第十一章紫外可见吸收光谱法.ppt

第十一章紫外可见吸收光谱法Ultraviolet-visibleAbsorptionSpectrometry,化妆品安全吗？,化妆品中含重金属并不罕见，不过加拿大近期一项对49个知名品牌化妆品的测试结果还是足以令人大吃一惊，所有化妆品中几乎都“潜伏”着砷、镉、铅等有毒物质。其中，倩碧的幻真控油粉底液含有砷、铍、镉、镍、铅和铊6种有毒物质，睫毛膏“BareNaturale”，也被检测出含有和倩碧一样的6种有毒物。,化妆品里常添加重金属元素，如砷具有强还原性，在美容品中，它的作用和维生素C是类似的，是作为一种还原剂，以避免你的皮肤被氧化。皮肤变黑，起皱，老化都是细胞被氧化的结果；如汞、铅，可以淡化黑斑，美白肌肤，但重金属有毒，国内有严格限定，尤其对汞、铅、砷三种元素的限制是有严格要求的。,化妆品的检验,砷的毒性与化学形态有关。砷化物进入人体可引起组织代谢紊乱，细胞死亡，对呼吸系统、消化系统、血液系统、神经系统等造成危害，能引起（肺癌、皮肤癌），有机砷对中枢神经系统有损害。限用量10ppm(10mg/kg)银盐法测定原理：将一定量的试样经过灰化或消化处理后，在碘化钾和氯化亚锡的作用下，样液中五价砷被还原为三价，再与新生态的氢生成砷化氢气体，通过用乙酸铅溶液浸泡的棉花去除硫化氢干扰，然后与溶于三乙醇胺-氯仿中的二乙氨基二硫代甲酸银作用，生成棕红色的胶态银，比色定量。,砷的测定：,食品中维生素C含量的测定,辣椒中的维生素C的含量较高，有些品种可高达198mg/100g，橙子中维生素C的含量也达70mg/100g，苹果维生素C的含量约10mg/100g，葡萄维生素C的含量约25mg/100g。,总抗坏血酸（维生素C）的2，4-二硝基苯肼比色法（GB/T5009.86-2003）原理：总抗坏血酸包括还原型、脱氧型和二酮古乐糖酸，样品中还原型抗坏血酸经活性炭氧化为脱氢抗坏血酸，然后与2，4-二硝基苯肼作用生成红色的脎。脎在浓硫酸的脱水作用下，可转变为橘红色的无水化合物双2，4-二硝基苯，在硫酸溶液中显色稳定，最大吸收波长为520nm，吸光度与总抗坏血酸含量成正比，故可进行比色测定。,食品中维生素C含量的测定,方法概述基本原理紫外可见分光光度计定量分析,内容,重点与难点,L-B定律基本原理及偏离紫外可见分光光度计结构显色反应与显色条件选择吸光度测量条件选择光度计测量误差计算吸光光度法定量分析方法高含量组分测定示差分光光度法,11-1方法概述,紫外-可见吸收光谱法（UV-Vis）是分子光谱法，它利用分子中的某些价电子可吸收一定波长的光，由低能级（基态）向高能级（激发态）跃迁；UV-Vis涉及分子外层电子的能级跃迁；光谱区在200800nm；物质对一定波长的光有选择地吸收，不同物质对光的吸收不同，吸收光谱图（波长为横坐标，透光率或吸光度为纵坐标记录的曲线图形）不同。UV-Vis主要用于分子的定量分析，也可作许多化合物特别是有机化合物的定性分析。,光学光谱区,10nm200nm,200nm380nm,380nm780nm,780nm2.5m,2.5m50m,50m300m,吸收光颜色,紫外可见吸收光谱法流程图,胡萝卜素,乙酰水杨酸,咖啡因,丙酮,几种有机化合物的紫外可见光谱图,分子的能量,电子能量,振动能量,转动能量,核内能,平动能量,内旋转能,11-2基本原理,分子光谱是带状光谱,分子能够吸收的能量：,Ee最大：1-20eV;该能量光在100-800nm,即紫外可见光谱；Ev次之：0.05-1eV;Er最小：0.05eV；电子能级决定光谱带中相邻谱线的间隔，转动能级使产生带状光谱。,Ee,Ev,Er,*跃迁引起的吸收谱带n*跃迁引起的吸收谱带n*跃迁引起的吸收谱带*跃迁引起的吸收谱带荷移光谱（p-d）引起的吸收谱带配位体场跃迁（dd*,ff*）引起的吸收谱带,UV-Vis光谱的类型（1）,UV-Vis光谱的类型（2）,HCHO,成键轨道：、反键轨道：*、*非键轨道：n,UV-Vis光谱的类型（3）,各轨道能级高低顺序：n*n*n*,*跃迁（饱和烃类）,跃迁所需能量最大，相应的吸收波长最短，在远紫外区,n*跃迁（含杂原子）,跃迁所需能量较大，相应的吸收波长较短，在200nm附近,n*跃迁（带孤对电子的杂原子与其他键共轭）,跃迁所需能量最低，相应的吸收波长在近紫外或可见光区，强度较低,*跃迁（不饱和烃类）,跃迁所需能量低，相应的吸收波长在近紫外区，吸收强度大,UV-Vis光谱的类型（4）,对有机化合物分析来说，最常用的吸收光谱是基于-*和n-*跃迁而产生的，实现这两类跃迁所需要吸收的能量相对较小，其吸收峰波长一般都处于大于200nm的近紫外区，对n-*跃迁甚至可能在可见区，属于是我们研究的重点。,UV-Vis光谱的类型（5）,荷移光谱（p-d）,D:e给予体A:e接受体,谱带宽吸收强度大104，定量,无配场,八面体场,四面体场,平面四边形场,d轨道电子云分布及在配场下的分裂示意图,配位体场吸收光谱,有机化合物光谱类型n*跃迁*跃迁荷移光谱（p-d）无机化合物类型荷移光谱（p-d）配位体场跃迁（dd*,ff*）,UV-Vis光谱的类型（5）,（1）吸收带的类型,常用术语,生色团分子中含有一个或一个以上的某些不饱和基团（非键轨道或键轨道的电子体系），能吸收外来辐射时并引起n-*和-*跃迁，此类物质往往有颜色，不饱和基团称为生色团。助色团本身无颜色，但含有孤对电子，可使生色团吸收峰向长波方向移动并提高吸收强度的一些官能团，称之为助色团。,（2）生色团和助色团,（3）红移和蓝（紫）移,由于化合物的结构改变（如引入助色团或发生共轭作用）或改变溶剂等而引起的吸收峰向长波方向移动的现象称为红移，反之称为蓝移。,（4）增色和减色效应,由于化合物的结构改变或其它原因而引起的吸收强度增强的现象称为增色效应，反之称为减色效应。,红移、蓝移、增色、减色效应,影响UV-Vis光谱的因素共轭效应：共轭体系增大，吸收波长红移，吸收强度增加。立体化学效应：因空间位阻、构象、跨环共轭等因素导致吸收波长红移或蓝移，吸收强度增色或减色。pH的影响：pH不同，其解离情况不同，使物质结构发生变化。溶剂的影响：溶剂的性质可能影响吸收峰位置、形状和强度。,物质对光的选择性吸收,当光束照射到物质上时，光与物质发生相互作用，于是产生反射、散射、吸收或透射，如图所示。,当一束光照射到物质或其溶液时，物质的分子、原子或离子与光发生“碰撞”，光子的能量就转移到分子、原子上，这些粒子由最低能态（基态）跃迁到较高能态（激发态），这个作用叫物质对光的吸收。物质对光的吸收有选择性：不同物质微粒，由于结构不同，而且有不同的量子化能级，其能量差不相同，照射光光子的能量要与被照射物质粒子的基态和激发态能量之差相当才能吸收。,物质对光的选择性吸收（1）,物质对光的选择性吸收（2）,E1,E2,单色光：具有相同能量(相同波长)的光。混合光：具有不同能量(不同波长)的光复合在一起。例如,白光。互补色光：如果把两种不同颜色的光按一定的比例混合，可以得到白光，这两种颜色的光叫互补色光。物质的颜色是由于它选择性的吸收了可见光中某一波长颜色的光而产生的。物质的颜色由透射光的波长决定。例如：高锰酸钾溶液吸收黄绿光，透过紫色光，因此呈紫色。若各种颜色透过溶液程度相同，则溶液透明。,物质对光的选择性吸收（3）,物质的颜色与吸收光的关系：,不同颜色的可见光波长及其互补光,大海为什么是蓝色的？,11-3紫外可见分光光度计,紫外可见分光光度计的结构,基本部件,光源,单色器,吸收池,检测器,稳压电源,光电管、光电倍增管二极管阵列,石英：紫外，可见玻璃：可见,棱镜光栅,紫外：氢灯、氘灯(180375nm)可见：碘钨灯(3202500nm),信号指示系统,检测系统,光源：发出所需波长范围内的连续光谱，有足够的光强度且不随而改变。可见光区：钨灯，碘钨灯紫外区：氢灯，氘灯单色器：将光源发出的连续光谱分解为单色光的装置。分光元件：滤光片，棱镜，光栅吸收池：(比色皿)用于盛待测溶液及参比溶液。可见光区：光学玻璃紫外区：石英检测器：利用光电效应，将光强度转换成电流讯号。如光电管，光电二极管阵列，光电倍增管信号指示系统：放大检测信号并以适当方式指示或记录下来。如检流计、数字显示仪和微型计算机等。,当光度计使用一段时间后其波长和吸光度将出现漂移，因此需要对其进行校正。波长标度校正：光源法校正：氘灯（486.00nm；656.10nm）使用镨-钕玻璃（可见光区）和钬玻璃（紫外光区）进行校正吸光度标度校正：采用K2CrO4标准液校正（在25oC时，于不同波长处测定含0.0400g/LK2Cr2O7的0.05molL1NaOH溶液的吸光度A，调整光度计使其A与标准值对应。,紫外可见分光光度计的校正,比色皿,不同厚度的比色皿,磨沙面,光学玻璃面,吸收池（比色皿）,721分光光度计,2100型紫外可见分光光度计,将不同波长的光透过某一固定浓度和厚度的有色溶液，测量每一波长下有色溶液对光的吸收程度（即吸光度A），然后以波长为横坐标，以吸光度为纵坐标作图，可得一曲线。这曲线描述了物质对不同波长的吸收能力，称吸收曲线或吸收光谱。,吸光度的测量（1）,从吸收曲线可以得到什么？,1.对于同一有色溶液，浓度愈大，吸光度也愈大；2.同一浓度的有色溶液对不同波长的光有不同的吸光度；3.对于同一物质，不论浓度大小如何，最大吸收峰所对应的波长(最大吸收波长max)不变。并且曲线的形状也完全相同。,吸光度的测量（2）,吸光度的测量（2）,单光束仪器：选用光学性质相同、厚度相等的吸收池分别盛入参比溶液和待侧溶液，调整仪器使透过参比溶液的透光率为100%，以此光强作为入射光I0，然后进行测定。,双光束仪器：参比池与样品池同时放入，直接测定。,11-4定量分析,I0,I,l,一束平行单色光,1.定量依据光的吸收基本定律,光的吸收基本定律示意图,I0入射光强度I透过光强度,光吸收基本定律:朗伯-比尔定律,A=lg(I0/I)=klc,意义:当一束平行单色光通过均匀、非散射的溶液时，其吸光度A与溶液的浓度c和液层厚度l的乘积成正比。k：比例系数；l：液层厚度，cm；c：溶液的浓度,定量依据,T透光率（透射比）（Transmittance）,A=lg(I0/I)=lg(1/T)=-lgT=klc,T：（01）A：（0）,吸光度A、透射比T与浓度c的关系,c,A,T,A=klc,T=10-klc,a:吸收系数，Lg-1cm-1；l：液层厚度，cm；c：溶液的浓度，gL-1,A=lg(I0/I)=alc=-lgT,A=lg(I0/I)=lc=-lgT,l：液层厚度，cm；c：溶液的浓度，molL-1;:摩尔吸光系数，Lmol-1cm-1；T:透射比,T:透射比,最常用的形式：Alc=-lgT,：摩尔吸光系数,物理意义：当吸光物质浓度为1molL-1，液池厚1cm时，一定波长的光通过溶液时的吸光度值。是由物质本性决定的，表示灵敏度。5105（高）,光吸收基本定律:朗伯-比尔定律,加和性,多组分的测定若试液属多组分体系，而各种吸光物质之间没有相互作用，这时体系的总吸光度等于各组分吸光度之和，即吸光度具有加和性，即A=A1+A2+A3+An=1lc1+2lc2+3lc3+nlcn,例,Fe2+浓度为5.010-4g.L-1的溶液，在一定条件下，经啉菲罗啉显色后，在波长510nm，比色皿厚度为2cm时测得A=0.19，求啉菲罗啉亚铁的与a值。铁的相对原子量为55.85。解：根据朗伯比尔定律A=alc,=Ma=55.85190=1.1104(L.mol-1.cm-1),M吸光物质（非显色剂）原组分的摩尔质量,例,以分光光度法测定电镀废水中的铬（VI）。取500ml水样，经浓缩和预处理后转入100ml容量瓶中定容，取出20ml试液，调整酸度，加入二苯碳酰二肼溶液显色，定容为25ml。以5.0cm吸收池于540nm波长下测得吸光度为0.540。已知540=4.2104Lmol-1cm-1，求电镀废水中铬（VI）的质量浓度。（MCr=52.00）,解：,Lambert-Beer定律的适用性适用条件：1.待测物为均一的稀溶液、气体等，无溶质、溶剂及悬浊物引起的散射；2.入射光为单色平行光。局限性：样品吸光度A与光程l总是成正比。但当l一定时，A与c并不总是成正比，即偏离L-B定律！这种偏离由样品性质和仪器决定。,朗伯-比尔定律的偏离,样品性质影响,待测物高浓度-吸收质点间隔变小质点间相互作用对特定辐射的吸收能力发生变化；试液中各组份的相互作用，如缔合、离解、光化反应、异构化、配体数目改变等，会引起待测组份吸收曲线的变化；溶剂的影响：对待测物生色团吸收峰强度及位置产生影响；胶体、乳状液或悬浮液对光的散射损失；待测样品在测定波长下发荧光或磷光；在高浓度的电解质溶液中，折射指数发生变化。,因此样品的性质能使比尔定律产生偏离的化学因素有以下两个：（1）溶液浓度的影响。当溶液浓度c0.01mol/L时，吸收粒子可能缔合影响对光的吸收，故比尔定律只适用于稀溶液。（2）化学平衡、pH值和其他条件。例如测定Cr2O72-时，水溶液中存在如下平衡：Cr2O72-+H2O2H+2CrO42-（橙色）（黄色）上式中不同形态的离子其颜色不同，平衡的移动受溶液浓度与pH的影响。为了避免不同离子共存的影响，可加入强碱和强酸或缓冲溶液，在一定pH条件下进行测定。,朗伯-比尔定律的偏离,亚甲蓝阳离子水溶液的吸收光谱,a.6.3610-6mol/Lb.1.2710-4mol/Lc.5.9710-4mol/L亚甲蓝阳离子单体max=660nm二聚体max=610nm,仪器因素（稳定性和非单色光）,假设入射光由测量波长x和干扰i波长组成，据L-B定律，溶液对在x和i的光的吸光度分别为：,当x=i时，或者说当kx=ki时，有A=kxlc,符合L-B定律；当xi时，或者说当kxki时，则吸光度与浓度是非线性的。二者差别越大，则偏离L-B越大；当kxki，测得的吸光度比在“单色光”x处测得的低，产生负偏离；反之，当kx60nm）显色反应的生成物组成恒定、化学性质稳定,波长与吸光度关系示意图,（1）测量条件的选择,Alcmax处有max，使测定有高灵敏度，因此必须选择溶液吸收最大的波长作为入射光的波长。(如显色剂在最大吸收波长处有吸收则必须重新考虑),4.定量分析条件的选择,A/选择合适的入射光波长,用光度计测量吸光度，都存在着误差。当测量A1.0吸光度时，误差会迅速增加。为了使测量范围落在0.151.0之间，可以采取以下措施:（a）改变待测溶液浓度,来控制吸光度范围。控制试样的称取量，对于组分含量高的试样，可减少称取量，或是稀释；对于含量低的溶液可增加称样量或浓缩的方法来提高浓度。（b）如果试样已经显色,可通过改变比色皿厚度来控制A值。,B/控制适当的吸光度范围,设透光误差为T（一般为2%以内）,光度计测量误差,光度计测量误差,浓度测量值的相对误差T透光率读数的绝对误差，也可被认为是仪器刻度读数不可靠引起的绝对误差。同一仪器，T基本上是一个常数。,上式说明浓度测量值的相对误差不但与仪器的误差有关，还与它本身的透光率有关。,要使测定结果的相对误差最小，对T求导数应有一极小值，即：,A=0.4343,若T=0.5%，T=0.368,则最小相对误差为1.4%。,(A=0.4343),最适宜范围：T=20%65%（A=0.70.2）,在实际工作中，应控制T在1070%，即A在0.151.0。,C/出射狭缝宽度的选择出射狭缝宽度影响测定的灵敏度和标准曲线的线性范围。出射狭缝宽度增大，入射光的单色性降低，会使灵敏度降低，校正曲线偏离L-B定律。中低档仪器的出射狭缝宽度是固定的，若可以调节时，应在确保一定入射光强度时，选择较小的狭缝宽度。,（2）显色条件的选择,显色剂用量配位数与显色剂用量有关；在形成逐级配合物，其用量更要严格控制。通常是固定其它反应条件：cM和pH等，改变c来获得最佳浓度范围:,溶液的酸度对显色反应的影响是多方面的：例如由于显色剂大多是有机弱酸，酸度影响显色剂的离解，因而影响显色剂反应的完全程度。又如许多显色剂本身就是酸碱指示剂，配位反应后的颜色必须与显色剂本身的颜色有显著的不同。二甲酚橙pH6.3呈红紫色，pH6.3呈黄色，与金属配合物则呈红色，故只适合于pH6.3的条件。,显色反应酸度,pH1pH12配合物被破坏，生成Fe(OH)3沉淀,酸度还影响配合物的组成，如Fe3+与磺基水杨酸(Sal2-)的反应：,显色温度及显色时间,如存在其它影响条件，也应采用相同的实验方法确定最适条件。,（3）参比溶液的选择,选用光学性质相同,厚度相同的比色皿贮参比溶液调节仪器,使透过参比皿的吸光度为零。测得试液的吸光度:即通过参比皿的光强度作为入射光强度。,参比溶液的作用：用它来抵消比色皿及试剂对入射光的反射和吸收，也可以抵消一些有色干扰离子的影响。,参比溶液的选择,溶剂参比：试样组成简单、共存组份少（基体干扰少）、显色剂不吸收时，直接采用溶剂（多为蒸馏水）为参比；试剂参比：当显色剂或其它试剂在测定波长处有吸收时，采用试剂作参比（即不加待测物的空白溶液）；试样参比：如试样基体在测定波长处有吸收，但不与显色剂反应时，可以试样作参比（不能加显色剂）。,（4）干扰及消除方法有的干扰离子本身有颜色，如Cu2（蓝）、Co2（红）、Cr3+（绿）、Fe3（黄）；有的与试剂生成有色配合物，如硅钼蓝法测Si时，P、As也与钼酸铵生成杂多酸且同时被还原成钼蓝干扰测定；有的与试剂或被测离子生成更稳定化合物，使被测离子配位不完全等。,干扰离子的消除方法,对于干扰离子的消除通常采用下述方法。（1）加入配位剂掩蔽干扰离子如测Ti4时，Fe3黄色干扰，可加H3PO4使其成为Fe(PO4)3（无色）。（2）调节溶液酸度如硅钼蓝在酸度46mol/L仍然稳定，但磷砷钼蓝在酸度1.6mol/L以上时则被破坏。,（3）根据配合物的稳定性不同实现分离（4）选择合适的测定波长若显色物质存在多个吸收峰且在max处存在干扰时，可选择吸收次强的峰以避开干扰，但测定灵敏度会降低。（5）分离考虑采用预先分离的方法，如沉淀、萃取、离子交换、蒸发和蒸馏以及色谱分离等。,（5）提高灵敏度及选择性的方法,合成或改进新的高灵敏、高选择的有机显色剂；分离富集和测定相结合，如用有机溶剂萃取显色产物再进行光度测定；采用三元（或多元）配合物显色体系。,（1）高含量组分的测定示差光度法,普通的分光光度法采用不含已显色被测组分的参比溶液，当待测组分含量较高时，将产生较大的误差。需采用示差法。示差光度法使用浓度比试样溶液稍低的标准溶液在同样条件下显色，用作参比溶液来调节T=100%。,5.其他定量分析方法,示差法原理参比溶液：浓度稍低的标准溶液c1。用c1调节T%为100（A=0），若被测溶液的浓度为c2。A1=lc1A2=lc2,结论：两溶液的吸光度差A与浓度差c成正比。,A=A2A1l(c2c1)lc,步骤：标准溶液c1、c2、c3。以c1作参比，调A=0测c2、c3的A，用A对c作图。同条件下测Ax。从示差工作曲线中查出cx.cx=cx+c1,示差法标尺扩展原理：普通法：cs的T=10%；cx的T=5%示差法：cs做参比，调T=100%cx的T=50%；标尺扩展10倍,示差光度法,例：若普通的分光光度法测得试样的T=7.0%，配制一浓度稍低的标准溶液S，测得T=10.0%，二者之差为3%；用示差法时，以此标准溶液S来调节仪器令T=100%，再来测定试样X，可得T=70.0%，二者之差为30%。这样，示差法相当于把标尺扩大了10倍，测量读数的相对误差也就缩小了10倍。,准确度提高的原因：使读数落入测量误差最小区域（可稀释解决）相对误差dc/(c+cs)很小，从而结果可靠。注意事项：光源强度足够强可以使用于低浓度或中浓度组分,示差光度法特点,参比溶液浓度与测量误差的关系,参比溶液浓度与测量误差的关系可用下图表示：图中A0.0为普通法的误差曲线,设仪器透光度读数的绝对误差Tr0.05，由图可见：随着参比溶液浓度的增加，即Ts减少，浓度相对误差也减小，结果示差法测定的准确度可与重量法或滴定法接近。,不同浓度标准溶液作参比时的误差曲线,1.高吸光度的参比溶液能降低测量误差，但是浓度越高，透过光线越弱，产生的光电流就越小，以至调节仪器的满标有困难。为此，要求