第二章 紫外可见光谱和荧光光谱

助色基： 当具有非键电子的原子或基团连在双键或共轭 体系上时，会形成非键电子与电子的共轭 （p- 共轭），从而使电子的活动范围增大，吸 收向长波方向位移，颜色加深，这种效应称为 助色效应。能产生助色效应的原子或原子团称 为助色基。 红移现象：由于取代基或溶剂的影响使最大吸收峰向长波 方向移动的现象称为红移现象。 蓝移现象：由于取代基或溶剂的影响使最大吸收峰向短波 方向移动的现象称为蓝移现象。
紫外光的波长以300nm代入上式，求出紫外光的能量为：
E =4（ev）
电子能量 1-20 ev
分子的能量 分子振动能量 0.05-1 ev
转动能量 0.05-1 ev
Leabharlann Baidu
形成较宽的谱带
2.1.2 紫外光谱图的组成 紫外光谱图是由横坐标、纵坐标和吸收曲线组成的。
横坐标表示吸收 光的波长,用nm 为 单位。 纵坐标表示吸收 光的吸收强度，可 以 用 A( 吸 光 度 ), T(透射比或透光率 或 透 过 率 ),1-T( 吸 收率)、ε(吸收系 数)中的任何一个来 表示。
E吸收带（ π - π *跃迁）与B吸收带一样，是芳香族的特征谱带， 吸收强度大（ε=2000—14000，吸收波长偏向紫外的低波长部分， 有的在远紫外区。如苯的E2 和E1分别在184nm （ε=47000）和 204nm (ε=7000），苯上有助色团取代时， E2移向近紫外区。
2.1.5 各类化合物的紫外吸收
(2) 激发(Excitation, Ex)光谱 荧光物质的激发光谱是指不同激发波长的辐射引起物质发射 某一波长荧光的相对效率。也就是，固定发射波长，改变激发波 长，所得的荧光强度与激发波长的关系曲线为激发光谱。 理论上最大激发波长与最大吸收波长是一致的，由激发光谐 可选择最佳激发波长。 (3) 发射(Emission, Em)光谱 使激发光的波长和强度保持不变，让荧光物质所产生的荧光 通过发射单色器后照射到检测器上，扫描发射单色器并检测各种 波长下相应的荧光强度，然后记录荧光强度对发射波长.
(1) 饱和有机化合物的紫外吸收
只有部分饱和有机化合物（如C-Br、C-I、C-NH2）的n*跃迁 有紫外吸收。 (2) 不饱和脂肪族有机化合物的紫外吸收 只有具有-共轭和p-共轭的不饱和脂肪族有机化合物可以在
近紫外区出现吸收。吸收是由*跃迁和n*跃迁引起的。
(3) 芳香族有机化合物的紫外吸收 芳香族有机化合物都具有环状的共轭体系，一般来讲，它们都 有三个吸收带。最重要的芳香化合物苯的吸收带为：
的转移, 条件是同时具备电 子 给 体 (donor) 和 电 子 受 体 (acceptor).电荷转移吸收谱 带的强度大, 吸收系数一般 大 于 10,000. 这 种 跃 迁 在 聚 合物的研究中相当重要。
2.1.4 吸收带的分类：
R吸收带（n - π *跃迁）由酮基、-- NO2、-- NO、 -- N==N等发 色基团引起。特点是波长较长，但吸收较弱。测定这种吸收带时需 要浓溶液。
实例一
max= 217nm（母体二烯烃）+35nm（环外双键） +30nm（延伸双键）+5 5nm(共轭体系上取代烷基） = 287nm
2.1.7 定量分析 朗伯-比尔定律是紫外光谱定量分析的基础: A=logI0/I= εlc
（I0、 I –入射光和透射光强； ε -–-摩尔消光系数；l–-试 样的光程长；c–溶质浓度） 参数λmax 和εmax 很重要： （1） λmax 表示吸收的最大波长，即最大的吸收峰位臵。 （2） εmax表示最大吸收的摩尔消光系数。因为ε 与A成 正比，谱图可以用ε为纵坐标，因而ε也可以表示吸收峰 的强度。一般地， ε > 104 为强吸收（ ε 不超过105） ε= 103 ----104为中等吸收 ε< 103 为弱吸收，由于这种跃 迁的几率很小，称为禁戒跃迁。
第二章 紫外-可见光谱和荧光光谱
2.1 紫外-可见光谱的基本原理
2.1.1 紫外-可见光谱 紫外光谱(Ultraviolet spectroscopy, UV)是吸收光谱. 通常说的
紫外光谱的波长范围是200-380 nm, 常用的紫外光谱仪的测试范 围可扩展到可见光区域, 包括400-780 nm的波长区域. 低于200 nm的吸收光谱属真空紫外光谱, 要用专门的真空紫外光谱仪测试.
大多数有机分子的电子态可以归纳为两大类：单态 和三重态。处于单态时，分子内所有电子的自旋是配对 的；处在三至态时，一组电子自旋是不成对的。
分子在吸收适当的辐射能时，它从基态内的一个振动能级上 升到某一受激电子能级(通常是第一受激单态，S1)中的某一振动 能级。吸收步骤发生在10-15S以内。在紧接吸收之后处于受激单 态较高振动能级中的分子，通过碰撞而把过多的能量转移给其它 分子，以及将过多的能量分配给受微分子内振动或旋转的其它可 能模式，从而很快回到受激态的最低振动能级。 当受激分子恢复到基态时，产生自发辐射，即荧光现象。这一 辐射过程(S1-S0) 的寿命很短，约10-8s，所以在许多分子里它能有 效地与其它转移激发能的过程相竞争。 如果单态的势能曲线和三重态的势能曲线交叉，某些单态受 激分子可以通过系统间的交叉而转到最低三重态，再从这里回到 基态的某一振动级，便发射磷光。磷光的发射必须改变自旋状态， 因此这一发射过程的速度比荧光慢得多，可达10-2~100 s。 荧光和磷光的发射波长长于激发波长，除了X射线荧光外，大 多荧光法的工作波长在200~800nm之间。
ns Ax Ds
式中，A为吸光度；n为溶液折射率；D为校正荧光发射光谱积分面 积。荧光化合物的荧光量子产率的数值常处于0.1—1之间。 荧光量子产率与荧光寿命之间的关系为: /
f 0
2.2.4 荧光与分子结构的关系
在荧光分析中，分析对象本身必须具有荧光特性，或者使其 与相应的荧光试剂反应生成具有荧光特征的物质。分子的荧光性 主要取决于它自身的能量状态，即该分子的化学结构。荧光强度 与分于结构关系一般具有如下普遍规律。 1. 具有共轭 π 键的化合物 化合物共轭体系越大，能量越低，离域 π 电子越容易激发，荧 光越易产生。大部分物质具有芳环或杂环，芳环越大，其荧光峰 越移向长波方向，荧光强度也越强。 2. 具有刚性平面结构的化合物 荧光效率高的荧光体，其分子多是平面构型且具有一定的刚性， 例如偶氮苯不发荧光杂氮菲会发荧光。 有机配位剂与金属离子组成配合构成取代基之间形成氢键，加 强了分子的刚性，使荧光强度增强。
2.1.3 电子跃迁 有机物在紫外和可见光区域内电子跃迁的方式一般有:
σ→σ*,
n →σ*,
π→π*,
n→π* 1) σ→σ* 饱和烃中的C-C键是σ键.产生σ→σ*跃迁所需能量大, 吸收波长小于150 nm的光子, 即在真空紫外区有吸收.
(2) n →σ*
含 O, N, S 和卤素等杂原子的饱和烃衍生物可发生 此 类 跃 迁 , 所需能量也较大, 吸收波长为150-250 nm 的光子. C-OH 和 C-Cl 等基团的 吸收 在真空紫外区域内. C-Br, C-I 和 C-NH2等基团的吸收在紫外区域内，其 吸收峰的吸收系数ε较低，一般ε＜300.
2.2.2 荧光光谱的测量 荧光光谱仪由光 源、单色器、记录系 统等组成。并具有两 个单色器，一个为激 发单色器，另一个为 发射单色器。下图为 这类仪器光学系统示 意图。
PE LS55 Luminescence Spectrometer

2.2.3 溶液的荧光强度与浓度的关系
(1) 荧光的寿命 荧光分子的平均寿命( )定义：当不存在进一步的激发时，处 于激发态的分子数目衰减到初始值的1／e所经历的时间，用下式 表示:
增色效应：使值增加的效应称为增色效应。
减色效应：使值减少的效应称为减色效应。
max与化学结构的关系
应用伍德沃德和费塞尔规则来估算化合物紫外吸收max的位臵。
该公式为： max= 母体二烯烃（或C=C-C=O）+ 环内双烯 + 环外双键 + 延伸双键+ 共轭体系上取代烷基 + 共轭体系上取代的助色基.
1.2
Absorbance/a.u.
(A)
a b
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 400 500
c d e
600 / nm
700
800
2.2 荧光光谱
2.2.1荧光光谱法基本原理 (1) 荧光(Fluoresence)和磷光(Phosphoresence) 荧光和磷光同属发光光谱法，它们与分子吸收分光 光度法紧密相关。分子在吸收辐射能而被激发到较高电 子能级后，它们为了返回基态而释放出能量。荧光是分 子在吸收辐射之后立即(在10-8 s数量级)发射的光，而磷 光则是在吸收能量后延迟释放的光。两者间的区别是； 荧光是由单态—单态的跃迁产生的，而磷光所涉及的是 三线态—单态跃迁。 荧光光谱具有很高的灵敏度。样品中含有1~100 ppm生色团即可产生足够强的检测信号。采用多种不同 的表征方法，使荧光发光方法具有多功能性，并可获得 分子水平的信息。
1 /( f K
式中，kf为荧光发射的速率常数； K 为各种非辐射去活化过程 的速率常数总和。荧光强度的衰变一般遵从如下速率方程式:
式中F0 和 Ft分别表示t=0和t=t时的荧光强度。作lnFt-t的关系曲线, 从该曲线的斜率可求出荧光寿命 . 没有非辐射去活化过程存在时的荧光寿命为内在的寿命,用 表示: 1/
远紫外区 （真空紫外区）
近紫外区
可见光区
13.6nm
200nm
380nm
780nm
当紫外光照射分子时，分子吸收光子能量后受激发而从一个 能级跃迁到另一个能级，由于分子的能量是量子化的，所以只 能吸收等于分子内两个能级差的光子。
△E= E2 -E1=hγ=hc/λ
（E2 , E1 -–始态和终态的能量 h -–普朗克常数 γ –-频率 c –-光速 λ –-波长）
除上述4种电子跃迁方式外，在紫外和可见光区还 有两种较持殊的跃迁方式，即众d-d 跃迁和电荷转移跃 迁. (5) d-d 跃迁 在过渡金属络合物溶液中容易产生这种跃迁, 其吸 收波长一般在可见光区域, 有机物和高分子的过渡金属 络合物都会发生这种跃迁。
(6) 电荷转移跃迁
电荷转移可以是离子间, 离子与分子间, 以及分子内
0 f
ln F0 ln Ft t /
一个近似的经验规则是: 式中 max 为最大吸收波长下的摩尔吸光系数。
0 10 4 / max
(二)荧光量子产率
荧光量子产率的定义：荧光物质吸光后所发射的荧光的光子 数与所吸收的激发光的光子数之比值，即:
f 发射的光量子数 吸收的光量子数
K吸收带（ π - π *跃迁）由共轭烯烃和取代芳香化合物引起。特 点是波长较短但吸收较强（ε > 10000）。
B吸收带（苯环振动加 π - π *跃迁）该吸收带是芳环、芳杂环的特 征谱带，吸收强度中等（ε=1000）。特点是在230—270nm，谱 带较宽且含多重峰或精细结构, 精细结构是由于振动次能级的影响， 当使用极性溶剂时，精细结构常常看不到。
f f /( f K
现代最常用的测量方法是相对测量法得到相对荧光量子产率。 在同一设备和激发光强度下测定已知量子产率标准溶液(以s 脚注)，和另一未知量子产率溶液(以x脚注)的校正荧光发射光谱 面积D时，有以下的关系： 2 nx As D x fx 2 fs ( A 0.05)
max= 184 nm ( = 47000), max= 204 nm (6900） max= 255 nm (230）
2.1.6 影响紫外光谱的因素
(1) 紫外吸收曲线的形状及影响因素 紫外吸收带通常是宽带。
影响吸收带形状的因素有：被测化合物的结构、测定的状态、
测定的温度、溶剂的极性。 (2) 吸收强度及影响因素 能差因素： 能差小，跃迁几率大 空间位置因素:处在相同的空间区域跃迁几率大 (3) 吸收位置及影响因素 几个基本概念： 生色基：能在某一段光波内产生吸收的基团，称为这一段波长 的生色团或生色基。
(3)π→π* 不饱和烃, 共轭烯烃和芳香烃类可发生此类跃迁, 吸收波长大多在紫外区(其中孤立双键的λmax小于 200 nm), 吸收峰的吸收系数ε很高. (4) n→π* 在分子中含有孤对电子的原子和π键同时存在时, 会发生n→π*跃迁, 所需能量小, 吸收波长＞200 nm, 但吸收系数ε很小，一般为10-100. 不同分子结构具有不同电子跃迁方式, 有的基团可 有几种跃迁方式。在紫外光谱中主要研究的跃迁是 在紫外区域有吸收的π→π*和n→π*两种。