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1、1,紫外可见分光光度法,Chapter 7,2,第一节 基本原理,一、概述 二、紫外可见吸收光谱 三、分子吸收光谱与电子跃迁 四、光的吸收定律,3,一、概述 分子光谱,原子核在其平衡位置附近的相对振动 - 振动能级（ Ev ）,e+v+r evr,物质分子内部三种运动形式,电子相对于原子核的运动 - 电子能级 （Ee）,分子本身绕其重心的转动 - 转动能级 （Er）,4,一、概述 分子光谱,e+v+r evr,5,一、概述 分子光谱,r 0.0050.050eV 远红外光谱或分子转动光谱,v 0.05eV 红外光谱或分子振动光谱,e 120eV 紫外可见光谱或分子的 电子光谱,6,二、紫外可见
2、光谱,可见吸收光谱：电子跃迁光谱 吸收光波长范围400780 nm ，主要用于有色物质 的定量分析。,紫外吸收光谱：电子跃迁光谱 吸收光波长范围200400 nm（近紫外区） ，可用于结构鉴定和定量分析。,特点,灵敏度高,选择性较好,通用性强,准确度较好,操作简单,价格低廉,7,吸收曲线与最大吸收波长 max,用不同波长的单色光照射， 测吸光度,二、紫外可见吸收光谱,不同浓度的溶液， 测吸光度,8,二、紫外可见吸收光谱,吸收曲线的讨论：,同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长max,不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似max不变。而对于不同物质，它们的吸
3、收曲线形状和max则不同。,吸收光谱的波长分布是由产生谱带的跃迁能级间的能量差所决定，反映了分子内部能级分布状况，是物质定性的依据。,吸收谱带的强度与该物质分子吸收的光子数成正比，定量分析的依据。,9,二、紫外可见吸收光谱,有机化合物的紫外可见吸收光谱,分子中外层价电子跃迁的结果（三种）：电子、电子、n电子,分子轨道理论：一个成键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轨道的基态，即成键轨道或非键轨道上。,10,二、紫外可见吸收光谱,有机化合物的紫外可见吸收光谱,当外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态(反键轨道)跃迁。 主要有四种跃迁. 所需能量大小顺序为n n ,11,
4、 *跃迁 能量很大 吸收光谱在真空紫外区 多为饱和烃,甲烷125 nm 乙烷135 nm,12,n * 跃迁 所需能量小于 *跃迁（150-250 nm） 含有未共用电子对（n电子）原子的饱和化合物都可发生 跃迁的摩尔吸光系数比较小，一般在100-3000 L / mol cm,化合物maxmax H2O1671480 CH3OH184150 CH3Cl173200 (CH3)2O1842520,13, * 和 n * 跃迁 * 和 n * 跃迁能量低（200 nm） 含有不饱和键的有机分子易发生这类跃迁,有机化合物的紫外-可见吸收光谱分析多以这两类跃迁为基础 * 比 n * 跃迁几率大 10
5、0-1000 倍 *跃迁吸收强， 104 n * 跃迁吸收弱， 500,C=C, CC , N=N, C=O,14,生色团 含有 键不饱和官能团,15,生色团共轭K 吸收带（Konjugation),104 217 280 nm,共轭越多，波长越长，强度越大,P145,R 吸收带( Radikal) n * 100,B 吸收带（Benzenoid, 苯的),230-270nm, 精细结构， （最强），（强），,16,助色团 基团本身无色，但能增强生色团颜色 含有n电子，且能与电子作用，产生n 共轭,184,204,254,270,苯 （ *）,苯酚 （OH为助色团）,A,/nm,P142,17
6、,红移与蓝移,红移max向长波方向移动 蓝移 向短波方向移动 (或紫移)。 增色效应吸收强度即摩尔吸光系数增大的现象 减色效应吸收强度即摩尔吸光系数减小的现象,引入取代基或改变溶剂,18,溶剂的影响,强， *红移n *蓝移,溶剂的极性,溶剂对吸收峰强度和精细结构的影响,极性强，精细结构消失,溶剂本身吸收带的影响,要求溶剂在测定的波长段无吸收,P147,19,二、紫外可见吸收光谱,金属配合物的紫外可见吸收光谱,配位体微扰的金属离子d一d电子跃迁和 一电子跃迁,摩尔吸收系数很小，对定量分析意义不大。,金属离子微扰的配位体内电子跃迁,金属离子的微扰，将引起配位体吸收波长和强度的变化。变化与成键性质有
7、关，若静电引力结合，变化一般很小。若共价键和配位键结合，则变化非常明显。,d一d (过渡金属）一（镧系锕系）,20,二、紫外可见吸收光谱,金属配合物的紫外可见吸收光谱, 电荷转移吸收光谱,在分光光度法中具有重要意义。,当吸收紫外可见辐射后，分子中原定域在金属M轨道上的电荷转移到配位体L的轨道，或按相反方向转移，这种跃迁称为电荷转移跃迁，所产生的吸收光谱称为荷移光谱。,21,三、光的吸收定律,朗伯比耳定律,布格(Bouguer) 1729年,朗伯(Lambert) 1760年,光的吸收程度和吸收层厚度的关系 Ab,22,三、光的吸收定律,比耳(Beer) 1852年,朗伯比耳定律,光的吸收程度和
8、吸收物浓度之间的关系 A c,23,三、光的吸收定律,光的吸收程度和吸收层厚度的关系 Ab,光的吸收程度和吸收物浓度之间的关系 A c,朗伯比耳定律,吸光光度法的理论基础和定量测定的依据,朗伯(Lambert),比耳(Beer),A：吸光度 - 溶液对光的吸收程度 b：液层厚度(光程长度,cm) c：溶液的摩尔浓度，molL ：摩尔吸光系数，Lmolcm,三、光的吸收定律,Alg（I0/It)= b c,浓度为1 mol/L、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度,Alg（I0/It)= a b c,c：溶液的浓度，g L a：吸光系数，L g cm,浓度为1 g/L、液层厚度为1cm时
9、该溶液在某一波长下的吸光度,a ,a =/M （M为摩尔质量）,25,摩尔吸光系数,三、光的吸收定律,不随浓度c和光程长度b的改变而改变，在温度和波长等条件一定时，仅与吸收物质本身的性质有关,同一吸收物质在不同波长下的值是不同的。在最大吸收波长max处的摩尔吸光系数，常以max表示。代表可能达到的最大灵敏度。,max越大表明光度法测定该物质灵敏度越高,105：超高灵敏；=(610）104 ：高灵敏2104 ：不灵敏。,26,三、光的吸收定律,透过率T 入射光透过溶液的程度,T = I t/ I0,吸光度A与透过率T的关系:,A lg T,27,三、光的吸收定律,偏离朗伯比耳定律的原因,当溶液浓
10、度较高时，标准曲线常发生弯曲，称为偏离朗伯比耳定律。,原因,物理性因素,化学性因素,28,三、光的吸收定律,物理性因素,难以获得真正的纯单色光 仪器的原因,选择比较好的单色器,将入射波长选定在待测物质的最大吸收波长且吸收曲线较平坦处,解决办法,前提条件之一：入射光为单色光,29,三、光的吸收定律,化学性因素,假定：所有的吸光质点之间不发生相互作用,当溶液浓度c 10 2 mol/L 时，吸光质点间可能发生缔合等相互作用，直接影响了对光的吸收。,溶液中存在着离解、聚合、互变异构、配合物的形成等化学平衡时。使吸光质点的浓度发生变化，影响吸光度,30,例： 铬酸盐或重铬酸盐溶液中存在下列平衡： Cr
11、42- 2H = Cr272- H2 溶液中Cr42-、 Cr272-的颜色不同，吸光性质也不相同。故：此时溶液pH 对测定有重要影响。,三、光的吸收定律,光电比色计,单光束,双光束,紫外-可见 分光光度计,单光束,双光束,或,单波长,双波长,比色 分析 分类,目视比色法,光度法,四、紫外可见分光光度计,目视比色法,用眼睛比较溶液颜色的深浅以测定物质的含量。 常用的目视比色法是标准系列法：,使用一套比色管分别加入一系列不同量的标准 溶液，再加入等量的显色剂和其他试剂，稀释至一 定刻度。用同样方法配制待测溶液，从管口垂直向 下观察，比较，得到待测溶液浓度。,优点：设备简单，操作简单，比色管内液层
12、厚，颜色 易观察，在复合光下进行测定，不需严格地服 从朗伯-比尔定律。,缺点：准确度不高，若待测溶液中存在第二种有色物 质，相对误差 5% 20%,光度法,用光电计测定溶液的吸光度,称之为光电比色法。,用分光光度计进行测定的方法为分光光度法。,测定原理相同 获得单色光的方法不同 (滤光片，棱镜或光栅),光度法与目视法比较有以下优点：,(1)提高了准确度,用仪器代替了人眼进行测量，消除了人的 主观误差。,(2)提高了选择性,测定的溶液中若有其他物质共存时，可选 择适当的单色光和参比溶液来消除干扰。,(3)提高了分析速度,在分析大批试样时，使用标准曲线法可简 化手续，加快分析速度。,分光光度计的种
13、类和型号很多：单光束分光光度计、 双光束分光光度计、双波长分光光度计。,单光束分光光度计,光源,单色器,试样池,检测器,显示系统,参比池,如：国产751型、752型、721型、722型、724型。,分光光度计的分类,36,双光束分光光度计,光 源,单色器,试样池,检测器,显示系统,参比池,如：国产710型、730型、740型。,切光器,双光束分光光度计是把光源发出的一束光变成两束，几乎同时通过参比溶液和被测溶液，然后同时测量透射光的强度，克服了由于光源和检测系统不稳定带来的测量误差。,双波长分光光度计,光 源,单色器,试样池,检测器,显示系统,1,2,切光器,双波长分光光度计是采用两个单色器把
14、光源发出的光分成两束强度相同、波长分别为 1、 2的单色光交替照射到同一吸收池上，其透过光被检测器所吸收，经信号处理系统处理可直接获得溶液对不同波长单色光的吸收度之差。,单色器,A = A1 - A2,消除人工配制的空白溶液与本底之间的差别而引起的误差，可测定多组分溶液和混浊溶液。,38,四、紫外可见分光光度计,39,四、紫外可见分光光度计,40,Hitachi U 3010 紫外可见分光光度计,普析通用 TU-1221型 紫外可见分光光度计,分光光度法 仪 器,41,波长330800 nm,722型光栅分光光度计,分光光度法 仪 器,42,光源,单色器,样品室,检测器,显示,基本组成,43,
15、显示屏,波长调节旋钮,比色池架,分光光度法 仪 器,44,四、紫外可见分光光度计,1. 光源 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,可见光区：钨灯作为光源，其辐射波长范围在3202500 nm。 紫外区：氢、氘灯。发射185400 nm的连续光谱。,45,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。,四、紫外可见分光光度计,2. 单色器,棱镜、光栅,46,四、紫外可见分光光度计,3. 样品室,在紫外区须采用石英池，可见区一般用玻璃池。,47,四、紫外可见分光光度计,利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号
16、,4. 检测器,光电池、光电管或光电倍增管。,5. 结果显示记录系统,检流计、数字显示、微机进行仪器自动控制和结果处理,48,显色反应及显色条件的选择,显色反应,将待测组分转变成有色化合物的反应,显色剂,与待测组分形成有色化合物的试剂,五、紫外-可见分光光度法的应用- 无机分析,显色反应类型,络合反应,氧化还原反应,取代反应,缩合反应,选择要素,灵敏度高,选择性好,生成物稳定,组成恒定,显色剂在测定波长处无明显吸收,对比度大，要求 60nm。,49,五、紫外-可见分光光度法的应用- 无机分析,显色条件的选择,1.显色剂用量,2.反应体系的酸度,影响金属离子和显色剂的存在形式、络合物组成、稳定性
17、及反应进行程度,50,五、紫外-可见分光光度法的应用- 无机分析,显色条件的选择,3.显色时间,4.显色温度,5.溶剂,6.干扰的消除,选择适当的显色反应条件,加入掩蔽剂,分离干扰离子,磺基水杨酸法测定Fe 3+、Cu 2+溶液中Fe 3+ (pH =2.5),用NH4SCN作显色剂测定Co 2+, Fe 3+有干扰(加入NaF与Fe 3+发生络合反应生成FeF63-),51,五、紫外-可见分光光度法的应用- 无机分析,吸光度测量条件的选择,1.选择适当的入射波长,一般应该选择max为入射光波长。但如果max处有共存组分干扰时，则应考虑选择灵敏度稍低但能避免干扰的入射光波长。,2.控制适宜的吸
18、光度（读数范围）,Tmin36.8%, Amin0.434,最佳读数范围,T %=70 10 A = 0.151.0,52,五、紫外-可见分光光度法的应用- 无机分析,3.选择合适的参比溶液,若仅待测组分与显色剂反应产物有吸收，其它试剂均无吸收，用纯溶剂（水)作参比溶液；,若显色剂或其它试剂略有吸收，而试液本身无吸收，用“试剂空白”(不加试样溶液)作参比溶液,若待测试液有吸收，而显色剂等无吸收，则可用“试样空白”(不加显色剂)作参比溶液；,53,五、紫外-可见分光光度法的应用- 无机分析,1.单组分的测定,2.多组分的同时测定,采用 A-C 标准曲线法定量测定。,若各组分的吸收曲线互不重叠，则
19、可在各自最大吸收波长处分别进行测定。,若各组分的吸收曲线互有重叠，则可根据吸光度的加合性解联立方程组得出各组分的含量。,A1= a1bca b1bcb A2= a2bca b2bcb,分光光度测定方法,54,五、紫外-可见分光光度法的应用- 有机分析,定性分析,结构分析,标准谱图对照,经验规则计算,官能团鉴定,顺反异构体的确定,互变异构体的确定,P147149,55,五、紫外-可见分光光度法的应用- 有机分析,定性分析,经验规则计算,Woodward规则,共轭二烯烃、多烯烃、共轭烯酮类 *跃迁,Scott规则,芳香族羰基衍生物E2带,56,Woodward规则-共轭二烯烃、多烯烃,57,五、紫
20、外-可见分光光度法的应用- 有机分析,官能团鉴定,紫外吸收光谱与有机化合物分子结构的关系,饱和烃,远紫外区，杂原子会使其红移（ n * ）,不饱和脂肪烃,数个生色团不相连分别产生吸收,生色团共轭原有吸收峰消失，向长波移动, *，217-280 nm, K吸收带,共轭越多，波长越长,P145表,58,五、紫外-可见分光光度法的应用- 有机分析,官能团鉴定,紫外吸收光谱与有机化合物分子结构的关系,芳香烃,苯 E1:185 nm, E2: 204 nm, E3: 230-270 nm (精细结构吸收带， B吸收带),单取代基红移,双取代基对位红移大，邻、间移动小 一推一吸最明显,结合环数 环数越多，
21、波长越长,59,若在200750nm波长范围内无吸收峰，则可能是直链烷烃、环烷烃、饱和脂肪族化合物或仅含一个双键的烯烃等。不含共轭体系，无醛、酮、溴、碘。,五、紫外-可见分光光度法的应用- 有机分析,官能团鉴定,若在270350nm波长范围内有低强度吸收峰(10100Lmol-1cm-1),（n跃迁），则可能含有一个简单非共轭且含有n电子的生色团，如羰基。,若在20300nm波长范围内有中等强度的吸收峰则可能含苯环。,60,五、紫外-可见分光光度法的应用- 有机分析,若在210250nm波长范围内有强吸收峰，则可能含有2个共轭双键；若在260300nm波长范围内有强吸收峰，则说明该有机物含有3
22、个或3个以上共轭双键。,若该有机物的吸收峰延伸至可见光区，则该有机物可能是长链共轭或稠环化合物。,61,五、紫外-可见分光光度法的应用- 有机分析,顺反异构体的确定,反式异构体max = 295 nm ,max=13500 顺式异构体 max = 280 nm ,max=7000,C=C,H,H,COOH,C=C,H,H,COOH,肉桂酸,62,互变异构体的确定,CH3C CH2 C OC2H5 CH3CH = CH C OC2H5 O O O,酮式,烯醇式,五、紫外-可见分光光度法的应用- 有机分析,乙酰乙酸乙酯,204nm处仅有弱吸收,245nm处有强的K吸收带,63,化合物纯度的检验,五
23、、紫外-可见分光光度法的应用- 有机分析,化合物在紫外光区没有明显的吸收峰 杂质在紫外光区有较强的吸收峰,杂质,试样测出的摩尔吸光系数比标准样品的小,纯度低,64,应用实例,以聚苯酰亚胺树脂微球为基体的树状间隔臂亲和色谱固定相的合成,非多孔3-5微米的聚苯酰亚胺树脂（PPTA）微球的合成,将对苯二胺加入一定浓度的碳酸钠水溶液，再往其中滴入溶有乳化剂SPAN85、TWEEN80，以及乳化助剂正丁醇的四氢呋喃搅拌使之成均一乳液。水与四氢呋喃的体积比为：水/ 四氢呋喃=2.5/1，充分搅拌后加入80-100目的对苯二甲酰氯粉末，以一定搅速搅拌一段时间后，停止反应，反应液离心得到的沉淀分别用丙酮，乙醇
24、，去离子水洗涤，再用浓氨水浸泡12h，最后水洗至中性即得聚苯酰亚胺树脂微球。,分析科学学报，2001，17（6），480-482,65,在已合成的微球基体上偶联新型树状间隔臂聚胺基酰胺树脂（PAMAM）,三次重复的马氏加成反应和酰胺化反应,应用实例,66,直接利用间隔臂表面的仲胺基，与高碘酸钾氧化后的配位体辅酶（NAD）反应生成含亚胺的席夫碱，最后用硼氢化钠将生成的席夫碱还原。,1 = NAD Standard Solution 2 = G=3.0 PPTA hydrolyzed by HCl solution, 3 = G=3.0 PPTA Connected with NAD ligand
25、 hydrolyzed by HCl solution, 4 = G=3.0 PPTA Connected with NAD ligand hydrolyzed in water solution,应用实例,67,本章应掌握的要点,1、紫外吸收光谱和可见吸收光谱同属电子光谱， 都是由于价电子跃迁而产生的。,2、有机化合物分子的跃迁有四大类： * 、 n * 、 * 、 n *，各类跃迁所需 能量也按以上顺序逐一减少。,3、吸收带分为四种类型：R带、K带、B带、E带 不同类型吸收带其最大吸收波长、形状均不相 同且具有一定的特征性。,4、芳香族化合物的特征吸收带是B带，其最大吸 收峰波长在2302
26、70nm；具有共轭的双键化合 物具有K带，其波长和强度与共轭体系的长短、 位置、取代基种类等有关，可初步判断结构。,68,9、光的吸收定律有一定的适用范围。光的吸收定律 产生偏差现象的原因主要是单色光不纯和显色溶 液中发生水解、缔合、沉淀等化学反应。,7、光的吸收定律的数学表达式是A= cb。吸收系数 表示物质对某一特定波长光的吸收能力。,5、在极性溶剂 中 *跃迁产生的吸收带红移， 而n *跃迁产生的吸收带则发生蓝移。,6、紫外吸收光谱可用于化合物的定性鉴定、纯度 检查、异构体的判断等。,8、在温度和波长等条件一定时，仅与吸收物质本身 的性质有关. max越大表明光度法测定该物质 灵敏度越高
27、,69,11、分光光度计都由光源、单色器、吸收池、检测器 和显示系统等五个部件组成。,12、紫外-可见分光光度计一般备有钨灯(或卤钨灯) 及氢灯(或氘灯)两类电源，可见区应使用钨灯 (或卤钨灯)，紫外光区应使用氢灯(或氘灯)。,14、玻璃吸收池适用于可见光区，石英吸收池适用 于紫外光区。,13、色散元件有滤光片、棱镜、光栅三种。,15、常用的检测器有：光电池、光电管、光电倍增管。,10、不同的吸光度读数对测定带来不同程度误差， 当透光率为36.8%或吸光度为0.434时溶液的 浓度测量误差最小。,70,18、选择参比溶液的总的原则是尽可能全部抵消 各种共存有色物质的干扰，使试液的吸光度 真正反映待测物质的浓度。,17、显色反应条件主要指：显色剂用量、显色pH 范围、显色温度、显色时间等。,19、消除共存离子干扰的方法有：控制溶液的酸 度、加入掩蔽剂、选择适当入射光波长、选 择合适参比液、分离等。,16 、金属配合物的荷移光谱在紫外可见吸收光谱中 起重要作用,71,20、混合组分吸收峰不重叠时，可按单组分测定方 法测定；若组分吸收峰相重叠，可根据吸光度 加和性原理，解联立方程组。混合液中组分在 不同波长下的摩尔吸光系数由该组分纯物质的 标准溶液在此波长下的吸光度计算而得。,72,试估计下列化合物中,何者吸收的光波最长? 何者最短?为什么?,