第三章-紫外及可见吸收光谱法.ppt

1、1,第三章 紫外及可见吸收光谱法Ultraviolet and Visible UV-Vis Spectrophotometry,2,方法特点,用于无机物和有机物的定量分析，也可以进行有机物的定性及结构分析 较高的灵敏度（10-410-7gmL-1）和较高准确度 仪器操作简单快速,3,本章讨论内容 讨论光的吸收定律，主要介绍紫外 及可见吸收法的应用，扼要介绍紫外及可 见分光光度计和实验技术,4,3-1 电磁辐射的选择吸收,一物质的颜色 可见光：400750nm 溶液的颜色由透射光波长决定 物质呈现的颜色是物质对不同波长的光选择必性吸收的结果,5,单色光、复合光、光的互补,单色光,复合光,光的互

2、补,单一波长的光,由不同波长的光组合而成的光,若两种不同颜色的单色光按一定的强度比例混合得到白光，那么就称这两种单色光为互补色光，这种现象称为光的互补。,6,物质颜色与吸收光颜色的互补关系,吸收光 物质颜色 颜色波长/nm 黄绿紫 400450 黄蓝 450480 橙绿蓝 480490 红蓝绿 490500 紫红绿 500560 紫黄绿 560580 蓝黄 580600 绿蓝橙 600650 蓝绿红 650780,7,7.1.2 物质对光的吸收,物质的颜色与光的关系,完全吸收,完全透过,吸收黄色光,光谱示意,表观现象示意,复合光,8,分子吸收光谱的产生 在分子中，除了电子相对于原子核的运动外，

3、还有核间相对位移引起的振动和转动。这三种运动能量都是量子化的，并对应有一定能级。,电子能级,振动能级,转动能级,B,A,分子中电子能级、振动能级和转动能级示意图,9, E电子 E振动 E转动 分子的总能量可以认为是这三种能量的总和： E分子 = E电子 + E振动 + E转动,10,二 吸收的本质选择性,当入射光子的能量等于吸光物质的基态和激发态能量之差时才会被吸收 由于物质的分子（或离子）只有有限数目的量子化能级，物质对辐射的吸收是有选择性的 被激发的粒子在108s后又回到基态，并以热的形式或荧光等形式释放能量,11,与光子碰撞发生能量转移 M + hv M* 基态 激发态,12,光作用于物

4、质时，物质吸收了可见光，而显示出特征的颜色，这一过程与物质的性质及光的性质有关。,物质对光的吸收,物质对光的吸收满足Plank 条件,13,电子的多重态,14,吸收光谱 Absorption Spectrum,纯 电子能态 间跃迁,分子内电子跃迁,带状光谱,锐线光谱,15,物质的电子结构不同，所能吸收光的波长也不同，构成了物质对光的选择吸收基础。,例：,A 物质,B 物质,同理，得：,1 ev = 1.610-19 J.,16,三 吸收曲线,定义： 将不同波长的光透过某一固定浓度和厚度的有色溶液，测量每一波长下对光吸收程度，以波长为横坐标，吸光度为纵坐标作图，这种图谱称为该物质的吸收曲线描述了

5、物质对不同波长光的吸收能力,17, 特征,不同浓度的同一物质，在吸收峰附近，吸光度随浓度增加而增大，但最大吸收波长不变 在最大吸收波长处测定，灵敏度最高 吸收曲线是光度法中选择测定波长的重要依据 KMnO4溶液的最大吸收波长为525nm, 吸收黄绿色的光，呈现紫红色,18,定性分析与定量分析的基础,定性分析基础,定量分析基础,在一定的实验条件下，物质对光的吸收与物质的浓度成正比。,物质对光的选择吸收,19,3-2 光的吸收定律,一、朗伯-比尔定律 朗伯定律 dI/I=Kdb,20,比尔定律 光的吸收与溶液中吸光物质的浓度有关 朗伯定律中的比例常数与吸光物质的浓度成正比,21,朗伯比尔定律 lg

6、I0/I=kbc A=kbc k与物质的性质、入射光的波长及温度等因素有关,22,朗伯定律的描述： 当一束单色光垂直照射到任一均匀非散射的含有吸光物质的介质时，吸光度与该吸光物质的浓度及吸收层厚度成正比,注意： 平行单色光 均相介质 无发射、散射或光化学反应,23,T ： 透光率,A： 吸光度,T,T = 0.0 %,A = ,T = 100.0 %,A = 0.0,A = 0.434,T = 36.8 %,4 吸光度与透光度的关系,24,吸收定律与吸收光谱的关系,吸光定律,吸收光谱,三维谱图,25,摩尔吸光系数 e,灵敏度表示方法,A = e bc,A = Kbc,c: mol/L,e 表示

7、物质的浓度为1mol/L,液层厚度为1cm时溶液的吸光度。单位： (Lmol-1 cm-1),c: g/L,A = abc a: 吸光系数,26,桑德尔(Sandell)灵敏度： S 当仪器检测吸光度为0.001时，单位截面积光程内所能检测到的吸光物质的最低含量。 单位：mg/cm2 S=M/e,27,吸光度的加和性,A1 = e1bc1 A2 = e2bc2 A = e1bc1+ e2bc2,在某一波长，溶液中含有对该波长的光产生吸收的多种物质，那么溶液的总吸光度等于溶液中各个吸光物质的吸光度之和,28,例 用1,10-邻二氮菲比色测定铁，已知含Fe2+浓度为500gL-1，吸收池厚度为2c

8、m，在波长508nm处测得吸光度A为0.19，假设显色反应进行完全，计算摩尔吸光系数,29,解：Fe原子量为55. 85 Fe2+= 500106/55.85 =8.9106(molL1) = A/bc= 1.1104（Lmol1cm1） 一定要注意单位,30,3-3 吸收的测量,待测溶液必须装在吸收池内，辐射和器壁将相互作用，从而会因反射或吸收在每个界面上造成辐射强度的损失，在实际测定工作中，取另一个完全相同的吸收池，装溶剂作参比进行测定I0和I,31,32,3-4 应用比尔定律的局限性,标准曲线应当成直线，但是当浓度大时，标准曲线不成直线的情形，特别是明显地看到标准曲线向浓度轴弯曲，个别情

9、形也有向吸光度轴弯曲者 原因：定律本身的基本限制，测定吸收的方法有关，浓度改变时伴随着化学变化,33,3-4 应用比尔定律的局限性,34,一、比尔定律的基本限制,朗伯定律总是适用的 吸光度与液层厚度成正比 比尔定律的条件 比尔定律只有在描述稀溶液的吸收时才是正确 吸光物质的高浓度（负偏离） 电解质的高浓度（负偏离）,35,正偏离,当试样为胶体、乳状液或有悬浮物质存在时，入射光通过溶液后，有一部分光会因散射而损失，使吸光度增大，对Beer定律产生正偏差 质点的散射强度是与入射光波长的四次方成反比的，所以散射对紫外区的测定影响更大,36,二、非单色光引起的偏离,比尔定律只适用于单色光 实际中入射光

10、用的是复合光 举例：以两种波长的复合光作为入射光,37,对1 A1=1bc (1) 对2 A2=2bc (2) I0=I01+I02=f1I0+f2I0 (3),38,复合光通过溶液后,(4),39,标准曲线是吸光度A与浓度c的关系曲线，其斜率可通过式(4)对c微分求得 (5) 当1=2=时，即当入射光为单色光时，式（5）变为 dA/dc=b (6) 标准曲线的斜率为一定值，即符合比尔定律,40,当入射光为复合光时（12），标准曲线不再是直线关系，将式（5）对c微分，则 (7) (7)式右边恒为负值，说明用复合光作入射光时，标准曲线向浓度轴弯曲，使发生对于比尔定律的偏离 1与2相差愈大，吸收池

11、愈厚，偏离比尔定律愈严重 ,41,42,吸光质点间相互作用引起的对吸光定律的偏离,质点间的静电作用,质点间的缔合作用,质点间的化学反应,43,显色体系 有色络合物在溶液中有一定程度的离解，其浓度不等于金属离子的总浓度 如生成有色络合物的显色反应用下式表示 M +nLMLn 选择MLn有强烈吸收而M和L都没吸收的波长进行测定，络合物的稳定常数为,44,以条件稳定常数表示，则,45,金属离子生成络合物MLn的分数为,46,对于稳定性较高的配合物，只要加入超过化学计量的少量试剂，反应可完全进行 溶剂对吸收光谱的影响也很重要，会对生色团的吸收峰高度、波长位置产生影响，从而对比尔定律产生一定的偏离,47

12、,3-5 紫外及可见吸收测量用仪器,紫外-可见分光光度计的基本结构是由五个部分组成：即光源、单色器、吸收池、检测器和信号指示系统。,48,一、仪器部件,49,1辐射源,对光源的基本要求是应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。 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。,50,常用光源,51,2滤光器及单色器,在比色计中，一般用滤光器来获得一定波长的光辐射，在分光光度计中，则采用棱镜或光栅构成的单色器来获得纯度较高的单色光。 选择波长可使吸光度符合比尔定律，同时可提高测定的灵敏度、选择性,52,滤光器,作用

13、吸收滤光器是通过吸收光谱的某些部分滤去不需要的波长以获得一定波长范围的辐射。 在比色计中应用。 有色玻璃 、滤光片,53,滤光片的透光曲线和半宽度 图示为蓝色滤光片，最大透过光的波长为470nm，半宽度为60nm. 光谱半宽度愈小，透过的单色光就愈纯。,54,测定时，滤光片透光率最大的光，应是待测有色溶液吸收最大的光。 滤光片的颜色应与待测试液的颜色互为补色。,55,单色器,定义 一种能将辐射分解成它的各成分波长，并能从中分出任一所需部分的仪器部件。 单色器都含有狭缝和透镜系统，并有一个棱镜或光栅色散元件。,56,单色器主要功能：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。 单色器一般

14、由入射狭缝、准光器（透镜或凹面反射镜使入射光成平行光）、色散元件、聚焦元件和出射狭缝等几部分组成。 其核心部分是色散元件，起分光的作用。单色器的性能直接影响入射光的单色性，从而也影响到测定的灵敏度度、选择性及校准曲线的线性关系等。,57,(1)棱镜的色散,Link,58,棱镜有玻璃和石英两种材料。 色散原理是依据不同的波长光通过棱镜时有不同的折射率而将不同波长的光分开。 由于玻璃可吸收紫外光，所以玻璃棱镜只能用于350 3200 nm的波长范围，即只能用于可见光域内。石英棱镜可使用的波长范围较宽，可从185 4000 nm，即可用于紫外、可见和近红外三 个光域。,59,折射率随频率改变的效应称

15、为色散,60,棱镜的角色散率,式中：d /dn表示作为棱镜材料折射率函数的 的变化； dn/ d则表示折射率随波长的变化。,(3-4),61,科希提出材料的折射率与波长关系的经验公式,式中A、B和C是由材抖的特性决定的常数。当波长间隔不太大时，取这个公式的前两项就够了。,62,将上式微分，得到,A、B都是正值，则波长增大时，折射率和色散率都减小。,63,图3-14为典型的玻璃和石英棱镜单色器的色散图,Link 3-14,64,注意： 棱镜单色器色散具有非线性的特征 玻璃和石英对于紫外辐射都有较大的色散率，而对可见辐射具有较小的色散率，其中较好的是玻璃，因此可见分光光度计都使用玻璃棱镜，但玻璃对

16、于紫外辐射有显著的吸收，所以紫外-可见分光光度计采用石英棱镜作为整个光谱区的色散元件。,65,（2）光栅的色散,分为透射光栅和反射光栅（用的较多）,66,光栅是利用光的衍射与干涉作用制成的，具有色散波长范围宽、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。,67,光束1与光束2的光路之差为（AB CD），要发生干涉，必须 m(AB CD) AB=dsini 式中d是刻线间的距离，称为光栅常数； i是入射光与法线间的夹角。,68,CD d sin 式中是衍射角，负号则表示入射光和反射光在法线异侧，如果二者在法线同侧，则取正号。 因此发生干涉的条件是 md（sin

17、isin）(3-6),69,m是谱线的级数，该式说明对于某一给定的衍射角，存在不同的值，例如在 处出现有800nm的一级谱线（m1），则二级（400nm）和三级（267nm）谱线也在这个角度出现，造成了不同级次光谱的重叠。,70,光栅的角色散率,光栅的角色散率可在保持i不变的情形下，将式（3-6）对波长微分求得，即对任一给定的入射角,光栅常数愈小，角色散率愈大，即在单位长度内刻线数目愈多，角色散率愈大。,71,在不同的光谱级次内角色散率也不相同，高级次的光谱有较大的角色散率。在短波长范围内，cos并不明显的随波长而变，因此，光栅的色散几乎是线性分布的，这一点与棱镜的色散不同。 光栅可使用的波长

18、范围很宽，从几个纳米到几百个微米，这也是比棱镜单色器优越的地方。,72,简单的光栅单色器,由入射狭缝来的辐射，被一凹面镜准直，同时使衍射辐射聚焦在出射狭缝上，旋转光栅可使所需波长从单色器中引出。,73,狭缝由金属构成，且要求两片刀口的边缘正好平行并落在同一平面上。 选定单色器入射狭缝宽度时，以W（）表示单色器出射光的带宽，S（m）表示出射狭缝宽度，D（/mm）表示单色器的线色散率，则它们相互间具有如下关系：,（3）单色器的有效带宽,74,单色器的有效带宽与光栅及棱镜的色散及入射狭缝和出射狭缝的宽度有关。 单色器通常采用可变狭缝，所以有效带宽可以调节。 在定性分析中需要分析比较窄的吸收带，应采用

19、尽量小的狭缝宽度，有助于分开波长相近的光谱线，减少或消除光谱重叠引起的干扰。 在定量分析中，可用较宽的狭缝，使光束有足够的强度以供测量。,75,3. 试样容器,盛放试样的吸收池必须用所需光谱区辐射的材料制成。 吸收池的窗面应严格垂直于光束方向。 采用光程长度和透明性都相同的吸收池，能正确比较透过溶剂和试液的辐射强度。,76,4辐射检测器,检测器的功能是检测信号、测量单色光透过溶液后光强度变化的一种装置。 紫外及可见区用的检测器主要有光电池、光电管和光电倍增管。,77,对检测器的要求,在整个研究波长范围内对光辐射有恒定的响应； 具有高灵敏度、高信噪比、响应时间快的特点； 在没有光辐射时，检测器输

20、出信号应该为零；对弱的信号也有响应 响应光辐射所产生的信号还应该正比于光辐射的强度，且有宽的线性范围。 定量,78,光电检测器是将光信号转换为可量化输出的电信号的检测器。 一类检测器的信号转换功能主要通过光敏材料来实现，当光作用于光敏材料时，光敏材料释放出电子，由此实现光电转换； 另一类检测器的信号转换功能主要通过半导体材料来实现，当光作用于半导体材料时，半导体材料的导电特性将发生改变，并实现光电转换。,光电检测器,79,由于光敏材料释放出电子以及半导体材料导电特性改变均需要一定的能量，而光能量的大小与波长呈反比，因此光敏材料和半导体材料只对紫外光、可见光和近红外光敏感，相应的光电检测器只适用

21、于紫外到近红外光区的光谱检测。 所对应的光谱法包括原子吸收光谱、原子发射光谱、原子荧光光谱、紫外-可见吸收光谱、分子荧光光谱、分子磷光光谱、化学发光以及近红外光谱。 红外光的能量较低，不足以使光敏材料释放出电子，或使半导体材料的导电特性发生改变，因此光电检测器不能用做红外光谱的检测器。,80,常见的光电检测器包括硒光电池、真空光电管、光导检测器、硅二极管、光电倍增管以及硅二极管阵列和电荷转移器件等。 硒光电池、真空光电管、光导检测器、硅二极管和光电倍增管为单波长检测器，均需要通过狭缝采光，将不同波长的光投射到检测器上分别检测。 硅二极管阵列和电荷转移器件为多道检测器，它们本质上是多个单波长检测

22、器的集成，可进行多波长同时测定。,81,1.硒光电池 硒光电池通过半导体材料硒实现光电转换，其光谱响应的波长范围为300800nm，最灵敏响应波长范围为500600nm。将硒沉积在铁或铜的金属基板上，硒表面再覆盖一层金、银或其他金属的透明金属层就构成了硒光电池。,82,2.真空光电管 真空光电管的光谱响应范围和灵敏度取决于沉积在阴极上的光敏材料性质。因此，对不同波长区域光的检测，应该选用不同的光电管。,83,光电管分为红敏和紫敏，阴极表面涂银和氧化铯为红敏，适用6251000nm波长；阴极表面涂锑和铯为紫敏，适用200625nm波长,84,3. 光导电检测器 光导电检测器也叫半导体检测器，无光

23、照时，其电阻可达200k，而吸收辐射后，半导体中的某些价电子被激发成为自由电子，电子和空穴增加，导电性能增加，电阻减小，可根据电阻的变化检测辐射强度的大小。 敏感元件通常由金属铅、镉、镓、铟的硫化物、硒化物及碲化物形成的半导体晶体组成。,85,4. 硅二极管 在一硅片上形成的反向偏置的p-n结构成，反向偏置造成了一个耗尽层，使该结的传导性几乎降到了零。当辐射光照射到n区，就可形成空穴和电子。空穴通过耗尽层到达p区而湮没，于是电导增加，形成光电流。 可响应的光谱范围为1901100nm。,86,5. 光电倍增管 一种加上多级倍增电极的光电管，同时具有光电转换和电流放大功能，其外壳由光学玻璃或石英

24、玻璃制成，内部为真空状态。,87,光电倍增管由阴极C吸收入射光子的能量并将其转换为电子,其转换效率（阴极灵敏度）随入射光的波长而变化，这种光阴极灵敏度与入射光波长之间的关系叫做光谱响应特性。,阴极一般都采用具有低电子逸出动能的碱金属材料所形成的光电发射面，而入射窗材料通常由硼硅玻璃、透紫玻璃（UV玻璃）、合成石英玻璃和氟化镁（或镁氟化物）玻璃制成。,88,6. 硅二极管阵列 在硅片上集成多个微型硅二极管即制成硅二极管阵列检测器。,89,7. 电荷转移器件 电荷转移器件是多道检测器，因其将电荷从收集区转移到检测区后完成测定而得名。,电荷转移器件测定光生电荷量的方法有两种，一种是测量当电荷从一个电

25、极移到另一个电极时产生的电压改变;另一种是将电荷引入敏感放大器中测量，前者称为电荷注入器件，后者称为电荷耦合器件。,90,（五）信号处理和读出系统 由信号处理器和读出器件组成。 信号处理器通常是一种电子器件，它可放大检测器的输出信号。此外，它也可以把信号从直流变成交流（或相反），改变信号的相位，滤掉不需要的成分。同时，信号处理器也可用来执行某些信号的数学运算，如微分、积分或转换成对数等。 在现代分析仪器中，常用的读出器件有数字表、记录仪、电位计标尺、阴极射线管等。,91,通常，光电检测器的输出采用模拟技术处理和显示，即将由检测器出来的平均电流、电位等放大、记录或馈入某一个适当的表头。近年来，利

26、用光电倍增管的输出，将已应用在X射线辐射功率测量中的光计数技术，引入了紫外和可见光区的测量。,92,与模拟技术比较，光计数技术有更多的优点。它包括：改善信噪比和低辐射强度的灵敏度；提高给定测量时间的测量精度；降低光电倍增管电压和温度的敏感性。采用光计数技术需要较复杂的设备，价格昂贵，目前该技术尚不能广泛用于紫外可见光区的测量。而在那些低强度辐射中，如荧光、化学发光和拉曼光谱，已成为首选的方法。,93,指示系统 直读检流计、电位调节指零装置、数字显示和自动记录装置等 直读检流计 0100，线性标尺表示透光率 ，对数标尺表示吸光度 吸光度与透光率是负对数关系，吸光度标尺的刻度是不均匀的,94,目视比色法比色管,光电比色法光电比色计 光源、滤光片、比色池、硒光电池、检流计,分光光度法与分光光度计,722型分光光度计光学系统图,1.光源；2.滤光片；3,8聚光镜4,7.狭缝；5.准直镜；6.光栅 9.比色池；10.光电管,95,二、紫外可见分光光度计的类型,1. 单光束分光光度计 单光束分光光度计光路示意如图