第十章 紫外可见分光光度法

第十章紫外可见分光光度法（Ultraviolet visible spectrophotometry, UV）§概述依据物质发射或吸收辐射能或辐射能与物质的相互作用而建立的分析方法，广义上都称为光谱分析（Spectral Analysis）。

首先我们要了解辐射能与物质相互作用的特点及各种光谱的产生。

一、电磁辐射与电磁波谱辐射是一种能量形式，具有电和磁的特性，故又称电磁辐射或电磁波；电磁辐射：是一种以巨大速度通过空间而不需要任何物质作为传插媒介的量子流，它具有波粒二象性。

它包括很宽的频率范围，从波长短至可见光的十万分之一的r射线到波长为千米长的无线电波。

电磁辐射具有波动和粒子的两重性，简单可以看成是一种平面偏振波，由单一平面上振动的电场矢量（E）和垂直于电场矢量在另一平面上振动的磁场矢量（M）组成，而两者都垂直于它的运动方向作周期性变化。

当碰撞到物体时，辐射的电或磁矢量与带有电荷或磁矩的粒子作用，在辐射与物质之间发生能量传递。

在多数情况下，这种能量传递，电矢量起作用，因此一般用电矢量来描述辐射的性质，而频率、波长、速度等是描述电磁场辐射特性的主要参数。

1.光的波粒二象性（电是一种电磁波）E=hγ=hc/λ(γ=c/λ)= hv/λ１γ:频率为每秒钟内正弦波振动次数，其大小决定于波源，与传插介质无关，以周数/秒表示，单位为Hz（1Hz=1周·秒-1）v: 波的传播速度，它不是常数，随传播介质而改变。

但是所有电磁波在真空中传播速度都约为3.0×1010cm/s, (V=C=3.0×1010cm·s-1)，因此在真空或接近真空介质中传播辐射，其波长与频率的关系则为：λ=C/γ。

普朗克提出了量子学说，1905年爱因斯坦引用普朗克的量子论理并加以推广，提出了光子学说，认为辐射能的最小单位是光子，光子的能量E等于普朗克常数与频率辐射的乘积，即E=hγ。

h: 6.62×10-34丁·S-1E：J或ev（1ev=1.60×10-19J）显然辐射以一个光子的能量表示粒子的概念，而辐射的频率则是波动的概念，从而将辐射的波动和粒子理论联系起来。

2. 电磁波谱电磁辐射按波长顺序排列称为电磁波谱。

电磁波谱能量很宽，从几百万电子伏特的宇宙射线到10-9ev的无线电波和核磁共振谱，在波长和频率上相差15个数量级（见书中表），其波长范围几乎全部区域的辐射，都建立了特殊的应用，而在可见谱区的仪器则最简单. 紫外（包括远紫外和近紫外，波长范围10-400nm），可见(λ范围400-780nm)及红外（包括近、中和远红外波谱区λ范围780nm-1000μm）合称光学光谱区。

电磁辐射和物质作用产生许多不同的现象，如发射、吸收、发光、散射、反射、折射等。

其中主要讨论辐射的吸收和发射。

２3.辐射的吸收和发射：构成物质的每一种基本体系——核、原子、分子，具有一定数量的特定的能级。

当它们曝露在辐射束中或被具有一定能量的粒子轰击时，可以从基态跃迁到激发态（激发态寿命很短，约为10-8秒）。

处于激发态的分子（或原子）通常以热的形式释放出能量，回到基态；有些情况体系从高能态跃迁到低能态时就发射相应的辐射。

孤立核、原子或分子的能级是特征的。

我们测量试样发射或吸收的辐射，就能获得有关它们的能级信息。

如果把测得的发射或吸收强度对电磁辐射能量（γ、λ）作图，这就是光谱。

光谱能提供物质的内部特征的能级结构的信息。

特定能级之间跃迁所产生的发射或吸收强度同浓度之间有着一定关系，通过适当计算便可以从强度求得作用物的浓度。

4.各种吸收光谱法1）原子核对γ射线的共振吸收原子核与核外电子及核外场（如电磁场、引力场、温度和压力等）在一定条件下相互影响。

（γ射线谱）2）原子吸收X射线：X射线吸收光谱产生于最内层电子的跃迂，原子吸收光谱分析法：（基态原子）基于物质所产生的原子蒸气对待测元素特征谱线的吸收作用来进行定量分析的一种方法。

3）由外磁场感应的吸收（电磁辐射——射频）在电磁波作用下，原子核在外磁场中的磁能级之间的共振跃迁现３象，称为核磁共振。

例依据谱线的宽度，谱线的形状，谱线的面积等，通过磁共振谱线的特性来确定各种各样分子的结构，而且在分析时不破坏样品本身就能确定其结构。

4）分子吸收物质对光有选择性的吸收，其吸收光谱取决于物质的结构。

物质分子内部有三种运动方式，价电子绕核运动，分子内原子在其平衡位置附近的振动和分子本身绕其重心的转动。

因分子具有电子能级，转振动能级和转动能级，即分子的能量E=E e+E v+Eγ，对于双原子分子的电子、振动、转动能级如图3-1。

A、B为电子能级，每个电子能级中有若干个振动能级。

用V=0，1，2，3……表示，每一个振动能级中有若干个转动能级，用J=0，1，2，3……表示。

分子从外界吸收能量后，就能引起分子能级的跃迁，即从基态能级跃迁到激发态的能级，分子能吸收能量同样具有量子化的特征，即分子只能吸收等于二个能级之差的能量：ΔE=E2-E1=hγ=hc/λ=ΔE e+ΔE v +ΔEγ由于三种能级跃迁所需能量不同，以所需波长要不同的电磁辐射使它们跃迁，即在不同光学区出现吸收谱带。

二、紫外可见吸收光谱——分子光谱电子能级跃迁所需的能量较大，其能量一般在1-20ev，振动能级间能量差次之（0.05-1ev），转动能级Ev=1/10 E丁,能量差最小（0.005-0.05eV）。

例：ΔE=5eV, 则：λ=hc/ΔE=6.62×10-34×3.0×1010/5×1.60×10-19４=2.48×10-5cm=248nm由于电子能级跃迁而产生的吸收光谱主要处于紫外及可见光区（200-780nm）。

这种分子光谱称为电子光谱或紫外及可见光谱。

在电子能级跃迁时不可避免地产生振动能级的跃迁。

振动能级能量差在（一般）0.05-1eV之间。

如果能量差为0.1eV，则它为5eV的电子能级间隔的2％，所以电子跃迁并不是产生一条波长的为248nm，而是产生一系列的线，其波长间隔约为248×2％≌5nm。

实际上观察到光谱要复杂得多。

这是因为还伴随着转动能级跃迁的缘故。

若间隔是0.005eV，则它为5e的0.1%，相当于波长间隔是248×0.1％=0.25nm。

可见紫外可见吸收光谱，一般包含若干谱带系，不同谱带系相当于不同的电子能级跃迁，一个谱带系（即同一电子能级跃迁）含有若干谱带，相当于不同的振动能级跃迁。

同一谱带又包含有若干光谱线，每一条线相当于转动能级的跃迁，它们的间隔如上所述约为0.25nm，观察到的为合并成较宽的带，所以分子光谱为带状光谱。

这是分子吸收光谱的特点。

如果用红外线（λ=0.78-50um，相当能量约为1-0.025eV）照射分子，则此电磁辐射的能量不足以引起电子能级跃迁，只能引起振动能级和转动能级的跃迁，这样得到的吸收光谱为振动转动光谱或称为红外光谱。

若用能量更低的远红外线（50-300um，E=0.025eV）照射分子，则只能引起转动能级和振动能级的跃迁，这样得到的吸收光谱称为转动振动光谱或远红外光谱。

2.吸收光谱三、紫外——可见吸收光谱与分子结构的关系５紫外吸收光谱是由于分子中价电子的跃迁而产生的。

这种吸收光谱决定于分子中价电子的分布和结合情况。

按分子轨道理论，在有机化合物中有几种不同性质的价电子。

（一）有机化合物对光选择性吸收1、电子跃迁类型根据分子轨道理论，当两个原子结合，组成共价键时，原子中参与成键的电子组成新的分子轨道，两个成键原子的原子轨道组成一个能量较低的成键分子轨道和一个能量较很高的反键分子轨道。

同时由于电子对组成共价键可以分为σ键和π键，当原子轨道头碰头重叠时，形成σ键，平行（肩并肩）重叠时（P轨道重叠）形成π键。

分子轨道理论认为，一个成键σ轨道定有一个相应反键σ*轨道，一个成键π轨道必定有一个相应的π*反键轨道。

形成单键电子称为σ键，形成双键的电子称为π键电子；O、N、S、X等含有未成键的孤对电子，称为n 电子分子外层电子跃迁分成如下四类：a. σ→б*跃迁：由基态σ轨道跃迁到反键б*轨道，饱和碳氢化合物产生跃迁类型。

由于σ键电子不易激发，只有吸收很大能量后，才能产生σ→б*跃迁，因而一般在远紫外区（10-200nm）才有吸收带。

远紫外区又称为真空紫外区，这里由于小于160nm的紫外光要被空气中的氧所吸收，因此需要在无氧或真空中进行测定，目前还应用不多。

由于这类化合物在200-1000nm范围内无吸收带，在紫外吸收光谱中常用作溶剂（如已烷、庚烷、环已烷）。

６７甲烷：吸收峰为125nm， 乙烷为135nmb. π→π*跃迁：（λ在200nm 左右）（电子从π轨道跃迁到π*轨道）发生在任何具有不饱和键有机化合物分子。

如CH 2=CH 2的λmax=165nm， CH 3C-CH 3的λmax=188nm。

丁二烯：λmax=217nm，ε很大（>104），强吸收。

C． n→б*分子中未成键的n 电子激发到б*反键轨道的跃迁。

含有杂原子-OH、-NH 2、-X、-S 和卤素的有机物。

这类原子中有n 电子，n电子较σ键电子易于激发，使电子跃迁所需能量较σ→б*小，吸收峰向长波方向移动（红移），甲烷跃迁范围在125-135nm（远紫外区），碘 甲烷（CH 3I）的吸收峰则处在150-210nm（σ→σ*）和259nm(n→σ*),上式中*表示激发态电子。

而CH 2I 2、CHI 3的吸收峰则分别为292及349nm。

这种能使吸收峰波长向长波长方向移动的杂原子基团称为助色团，如-NH 2、-NR 2、-OH、-OR、-SR、-Cl、-Br、-I。

d. n→π*分子中未成键n 电子激发到反键π*轨道。

如含有N、S、O、P 杂原子有机化合物，其跃迁发生在不饱和基团（含有杂原子的重键化合物如-C=0、-C≡N、-N 0）。

实际n→π*跃迁所需能量最小，λmax 一般在近紫外区和可见光区。

(如饱和酮、醛， n→π*跃迁在285nm 附近)它们所需能量的次序如下：ΔE σ→σ*>ΔE π→π*>ΔE n→σ*>ΔE n→π*σ*E π*nπσ分子中价电子能级跃迁示意图在这四类跃迁中，n→π*、π→π*跃迁所需能量在紫外或可见光区，吸收波长可用紫外可见分光光度计测。

但n→π*和π→π*吸收有两个很大区别，第一，吸收强度不同，π→π*跃迁摩尔吸光系数大（ε=104）；n→π*跃迁吸收强度较弱，其ε约为10-100范围内。

第二，溶剂极性对红移这两种吸收峰波长影响不同，当溶剂极性增强时，π→π*跃迁λmax（长移），n→π*跃迁的λmax则短移（或紫移）。