第三章 紫外吸收光谱分析

b. 滤光片单色器
组成:
性能： 吸收滤片 光谱通带宽度（nm） 20-30 透 过 率（T% ） 5-20%
准直镜
入口狭缝、 滤光片、出口狭缝
干涉滤光片 10-15 40-60%
狭缝
c. 棱镜和光栅单色器 光谱通带宽度 少于 1nm 组成: 狭缝、色散元件、准直元件（ 透镜 、反射镜 ）
棱镜和光栅单色器比较
迁移跃迁产生。无机化合物的吸收带主要由电荷迁移和配位场跃迁 （即d—d跃迁和f—f跃迁）产生。
•
σ→σ*和 n →σ *跃迁，吸收波长：< 200nm (远紫外区)；
•
π → π*和 n →π *跃迁，吸收波长： 200~400nm (近紫外区)；
紫外-可见分光光度法检测：共轭烯烃、共轭羰基化合物及芳香化合物等。
号，并记录下来，然后以波长为横坐标，以电信号（吸光度 A）为纵坐标，
就可以得到一张光强度变化对波长的关系曲线图-紫外吸收光谱图，如下：
• Lambert-Beer定律
也称吸收定律，A称为吸光度（absorbance），吸 收度或光密度（OD，optical density），a称为吸收系数
(absorotiviry),是化合物分子的特性，它与浓度（c）和光
3.3. 有机化合物的紫外-可见吸收光谱的类型
价电子跃迁
基态有机化合物的价电子包括成键σ电子、成键π电子和非键
电子（以 n表示）。分子的空轨道包括反键σ *轨道和反键π *轨道， 因此，可能的跃迁为σ→σ*、π → π*、n →σ*、n →π*等。下列几 种跃迁的特点是: 1. σ→σ*跃迁 它需要的能量较高，一般发生在真空紫外光区。有机饱和烃中 的C-C和C-H键属于这类跃迁，例如乙烷的最大吸收波长λmax为 135nm。 2. n →σ*跃迁 主要是含有O、N、P等杂原子的有机分子。实现这类跃迁所需 要的能量较高，其吸收光谱落于远紫外光区和近紫外光区，如 CH3OH和CH3NH2的n →σ*跃迁光谱分别为183nm和213nm。
光谱分析的紫外区：通过石英（SiO2）、且不为氧所吸收的
200～420nm谱区；可见光谱区为420～760nm。
1.1 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，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。下图为分子的能级示意图。
图1. 分子中电子能级、振动能级和转动能级示意图
第三章 紫外吸收光谱分析
1. 紫外-可见吸收光谱概述
紫外—可见（Ultraviolet-visible）分光光度法是利用某些物质
分子能够吸收200 ~ 800 nm光谱区的辐射来进行分析测定的方
法。利用分子在紫外可见谱区的吸收光谱进行无机和有机物质
的定量测定，辅助定性分析（如配合IR）。
分析依据的信息是组成分子的原子外层价电子的运动特征。
单波长双光束分光光度计
比值 光束分裂器 光源 单色器
吸收池
检测器
显示
• 双光束分光光度计是自动比较了透过参比溶液和样品溶液的光的强度，它不受
光源（电源）变化的影响。
• 双光束分光光度计还能进行波长扫描，并自动记录下各波长下的吸光度，很快 就可得到试液的吸收光谱。所以能用于定性分析。
2.3 紫外光谱图例图
A. 光源
用于提供足够强度和稳定的连续光谱。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。 热辐射光源用于可见光区，一般用白炽灯，如钨丝灯和卤钨灯；钨灯和碘钨灯可使 用的范围在340 ~ 2500nm。
气体放电光源用于紫外光
区，如氢灯和氘灯,它们
可在160 ~ 360 nm范围 内产生连续光源。
分子总能量： E分子 = E电子 + E振动 + E转动
当用频率为n的电磁波照射分子，而该分子的较高能级与
较低能级之差△E恰好等于该电磁波的能量 hn时，即有：
△ E = hn （ h为普朗克常数）
此时，在微观上出现分子由较低能级跃迁到较高的能级；在宏观上则透
射光的强度变小。 用一连续-辐射的电磁波照射分子，将照射前后光强度的变化转变为电信
外光谱区域，而且在整个波长区域中具有良好的、几乎均匀一致的色散 率，且具有适用波长范围宽、分辨本领高、成本低、便于保存和易于制
作等优点，所以是目前用的最多的色散元件。其缺点是各级光谱会重叠
而产生干扰。
C. 吸收池
吸收池用于盛放分析试样，一般有石英和玻璃材料两种。石英池 适用于可见光区及紫外光区，玻璃吸收池只能用于可见光区。为减 少光的损失，吸收池的光学面必须完全垂直于光束方向。在高精度 的分析测定中（紫外区尤其重要），吸收池要挑选配对。因为吸收 池材料的本身吸光特征以及吸收池的光程长度的精度等对分析结果 都有影响。紫外光谱仪吸收池恰好安排在光电转换前。
E. 信号指示系统 它的作用是放大信号并以适当方式指示或记录下来。 常用的信号指示装置有直读检流计、电位调节指零装置 以及数字显示或自动记录装置等。很多型号的分光光度 计装配有微处理机，一方面可对分光光度计进行操作控 制，另一方面可进行数据处理。 总 结 ：
钨灯卤素灯 或氘灯
棱镜或光栅， 玻璃或石英
3. π → π*跃迁 有机分子中的C=C键和C=O键都属这类。它需要的能量低于σ→σ*跃迁， 吸收峰一般处于近紫外光区，在200 nm左右，其特征是摩尔吸光系数大，一 般εmax≥104，为强吸收带。如乙烯（蒸气）的最大吸收波长λ max为162 nm。 K带 4. n →π*跃迁 既含有C=C键，又含有杂原子的有机分子。这类跃迁发生在近紫外光区。 它是简单的生色团如羰基（280-310nm）、硝基等中的孤对电子向反键轨道 跃迁。其特点是谱带强度弱，摩尔吸光系数小，通常小于100，属于禁阻跃 迁。R带 5. 电荷迁移跃迁 用电磁辐射照射化合物时，电子从给予体向与接受体相联系的轨道上跃 迁。因此，电荷迁移跃迁实质是一个内氧化-还原的过程，而相应的吸收光 谱称为电荷迁移吸收光谱。 例如，某些取代芳烃可产生这种分子内电荷迁移跃迁吸收带。谱带较宽， 吸收强度较大， ε max可大于104 。
• 按用途分: 常用比色池 0.5, 1.0, 1.5, 2.0厘米 微 量 池 0.5毫升以下 流 动 池 5-11微升
D. 光检测系统
检测器，用于检测光信号。利用光电效应将光强度信 号转换成电信号的装置，也叫光电器件。 常用的光检测系统主要有光电池、光电管和光电倍增 管。
几种光检测器性能的比较
玻璃或 石英比 色皿
光电池 或光电 管
对数转 换或不 转换
模拟或数字， 微机处理与 否
光源
单色器 比 色 皿
检测器
放大器
显示
稳压电源
• 分光光度计的类型
单光束分光光度计
0.575
光源
单色 器 吸收 池
检测 器
显 示
特点是：结构简单，价格便宜。主要适用于定量分析，而不适用于作定性 分析。另外，结果受电源的波动影响较大。
光电池：用半导体材料制成的光电转换器。用得最多的是 硒光电池。其结构和作用原理
硒光电池
光电管：它是在抽成真空或充有惰性气体的玻璃或石英 泡内装上2个电极构成，其结构如图：
1 是光电管的阳极，它由 一个镍环或镍片组成； 2 是光电管的阴极，它由 一个金属片上涂一层光敏 物质构成，如涂上一层氧 化铯。涂上的光敏物质具 有这样一个特性：当光照 射到光敏物质上时，它能 够放出电子； • 光电效应的原理：当一定强度的光照射到阴极上时， 3 为电池，其作用是在阴、 光敏物质要放出电子，放出电子的多少与照射到它的 阳极之间加上一电压； 光的大小成正比，而放出的电子在电场的作用下要流 4 为放大器，放大由光电 向阳极，从而造成在整个回路中有电流通过。而此电 管产生的电信号； 流的大小与照射到光敏物质上的光的强度的大小成正 比。
棱镜有玻璃和石英两种材料。它们的色散原理是依据不同波长的光通 过棱镜时有不同的折射率而将不同波长分开。 由于玻璃会吸收紫外光，所以玻璃棱镜只适用于350～3200nm的可见和 近红外光区波长范围。 石英棱镜适用的波长范围较宽，为185～4000nm，即可用于紫外、可见、 红外三个光谱区域。
光栅是利用光的衍射和干涉作用制成的。它可用于紫外、可见和近红
B. 分光系统
分光系统也叫单色器。 单色器是能从光源辐射的复合光中分出单色光的光学装置， 其主要功能：产生光谱纯度高的光波且波长在紫外可见区域 内任意可调。 能起分光作用的色散元件主要是棱镜和光栅。 a. 性能要求： ⑴ 高效能 ⑵ 宽波长范围 ⑶ 容易调节波长 ⑷ 好的波长精度和重现性 ⑸ 高的光谱纯度 ⑹ 好的机械稳定性
分子能级的能量间隔各异，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。
苯蒸气的吸收曲线
2. 紫外-可见光谱的仪器原理
2.1. 紫外吸收仪器原理图
以下分别是单光束、双光束分光光度计的示意图以及仪器照片
2.2 仪器部件介绍
0.575
光源
单色器
检测器
显示 器
吸收池
光电池 Photocells 波长(nm) Wavelength 响应速度（s） Speed of response 灵敏度 Sensitivity 400～750 慢 低
光电管 Phototubes 190～650（蓝敏） 600-1000（红敏） 约 10-8 105～106
光电倍增管 Photomultipliers 180～900 10-9 108～109
1.2 1
Absorbance (AU)
0.8
0.6
231
0.4
0.2
0 200 300 400 500 600 Wavelength (nm)
横坐标：波长（nm）纵坐标：A, K, e, loge, T% 最大吸收波长：λmax 最大吸收峰ε值： εmax 例：丙酮： λ max = 279nm (ε=15)