得吸光度的比值A1/A2或1/2作为鉴别的依据。3）比较吸收光谱的一致性：如果两者完全相同，则可能是同一种化合物；如果两者有明显差别，则肯定不是同一种化合物。,.,2.纯度检查,1）杂质检查：若被检样品在一定的波长范围内无明显吸收而所含杂质有吸收，则检样中含有少量杂质都可用UV-Vis光谱检查出来。2）杂质的限量检查：可利用吸光度或吸收峰与谷处吸光度的比值来控制药品中杂质的含量。,.,3.定量分析,原理：Lambert-Beer定律,.,A,c,标准工作曲线,3.1单组分定量分析,1）标准曲线法：用标准品配制一组不同浓度的标准序列，在选定条件下分别测定吸光度，绘制吸光度-浓度曲线，即标准曲线。在相同条件下测出样品的吸光度，然后由标准曲线确定样品溶液的浓度。,.,2）标准对照法：在选定波长处，分别测定样品溶液和标准品溶液的吸光度，然后求出样品的含量。,.,3）吸光系数法：若吸收池厚度l和吸光系数或E已知，即可根据测得的吸光度A求出被测物浓度：c=A/l或c=A/El,.,适应性1）标准曲线法：有对照品，大量未知样品2）标准对照法：有对照品，A-c关系严格符合Beer定律3）吸光系数法：吸光系数已知，仪器较精密,三种定量分析方法的比较,.,通常吸光系数可从有关文献中查出；也可将被测溶液的吸光度换算成样品的吸光系数，然后与纯品的吸光系数相比较，求算样品中被测组分含量。,.,3.2多组分定量分析,多组分体系-加和性体系的总吸光度等于各组分吸光度之和A=lici前提：各吸光物质间无相互作用结论：Lambert-Beer定律适用于多组分体系,.,以二元混合组分的测定为例,三种情况：1）两组分的最大吸收峰互不重合：即在a组分的最大吸收波长1处，b组分没有吸收；在b组分的最大吸收波长2处，a组分无吸收。按单组分测定方法测a和b两组分即可。,.,以二元混合组分的测定为例,2）两组分的吸收光谱曲线部分重合：在a组分的最大吸收波长1处，b组分无吸收；但在b组分的最大吸收波长2处，a组分有吸收。,.,3）两组分的吸收光谱曲线互相重合：在a组分的最大吸收波长1处，b组分有吸收；在b组分的最大吸收波长2