考研分析化学紫外可见分光光度法汇总.docx

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考研分析化学紫外可见分光光度法汇总

第十二章紫外-可见分光光度法

紫外可见分光光度法：

研究物质在紫外-可见光区分子吸收光谱的分析方法称为~

紫外可见吸收光谱属于电子光谱

由于电子光谱的强度较大，故紫外可见分光光度法灵敏度较高，一般可达10-4~10-8g/ml,部分可达10-7g/ml

准确度一般为0.5%，采用性能较好的仪器其测定准确度可达0.2%

紫外可见分光光度法的用途：

1在定性上不仅可以鉴别不同官能团和化学结构不同的化合物

2在定性上可以鉴别结构相似的不同化合物

3在定量上，不仅可以进行单一组分的测定，而且可以对多种混合组分不经分离进行同时测定

4可以根据吸收光谱的特性，与其他分析方法配合，用以推断有机化合物的分子结构

第一节紫外-可见吸收光谱中的一些基本概念

（一）跃迁类型（考过简答）

紫外-可见吸收光谱是讨论分子中价电子在不同的分子轨道之间跃迁的能量关系

分子中的价电子分为存在于σ轨道的σ电子，π轨道上的π电子、未参与成键而仍处于原子轨道中的n电子

轨道：

电子围绕分子或原子运动的几率分布叫做~

轨道不同，电子所具有的能量也不同

分子轨道可以认为是当两个原子靠近而结合成分子时，两个原子的原子轨道可以线性组合生成两个分子轨道，

其中一个分子轨道具有低能量称为成键轨道，另一个分子轨道具有高能量称为反键轨道

π键的电子重叠比σ键的电子重叠少，键能弱，跃迁所需的能量低

分子中n电子的能级，基本保持原来原子状态的能级，称为非键轨道

非键轨道比城建轨道所处能级高，比反键轨道能极低

分子中不同轨道的价电子具有不同的能量，处于低能级的价电子吸收一定能量后，就会跃迁到较高能级

在紫外和可见光区范围内，有机化合物的吸收光谱主要有σ→σ*跃迁、n→σ*跃迁、π→π*跃迁、

n→π*跃迁及电荷跃迁产生

无机化合物的吸收光谱主要由电荷迁移跃迁和配位场跃迁产生

1.

σ→σ*跃迁：

处于σ成键轨道上的电子吸收光能后跃迁到σ*反键轨道，分子中σ较为牢固，故跃迁需要较大的能量

吸收峰在远紫外区

举例：

饱和烃（甲烷，乙烷）E很高，λ<150nm（远紫外区）

2.

π→π*跃迁：

处于π成键轨道上的电子跃迁到π*反键轨道上，所需的能量小于σ→σ*跃迁所需的能量

孤立的π→π*跃迁一般在200nm左右，其特征是吸光系数很大，一般ε很大，一般ζ>104，为强吸收

具有共轭双键的化合物，相间的π键与π键相互作用形成离阈键，电子容易激发，使π→π*所需能量减少

共轭键越长，跃迁所需能量愈小

举例：

不饱和基团（—C＝C—，—C＝O）E较小，λ~200nm

3.

n→π*跃迁：

含有杂原子不饱和基团（—C≡N，C＝O），其非键轨道中孤对电子吸收能量后，向π*反键轨道跃迁，

这种跃迁一般在近紫外区（200nm~400nm）

吸收强度弱，ε小，约在10~100之间

4.

n→σ*跃迁：

如含-OH,-NH2,-X,-S等集团化合物，其杂原子中孤对电子吸收能量后向σ*反键轨道跃迁，这种跃迁可以吸

收的波长在200nm左右

5电荷迁移跃迁

电荷迁移跃迁：

是指用电磁辐射照射化合物时，电子从给予体向接受体相联系的轨道上跃迁

电荷迁移实质是一个内氧化还原过程，其相应的吸收光谱称为电荷迁移吸收光谱

某些化合物如取代芳烃可产生这种分子内电荷迁移吸收

许多无机络合物也有电荷迁移跃迁产生的电荷迁移吸收光谱（不少过渡金属与含生色团的试剂反应所生成的络

合物以及许多水合无机离子均可产生电荷迁移跃迁）

电荷迁移吸收出现的波长位置取决于电子给予体和电子接受体相应电子轨道的能量差

若中心离子的氧化能力越强或配体的还原能力越强（相反，若中心离子还原能力越强或配体的氧化能力越强）则发生电荷迁移时吸收的辐射能量越小

电荷迁移吸收光谱最大的特点是：

摩尔吸光系数较大，一般εmax>104，用于定量分析，可以提高检测的灵敏度

6．配位场跃迁

配位场跃迁：

跃迁必须在配体的配位场作用下才有可能产生，称为配位场跃迁

与电荷迁移跃迁比较，由于选择规则的限制，配位场跃迁吸收的摩尔吸光系数较小，一般εmax<102，位于可见光区

（二）紫外-可见吸收光谱中一些常用术语

吸收光谱：

又称吸收曲线，是以波长λ（nm）为横坐标，以吸光度A（或透光率T）为纵坐标所描绘的曲线

1吸收峰：

曲线上吸收最大的地方，它所对应的波长称最大吸收波长（λmax）

2谷：

峰与峰之间的部位叫谷，该处的波长称最小吸收波长（λmin）

3肩峰：

在一个吸收峰旁边产生的一个曲折，称为~

4末端吸收：

在图谱短波端只呈现强吸收而不成峰形的部分称为~

5生色团：

有机化合物分子结构中含有

π→π*跃迁或

n→π*跃迁的基团，如C＝C；C＝O；C＝N；—N＝N—，—NO2等，能在紫外可见范围内产生吸收的原子团

6助色团：

含有非键电子的杂原子饱和基团，如—OH，—OR，—NH—，—NR2—，—X等，当它们与生色团或饱和烃相连时，能使该生色团或饱和烃的吸收峰向长波方向移动，并使吸收强度增加的基团

7红移：

由于化合物结构改变，如发生共轭作用、引入助色团以及溶剂改变等，使吸收峰向长波方向的移动

8蓝（紫）移：

当化合物的结构改变时或受溶剂影响使吸收峰向短波方向移动

9增色效应：

由于化合物结构改变或其他原因，使吸收强度增加称增色效应或浓色效应

10减色效应：

由于化合物结构改变或其他原因，使吸收强度减弱称减色效应或淡色效应

11强带：

化合物的紫外可见吸收光谱中，凡摩尔吸光系数εmax值大于104的吸收峰称为~

12弱带：

化合物的紫外可见吸收光谱中，凡摩尔吸光系数εmax值小于103的吸收峰称为~

（三）吸收带及其与分子结构的关系（考过简答）

吸收带：

是说明吸收峰在紫外-可见光谱中的位置

根据电子和轨道种类，可把吸收带分为六种类型：

1．

R带：

由n→π*跃迁产生的吸收带，是杂原子的不饱和基团，如C＝O；—NO；—N＝N—等这一类发色

团的特征

它的特点是处于较长波长范围（~300nm），是弱吸收，其摩尔吸光系数值，一般在100以内，所以测

n→π*跃迁需要较浓溶液

溶剂极性↑，λmax↓→R带蓝移（短移）

所以在非极性溶剂中吸收峰在较长波长处，若改用极性溶剂时，吸收峰短移，说明有R带存在

2．

K带：

由共轭双键的π→π*跃迁产生的吸收峰

其特点是εmax>104，为强带

共轭体系增长，λmax↑→红移，εmax↑

3．

B带：

是芳香族化合物（包括杂芳香族）的特征吸收带

苯的多重吸收带：

苯蒸气在230~270nm处出现精细结构的吸收光谱，称为~

•λmax=254nm，宽带，具有精细结构，εmax=200

•极性溶剂中，或苯环连有取代基，其精细结构消失

4．

E带：

由苯环结构中三个乙烯的环状共轭系统的π→π*跃迁产生，是芳香族化合物的特征吸收带，分为E1

和E2带，都属于强带吸收

•E1180nmεmax>104（常观察不到）

•E2200nmεmax=7000强吸收

5．

电荷转移吸收带

许多无机物（如金金属卤化物）和某些有机物混合而得的分子络合物，在外来辐射激发下会强烈地吸收紫外光或可见光，从而获得可见或紫外吸收带

6.配位体场吸收带

过渡金属水和离子或过渡金属离子与显色剂（通常是有机化合物）所形成的络合物，能吸收适当波长的可见光（或紫外光），从而获得相应的吸收带

（四）

影响吸收带的因素（考过简答）

各种影响因素的核心，是对分子中电子共轭结构的影响

1位阻影响

化合物中若有二个发色团发生共轭效应，可使吸收带长移，但若二个发色团由于立体阻碍妨碍它们处于同一平面上，就会影响共轭效应，这种影响在光谱图上能反映出来

2跨环效应

（1）在一些β、γ不饱和酮中，虽然双键与酮基不产生共轭体系，但由于适当的立体排列，使羰基氧的孤电子对和双键的π电子发生作用，以致使相当于n→π*跃迁的R吸收带向长波移动，同时其吸收强度增强

（2）当C=O基团的π轨道与一个杂原子的p轨道能够有交盖时，也会出现跨环效应

3溶剂效应

溶剂效应影响：

吸收峰位置、吸收强度、光谱形状

化合物在溶液中的紫外吸收光谱受溶剂影响较大，所以一般应注明所用溶剂

溶剂的极性不同，一般使n→π*跃迁和π→π*跃迁所产生的吸收峰位置向不同方向移动

改用极性较大的溶剂，一般使π→π*跃迁，吸收峰向长波方向移动，而使n→π*跃迁，吸收峰向短波方向移动，后者的移动一般比前者移动大

改用极性较大的溶剂，使π→π*跃迁吸收峰长移，是因为激发态的极性总比基态极性大，因而激发态与极性溶剂相互作用所降低的能量大，所以产生长移

而在n→π*跃迁中，基态的极性大，非键电子与极性溶剂之间能形成较强的氢键，使基态能量降低大于反键轨道与极性溶剂相互作用所降低的能量，因而跃迁距离变大，故向短移

4体系PH值的影响

体系的PH对紫外吸收光谱的影响使比较普遍的，不论是酸性、碱性或中性样品都有明显的影响

第二节基本原理

（一）Lamber-Beer定律

Lamber-Beer定律：

吸收光谱法基本定律

Lamber-Beer定律：

是说明物质对单色光吸收的强弱与吸光物质的浓度和厚度间关系的定律

Beer定律：

说明吸光度与浓度的关系

Lamber定律：

说明吸光度与厚度的关系

E是吸光系数，C是吸光物质的浓度，l是吸光物质的厚度，A是吸光度，表示物质对单色光吸收的强弱

上式说明，单色光通过吸光物质后，透光率T与浓度C或厚度L之间的关系式指数函数的关系

浓度增大一倍时，透光率从T降至T2

若以透光率的负对数为吸光度A，则吸光度与浓度或厚度之间是简单的正比关系，其中E是比例常数，又称为吸

光系数

吸光系数的物理意义：

是吸光物质在单位浓度及单位厚度时的吸光度。

在给定单色光、溶剂和温度等条件下，吸光系数是物质的特性常数，表明物质对某一特定波长光的吸收能力

不同物质对同一波长的单色光，可有不同的吸光系数，吸光系数愈大，表明该物质的吸光能力愈强，灵敏度愈高

吸光系数是定性和定量依据

吸光系数的常用的两种表示方式

1摩尔吸光系数：

是指在一定波长时，溶液浓度为1mol/L，厚度为1cm的吸光度，用ε或EM表示

单位：

L*mol-1*cm-1

2百分吸光系数或比吸光系数

是指一定波长时，溶液浓度为1%（W/V），厚度为1cm的吸光度，用E1cm1%表示

单位：

100ml*g-1*cm-1

吸光系数两种表示方式之间的关系是：

式中M是吸光物质的摩尔质量，摩尔吸光系数一般不超过105数量级，通常在104~105之间为强吸收，小于102为弱吸收，介于两者之间称中强吸收

吸光系数ε或E1cm1%不能直接测得，需用一直准确浓度的稀溶液测得吸光度换算而得到

如果溶液中同时存在两种或两种以上吸光物质时，则溶液的吸光度将是各组分吸光度的总和

只要共存物质不互相影响性质，即不因共存物而改变本身的吸光系数，则总吸光度是各共存物的吸光度的和，而各

组分的吸光度由各自的浓度与吸光系数所决定

吸光度的这种加和性质是计算分光光度法测定混合组分的依据

（二）

偏离Lamber-Beer定律的因素（常考简答）

依据Beer定律，A与C关系应为一条经过原点的直线

1化学因素

溶液中溶质可因浓度改变而有离解、缔合与溶剂间的作用等原因而发生偏离Beer定律的现象

由化学因素引起的偏离，有时可控制溶液条件设法避免

2光学因素

（1）非单色光：

Beer定律的一个重要前提是而设光是单色光，但事实上真正的单色光是难以得到的

当光源为连续光谱时，常采用单色器把所需要的波长从连续光谱中分离出来，其波长宽度决定于单色器中的狭缝宽度和棱镜或光栅的分辨率

谱带宽度：

由于制作技术的限制，同时为了保证透过光的强度对检测器有明显的响应，狭缝就必须有一定的宽度，这就使分离出来的光，同时包含了所需波长的光和附近波长的光，即具有一定波长范围的光，这一宽度称为~

谱带宽度常用半峰宽来表示

谱带宽度S的值愈小，单色性愈好，但因仍是符合光，故仍可以使吸光度变值而偏离Beer定律，其主要原因是由于物质对不同波长的光有不同的吸光系数

讨论：

入射光的谱带宽度严重影响吸光系数和吸收光谱形状

E1>E2时，使吸光度减小，产生负偏差

E1

（2）杂散光

杂散光：

从分光器得到的单色光中，还有一些不再谱带宽度范围内的与所需波长相隔较远的光，称为~

杂散光也可使光谱变形变值，特别是在透射光很弱的情况下，会产生明显的作用

杂散光来源：

仪器本身缺陷；光学元件污染造成

若样品不吸收杂散光，会使A变小，是负偏离，若样品吸收杂散光，则是正偏离，A增大

（3）散射光和反射光

散射光和反射光，都是入射光谱带宽度内的光，对透射光强度有直接影响

光的散射可使透射光减弱，常使测得的吸光度偏高

反射也使透射光减弱，常使测得的吸光度偏高

（4）非平行光

通过吸收池的光，一般都不是真正的平行光，倾斜光通过吸收池的实际过程将比垂直照射的平行光的光程常，使厚度l增大而影响测量值

Ø使光程↑，A↑，吸收光谱变形

3透射率测量误差

✓影响测定结果的相对误差两个因素：

透光率T和透光率测量误差ΔT的大小

✓ΔT影响因素：

仪器噪音

1）暗噪音（与光讯号无关）

2）讯号噪音（随光讯号强弱而变化）

1）暗噪音——与检测器和放大电路不确切性有关、与光讯号无关

不论有光照射还是无光照射，可视为一个常量ΔT

适宜测量的范围：

2）讯号噪音——与光讯号有关

讯号噪声与被测光强的平方根成正比，其比值与光的波长及光敏元件的品质有关

如上图所示，表明测量误差较小的范围一直可延至较高吸光度区，对测定有利

第三节紫外-可见分光光计

紫外-可见分光光度计是在紫外-可见光区可任意选择不同波长的光测定吸光度的仪器

光路：

光源---单色器---吸收池---检测器---讯号处理及显示器

（一）主要部件

1光源

分光光度计要求有能发射强度足够而且稳定的，具有连续光谱且发光面积小的光源

紫外区和可见区通常分别用氢灯和钨灯两种光源

可见区——钨灯或卤钨灯——可见光源350~1000nm

紫外区——氢灯或氘灯——紫外光源150~400nm

2单色器：

包括进口狭缝、准直镜、色散元件、聚焦棱镜和出口狭缝组成

单色器的作用是将来自光源的连续光谱中按波长顺序色散，并从中分出一定宽度的谱带

色散元件的作用是使各种不同波长的平行光有互不相同的投射方向

棱镜——对不同波长的光折射率不同

色散元件分出光波长不等距

光栅——衍射和干涉

分出光波长等距

3．吸收池：

玻璃——能吸收UV光，仅适用于可见光区

石英——不能吸收紫外光，适用于紫外和可见光区

✓要求：

匹配性（对光的吸收和反射应一致）

4．检测器：

将光信号转变为电信号的装置，一般常用光电效应检测器

光电池

光电管

光电倍增管

二极管阵列检测器

光电池有硒光电池和硅光电池

硒光电池：

用于可见区

硅光电池：

紫外区+可见区

光电池是一种光敏半导体，易“疲劳”

内阻小，电流不易放大，光强弱时，不能测量

只能用于谱带宽度较大的低档次仪器

光电管是由一个阳极和光敏阴极组成的真空二极管，阴极表面独有碱金属或碱金属氧化物灯光民材料，当它被有足够能量的光照射时，能够发射出电子

内阻很高，产生的电流很容易放大

光电倍增管：

与光电管结构上的差异是，光敏金属的阴极和阳极之间还有即被倍增极

光二极管阵列检测器：

在晶体硅上紧密排列一系列光二极管检测器

二级管数目越多、分辨率越高

能快速光谱采集时它技术上的一个特点

5．记录装置：

讯号处理和显示系统

（二）分光光度计的光学性能与类型

1光学性能

2几种光路类型

（1）单光束分光光度计

✓特点：

•使用时来回拉动吸收池→移动误差

•对光源要求高

•比色池配对

（2）双光束分光光度计

✓特点：

•不用拉动吸收池，可以减小移动误差

•对光源要求不高

•可以自动扫描吸收光谱

（3）光多道二极管阵列检测的分光光度计

（三）分光光度计的校正

1波长的校正

氢灯或氘灯的发射谱线中有几根原子谱线，可作为波长校正使用，常用的有486.13nm（F线）和656.28nm（C线）

2吸光度的校正

3吸收池的校正

第四节定性分析方法与纯度检测

（一）定性鉴别

吸收光谱特征包括：

吸收光谱形状、吸收峰数目、各吸收峰的波长位置、强度和相应的吸光系数值

结构完全相同的化合物应有完全相同的吸收光谱，但吸收光谱相同的化合物却不一定是同一个化合物，因为有机分子中的选择吸收的波长的强度，主要决定于分子中的生色团和助色团及其共轭情况

利用紫外-可见分光光度法进行化合物的定性鉴别，一般采用对比法

所谓对比法，是将样品化合物的吸收光谱特征与标准化合物的吸收光谱特征进行对照比较，也可以利用文献所载的紫外可见标准图谱进行核对，如果两者完全相同，则可能是同一种化合物，如两者有明显差别，则肯定不是同一种化合物

1对比吸收光谱特征数据

最常用于鉴别的特征数据是吸收峰所在的波长（λmax）

具有不同或相同吸收基团的不同化合物，可有相同的λmax值，但它们的分子量一般是难以相同的因此它们的ε或E1cm1%常有明显的差异，所以吸光系数也常用于化合物的定性鉴别

2对比吸光度（或吸光系数）的比值

不只一个吸收峰的化合物，可用在不同吸收峰处（或峰或谷）测得吸光度的比值作为鉴别的依据

3对比吸收光谱的一致性

只有在光谱曲线完全一致的情况下才有可能是同一物质，若光谱曲线有差异，则可发现试样与标准品并非同一物质

用紫外吸收光谱数据或曲线定性鉴别，有一定的局限性

主要是因为紫外吸收光谱一般只有1个或几个宽吸收带，曲线的形状变化不多，在成千上万种有机化合物中，不相同的化合物可以有类似甚至雷同的吸收光谱，所以在得到相同的吸收光谱时，应考虑到又并非同一种物质的可能性，而在两种纯化合物的吸收光谱有明显差别时，却可以肯定两物不是同一物质

（二）纯度检测

1杂质检查

1）峰位不重叠：

找λ→使主成分无吸收，杂质有吸收→直接考察杂质含量

2）峰位重叠：

主成分强吸收，杂质无吸收/弱吸收→与纯品比较，E↓

杂质强吸收>>主成分吸收→与纯品比较，E↑，光谱变形

**被检查的化合物必须已经鉴别确证之后，方能认为光谱数据或形状的改变是由杂质存在所致

2杂质的限量检测

药物中的杂质长须指定一个容许其存在的限量

有时用峰谷吸收度的比值控制杂质的限量

为了限制杂质的按量，可规定一个峰谷吸收度比的最小允许值

第五节定量分析方法

一、单组份样品的定量方法

通常选择被测物质吸收光谱中的吸收峰处，以提高灵敏度并减少测量误差，被测物如有几个吸收峰，可选无其它物质干扰的，较高的吸收峰，一般不选光谱中靠短波长末端的吸收峰

许多溶剂本身在紫外光区有吸收峰、所以选用的溶剂应不干扰被测组分的测定，组分的测定波长必须大于溶剂的截止波长

（一）吸光系数法（绝对法）

2．标准曲线法

3．对照法：

外标一点法

✓

注：

当样品溶液与标准品溶液的稀释倍数相同时

（二）多组分的定量方法

✧三种情况：

1．两组分吸收光谱不重叠（互不干扰）

两组分在各自λmax下不重叠→分别按单组分定量

2．两组分吸收光谱部分重叠

λ1→测A1→b组分不干扰→可按单组分定量测Ca

λ2→测A2→a组分干扰→不能按单组分定量测Ca

3．两组分吸收光谱完全重叠——混合样品测定

（1）等吸收双波长消去法

✧

步骤：

✧

消除a的影响测b

选择波长的原则，必须符合两个基本条件：

1干扰组分在这两个波长应具有相同的吸光度

2待测组分在这两个波长处的吸光度差值应足够大

被测组分在两波长处的A值愈大，愈有利于测定

（2）系数倍率法

✓

前提：

干扰组分b不成峰形

✓

步骤：

b曲线上任找一点→λ1

✓另一点→λ2

✓

无等吸收点

✓优点：

同时将待测组分和干扰组分放大信号K倍，

提高了待测组分测定灵敏度

（3）三波长法

三波长法中所选定的三个波长点，必须在干扰组分的吸收光谱上为一条直线

（5）偏最小二乘法

（6）导数光谱法

导数光谱给出的信息可用于定性鉴别、结构分析以及痕量测定等方面

三、光电比色法

可见分光光度法是对于能吸收可见光的有色溶液的测定方法，通常也称为光电比色法

光电比色法的优点：

1灵敏

2简便

3许多不吸收可见光的无色物质可以用显色反应变成有色物质，使之能用光电比色法测定，而且能提高测定灵敏度和加和性

显色反应包括：

络合反应、氧化还原反应、缩合反应，其中哦那个络合反应应用最广

1显色反应及其条件

金属离子与配位体可形成稳定的有色络合物或络离子，吸收系数可高达105，灵敏度高，且常有较好的选择性，适用于微量比色分析

多元络合物：

金属离子与两种或两种以上那个配位体形成的络合物称为~~

多元络合物中应用较多的是与两种配位体形成的三元络合物，可以提高比色分析选择性与灵敏度的作用

一些表面活性剂参与金属离子和显色剂的反应时能形成胶束状化合物，可使吸收峰移向长波段，且使吸收系数

增大

形成离子对（离子缔合物）的反应也被应用于比色法

显色反应的有色产物，若能溶于有机溶剂，则可萃取后进行比色测定，有利于排除干扰和提高灵敏度

（1）显色反应须符合的要求

1被测物质与所生成的有色物质之间，必须有确定的定量关系，方能使反应产物对光的吸收度准确地反

应被测物的含量

2反应产物必须有足够的稳定性，以保证测得的吸收度有一定的重现性

3如试剂本身有色，则反应产物的颜色与实际的颜色须有明显的差别，即产物与试剂对光的最大吸收波

长应有较大差异，才能分辨产物的吸收与试剂的吸收

4反应产物的摩尔吸收系数足够大，才能有一定的灵敏度

5显色反应有较好的选择性，才能减免干扰因素

对于萃取比色法，应有足够大的分配比，以保证萃取完全

（2）影响显色反应的反应条件：

试剂与溶剂、酸碱度、时间、温度及其它

（3）反应条件的控制