现代仪器分析紫外可见吸收光谱分析

分子的内能：电子能量Ee 、振动能量Ev 、转动能量Er
即: E＝Ee+Ev+Er
ΔΕe>ΔΕv>ΔΕr
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1 概 述（信号和信息的特征）
讨论：
（1） 转动能级间的能量差ΔΕr：0.005～0.050eV，跃迁
产生吸收光谱位于远红外区。远红外光谱或分子转动光谱；
（2） 振动能级的能量差ΔΕv约为：0.05～１eV，跃迁产
内容： 2.1 基本组成（功能及类型） 2.2 紫外-可见分光光度计的类型
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2.1 基本组成 general process
光源
单色器
样品室
检测器
显示
分光系统
光度计系统
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。
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⑤有机物电荷转移吸收光谱及配位场跃迁：
电荷转移跃迁：指受光的照射后，分子中电子 从给体部分向内部的受体部分的轨道上跃迁，相应 的吸收光谱称为电荷转移吸收光谱。
[Fe3+CNS-]2+ h [Fe2+CNS]2+
电子接受体 电子给予体
实质是分子内氧化还原反应； > 104
Fe2+与邻菲罗啉配合物的紫外吸收光
例：甲烷的λmax为125nm , 乙烷λmax为135nm。
①只能被真空紫外分光光度计检测到；
2021/2/4②多数作为溶1 剂使用（水、甲醇等）；
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1 概 述（信号和信息的特征）
②n→σ＊跃迁
特点：所需能量较大。 吸收波长为150～250nm，大部分在远紫外区，近紫外区
仍不易观察到。
含N、O、S和卤素等杂原子饱和烃衍生物均呈现n→σ*
共轭体系中的某一个原子受到外界试剂的作用时，其它部分马上可以受到 影202响1/2，/4 无论距离的远1近，这是因为n电子在整个分子中的离域现象而引起的10。
▲共轭烯烃（不多于四个双键）p p*跃迁吸收峰位置可由
伍德沃德——菲泽 规则估算。 max= 基+nii
基----母体生色团的最大吸收波长 二烯母体： max=217 nm
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反射光栅，透射光栅：
光栅光谱的产生是多狭缝干涉与单狭缝衍射共同作 用的结果，前者决定光谱出现的位置，后者决定谱线 强度分布；
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2 紫外-可见分光光度计的基本组成与结构
如果：
DB-AC=d (sinα±sinθ)=nλ 即光栅公式：d (sinα±sinθ)=nλ
为最大吸收波长λmax
② 不同浓度的同一种物质，其吸收
曲线形状相似λmax不变。而对于不
同物质，它们的吸收曲线形状和
λmax则不同。
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1 概 述（信号和信息的特征）
吸收曲线的讨论：
③ 吸收曲线可以提供物质的结构信息，并作为物质定性 分析的依据之一。
④ 不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度 A 有 差异，在λmax处吸光度A 的差异最大。此特性可作作为 物质定量分析的依据。
紫外吸收可见光谱法的特点： 1. 研究的区域是紫外可见光谱区域，所发射的能量可以 使外层电子发生跃迁。 2. 该方法可用于无机有机物的定量分析，也可进行有机 物的定性及结构分析。 3. 具有较高的灵敏度（10-4～10-7g.mL-1）和较高准确度 （相对误差2%-5%）
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2 紫外-可见分光光度计的基本组成与结构
生的吸收光谱位于红外区，红外光谱或分子振动光谱；
（3） 电子能级的能量差ΔΕe较大1～20eV。电子跃迁产生
的吸收光谱在紫外—可见光区，紫外—可见光谱或分子的电
子光谱；
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1 概 述（信号和信息的特征）
讨论：
（4）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；
⑤ 在λmax处吸光度随浓度变化的幅度最大，所以测定最 灵敏。吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依 据。
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1 概 述（信号和信息的特征）
紫外吸收光谱分析法（ UV-VIS）
定义：利用分子吸收紫外和可见光产生跃迁所记录的吸收光谱 图，对该物质进行结构分析（定性分析），根据最大吸收波长强 度变化可进行定量分析。
α角规定取正值，如果θ角与α角在光栅法线同侧， θ角
取正值，反之区负值；
聚焦装置：透镜或凹面反 射镜，将分光后所得单色光 聚焦至出射狭缝； 出射狭缝
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色散元件
Ⅰ棱镜：
棱镜对不同波长的光具有不同的折射率，波长长的光，折射 率小；波长短的光，折射率大。
平行光经过棱镜后按波长顺序排列成为单色光；经聚焦 后在焦面上的不同位置上成像，获得按波长展开的光谱；
棱镜的分辨能力取
能对光子进行吸收并产生电子跃迁的称为生色团。简单的
生色团由双键或叁键体系组成，如乙烯基、羰基、亚硝基、
偶氮基—N＝N—、乙炔基、腈基—C≡N等。（最有用的紫
外—可见光谱是由π→π＊和n→π＊跃迁产生的。 ）
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什么是共轭体系？什么是共轭效应？（补）
不饱和键（双键或叁键）与单键彼此相间所组成的体系称为共轭体系 。共轭体系中，相邻π电子的相互重叠，使共轭体系中各键上的电子云密度发 生了平均化，因此相邻单键及重键间的区别也部分或全部的消失，共轭体系中 这种原子间的影响称为共轭效应（或电子通过共轭体系的传递方式称为共轭效 应）。这种效应可归结于共轭体系中π电子高度离域的结果。共轭体系可分 为π-π*共轭体系、n-π共轭体系、σ-π共轭体系和σ-σ共轭体系四类。
决于棱镜的几何尺寸和
材料；
棱镜的光学特性可
用色散率和分辨率来表
征；
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棱镜的特性与参数
（1）色散率
角色散率：用dθ/dλ表示，偏向角θ对波长的变化率：
d
2sin
2
dn
d 1 n2 sin2 d
2
棱镜的顶角越大或折射率越大，角色散率越大，分开两
条相邻谱线的能力越强，但顶角越大，反射损失也增大，通
③ 改变棱镜的材料
即改变dn /d 。在400nm ~ 800nm波长范围内，
玻璃棱镜比石英棱镜的色散率大。但在200nm ~ 400nm 的波长范围内，由于玻璃强烈地吸收紫外光，无法采 用，故只能采用石英棱镜。
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色散元件
Ⅱ、光栅：
使用光栅作为分光元件的优点是：
①波长范围比玻璃棱镜宽； ②反射光束强度对波长的依赖性比棱镜的透射光束要小得多； ③光栅的角色散率几乎不随波长而变化，近似于均匀色散； ④分辨率大，一块宽50mm刻槽数为1200条/ mm的光栅， 分辨率可达6×104 。 ⑤集光能力强，用优质的闪烁光栅可将80%以上的光能量聚集 到所需要的波长范围。
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可见光区：钨灯作为光源， 其辐射波长范围在350～ 2500 nm。
紫外区：氢、氘灯。发射 160～360 nm的连续光谱。
氙弧灯：紫外可见区
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2.1 基本组成 general process
②单色器
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。 入射狭缝：光源的光由此进入单色器； 准光装置：透镜或返射镜使入射光成为平行光束； 色散元件：将复合光分解成单色光；棱镜或光栅；
红移与蓝移/增色效应和减色效应
有机化合物的吸收谱带
常常因引入取代基或改变溶
剂使最大吸收波长λmax和吸
收强度发生变化:
λmax向长波方向移动称
为红移，向短波方向移动称
为蓝移 (或紫移)。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2021减/2/4色效应，如图1 所示。
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1 概 述（信号和信息的特征）
1.3有机物吸收光谱与电子跃迁（P24-25）
有机化合物的紫外—可见吸收光谱是三种电子跃迁的结果：σ 电子、π电子、n电子。
HC O
s
Hp
分子轨道：
s*
n
p*
K
R
E
E,B
n
p
s
是指在分子中各原子核的周围最可能找到给定电子的区域。
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1 概 述（信号和信息的特征）
按其理论：成键轨道—反键轨道及非键轨道（五种轨道）
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E K
R
E,B
s*
p*
n
p
s
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1 概 述（信号和信息的特征）
④π→π＊跃迁
特点： 所需能量较小，含有C ＝C、C＝O、C≡C有机分 子的跃迁，吸收波长在远紫外区的近紫外端或近紫外 εmax≈104L·mol－1·cm－1以上，属于强吸收。
生色团：
要求有机物分子中含有不饱和键和孤对电子对的基团，
跃迁。ε＝100～1000
化合物 H2O CH3OH CH3CL CH3I 2021C/2H /4 3NH2
max（nm） 167 184 173 258
1 215
max 1480 150 200 365 600
s*
p*
K
R
E E,B
n
p
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1 概 述（信号和信息的特征）
③ n→ π﹡跃迁
特点：所需能量较小。 吸收波长为200～700nm， 既含有c﹦c双键，又含有N、O、S和卤素等杂原 子的有机分子。ε＝10～100
1 概 述（信号和信息的特征）
助色团：
有一些含有n电子的基团(如—OH、—OR、—NH２、NH
等)，它们本身没有生色功能，但当它们与生色团相连时， 就会发生n—π共轭作用，增强生色团的生色能力(吸收波 长向长波方向移动，且吸收强度增加)，这样的基团称为助 色团。
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1 概 述（信号和信息的特征）
分辨率与波长有关，长波的分辨率要比短波的分辨率小， 棱镜分离后的光谱属于非均排光谱。
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若要增加棱镜角色散率，可以采用下列办法： ① 增加棱镜的数目
使用这种办法时，要考虑成本和光强减小的问题。 ② 增大棱镜的顶角
这种办法将受到入射角大于临界角时发生全反射的限 制。例如，对于棱镜，当顶角等于65时，紫外线就不 能折射出来，所以其顶角一般为60。
现代仪器分析紫外可见吸收光谱分析
1 概 述（信号和信息的特征）
1.2 电子跃迁与分子吸收光谱
物质分子内部三种运动形式：
1.电子相对于原子核的运动；
2.原子核在其平衡位置附近的相对振动；
3.分子本身绕其重心的转动。
分子具有三种不同能级：电子能级、振动能级和转动能级
三种能级都是量子化的，且各自具有相应的能量。
常为60度角；
线色散率：用dl /dλ表示，两条相邻谱线在焦面上被
分开的距离对波长的变化率；
倒线色散率：用dλ/dl 表示。
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（2）分辨率 相邻两条谱线分开程度的度量：
R b dn d
： 两条相邻谱线的平均波长；△λ：两条谱线的波长差；
b：棱镜的底边长度；n：棱镜介质材料的折射率。
用不同波长的单色光 2021照/2/4射，测吸光度1 ;
M +热
M + h
M + 荧光或磷光
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1 概 述（信号和信息的特征）
吸收曲线的讨论：
改变通过某一吸光物质的入射光波长，记录物质在不 同波长处的吸光度，以波长为横坐标，吸光度为纵坐标 作图，这种图称为该物质的吸收曲线
① 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
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ΔΕ大小顺序为：
n→π＊ < π→π＊ < n→σ＊ < σ→σ＊ ：
①σ→σ＊跃迁
特点：所需能量最大；σ电子只有吸收远紫外光的能量
才能发生跃迁；含有C-C, C-H键的饱和烷烃的分子产生的跃
迁。吸收光谱出现在远紫外区,吸收波长λ<200 nm；
谱属于此。
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配位场跃迁：是过渡金属 元素的无机物在紫外可见 区产生的吸收，主要是形 成络合物。
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1 概 述（信号和信息的特征）
1.4 分子吸收曲线
M + h → M *
基态
激发态
E1 （△E） E2
E = E2 - E1 = h 量子化 ；选择性吸收
吸收曲线与最大吸收
波长 max
（5）吸收谱带的强度与分子偶极矩变化、跃迁几率有关， 也提供分子结构的信息。通常将在最大吸收波长处测得的摩
尔吸光系数εmax也作为定性的依据。不同物质的λmax有时
可能相同，但εmax不一定相同； （6）吸收谱带强度与该物质分子吸收的光子数成正比，定
量分析的依据。
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1 概 述（信号和信息的特征）
▲niI : 由双键上取代基种类和个数决定的校正项
(1)每增加一个共轭双键 +30nm（主要考虑） (2)环外双键(直接与环相连的双键） + 5 nm (3)双键上取代基：
酰基（-OCOR） 烷基（-R）
0 +5 nm
卤素（-Cl，-Br） +5nm 烷氧基（-OR） +6nm
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