紫外可见光谱.ppt

1、紫外-可见光谱 主讲人,1.吸收 2.漫反射 3.荧光,紫外-可见吸收光谱,紫外线、可见光 定义 3. 紫外吸收光谱的产生,1. 紫外线、可见光,紫外线：是电磁波谱中波长从10nm到400nm辐射的总称，不能引起人们的视觉。1801年德国物理学家里特发现在日光光谱的紫端外侧一段能够使含有溴化银的照相底片感光，因而发现了紫外线的存在。紫外线可以用来灭菌过多的紫外线进入体内会对人体造成皮肤癌。 可见光：是电磁波谱中人眼可以感知的部分，可见光谱没有精确的范围；一般人的眼睛可以感知的电磁波的波长在400到800纳米之间，但还有一些人能够感知到波长大约在380到780纳米之间的电磁波。,2. 定义,紫外

2、-可见吸收光谱法：根据溶液中物质的分子或离子对紫外和可见光谱区辐射能的吸收来研究物质的组成和结构的方法，包括比色分析法与分光光度法。,比色分析法：比较有色溶液深浅来确定物质含量的方法，属于可见吸收光度法的的范畴。 分光光度法：使用分光光度计进行吸收光谱分析的方法。,紫外-可见波长范围：,远紫外光区：10-200 nm； 近紫外光区：200-400 nm； 可见光区：400-780 nm。,紫外可见吸收光谱法特点：,仪器较简单，价格较便宜； 分析操作简单； 分析速度较快。,紫外-可见吸收光谱：分子价电子能级跃迁（伴随着振动能级和转动能级跃迁）。,3. 紫外-可见吸收光谱的产生,由于O2、N2、C

3、O2、H2O等在真空紫外区(60-200 nm)均有吸收，测定这一范围光谱时须将光学系统抽真空并充充入惰性气体。所以真空紫外分光光度计非常昂贵，在实际应用中受到一定的限制。 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(200-780 nm) 。,物质分子内部三种运动形式：电子相对于原子核的运动；原子核在其平衡位置附近的相对振动；分子本身绕其重心的转动。 分子具有三种不同能级：电子能级、振动能级和转动能级。 三种能级都是量子化的，且各自具有相应的能量。 分子的内能：电子能量Ee 、振动能量Ev 、转动能量Er。,3.1 电子跃迁与分子吸收光谱,转动能级间的能量差：0.005

4、0.05 eV，跃迁产生吸收光谱位于远红外区（远红外光谱或分子转动光谱）； 振动能级的能量差：0.051 eV，跃迁产生的吸收光谱位于红外区（红外光谱或分子振动光谱）； 电子能级的能量差较大，约为120 eV。电子跃迁产生的吸收光谱在紫外-可见光区(紫外-可见光谱或分子的电子光谱)。,分子的各能级：,紫外-可见吸收光谱,1. 电子跃迁类型 2. 生色基团与助色基团 3. 红移与蓝移-增色与减色,有机化合物紫外-可见吸收光谱,有机化合物的紫外-可见吸收光谱是三种价电子跃迁的结果：键电子、键电子、n键电子。,分子轨道理论：成键轨道-反键轨道,当外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态（成键轨道）向激

5、发态（反键轨道）跃迁。主要有四种跃迁，所需能量E大小顺序为：n n ,1. 电子跃迁类型,1.1 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150 nm；,例：甲烷的max为125 nm , 乙烷max为135 nm。只能被真空紫外分光光度计检测到。,1.2 n跃迁,所需能量较大（跃迁)； 吸收波长为150250 nm，大部分在远紫外区，近紫外区不易观察到； 含非键合电子（n电子）的饱和烃衍生物(含N、O、S和卤素等杂原子)均呈现n* 跃迁。,1.3 跃迁,所需能量较小； 吸收波长处于远紫外区的近紫外端或近紫外区； 摩尔吸收系

6、数max一般在104 Lmol-1cm-1以上，属于强吸收。 不饱和烃、共轭烯烃和芳香烃类可发生此跃迁。如乙烯*跃迁的为162 nm， max为: 1104 L mol-1cm-1。,1.4 n跃迁,所需能量小； 吸收波长200nm； 吸收峰的吸收系数 很小，一般在10100。 分子中有孤对电子和键同时存在可发生此跃迁。,2. 生色基团与助色基团,生色基团： 凡是能导致化合物在紫外可见光区产生吸收的基团，不论是否显出颜色都称为生色基团。含有键的不饱和基团属于生色基团。简单的生色基团由双键、苯环或叁键体系组成。 助色团： 有一些含有n电子的基团(如-OH、-OR、-NH、-NHR、-X等)，它们

7、本身没有生色功能(不能吸收 200 nm的光)，但当它们与生色基团相连时，就会发生n-共轭作用，增强生色基团的生色能力(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基团。,3. 红移与蓝移、增色与减色,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。,紫外-可见吸收光谱,基本原理 基本组成 3. 紫外-可见分光光度计类型,紫外-可见分光 光度计,1. 基本原理,朗伯-比尔定律,要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，即 A=cb,2. 基

8、本组成,光源,单色器,样品室,检测器,显示,2.1 光源,可见光区：钨灯,其辐射波长范围在3202500 nm 紫外区：氢、氘灯,发射180375 nm的连续光谱,要求：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。,2.2 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； 准直镜：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； 聚焦透镜：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,光学系统的核心部分，起分光的作用。其性能直接影响入

9、射光的单色性，影响测定灵敏度、选择性及校准曲线的线性关系等。,色散元件：,棱镜：依据不同波长光通过棱镜时折射率不同而将不同波长的光分开，缺点是波长分布不均匀，分辨能力较低。 光栅：利用光的衍射与干涉作用制成，它可用于紫外、可见及红外光域，而且在整个波长区具有几乎均匀一致的高分辨能力。它具有色散波长范围宽、分辨本领高、成本低、便于保存和易于制备等优点。缺点是各级光谱会重叠而产生干扰。,2.3 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。,检流计、微安表，电位计、数字电压表、记录仪、示波器及计算机等进行仪器

10、自动控制和结果处理。,2.4 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。,2.5 结果显示记录系统,3. 分光光度计的类型,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。,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。,3.1 单光束型,3.2 双光束型,3.3 双波长型,通过波长选择可方便地校正背景吸收：消除吸收光谱重叠的干扰，适合于混浊液和多组分化合物分析； 只使用一个吸收池：参比溶液即被测溶液，避免了单波长法

11、中因被测溶液与参比溶液在组成、均匀性上的差异及两个吸收池之间的差异所引入的误差。,紫外可见吸收光谱,1. 定性分析 2. 定量分析 3. 纯度检查 4. 结构辅助解析,紫外-可见分光吸收光谱法的应用,紫外吸收光谱鉴定有机化合物：在相同的测定条件下，比较未知物与已知标准物的紫外光谱图，若两者谱图相同则认为有相同的生色基团。如果没有标准物可以借助标准图谱或有关电子光谱数据表进行比较。 标准谱图库：46000种化合物紫外光谱的标准谱图。,1. 定性分析,紫外光谱相同，两种化合物有时不一定相同，只有当max ，max都相同时，可认为两者是同一物质。,2. 定量分析,朗伯-比尔定律 ：Alg(I0/It

12、) b c A：吸光度，描述溶液对光的吸收程度； b：液层厚度(光程长度)，通常以cm为单位； c：溶液的摩尔浓度，单位 molL-1； ：摩尔吸光系数，单位Lmol-1cm-1；在数值上等于 浓度为1mol/L、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度；,3. 纯度检查,如果一化合物在紫外区没有吸收，而其中的杂质有较强吸收，就可以方便地检出该化合物中的痕量杂质。,甲醇或乙醇中杂质苯：可利用苯在256nm处的B吸收带而甲醇或乙醇在此波长处几乎没有吸收； 四氯化碳中二硫化碳杂质：可观察318nm处有无二硫化碳的吸收峰即可。,4. 有机化合物结构辅助解析,200-400nm 无吸收峰：饱和化合

13、物或单烯化合物 220-280nm 无吸收峰：化合物中不含苯环、共轭双键、醛基、酮基、溴和碘 210-250 nm有强吸收峰(104)：表明含有一个共轭体系(K带) 。共轭二烯：K带230 nm； -不饱和醛酮：K带230 nm ，R带310-330 nm,可获得的结构信息：,250-300 nm 有中等强度的吸收峰(=200-2000)：芳环的特征 吸收(具有精细解构的B带)，化合物含芳环 270-300 nm有随溶剂极性增大向短波方向移动的弱吸收带：化合物中有羟基基团 270-350 nm有弱吸收峰(=10-100)：醛酮 n* 跃迁产生的R 带 260nm, 300 nm, 330 nm

14、有强吸收峰：有3、4、5个双键的共轭体系,光谱解析注意事项：,确认max，并算出log，初步估计属于何种吸收带； 观察主要吸收带的范围，判断属于何种共轭体系； 须考虑pH值的影响。,光谱解析：,苯的*跃迁应为一个谱带。实际观察到苯的紫外吸收光谱在184 nm、204 nm和256 nm附近出现三个吸收谱带。,苯环上有烷基取代时，苯的B吸收带（254nm）要发生红移，E2带没有明显变化。 甲苯峰显著红移是由于烷基CH键的电子与苯环产生超共轭引起的，同时 烷基苯的B吸收带的精细结 构减弱或消失。,含有n电子的基团取代：-OH、-NH2等，与苯环发生n共轭效应，使E带和B带发生红移，强度也增加，且B

15、带精细结构消失。,紫外-可见漫反射光谱,漫反射光谱 基本原理 紫外分光光度计与紫外漫反射的区别 紫外-可见光漫反射的应用,1. 漫反射光谱,漫反射光谱是一种不同于一般吸收光谱的在紫外、可见和近红外区的光谱，是一种反射光谱，与物质的电子结构有关。 漫反射光谱可以用于研究催化剂表面过渡金属离子及其配合物的结构、氧化状态、配位状态、配位对称性；在光催化研究中还可用于催化剂的光吸收性能的测定；可用于色差的测定等等。,2. 基本原理,在过渡金属离子-配位体体系中，一方是电子给予体，另一方为电子接受体。在光激发下，发生电荷转移，电子吸收某能量光子从给予体转移到接受体，在紫外区产生吸收光谱。 当过渡金属离子

16、本身吸收光子发生内部d-d跃迁，引起配位场吸收带，需要能量较低，表现为在可见光区或近红外区的吸收光谱。 收集这些光谱信息，即获得一个漫反射光谱，基于此可以确定过渡金属离子的电子结构。,2.1 固体中金属离子的电荷跃迁：,当光照射到固体表面时，发生反射和散射。 镜面反射： 反射角=入射角 光不被吸收,2.2 漫反射,漫反射：当光束入射至粉末状的晶面层时，一部分光在表层各晶粒面产生镜面反射；另一部分光则折射入表层晶粒的内部，经部分吸收后射至内部晶粒界面，再发生反射、折射吸收。如此多次重复，最后由粉末表层朝各个方向反射出来， 这种辐射称为漫反射光。,2.3 漫反射定律,K 为吸收系数，主要决定于漫反

17、射体的化学组成。 S 为散射系数，主要决定于漫反射体的物理特性。 R 表示无限厚样品的反射系数R 的极限值。 F (R ) 称为减免函数或KubelkaMunk函数。,R的确定 ：一般不测定样品的绝对反射率，而是以白色标准物质为参比（假设其不吸收光，反射率为1），得到的相对反射率。 参比物质：要求在200 nm 3 m波长范围且反射率为100%，常用MgO, BaSO4，MgSO4等，其反射率R 定义为1（大约为0.98-0.99). MgO 机械性能不如BaSO4, 现在多用BaSO4作标准。,朗伯定律描述入射光和吸收光之间的关系。 KubelkaMunk 方程式描述一束单色光入射到一种既能

18、吸收光，又能反射光的物体上的光学关系。,2.4 漫反射光谱的曲线形式,横坐标：波数(cm-1)，波长（nm) 纵坐标: Log F（R) ， F（R) 对应于吸收单位 （Absorbance), 谱线的峰值为吸收带位置。 R 对应于反射率， % reflectance，样品反射强度比参比物的反射强度。 %R = (IS/IB)*100 IS 测试样品反射光强度，IB 参考样品的反射强度,Baso4,紫外分光光度计反射附件的原理是通过一个内壁涂有氧化镁积分球的装置，把物体表面的反射光收集起来再投射到接收器（光电倍增管或光电池）上，来产生信号，并以波长的函数在记录仪上记录下来，就成了一条光谱曲线。

19、,2.5 积分球,积分球是漫反射测量中的常用附件之一，其内表面的漫反 射物质的反射系数高达98%，使得光在积分球内部的损失 接近零。由于信号光从散射层面发出后，经过了积分球的 空间积分，所以可以克服漫反射测量中随机因素的影响， 提高数据稳定性和重复性。,2.6 样品处理,样品是具有一定平面的固体，只需将样品放在积分球的样品窗孔一边，在参比窗孔一边放标准白板即可测量漫反射光谱。 粉末样品可放入漫反射样品池中，用光滑的平头玻璃棒压紧，放在样品窗孔即可测量。或者将粉末样品放在压模中压成片子。,如果样品吸收太强，可以用在此波段范围内无吸收的惰性稀释剂稀释测定，稀释剂可用MgO，BaSO4等。 如果粉末

20、颗粒太大，不易压紧，也可以加一些MgO。 如果样品量少，也可以先用MgO将样品池填满，压平，再将样品撒在MgO表面上轻轻摩平即可测量。,3.紫外分光光度计与紫外漫反射的区别,前者：采用透射方式 ，所测样品为溶液，符合朗伯比尔定律。 后者：采用漫反射的方式（积分球），所测样品为固 体粉末、乳浊液和悬浊液，符合KublkaMunk 方程式。,4.紫外-可见光漫反射的应用,研究固体的表面吸收。 催化领域研究的应用，主要包括催化剂表面相组成、各组分相互作用、表面酸性测定等。 药物分析中应用，主要用于片剂的质量控制及稳定性的研究，可以比较两种配方之间稳定性的差异，根据药片的反射率读数可以确定药剂的浓度和

21、降解速度。 应用于染料、涂料、纤维、塑料等方面的测试和研究，特别是颜色的测量一直是反射光谱的主要用途之一。,紫外-可见荧光光谱,分子荧光光谱 荧光分光光度计 分子荧光光谱的应用,1. 分子荧光光谱,分子荧光光谱分析也叫荧光分光光度法，是当前普遍使用并有发展前途的一种光谱分析技术。 物质的分子吸收了紫外和可见光后它的电子跃迁到激发态，然后以热能的形式将这一部分能量释放出来，本身回复到基态。如果吸收辐射能后处于电子激发态的分子以发射辐射的方式释放这一部分能量，再发射的波长可以同分子所吸收的波长相同也可以不同，这个现象叫光致发光，最常见的光致发光现象是荧光和磷光。,1.1 概述,荧光 是当用一种波长

22、的光照射某种物质时，这个物质会在极短的时间内发射出比照射波长更长的光，这种光称为荧光，激发光停止照射后，发光立即（10-9-10-6 S）停止。如果这种物质在较长的时间内发射出比照射波长更长的光称为磷光。对于磷光来说，当激发光停止照射后发光过程将持续一段时间（10-1-10 S）;,激发光谱：绘制激发光谱曲线时改变激发光的波长，测定荧光强度的变化。以激发光波长为横坐标，荧光强度为纵坐标作图，即可得到荧光化合物的激发光谱。 激发光谱的形状与吸收光谱的形状极为相似，经校正后的真实激发光谱与吸收光谱不仅形状相同，而且波长位置也一样，这是因为物质分子吸收能量的过程就是激发过程。 区别在于紫外吸收光谱测

23、定对紫外光的的吸收度，而荧光激发光谱测定发射的荧光强度。,1.2 激发光谱与发射光谱,发射光谱： 简称荧光光谱。将激发光波长固定在最大激发波长处，然后扫描发射波长，测定不同发射波长处的荧光强度得到荧光发射光谱。,2. 荧光分光光度计,由光源发出的光经过第一单色器得到所需要的激发光波长，激发光通过样品池，荧光物质被激发后发射荧光。为了消除可能存在的其他光的干扰，在样品池和检测器之间设置了第二个单色器，荧光作用于检测器上，记录相应的电信号。,激发光源 :在紫外可见光范围，光源发出所需波长范围内的连续光谱,有足够的光强度,稳定。 可见光区：钨灯，碘钨灯(3202500nm) 紫外区：氢灯，氘灯(180375nm) 氙灯：紫外、可见光区均可用作光源,样品池 :液体样品池通常用石英材料制成，形状以方型或者长方形为好，因为这种形状散射光干扰较少。固体样品用可用样品架。 单色器 :包括色散元件和狭缝,较高级的单色器采用光栅其优点是在所有波长都能够色散而且色散均匀，有相同的分辨率。第一单色器用于选择所需要的激发波长，第二单色器用于分离出荧