分子光谱学

分子光谱学
*者为四大波谱 *紫外可见分光光度法(UV/Vis)
Ultra Violet/Visible Spectrophotometry
*红外吸收光谱法(IR)
Infrared Spectroscopy
分子荧光光谱法(MFS)
Molecular Fluorescence Spectroscopy
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分子磷光光谱法(MPS)
Molecular Phosphorescence Spectroscopy
光声光谱法 (PAS)
Photo Acoustic Spectroscopy
拉曼光谱法 (RS)
Raman Spectroscopy
*核磁共振波谱法(NMR)
Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy
~3.0 ×108m/s －波长，单位：m,cm,mm,m,nm,Å 1m=10-6m, 1nm=10-9m, 1Å=10-10m －频率，单位：赫芝(周)Hz 次/秒 n －折射率，真空中为1
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Y
电场向量
X Z
x
6
微粒性
光量子，具有能量。
E h
h－普朗克(Planck)常数 6.626×10-34J· s
60 40 20
T (%)
c
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K 吸光系数 Absorptivity
当c的单位用g· L-1表示时，用a 表示，
A＝a b c
a 的单位: L· g-1· cm-1
当c的单位用mol· L-1表示时，用 表示.
－摩尔吸光系数 Molar Absorptivity
A＝ b c
的单位: L· mol-1· cm-1
1% 表示, 当c的单位用g· 100mL-1表示时，用 E1cm 1% 1% E E A＝ 1cm bc， 1cm 叫做比吸光系数.
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显示器
0.00
吸光度与光程的关系 A = abc
检测器 参 比 光源
0.10
b
0.20
2b
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吸光度与浓度的关系 A = abc
显示器
0.00
检测器
参 比
0.10
*质谱法 (MS)
Mass Spectroscopy
发展联用技术是趋势!
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吸光光度法的基本原理
吸光光度法是基于被测物质的分子对光具 有选择性吸收的特性而建立起来的分析方法。
特点
– 灵敏度高：测定下限可达10-5～10 -6mol· L-1, 10-4%～10-5% – 准确度能够满足微量组分的测定要求： 相对误差2～5％ （1～2％） – 操作简便快速 – 应用广泛 3
I0
It
测量光强 度的减弱
分光光度法 的应用：定 量测定与定 性分析
光强的减弱与物 质浓度的关系？ —朗伯-比尔定律 物质对光有选择性 吸收 — 准备知识
光强的 测量 —分光 光度计
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光的基本性质 (电磁波的波粒二象性)
波动性 光的传播速度:
c V = = n
c －真空中光速 2.99792458×108m/s
490 ～ 500 500 ～ 560 560 ～ 580 580 ～ 610 610 ～ 650
650 ～ 760
蓝绿 绿 黄绿 黄 橙
红
红 红紫 紫 蓝 绿蓝 蓝绿
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光吸收基本定律:朗伯-比尔定律
朗伯定律:(1760)
A=lg(I0/It)=k1b
当入射光的 ,吸光物质的c 一定时,溶 液的吸光度A与液层厚度b成正比. 比尔定律(1852)
三重态：激发态与基态中的电子自旋方向相同.
2. 原子核在其平衡位置附近的相对振动
--振动能级;
3. 分子本身绕其重心的转动--转动能级.
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单重态
三重态
T2
S2
紫外
S1 v3
可见
荧光
磷光
T1
振 动 Ee 能 v2 Ev 级 v1 r3 红外 转动 r S0
r1
2
Er
分子吸光与发光示意图
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光谱种类
光源
c
0.20
2c
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吸光度与波长的关系 A = abc
显示器
0.00
检测器
参 比
0.10
光源
红
0.00
蓝绿光
红
红光
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朗伯-比尔定律的适用条件
1. 单色光
应选用max处或肩峰处测定.
2. 吸光质点形式不变
离解、络合、缔合会破坏线性关系, 应控制条件(酸度、浓度、介质等).
3. 稀溶液
浓度增大，分子之间作用增强.
A=lg(I0/It)=k2c
当入射光的 ,液层厚度b 一定时,溶液
的吸光度A与吸光物质的c成正比.
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朗伯-比尔定律
A=lg(I0/It)=kbc
意义: 当一束平行单色光通过均匀、透明 的吸光介质时，其吸光度与吸光质点 的浓度和吸收层厚度的乘积成正比.
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透光率(透射比）T（Transmittance）
液的吸光度，即消除了吸收池对光的吸收、反射，
溶剂、试剂对光的吸收等。
A1 = lg
I0 I参比
A2 = lg
I0 I试液
I参比 A = A2 - A1 = lg I试液
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分光光度计的主要部件
光源：发出所需波长范围内的连续光谱，
有足够 的光强度,稳定。
强 度
氙灯（气体放电光源）
钨灯（热辐射光源） 氢灯
吸收池 玻璃 石英 NaCl晶体 材料 （350～3200）（185～4000）
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分光光度计的基本类型 1. 单光束分光光度计
可变波长单光束紫外-可见分光光度计示意图
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2. 双光束分光光度计
反光镜 光源 hv 滤光片或 单色器 参比池 栅镜 样品池 放大器 光子检测器 反光镜 检测器
扇形镜
扇形镜 正面图
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光学光谱区
远紫外
（真空紫外）
近紫外 可见
近红外
中红外
远红外
10nm~200nm
200nm ~380nm
380nm ~ 780nmБайду номын сангаас
780 nm ~ 2.5 m
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物质对光的吸收与发射
物质分子内部3 种运动形式及其对应能级： 1. 电子相对于原子核的运动--电子能级;
单重态：激发态与基态中的电子自旋方向相反.
透明部分 反光镜
双光束型可以消除光源强度变化的影响.
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3.其他类型分光光度计
多通道仪器（Multichannel Instruments） 光电二极管阵列(通常具有316个硅二极管) photodiode arrays (PDAs)
同时测量200～820nm范围内的整个光谱, 比单个 检测器快316倍,信噪比增加3161/2 倍.
利用光通过光栅时发生衍射和干涉现象而分光。
平面透 －平面透射光栅 射光栅 －反射光栅（广泛使用） 透 镜 光屏
M1
波长范围宽, 色散均匀,
分辨性能好, 使用方便.
光栅衍射示意图
M2 出 射 狭 缝
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吸收池(比色皿)：用于盛待测及参比溶液。
可见光区：光学玻璃池
紫外区：石英池
检测器：利用光电效应，将光能转换成 电流讯号。
光电池，光电管，光电倍增管
检流计（指示器）：
低档仪器：刻度显示 中高档仪器：数字显示，自动扫描记录
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硒光电池（Barrier-layer photocell） h
阴极Au，Ag
半导体
Se 阳极
适用于300-800 nm, 在500-600 nm范围最灵敏。 32
光电管(Phototube)
h
纤维光度计
将光度计放入样品中, 原位测量. 对环境和过 程监测非常重要.
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T = It I0
I0 入射光 It 透过光
吸光度A (Absorbance） A = lg(I0/It) = lg(1/T) = lgT = Kbc
—
T = 10
- Kbc
= 10
-A
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吸光度A、透射比T与浓度c 的关系
1.0 100
0.8
T = 10
-kbc
80
A
0.6 0.4 0.2
A=kbc
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朗伯-比尔定律的分析应用
溶液浓度的测定
A
A＝ b c
工作曲线法
0.80 Ax 0.60 0.40 0.20 0.00
*
(校准曲线)
cx 0 1.0 2.0 3.0 4.0 c(mg/mL)
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吸光度的加和性与吸光度的测量 A = A1 + A2 + … +An
用参比溶液调T=100%（A=0），再测样品溶
原子光谱：吸收、发射、荧光 线状光谱

分子光谱：紫外、可见、红外等吸收光谱 带状光谱 I

黑体辐射：白炽灯、液、固灼热发光 连续光谱

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分子对光的吸收与吸收光谱
不同颜色的可见光波长及其互补光
/nm 400 ～ 450 450 ～ 480 480 ～ 490 颜色 紫 蓝 绿蓝 互补光 黄绿 黄 橙
（片）
红敏管 625-1000 nm 蓝敏管 200-625 nm
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光电倍增管(Photomultiplier Tube, PMT)
160-700 nm
1个光子可产生106～107个电子
34
吸光光度法仪器主要差异比较
可见光 （380～ 780nm） 光源 钨灯 碘钨灯 320～2500 紫外光 （200～ 380nm) 氢灯 氘灯 180～375 中红外 （2.5～ 50 m ) 硅碳棒 （红外线）
－频率
E－光量子具有的能量
单位：J(焦耳)，eV(电子伏特)
1eV=1.602×10－19 J
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波粒二象性
c V E=h = h = h n
真空中:E h
c

结论:一定波长的光具有一定的能量，波长越
长(频率越低)，光量子的能量越低. 单色光：具有相同能量(相同波长)的光. 混合光：具有不同能量(不同波长)的光复合在 一起. 例如白光.
400
600
800
1000
/nm
27
氙灯
氢灯
钨灯
28
单色器：将光源发出的连续光谱分解为单色光的
装置。
棱镜：依据不同波长光通过棱镜时折射率不同. 玻璃350～3200nm, 石英185～4000 nm
800
λ1
白光
600 500
λ2
入射狭缝 准直透镜 棱镜 聚焦透镜 出射狭缝
400
29
光栅：在镀铝的玻璃表面刻有数量很大的等宽度等 间距条痕(600、1200、2400条/mm )。