紫外可见分光光度法.docx

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紫外可见分光光度法

第一章紫外-可见分光光度法

（UltravioletandVisibleSpectrophotometry,UV-Vis）

1.1紫外-可见吸收光谱

1.2吸收光谱的测量-----Lambert-Beer定律

1.3紫外-可见光度计仪器组成

1.4分析条件选择

1.5UV-Vis分光光度法的应用

UV-Vis方法是分子光谱方法，它利用分子对外来辐射的选择性吸收特性。

UV-Vis涉及分子外层电子的能级跃迁；光谱区在190~780nm.

UV-Vis主要用于分子的定量分析，但紫外光谱（UV）为四大波谱之一，是鉴定

许多化合物，尤其是有机化合物的重要定性工具之一。

1.1紫外-可见吸收光谱

一、分子吸收光谱的形成

1.过程：

运动的分子外层电子--------吸收外来辐射------产生电子能级跃迁-----分子吸收谱。

2.能级组成：

除了电子能级（Electronenergylevel）外，分子吸收能量将伴随着分子的振动和转动，即同时将发生振动（Vibration）能级和转动（Rotation）能级的跃迁！

据量子力学理论，分子的振-转跃迁也是量子化的或者说将产生非连续谱。

因此，分子的能量变化E为各种形式能量变化的总和：

其中Ee最大：

1-20eV;Ev次之：

0.05-1eV;Er最小：

0.05eV

可见，电子能级间隔比振动能级和转动能级间隔大1~2个数量级，在发生电子能级跃迁时，伴有振-转能级的跃迁，形成所谓的带状光谱。

不同物质结构不同或者说其分子能级的能量（各种能级能量总和）或能量间隔各异，因此不同物质将选择性地吸收不同波长或能量的外来辐射，这是UV-Vis定性分析的基础。

定性分析具体做法是让不同波长的光通过待测物，经待测物吸收后，测量其对不同波长光的吸收程度（吸光度A），以吸光度A为纵坐标，辐射波长为横坐标作图，得到该物质的吸收光谱或吸收曲线，据吸收曲线的特性（峰强度、位置及数目等）研究分子结构

二、分子吸收光谱跃迁类型

有机分子能级跃迁

1.可能的跃迁类型

有机分子包括:

成键轨道、；反键轨道*、*；非键轨道n；

例如H2O分子的轨道

各轨道能级高低顺序：

n**（分子轨道理论计算结果）；

可能的跃迁类型：

-*；-*；-*；n-*；-*；n-*

-*：

C-H共价键，如CH4（125nm）；C-C键，如C2H6（135nm），处于

真空紫外区；

-*和-*跃迁：

尽管所需能量比上述-*跃迁能量小，但波长仍处于

真空紫外区；

n-*：

含有孤对电子的分子，如H2O（167nm）；CH3OH（184nm）；CH3Cl

（173nm）;CH3I（258nm）；（CH3）2S（229nm）；（CH3）2O（184nm）

CH3NH2（215nm）；（CH3）3N（227nm），可见，大多数波长仍小于

200nm，处于近紫外区。

以上四种跃迁都与成键和反键轨道有关（-*，-*，-*和n-*），跃迁能量较高，这些跃迁所产生的吸收谱多位于真空紫外区，因而在此不加讨论。

只有-*和n-*两种跃迁的能量小，相应波长出现在近紫外区甚至可见光区，且对光的吸收强烈，是我们研究的重点。

2.几个概念：

生色团（Chromogenesisgroup）：

分子中含有非键或键的电子体系，能吸收特征外来辐射时并引起n-*和-*跃迁，可产生此类跃迁或吸收的结构单元，称为生色团。

助色团（Auxochromousgroup）：

含有孤对电子，可使生色团吸收峰向长波方向移动并提高吸收强度的一些官能团，称之为助色团。

常见助色团助色顺序为：

-F<-CH3<-Br<-OH<-OCH3<-NH2<-NHCH3<-NH（CH3）2<-NHC6H5<-O-

红移或蓝移（Redshiftorblueshift）：

在分子中引入的一些基团或受到其它外界因素影响，吸收峰向长波方向（红移）或短波方向移动（蓝移）的现象。

吸收强度即摩尔吸光系数ε增大或减小的现象分别称为增色效应或减色效应，如图所示。

那么促使分子发生红移或蓝移的因素有哪些呢？

1）共轭体系的存在----红移

如CH2=CH2的-*跃迁，max=165~200nm；而1,3-丁二烯，max=217nm

2）异构现象：

使异构物光谱出现差异。

如CH3CHO含水化合物有两种可能的结构：

CH3CHO-H2O及CH3CH（OH）2;已烷中，max=290nm，表明有醛基存在，结构为前者；而在水溶液中，此峰消失，结构为后者。

3）空间异构效应---红移

如CH3I（258nm）,CH2I2（289nm）,CHI3（349nm）

4）取代基：

红移或蓝移。

取代基为含孤对电子，如-NH2、-OH、-Cl，可使分子红移；取代基为斥电子基，如-R，-OCOR，则使分子蓝移。

苯环或烯烃上的H被各种取代基取代，多产生红移。

5）pH值：

红移或蓝移

苯酚在酸性或中性水溶液中，有210.5nm及270nm两个吸收带；而在碱性溶液中，则分别红移到235nm和287nm（p-共轭）.

6）溶剂效应：

红移或蓝移

由n-*跃迁产生的吸收峰，随溶剂极性增加，形成H键的能力增加，发生蓝移；由-*跃迁产生的吸收峰，随溶剂极性增加，激发态比基态能量有更多的下降，发生红移。

随溶剂极性增加，吸收光谱变得平滑，精细结构消失

无机物分子能级跃迁

一些无机物也产生紫外-可见吸收光谱，其跃迁类型包括p-d跃迁或称电荷转移跃迁以及d-d,f-f跃迁或称配场跃迁。

1.电荷转移跃迁（Chargetransfertransition）

一些同时具有电子予体（配位体）和受体（金属离子）的无机分子，在吸收外来辐射时，电子从予体跃迁至受体所产生的光谱。

max较大（104以上），可用于定量分析。

2.配场跃迁（Ligandfieldtransition）

过渡元素的d或f轨道为简并轨道（Degenerationorbit），当与配位体配合时，轨道简并解除，d或f轨道发生能级分裂。

如果轨道未充满，则低能量轨道上的电子吸收外来能量时，将会跃迁到高能量的d或f轨道，从而产生吸收光谱。

吸收系数max较小（102），很少用于定量分析；多用于研究配合物结构及其键合理论。

d轨道电子云分布及在配场下的分裂示意图

1.2吸收光谱的测量-----Lambert-Beer定律

一、 几个术语

当强度为I0的入射光束（Incidentbeam）通过装有均匀待测物的介质时，该光束将被部分吸收，未被吸收的光将透过（Emergent）待测物溶液以及通过散射（Scattering）、反射（Reflection）,包括在液面和容器表面的反射）而损失，这种损失有时可达10%，那么，

I0=Ie+Is+Ir

因此，在样品测量时必须同时采用参比池和参比溶液扣除这些影响！

二、Lambert-Beer定律

当入射光波长一定时，待测溶液的吸光度A与其浓度和液层厚度成正比，即

k为比例系数，与溶液性质、温度和入射波长有关。

当浓度以g/L表示时，称k为吸光系数，以a表示，即

当浓度以mol/L表示时，称k为摩尔吸光系数，以表示，即

比a更常用。

越大，表示方法的灵敏度越高。

与波长有关，因此，常以表示。

三、偏离L-B定律的因素

样品吸光度A与光程b总是成正比。

但当b一定时，A与c并不总是成正比，即偏离L-B定律！

这种偏离由样品性质和仪器决定。

1.样品性质影响

a）待测物高浓度--吸收质点间隔变小—质点间相互作用—对特定辐射

的吸收能力发生变化---变化；

b）试液中各组份的相互作用，如缔合、离解、光化反应、异构化、配

体数目改变等，会引起待测组份吸收曲线的变化；

c）溶剂的影响：

对待测物生色团吸收峰强度及位置产生影响；

d）胶体、乳状液或悬浮液对光的散射损失。

2.仪器因素

仪器因素包括光源稳定性以及入射光的单色性等。

a）入射光的非单色性：

不同光对所产生的吸收不同，可导致测定偏差。

假设入射光由测量波长x和干扰i波长组成，据Beer定律，溶液对在x和i的光的吸光度分别为：

综合前两式，得

当x=i时，或者说当x=i时，有A=xbc,符合L-B定律；

当xi时，或者说当xi时，则吸光度与浓度是非线性的。

二者差别越大，

则偏离L-B越大；

当x>i，测得的吸光度比在“单色光”x处测得的低，产生负偏离；反之，当

x

b）谱带宽度与狭缝宽度：

“单色光”仅是理想情况，经分光元件色散所得的“单色光”实际上是有一定波长范围的光谱带（即谱带宽度）。

单色光的“纯度”与狭缝宽度有关，狭缝越窄，它所包含的波长范围越小，单色性越好。

1.3紫外-可见光度计仪器组成

紫外-可见光度计仪器由光源、单色器、吸收池和检测器四部分组成。

一、光源

对光源基本要求：

足够光强、稳定、连续辐射且强度随波长变化小。

1.钨及碘钨灯：

340~2500nm，多用在可见光区；

2.氢灯和氘灯：

160~375nm，多用在紫外区。

二、单色器（Mnochromator）

与原子吸收光度仪不同，在UV-Vis光度计中，单色器通常置于吸收池的前面！

（可防止强光照射引起吸收池中一些物质的分解）

三、吸收池（Cell，Container）：

用于盛放样品。

可用石英或玻璃两种材料制作，前者适于紫外区和可见光区；后者只适于可见光区。

有些透明有机玻璃亦可用作吸收池。

四、检测器：

硒光电池、PMT、PDA

二、紫外可见光度计仪器

分光光度计分为单波长和双波长仪器。

1.单波长分光光度计

（a）单光束

（b）双光束（空间分隔）

（c）双光束（时间分隔）

（d）

特点：

双光束方法因光束几乎同时通过样品池和参比池，因此可消除光源不稳产生的误差。

2.双波长分光度计

通过切光器使两束不同波长的光交替通过吸收池，测得吸光度差A。

AB1和AB2分别为在1和2处的背景吸收，当1和2相近时，背景吸收近似相等。

二式相减，得

这表明，试样溶液浓度与两个波长处的吸光度差成正比。

特点：

可测多组份试样、混浊试样、而且可作成导数光谱、不需参比液（消除了由于参比池的不同和制备空白溶液等产生的误差）、克服了电源不稳而产生的误差，灵敏度高。

3、二极管阵列分光光度计

特点：

单吸收池，测定速度快

4.分光光度计的校正

当光度计使用一段时间后其波长和吸光度将出现漂移，因此需要对其进行校正。

波长标度校正：

使用镨-钕玻璃（可见光区）和钬玻璃（紫外光区）进行校正。

因为二者均有其各自的特征吸收峰。

吸光度标度校正：

采用K2CrO4标准液校正（在25oC时，于不同波长处测定0.04000g/L的KOH溶液（0.05mol/L）的吸光度A，调整光度计使其A达到教材P31中表2.1所列的吸光度。

4.分光光度计的校正

当光度计使用一段时间后其波长和吸光度将出现漂移，因此需要对其进行校正。

波长标度校正：

使用镨-钕玻璃（可见光区）和钬玻璃（紫外光区）进行校正。

因为二者均有其各自的特征吸收峰。

吸光度标度校正：

采用K2CrO4标准液校正（在25oC时，于不同波长处测定0.04000g/L的KOH溶液（0.05mol/L）的吸光度A，调整光度计使其A达到教材P31中表2.1所列的吸光度。

二、反应条件选择

1.显色剂的选择原则：

使配合物吸收系数最大、选择性好、组成恒定、配合物稳定、显色剂吸收波长与配合物吸收波长相差大等。

2.显色剂用量：

配位数与显色剂用量有关；在形成逐级配合物，其用量更要严格控制。

3.溶液酸度：

配位数和水解等与pH有关。

4.显色时间、温度、放置时间等。

三、参比液选择

1.溶剂参比：

试样组成简单、共存组份少（基体干扰少）、显色剂不吸收时，直

接采用溶剂（多为蒸馏水）为参比；

2.试剂参比：

当显色剂或其它试剂在测定波长处有吸收时，采用试剂作参比（不

加待测物）；

3.试样参比：

如试样基体在测定波长处有吸收，但不与显色剂反应时，可以试样

作参比（不能加显色剂）。

四、干扰消除

1.控制酸度：

配合物稳定性与pH有关，可以通过控制酸度提高反应选择性，副反应减少，而主反应进行完全。

如在0.5MH2SO4介质中，双硫腙与Hg2+生成稳定有色配合物，而与Pb2+、Cu2+、Ni2+、Cd2+等离子生成的有色物不稳定。

2.选择掩蔽剂

3.合适测量波长

4.干扰物分离

5.导数光谱及双波长技术

二、定量分析

1.单组份定量方法

1）标准曲线法（略）

2）标准对比法：

该法是标准曲线法的简化，即只配制一个浓度为cs的标准溶液，并测量其吸光度，求出吸收系数k，然后由Ax=kcx求出cx

该法只有在测定浓度范围内遵守L-B定律，且cx与cs大致相当时，才可得到准确结果。

2.多组分定量方法

由于吸光度具有加合性，因此可以在同一试样中测定多个组份。

设试样中有两组份X和Y，将其显色后，分别绘制吸收曲线，会出现如图所示的三种情况：

图a）：

X,Y组份最大吸收波长不重迭，相互不干扰，可以按两个单一组份处理。

图b）和c）：

X,Y相互干扰，此时可通过解联立方程组求得X和Y的浓度：

其中，X,Y组份在波长1和2处的摩尔吸光系数可由已知浓度的X,Y纯溶液测得。

解上述方程组可求得cx及cy。

3.双波长法---等吸收点法

当混合物的吸收曲线重迭时，如右下图所示，可利用双波长法来测定。

具体做法：

将a视为干扰组份，现要测定b组份。

a） 分别绘制各自的吸收曲线a,b；

b） 画一平行于横轴的直线分别交于a组份曲线上两点，并与b组分相交；

c） 以交于a上一点所对应的波长1为参比波长，另一点对应的为测量波长2，并对混合液进行测量，得到：

A1=A1a+A1b+A1s

A2=A2a+A2b+A2s

若两波长处的背景吸收相同，即A1s=A2s

二式相减，得，A=（A2a-A1a）+（A2b-A1b）

由于a组份在两波长处的吸光度相等，因此，

A=（A2b-A1b）=（2b-1b）lcb

从中可求出cb

同理，可求出ca.

4.系数倍率法

情况同3。

但若其中一干扰组份b在测量波长范围内无吸收峰时，或者说没有等吸收点时可采用该法。

具体做法：

同前法可得到下式，

A1=A1a+A1b

A2=A2a+A2b

两式分别乘以常数k1、k2并相减，得到，

S=k2（A2a+A2b）-k1（A1a+A1b）=（k2A2b-k1A1b）+（k2A2a-k1A1a）

调节信号放大器，使之满足k2/k1=A1b/A2b，（K=E1/E2，K——掩蔽系数）则

S=（k2A2a-k1A1a）=（k22-k11）lca

因此，差示信号只与ca有关，从而求出ca。

同样可求出cb。

5、多波长线性回归法

A=E1C1L+E2C2L

A/E2=（E1/E2）C1L+C2L

对多波长下的值进行线性回归，得C1，C2

6.导数光谱法

1）定义：

将吸光度信号转化为对波长的导数信号的方法。

导数光谱是解决干

扰物质与被测物光谱重叠，消除胶体等散射影响和背景吸收，提高

光谱分辨率的一种数据处理技术。

2）原理：

已知

，对波长求一阶导数，得

可见，一阶导数信号与浓度成正比。

同样可得到二阶、三阶….n阶导数信号亦与浓度成正比。

导数光谱的特点：

1、峰形特点

2、特征性增加

吸收峰数为：

导数阶数+1，即n+1

3、可消除干扰：

高一阶的导数，可消除低一阶的干扰。

4、分辨率提高：

随导数阶数的增加，峰形越来越尖锐，峰变窄，因而导数光谱法分辨率高

5、灵敏度提高

3）导数峰高测量方法

测量方法有三，如下图：

正切法：

相邻峰（极大或极小）切线中点至相邻峰切线（极小或极大）的距离d；

峰谷法：

两相邻峰值（极大或极小）间的距离p1或p2；

峰零法：

极值峰至零线间的距离。

7.配合物组成和稳定常数测定

1）摩尔比法（饱和法）

设配合物的显色反应为：

具体做法：

固定cM，增加cR，并测定一系列MRn的吸光度A，以cR/cM比值对A作图，得如图所示曲线。

其中，曲线拐点处对应的值为配合比n

设MRn的电离度为，则

2）等摩尔连续变化法（Job法）

具体做法：

保持cR+cM=c恒定，但改变cM与cR的相对比例，若以cM/c对吸光度A作图，当达最大吸光度时cM/cR之比即为配位比。

由两曲线外推的交点所对应的cM/c亦可得出配位比。

若比值为0.5，则配位比n为1:

1；若比值为0.33，则配位比n为1:

2……或者n=（1-cM/c）/（cM/c）

设cM/c=f，则

该法适于离解度小、配合比低的配合物组成测定。

8.弱酸离解常数的测定

设有一元弱酸HB，其离解反应如下：

若测出[B-]和[HB]，即可求出Ka。

测定时，配制三份不同pH值的溶液。

一份为强碱性，一份为强酸性，分别在B-和HB的最大吸收波长处测定吸光度，求出各自的摩尔吸光系数。

第三份为已知pH值的缓冲溶液，分别在B-和HB的最大吸收波长处测得总吸光度，解联立方程求得[B-]和[HB]，然后按前式求出pKa或Ka。