2017-第二章 紫外可见分光光度法

2.3 光谱法仪器基本结构及各部件作用
• 光源→单色器→检测器→信号处理及输出 • 光源→分光系统→检测系统 →信号处理及输
出系统
ICP-AES
AAS
AFS
• 色散型红外光谱仪
• 光源→样品池→单色器→检测器→信号处理 系统
FTIR
紫外可见分光光度计结构示意图
UV-Vis
2.4 紫外可见光谱法定性与定量原理
• （3）配位场跃迁
• 在外来辐射下过渡元素或镧系和锕系元素配合物吸收紫外 /可见光发生d-d跃迁或f-f跃迁，叫配位场跃迁。
• 例dy如z），5个能量相等的d轨道（dz2、dx2-y2、dxy、dxz、
• 在八面体场中dxy、dxz、dyz三个轨道能量下降， dz2、dx2-y2两个 轨道能量升高（在四面体场中与此相反），产生配位体场稳定化能。
• （3）光谱吸收曲线作用-定量依据 • 光谱吸收曲线某一吸收峰的强度(吸光度)与被
测物质的含量(浓度)成线性关系(朗伯比耳定 律)。
• 2. 紫外/可见光谱法定量基本关系
• -朗伯-比耳定律
• （1）透光度和吸光度
•
T=I/I0 A=lg（1/T）
• （2）吸光度与溶液浓度的关系
•
A=KLc
• 光谱吸收曲线某一吸收峰的强度（A）与被测 物质的含量（c）成线性关系是定量依据。
结构：光源→单色器→样品池→检测器→信号 处理输出
特点：结构简单，操作方便，维修容易，适于 常规分析
(1) 单光束分光光度计
（2） 双光束分光光度计
• 双光束分光光度计特点：
• • 能自动比较两束光的强度并转换为吸度光，
自动记录吸收光谱曲线；
• • 同一波长的单色光分别通过参比池和样品
池，自动消除光源强度变化引起的误差。
参数及基本关系式）
• 5.光谱吸收曲线的制作方法与作用 • （吸收光谱/吸收曲线/吸收光谱曲线） • 6.定量分析条件：最佳吸光度范围、显色条件、参比
溶液的选择
• 7.紫外可见分光光度计的类型 • 8.紫外可见吸收光谱定量操作过程。
2.1光谱法的含义与分类
• 1.光谱法
• 是基于物质与辐射能作用时，测量由物质内部发生量 子化的能级之间的跃迁而产生的发射、吸收或散射辐 射的波长和强度进行分析的方法。
第二章 紫外/可见分Fra Baidu bibliotek光度法
(Ultraviolet and visible Spectrophotometry, UV-Vis )
掌握内容
• 1.光谱法的含义与分类 • 2.紫外可见分子吸收光谱产生原理及基本概念（跃迁
方式、生色团助色团、红移紫移、溶剂效应）
• 3.光谱法仪器基本结构及各部件作用 • 4.紫外可见光谱法定性与定量原理（定性参数、定量
• 2.分类
• 光谱法可分为：
• （1）原子光谱法-线光谱（原子吸收光谱法、原子发 射光谱法、原子荧光光谱法以及X射线荧光光谱法）
• （2）分子光谱法-带光谱（分子吸收光谱法、发射光 谱法-分子荧光/磷光光谱法）
2.2 光谱产生原理及分子光谱基本概念
• 1.原子光谱法
• 是由原子外层或内层电子 能级的变化产生的，它的 表现形式为线光谱。
数。
• （5）摩尔吸光系数与比吸收系数换算关系 • ε=0.1 Mr A1cm1%
• （6） 偏离比耳定律的因素-系统误差的来源
• 与溶液组份有关的因素：浓度；溶液组分间的相互 作用如离解缔合、光化学反应、互变异构和配位数 的变化；
• 溶剂的影响：试样物理状态如胶体、乳状液或悬浮 液导致光散射。
• 仪器因素：实际的光不是理论上的单色光。
• 3.紫外可见分子电子能级的跃迁类型 • （1）非键或成键电子轨道向反键电子轨道跃迁
• σ→σ*跃迁：
• 饱和烷烃的分子吸收光谱
• 远紫外光区，吸收波长λ<200 nm
• 如：甲烷的λmax为125nm
•
乙烷λmax为135nm
• 只能被真空紫外分光光度计检测到，作为溶剂使用。
• n→σ*跃迁： • 含非键电子的饱和烃衍生物(含N、O、S和卤素等杂原子)的
（4）检测器：将光信号转变为电信号的装置
光电池 光电管（红敏和蓝敏） 光电倍增管 二极管阵列检测器
光电倍增管
（5） 信号处理及输出系统
作用 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
直读检流计 电位调节指零装置 数字显示或自动记录装置 计算机处理
2. 紫外可见光谱仪类型
（1） 单光束分光光度计
• (2) 参比溶液的作用 • 调节仪器 的零点，并消除由于比色皿、溶
剂、试剂、样品基底和其他组分对于入射光的 反射和吸收所带来的影响。 •
• (3) 参比溶液的种类及使用条件
• • 溶剂参比: • 溶液组成简单且共存组分没有吸收时可消除溶剂、吸收池
的影响。 • 当溶液中只有待测化合物在测定波长下有吸收，试剂（包
• 例： C＝C；C＝O；C＝N；—N＝N—
• 生色团的共轭效应: 两个生色团彼此相邻形成了其轭体系，产生新的
吸收带，波长增加，吸收强度增大的现象。
• (2) 助色团 • 本身不能吸收大于200nm的光，当与生色团相
连时能使生色团吸收峰向长波位移并增强其吸收 强度的原子或基团。
➢ 对有机化合物：连有杂原子的饱和基团 ✓ 例：—OH，—OR，—NH—，—NR2—， ✓ —X
可以进行化学反应动力学研究。
• （4）双光束/双波长分光光度计 • 通过光学系统的转换可作双光束和双波长两
种分光光度计使用。
• 分别记录两个波长处吸光度随时间的变化曲 线，可以进行化学反应动力学研究。
3. UV-Vis仪器的校正
• （1） 校正的理由 • 验收新仪器
• 旧仪器的使用过长
• 均需要对波长和吸光度进行校正。
• 2. 显色反应条件
• 为什么要进行显色反应?
• (1) 显色剂种类 • (2) 显色剂用量 • (3) 溶液酸度 • (4) 反应时间 • (5) 温度
• 3. 参比溶液的选择 • (1) 什么是参比溶液? • 紫外可见光谱测量时用作比较的、不含被测物
质但其基体尽可能与试样溶液组成相似的溶液。
括显色剂）和样 品中其他成分均无吸收时，可用溶剂作空白溶 液，简称溶剂空白。
•
• 试剂参比:
•
按显色反应相同条件加入试剂和溶剂，不加试样。
•
• 如果显色剂或其他试剂在测定波长有吸收时用试剂参比。
• (铬天青显色测铝) •
• 试样参比: • 按显色反应相同的条件处理试样，不加显色
剂。 • 如果试样基体在测定波长有吸收且与显色剂不
氢灯或氘灯——紫外光源 200~360nm
（2）吸收池： 玻璃——能吸收UV光，仅适用于可见光区 石英——不能吸收紫外光，适用于紫外和 可见光区
✓ 要求：匹配性（对光的吸收和反射应一致）
（3）单色器：包括狭缝、准直镜、色散元件
色散元件
棱镜——对不同波长的光折射率不同 分出光波长不等距
光栅——衍射和干涉 分出光波长等距
• (2) 消除方法（参比溶液） • 控制溶液酸度，提高反应的选择性 • 选择适当的掩蔽剂或生成惰性配合物 • 选择适当的测量波长 • 分离干扰物
2.6 紫外可见分光光度计结构及类型
1.紫外可见分光光度计基本结构
光源→单色器→样品池→检测器→信号处理输出
（1）光源： 钨灯或卤钨灯——可见光源 350~1000nm
• （2） 校正方法
• 波长校正： • 镨钕玻璃校正可见光区，钬玻璃紫外可见光区，有
若干吸收峰，可以用来波长的校正；
• 吸光度校正： • 用重铬酸钾标准液来校正 • 0.0400g重铬酸钾溶解于1L的0.05mol/L氢氧化钾溶
液中，在1cm吸收池中25度下不同波长对应不同吸 光度，220/0.4559; 300/0.1518; 370/0.9914; 400/0.3872; 460/0.0173; 500/0.0000
跃迁。
• 远紫外（λ<200 nm ）和近紫外区（λ＞200 nm） • 如：CH3OH和CH3NH2的跃迁光谱分别为183nm和213nm。
• π→π* 跃迁：
• 不饱和烃、共轭烯烃和芳香烃类可发生此
类跃迁，
• 孤立的双键的最大吸收波长在200nm左右， • 具有共轭双键的化合物，吸收峰向长波方
• （3）吸光系数(K)-摩尔吸光系数
•
当浓度以mol/L、光程以cm表时的吸光系
数为摩尔吸光系数，以ε表示，是个特征常数。
•
摩尔吸光系数相当于浓度1 mol/L、光程
1cm时的某一物质溶液的吸光度。
• （4）吸光系数(K)-比吸收系数 • 比吸光系数是质量分数为1%、光程1cm时物质溶液
的吸光度为比吸光系数，以A1cm1%或E1cm1%表示。 • 使用条件: 在化合物组分不明的情况下使用比吸光系
（3） 双波长分光光度计
• 双波长分光光度计特点： • • 适于多组份混合物、混浊试样及存在背景干扰或共存组
分吸收试样的分析；
• • 可以消除吸收池参数与位置不同、有污垢及参比液带来
的影响，并减少因光源电压变化产生的影响；
• • 可获取导数光谱，提高光谱分辩率； • • 如果能在两个波长下分别记录吸光度随时间的变化曲线，
接受体空轨道上跃迁，这种跃迁方式叫电荷迁移跃迁。
• 一般说来，配合物的金属中心离子(Ｍ)具有正电荷中心，是电子接受体， 配位体(Ｌ)具有负电荷中心，是电子给予体，当化合物接收辐射能量时，
一个电子由配位体的电子轨道跃迁至金属离子的电子轨道。 • 如：
• Fe3+ (接受体)-SCN-(给予体)→Fe2+-SCN0
起显色反应时用试样参比。
• • 平行操作溶液参比: • 用不含被测组份的试样在相同条件下与被测
试同样进行处理得到。
• 4. 干扰及消除
• (1) 产生干扰的原因
• 干扰物本身有色
• 干扰物与显色剂形成有色化合物并在区域 内有吸收
• 干扰物与待测物形成稳定化合物
• 干扰物在显色条件下水解析出沉淀使溶液 混浊
向移动，吸收强度也随之增加。
• n→π*跃迁：
• 如 饱含 和有 有机－化OH合、物－，N除H了2、π→－πX、*，－还S有等n基→团π*的不 （大于200nm），
• n→π*产生跃迁的吸收强度弱
• （2） 电荷迁移跃迁
• 某些分子同时具有电子给予体部分和电子接受体部分， • 在外来辐射下吸收紫外/可见光，使电子从给予体外层轨道向
• (3) 红移 • 某些有机化合物由于取代基的变更而使其吸
收带的最大吸收波长发生移动, 向长波方向 移动称红移 。
• (4)紫移 • 吸收带的最大吸收波长向短波方向移动称紫
移。
• (5) 溶剂效应 • 溶剂由非极性向极性增加使某些化合物的π→π*跃
迁吸收光谱红移，n→π*跃迁吸收光谱紫移，并使 吸收光谱的精细结构消失的作用叫溶剂效应。
2.5 紫外可见光谱法定量分析条件的确定
1. 吸光度最佳范围的确定
• 根据吸光度或透光率(T)与相对误差 (△C/C)的关系确定吸光度最佳读数.
• 以T～△C/C作图， • 当T＝20%～70%之间，相对误差
△C/C较小，相对应的A值为0.155～ 0.699之间，读数误差不超过2%， • △C/C最小值出现在T＝36.8%。相对 应的A为0.4343。 • 实际测定: 一般地，A值在0.1～1.0之 间较合适。
• 1. 光谱吸收曲线的制作方法及作用
• （1）测定不同波长(λ)单色光依次通过被测物质的 吸光度(A)或透光率(T)，以吸光度或透光率为纵坐 标，以波长为横坐标绘制曲线，即为光谱吸收曲线。
• （2） 光谱吸收曲线作用-定性依据 • 光谱吸收曲线的形状、峰的个数、最大吸收波
长(λmax)及对应的摩尔吸光系(εmax)与分子结构 相关，是定性分析的依据。
• 属于这类分析方法的有原子发射光谱法（AES）、 原子吸收光谱法（AAS），原子荧光光谱法（AFS ）以及X射线荧光光谱法（XFS）等。
• 2.分子光谱法是由 分子中电子能级、振动和转动能 级 的变化产生的，表现形式为带光谱。
• 属于这类分析方法的有:
• 紫外-可见分光光度法（UV-Vis），红外光谱法（ IR），分子荧光光谱法（MFS）和分子磷光光谱法 （MPS）等。
• 这种能量差别一般位于可见光区。
• 4. 几个概念
• (1) 生色团
• 广义地，指分子中可以吸收光子而产生电子跃迁的结构单元；
• 狭义地，指能吸收大于200nm紫外/可见光的结构单 元，含有非键轨道和π分子轨道的电子体系，能引起 π→π*跃迁和n→π*跃迁。
•
对有机化合物：主要为具有不饱和键和未成对电子的基团。