第3章 紫外—可见分光光度法

1、2022-4-31The most cited article in Analytical Chemistry from 1945 to 1999 Describes a colorimetric method for measuring sugar spectrometry any technique that uses light to measure chemical concentrations第三章第三章 紫外紫外可见分光光度法可见分光光度法2022-4-32一、分子吸收光谱分析的发展概况一、分子吸收光谱分析的发展概况可见可见- -紫外紫外- -红外红外目视比色目视比色- -光电比色

2、光电比色- -分光光度分光光度光声光谱光声光谱- -长光程吸收光谱长光程吸收光谱- -传感器传感器第一节第一节 概述概述2022-4-33二、分子吸收光谱的分类和特征二、分子吸收光谱的分类和特征l紫外紫外-可见可见电子光谱电子光谱 Ee =1 - 20 eVl红外红外振动光谱振动光谱0.05-1l远红外远红外转动光谱转动光谱0.005-0.052022-4-3在分子中，除了电子相对于原子核的运动外，还有在分子中，除了电子相对于原子核的运动外，还有振动和转动。这三种运动能量都是量子化的，并对振动和转动。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。应有一定能级。下图为分子

3、的能级示意图。电子能级振动能级振动能级转动能级BA 分子中电子能级、振动能级和转动能级示意图分子中电子能级、振动能级和转动能级示意图2022-4-352022-4-36三、分子的电子光谱的特点：三、分子的电子光谱的特点：l在波长范围内按一定强度分布的谱带带光谱带光谱l 波长位于紫外紫外-可见区可见区2022-4-37p可进行分子的定性和定量分析p可用于一些物理化学常数的测定（如平衡常数等）p仪器结构简单、价格便宜p应用范围广泛（无机离子、有机化合物、生物大分子分析等）四、分子吸收光谱的特点定义：以定义：以A为纵坐标，为纵坐标， 为横坐标，为横坐标，绘制的绘制的A曲线。曲线。吸收光谱吸收光谱（吸

4、收曲线）（吸收曲线）特征值特征值 摩尔吸光系数摩尔吸光系数 或或Em：物质对某种波长的光的吸收能力的量度；物质对某种波长的光的吸收能力的量度； 在一定在一定下，下，c=1mol/Lc=1mol/L，L=1cmL=1cm时的吸光度。时的吸光度。单位：单位：L/(mol.cm)k = A /c LA=k c L2022-4-392022-4-39五、物质对光的选择性吸收五、物质对光的选择性吸收物质的颜色由物质与光的相互作用方式决定。物质的颜色由物质与光的相互作用方式决定。人眼能感觉到的光称可见光，波长范围是：人眼能感觉到的光称可见光，波长范围是：400760nm。让白光通过棱镜，能色散出红、橙、黄

5、、绿、蓝、紫等各色光。让白光通过棱镜，能色散出红、橙、黄、绿、蓝、紫等各色光。单色光：单色光：单一波长的光单一波长的光复合光：复合光：由不同波长的光组合而成的光，如白光。由不同波长的光组合而成的光，如白光。光的互补：光的互补：若两种不同颜色的单色光按一定比例混合得到若两种不同颜色的单色光按一定比例混合得到白光白光， 称这两种单色光为称这两种单色光为互补色光互补色光，这种现象称为，这种现象称为光的互补光的互补。2022-4-310即物质的颜色是它所吸收光的互补色。即物质的颜色是它所吸收光的互补色。无色溶液：透过所有颜色的光无色溶液：透过所有颜色的光有色溶液：透过光的颜色有色溶液：透过光的颜色黑色

6、：黑色： 吸收所有颜色的光吸收所有颜色的光白色：白色： 反射所有颜色的光反射所有颜色的光物质的本色物质的本色2022-4-3112022-4-3完全吸收完全吸收完全透过完全透过吸收黄光吸收黄光光谱示意光谱示意表观现象示意表观现象示意复合光复合光蓝光蓝光无色无色黑色黑色物质的颜色与光的关系物质的颜色与光的关系第二节第二节 化合物紫外化合物紫外可见光谱的产生可见光谱的产生 有机化合物的紫外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可见吸收光谱，是其分子中外层价电子跃迁的结果（三种）：的结果（三种）：电子、电子、电子、电子、n电子电子(P电子电子)。 分子轨道理论分子轨道理论：一个成键一

7、个成键轨道必定有一个相应的反键轨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道。通常外层电子均处于分子轨道的基态，即轨道的基态，即成键轨道或非成键轨道或非键轨道上键轨道上。 外层电子外层电子吸收紫外或可见辐射吸收紫外或可见辐射后，就从基态向后，就从基态向激发态激发态( (反键反键轨道轨道) )跃迁。跃迁。2022-4-313第二节第二节 化合物紫外化合物紫外可见光谱的产生可见光谱的产生 1. *跃迁跃迁 它需要的能量较高，一般发生在它需要的能量较高，一般发生在真空紫外光区。饱和烃中的真空紫外光区。饱和烃中的cc键属于这类跃迁，键属于这类跃迁，乙烷乙烷 max为为135nm。 2. n*

8、跃迁跃迁 吸收光谱落于远紫外光区和近紫吸收光谱落于远紫外光区和近紫外光区，如外光区，如CH3OH和和CH3NH2的的n*跃迁光谱分别为跃迁光谱分别为183nm和和213nm。2022-4-314第二节第二节 化合物紫外化合物紫外可见光谱的产生可见光谱的产生 3. *跃迁跃迁 它需要的能量低于它需要的能量低于*跃迁，吸跃迁，吸收峰近紫外光区，在收峰近紫外光区，在200 nm左右，左右， max 104，为强吸为强吸收带。如乙烯（蒸气）的最大吸收波长收带。如乙烯（蒸气）的最大吸收波长 max为为162 nm 4. n*跃迁跃迁 跃迁发生在近紫外光区。它是简跃迁发生在近紫外光区。它是简单的生色团如羰

9、基、硝基等中的孤对电子向反键轨道单的生色团如羰基、硝基等中的孤对电子向反键轨道跃迁。特点是谱带强度弱，摩尔吸光系数小。跃迁。特点是谱带强度弱，摩尔吸光系数小。 2022-4-3155. 电荷迁移跃迁电荷迁移跃迁 所谓电荷迁移跃迁是指用电磁辐射照射化合物时，电所谓电荷迁移跃迁是指用电磁辐射照射化合物时，电子从给予体向与接受体相联系的轨道上跃迁。子从给予体向与接受体相联系的轨道上跃迁。摩尔吸光系摩尔吸光系数一般都较大数一般都较大(10 4左右左右)，适宜于微量金属的检出和测定。，适宜于微量金属的检出和测定。 例：例：Fe3与与SCN形成血红色配合物，在形成血红色配合物，在490nm处处有强吸收峰。

10、其实质是发生了如下反应：有强吸收峰。其实质是发生了如下反应： Fe3 SCN h= Fe SCN 2 2022-4-316第二节第二节 化合物紫外化合物紫外可见光谱的产生可见光谱的产生（二）、常用术语（二）、常用术语1. 生色团生色团 从广义来说，所谓生色团，是指分子中可以吸收从广义来说，所谓生色团，是指分子中可以吸收光子而产生电子跃迁的原子基团。但是，人们通常将光子而产生电子跃迁的原子基团。但是，人们通常将能吸收紫外、可见光的原子团或结构系统定义为生色能吸收紫外、可见光的原子团或结构系统定义为生色团。团。 下面为某些常见生色团的吸收光谱。下面为某些常见生色团的吸收光谱。2022-4-317第

11、二节第二节 化合物紫外化合物紫外可见光谱的产生可见光谱的产生生色团 溶剂 /nm max 跃迁类型 烯 正庚烷 177 13000 * 炔 正庚烷 178 10000 * 羧基 乙醇 204 41 n* 酰胺基 水 214 60 n* 羰基 正己烷 186 1000 n*， n* 偶氮基 乙醇 339，665 150000 n*， 硝基 异辛酯 280 22 n* 亚硝基 乙醚 300，665 100 n* 硝酸酯 二氧杂环己烷 270 12 n* 2022-4-3182，助色团，助色团 助色团是指带有非键电子对的基团，如助色团是指带有非键电子对的基团，如-OH、 -OR、 -NHR、-SH、

12、-X等，它们本身不能吸收紫外等，它们本身不能吸收紫外光，与生色团相连时，会使生色团的吸收峰向长波光，与生色团相连时，会使生色团的吸收峰向长波方向移动，并且增加其吸光度。方向移动，并且增加其吸光度。2022-4-3192022-4-3 红移与蓝移红移与蓝移吸收谱带吸收谱带因引入因引入取代基或改变溶剂使最取代基或改变溶剂使最大吸收波长大吸收波长maxmax和吸收强度和吸收强度发生变化发生变化: : maxmax向向长波方向移动长波方向移动称为称为红移红移，或，或长移。向长移。向短波方向移动短波方向移动称为称为蓝移蓝移 ( (或紫或紫移移) )或短移。或短移。 吸收强度即摩尔吸光系数吸收强度即摩尔吸

13、光系数增大或减增大或减小的现象分别称为小的现象分别称为增色效应或减色效应增色效应或减色效应，如图所示。如图所示。强带强带(strong band):(strong band): maxmax10104 4弱带弱带(weak band) : (weak band) : maxmax10103 32022-4-320第二节第二节 化合物紫外化合物紫外可见光谱的产生可见光谱的产生(三三)有机化合物紫外有机化合物紫外-可见吸收光谱可见吸收光谱 1. 饱和烃及其取代衍生物饱和烃及其取代衍生物 饱和烃类分子中只含有饱和烃类分子中只含有 键，因此只能产生键，因此只能产生*跃迁跃迁。饱和烃的最大吸收峰一般小于

14、。饱和烃的最大吸收峰一般小于150nm，已超已超出紫外出紫外-可见测定的范围。可见测定的范围。 直接用烷烃和卤代烃的紫外吸收光谱分析化合直接用烷烃和卤代烃的紫外吸收光谱分析化合物的价值不大。但是它们是测定紫外和（或）可见吸物的价值不大。但是它们是测定紫外和（或）可见吸收光谱的良好溶剂。收光谱的良好溶剂。2022-4-321第二节第二节 化合物紫外化合物紫外可见光谱的产生可见光谱的产生 2. 不饱和烃及共轭烯烃不饱和烃及共轭烯烃 在不饱和烃类分子中，除含有在不饱和烃类分子中，除含有 键外，还含有键外，还含有 键，键，它们可以产生它们可以产生*和和*两种跃迁。两种跃迁。 *跃迁的跃迁的能量小于能量

15、小于 *跃迁。例如，在乙烯分子中，跃迁。例如，在乙烯分子中， *跃迁最大吸收波长为跃迁最大吸收波长为180nm 在在不饱和烃类分子中，当有两个以上的双键共轭不饱和烃类分子中，当有两个以上的双键共轭时，随着共轭系统的延长，时，随着共轭系统的延长， *跃迁的吸收带跃迁的吸收带 将明将明显向长波方向移动，吸收强度也随之增强。在显向长波方向移动，吸收强度也随之增强。在共轭体共轭体系中，系中， *跃迁产生的吸收带又称为跃迁产生的吸收带又称为K带带(5)。2022-4-322第二节第二节 化合物紫外化合物紫外可见光谱的产生可见光谱的产生化合物溶剂max/nmmax1,3-丁二烯己烷21721，0001,3

16、,5-己二烯异辛烷26843，0001,3,5,7-辛四烯 环己烷3041,3,5,7,9-癸四烯异辛烷334121，0001,3,5,7,9,11-十二烷基六烯异辛烷364138，0002022-4-3233. 羰基化合物羰基化合物 羰基化合物含有羰基化合物含有 C=O，主要可产生，主要可产生*、 n* 、n*三个吸收带，三个吸收带， n*吸收带又吸收带又称称R带，落于近紫外或紫外光区。由于醛酮与带，落于近紫外或紫外光区。由于醛酮与羧酸及羧酸的衍生物在结构上的差异，因此羧酸及羧酸的衍生物在结构上的差异，因此它们它们n*吸收带的光区稍有不同。吸收带的光区稍有不同。2022-4-3244. 苯及

17、其衍生物苯及其衍生物 苯有三个吸收带，它们都是由苯有三个吸收带，它们都是由*跃迁引起跃迁引起的。的。E1带出现在带出现在180nm（ MAX = 60，000）；）； E2带出现在带出现在204nm（ MAX = 8，000 ）；）；B带出现在带出现在255nm （ MAX = 200）。）。2022-4-3255.稠环芳烃及杂环化合物稠环芳烃及杂环化合物 稠环芳烃，如萘、蒽、芘等，均显示苯的三个吸收稠环芳烃，如萘、蒽、芘等，均显示苯的三个吸收带，但是与苯本身相比较，这三个吸收带均发生红移，带，但是与苯本身相比较，这三个吸收带均发生红移，且强度增加。随着苯环数目的增多，吸收波长红移越多，且强度

18、增加。随着苯环数目的增多，吸收波长红移越多，吸收强度也相应增加。吸收强度也相应增加。 当芳环上的当芳环上的-CH基团被氮原子取代后，则相应的氮基团被氮原子取代后，则相应的氮杂环化合物（如吡啶、喹啉）的吸收光谱，与相应的碳杂环化合物（如吡啶、喹啉）的吸收光谱，与相应的碳化合物极为相似，即吡啶与苯相似，喹啉与萘相似。此化合物极为相似，即吡啶与苯相似，喹啉与萘相似。此外，由于引入含有外，由于引入含有n电子的电子的N原子的，这类杂环化合物还原子的，这类杂环化合物还可能产生可能产生n*吸收带。吸收带。2022-4-326三、溶剂对紫外、可见吸收光谱的影响三、溶剂对紫外、可见吸收光谱的影响溶剂的极性的改变

19、会引起吸收带形状的变化和最大吸溶剂的极性的改变会引起吸收带形状的变化和最大吸收波长的变化。当溶剂的极性由非极性改变到极性时，收波长的变化。当溶剂的极性由非极性改变到极性时，精细结构消失，吸收带变向平滑。精细结构消失，吸收带变向平滑。 溶剂对异亚丙基丙酮紫外吸收光谱的影响。溶剂对异亚丙基丙酮紫外吸收光谱的影响。 正己烷正己烷 CHCl3 CH3OH H2O * max/nm 230 238 237 243 n * max/nm 329 315 309 305因此，因此，在测定紫外可见吸收光谱时，应注明溶剂种类在测定紫外可见吸收光谱时，应注明溶剂种类。2022-4-327溶剂的选择原则：溶剂的选择

20、原则：（1）溶剂应能很好地溶解被测样，溶剂对溶质应该是惰性）溶剂应能很好地溶解被测样，溶剂对溶质应该是惰性的。即所成溶液应具有良好的化学和光化学稳定性。的。即所成溶液应具有良好的化学和光化学稳定性。 （2）在溶解度允许的范围内，尽量选择极性较小的溶剂。）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。）溶剂在样品的吸收光谱区应无明显吸收。2022-4-3282022-4-30.575光源光源单色器单色器吸收池吸收池检测器检测器信号处理及显示信号处理及显示一、组成部件：光源、单色器、吸收池、检测器一、组成部件：光源、单色器、吸收池、检测器和信号指示系统。和

21、信号指示系统。第三节第三节 紫外紫外- -可见分光光度计可见分光光度计2022-4-3292022-4-329（一）光源（一）光源 要求：在所需的光谱区域内能发射连续辐射，要求：在所需的光谱区域内能发射连续辐射，有足够的辐射强度和良好的稳定性，辐射能量随波长有足够的辐射强度和良好的稳定性，辐射能量随波长的变化应尽可能小。的变化应尽可能小。 分光光度计中常用的光源有热辐射光源和气体放分光光度计中常用的光源有热辐射光源和气体放电光源两类。电光源两类。 热辐射光源用于可见光区，如钨丝灯和卤钨灯；热辐射光源用于可见光区，如钨丝灯和卤钨灯；气体放电光源用于紫外光区，如氢灯和氘灯。气体放电光源用于紫外光区

22、，如氢灯和氘灯。2022-4-330第三节第三节 紫外紫外- -可见分光光度计可见分光光度计（二）单色器（二）单色器主要功能：产生光谱纯度高的波长且波长在紫主要功能：产生光谱纯度高的波长且波长在紫外可见区域内任意可调。外可见区域内任意可调。主要类型：能起分光作用的色散元件主要是棱主要类型：能起分光作用的色散元件主要是棱镜和光栅。镜和光栅。2022-4-331第三节第三节 紫外紫外- -可见分光光度计可见分光光度计 棱镜有玻璃和石英两种材料。玻璃棱镜只能用于棱镜有玻璃和石英两种材料。玻璃棱镜只能用于350 3200 nm的波长范围，即只能用于可见光域内。的波长范围，即只能用于可见光域内。石英棱镜

23、可使用的波长范围较宽，可从石英棱镜可使用的波长范围较宽，可从185 4000nm，即可用于紫外、可见和近红外三即可用于紫外、可见和近红外三 个光域。个光域。 光栅可用于紫外、可见及红外光域，而且在整个波光栅可用于紫外、可见及红外光域，而且在整个波长区具有良好的、几乎均匀一致的分辨能力。它具有色长区具有良好的、几乎均匀一致的分辨能力。它具有色散波长范围宽、分辨本领高、成本低、便于保存和易于散波长范围宽、分辨本领高、成本低、便于保存和易于制备等优点。缺点是各级光谱会重叠而产生干扰。制备等优点。缺点是各级光谱会重叠而产生干扰。2022-4-332第三节第三节 紫外紫外- -可见分光光度计可见分光光度

24、计（三）吸收池（三）吸收池 吸收池用于盛放分析试样，一般有石英和玻璃吸收池用于盛放分析试样，一般有石英和玻璃材料两种。石英池适用于可见光区及紫外光区，玻材料两种。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。璃吸收池只能用于可见光区。为减少光的损失，吸为减少光的损失，吸收池的光学面必须完全垂直于光束方向收池的光学面必须完全垂直于光束方向。在高精度。在高精度的分析测定中，吸收池要挑选配对。因为吸收池材的分析测定中，吸收池要挑选配对。因为吸收池材料的本身吸光特征以及吸收池的光程长度的精度等料的本身吸光特征以及吸收池的光程长度的精度等对分析结果都有影响。对分析结果都有影响。2022-4

25、-333（四）检测器（四）检测器 常用的检测器有光电池、光电管和光电倍增管等。常用的检测器有光电池、光电管和光电倍增管等。 硒光电池对光的敏感范围为硒光电池对光的敏感范围为300800nm，其中又其中又以以500 600nm最为灵敏。这种光电池的特点是能产生最为灵敏。这种光电池的特点是能产生可直接推动微安表或检流计的光电流，但由于容易出现可直接推动微安表或检流计的光电流，但由于容易出现疲劳效应而只能用于低档的分光光度计中。疲劳效应而只能用于低档的分光光度计中。 光电管在紫外光电管在紫外-可见分光光度计上应用较为广泛。可见分光光度计上应用较为广泛。 光电倍增管是检测微弱光最常用的光电元件。光电倍

26、增管是检测微弱光最常用的光电元件。2022-4-334第三节第三节 紫外紫外- -可见分光光度计可见分光光度计（五）信号指示系统（五）信号指示系统 它的作用是放大信号并以适当方式指示或它的作用是放大信号并以适当方式指示或记录下来。常用的信号指示装置有直读检流计、记录下来。常用的信号指示装置有直读检流计、电位调节指零装置以及电位调节指零装置以及数字显示数字显示或自动记录装置或自动记录装置等。很多型号的分光光度计装配有微处理机，一等。很多型号的分光光度计装配有微处理机，一方面可对分光光度计进行操作控制，另一方面可方面可对分光光度计进行操作控制，另一方面可进行数据处理。进行数据处理。2022-4-3

27、35第三节第三节 紫外紫外- -可见分光光度计可见分光光度计二、紫外二、紫外-可见分光光度计的类型可见分光光度计的类型 紫外紫外-可见分光光度计的类型很多，但可归纳为三可见分光光度计的类型很多，但可归纳为三种类型，即单光束分光光度计、双光束分光光度计和双波种类型，即单光束分光光度计、双光束分光光度计和双波长分光光度计。长分光光度计。1，单光束分光光度计，单光束分光光度计 经单色器分光后的一束平行光，轮流通过参比溶液和经单色器分光后的一束平行光，轮流通过参比溶液和样品溶液，以进行吸光度的测定。这种简易型分光光度计样品溶液，以进行吸光度的测定。这种简易型分光光度计结构简单，操作方便，维修容易，适用

28、于常规分析。结构简单，操作方便，维修容易，适用于常规分析。2022-4-336第三节第三节 紫外紫外- -可见分光光度计可见分光光度计2，双光束分光光度计，双光束分光光度计 经单色器分光后经反射镜分解为强度相等的两束经单色器分光后经反射镜分解为强度相等的两束光，一束通过参比池，一束通过样品池。光度计能自光，一束通过参比池，一束通过样品池。光度计能自动比较两束光的强度，此比值即为试样的透射比，经动比较两束光的强度，此比值即为试样的透射比，经对数变换将它转换成吸光度并作为波长的函数记录下对数变换将它转换成吸光度并作为波长的函数记录下来。来。 双光束分光光度计一般都能自动记录吸收光谱曲双光束分光光度计一般都能自动记录吸收光谱曲线。线。由于两束光同时分别通过参比池和样品池，还能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自动消除光源强度变化所引起的误差。2022-4-3372022-4-338第四节第四节 分析条件的选择分析条件的选择一、一、 测量条件的选择测量条件的选择 1.吸光度的范围：吸光度