紫外可见光谱分析实验讲义Word文档下载推荐.docx

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紫外可见吸收光谱遵从朗伯－比尔定律：

当一束平行单色光通过含有吸光物质的稀溶液时，溶液的吸光度与吸光物质浓度、液层厚度乘积成正比，即

A=κcl

式中比例常数κ与吸光物质的本性，入射光波长及温度等因素有关。

c为吸光物质浓度，l为透光液层厚度。

朗伯-比尔定律是紫外-可见分光光度法的理论基础。

13.1.1理论基础

紫外可见吸收研究的是分子内部的运动，可分为分子内原子在平衡位置附近的振动，价电子运动和分子绕其重心的转动。

所以分子的能量E等于以上三项之和：

式中，Ee、Ev、Er分别代表电子能、振动能和转动能。

分子从外界吸收能量后，就引起分子能级的跃迁，即从基态能级跃迁到激发态能级。

分子吸收能量具有量子化的特征：

紫外吸收光谱是由于分子中的电子跃迁产生的。

按分子轨道理论，在有机化合物分子中这种吸收光谱取决于分子中成键电子的种类、电子分布情况，根据其性质不同可分为3种电子：

（1）形成单键的σ电子；

（2）形成不饱和键的π电子；

（3）氧、氮、硫、卤素等杂原子上的未成键的n电子

图13.1　基团中的σ，π，n成键电子

当它们吸收一定能量ΔE后，将跃迁到较高的能级，占据反键轨道。

分子内部结构与这种特定的跃迁是有着密切关系的，使得分子轨道分为成键σ轨道、反键σ*轨道、成键π轨道、反键π*轨道和n轨道，其能量由低到高的顺序为：

σ<

π<

n<

π*<

σ*。

图13.2　分子轨道中的能量跃迁示意图

因而将这些跃迁分为：

（1）N→V跃迁：

由基态轨道跃迁到反键轨道（包括σ→σ*跃迁和π→π*跃迁）；

（2）N→Q跃迁：

分子中未成键n电子激发跃迁到反键轨道（包括n→σ*跃迁和n→π*跃迁）；

（3）N→R跃迁：

σ键电子逐步激发到各个高能级上，最后电离成分子离子的跃迁（光致电离）；

（4）电荷迁移跃迁：

在光能激发下，物质（化合或络合物）中的电荷重新分布，导致电荷从化合物的一部分迁移到另一部分而产生吸收光谱。

因此，有机化合物价电子可能产生的主要跃迁为σ→σ*、n→σ*、n→π*和π→π*。

各种跃迁所需能量大小为：

σ→σ*＞n→σ*≥π→π*＞n→π*

n*跃迁:

当不饱和键上连有杂原子（如羰基、硝基）时，杂原子上的n电子能跃迁到π*轨道。

n→π*跃迁是四种跃迁中所需能量最小的，它所对应的吸收带位于200～400nm的近紫外区。

如果带杂原子的双键基团与其它双键基团形成共轭体系，其n→π*跃迁产生的吸收带将红移，例如丙酮的n→π*跃迁在276nm，π→π*跃迁在166nm，而4-甲基-3-戊烯酮的两个相应吸收带分别红移至313和235nm。

但是n*跃迁是禁阻跃迁，所以吸收强度很弱。

*跃迁:

不饱和键中的π电子吸收能量跃迁到π*反键轨道。

π→π*跃迁所需能量较n*跃迁的大，吸收峰波长较小。

孤立双键的π→π*跃迁产生的吸收带位于160～180nm，仍在远紫外区。

但在共轭双键体系中，吸收带向长波方向移动（红移）。

共轭体系愈大，π→π*跃迁产生的吸收带波长愈长。

例如乙烯的吸收带位于162nm，丁二烯为217nm，1，3，5－己三烯的吸收带红移至258nm。

这种因共轭体系增大而引起的吸收谱带红移是因为处于共轭状态下的几个π轨道会重新组合，使得成键电子从最高占有轨道到最低空轨道之间的跃迁能量大大降低。

是氧、氮、硫、卤素等杂原子的未成键n电子向σ反键轨道跃迁当分子中含有－NH2、－OH、－SR、－X等基团时，就能发生这种跃迁。

n电子的n→σ*跃迁所需能量较大，偏于远紫外区，一般出现在200nm附近，受杂原子性质的影响较大。

*跃迁:

是单键中的σ电子在σ成键和反键轨道间的跃迁。

因σ和σ*之间的能级差最大，所以σ→σ*跃迁需要较高的能量，相应的激发光波长较短，在150～160nm范围，落在远紫外光区域，超出了一般紫外分光光度计的检测范围。

电荷迁移跃迁:

用光照射化合物时，电子从给予体向与接受体相联系的轨道上的跃迁称为电荷迁移跃迁。

这种跃迁谱带较宽，吸收强度大。

无机化合物产生的跃迁主要为电荷迁移跃迁和配位场跃迁。

既然一般的紫外光谱是指近紫外区，即200-400nm，那么就只能观察*和n*跃迁。

也就是说紫外光谱只适用于分析分子中具有不饱和结构的化合物。

图13.3　电子跃迁所处的波长范围及强度

13.1.2紫外光谱中常用的名词术语

发色团（chromophore）：

也称生色团，是指在一个分子中产生紫外吸收带的基团，一般为带有π电子的基团。

有机化合物中常见的生色团有：

羰基、硝基、双键、三键以及芳环等。

发色团的结构不同，电子跃迁类型也不同，通常为n→π*、π→π*跃迁，最大吸收波长大于210nm。

助色团（auxochrome）：

有些基团，本身不是发色团，但当它们与发色团相连时，可以使含有发色团的有机物的颜色加深,这类基团称为助色团。

助色团通常是带有孤电子对的原子或原子团，如：

－OH、－NH2、－NR2、－OR、－SH、－SR、－X（卤素）等。

在这些助色团中，由于具有孤电子对的原子或原子团与发色团的π键相连，可以发生p－π共轭效应，结果使电子的活动范围增大，容易被激发，使π→π*跃迁吸收带向长波方向移动，即红移。

红移（redshift）：

也称向长波移动（bathochromicshift），当有机物的结构发生变化（如取代基的变更）或受到溶剂效应的影响时，其吸收带的最大吸收波长（λmax）向长波方向移动的效应。

蓝移（blueshift）：

也称向短波移动（hypsochromicshift），与红移相反的效应，即由于某些因素的影响使得吸收带的最大吸收波长（λmax）向短波方向移动的效应。

增色效应（hyperchromiceffect）：

或称浓色效应，使吸收带的吸收强度增加的效应。

减色效应（hypochromiceffect）：

或称浅色效应，使吸收带的吸收强度减小的效应。

强带：

在紫外光谱中，凡摩尔吸光系数大于104的吸收带称为强带。

产生这种吸收带的电子跃迁往往是允许跃迁。

弱带：

凡摩尔吸光系数小于1000的吸收带称为弱带。

产生这种吸收带的电子跃迁往往是禁阻跃迁。

末端吸收（endabsorption）：

指吸收曲线随波长变短而强度增大，直至仪器测量极限（190nm），在仪器极限处测出的吸收为末端吸收。

肩峰：

指吸收曲线在下降或上升处有停顿，或吸收稍微增加或降低的峰，是由于主峰内隐藏有其它峰。

13.1.3紫外吸收光谱与分子结构的关系

根据电子跃迁讨论有机化合物中较为重要的一些紫外吸收光谱，由此可以看到紫外吸收光谱与分子结构的关系。

（1）　饱和有机化合物

饱和碳氢有机化合物只有σ键电子，只产生σ→σ*跃迁，所需能量最大，吸收带在远紫外区。

当饱和单键碳氢化合物中的H被含孤对电子的O、N、X、S等杂原子取代时，产生能量低于σ→σ*跃迁的n→σ*跃迁，吸收波长向长波分析移动。

所以饱和有机化合物中含有－NH2、－NR2、－OH、－OR、－SR、－Cl、－Br、－I等助色团时，有红移现象。

当生色团为P－π共轭系统时，产生n→π*跃迁的R带吸收。

R带所需能量最小，是禁阻跃迁，因而吸收强度最小，波长最长，甚至进入可见光区。

（2）　不饱和脂肪族有机化合物

不饱和碳氢化合物含有π键电子，产生π→π*跃迁，吸收波长在175～200nm范围。

当化合物中存在－NH2、－NR2、－OR、－SR、－Cl、－CH3等助色团时，也有红移现象，并使吸收强度增大。

当不饱和脂肪族有机化合物含有共轭双键时，由于形成大π键，产生K带吸收，红移明显，并且吸收强度很大（ε≥104）；

共轭双键越多，红移越显著，溶液甚至产生颜色，同时吸收强度也越大。

（3）　芳香族化合物

苯环结构中有三个乙烯的环状共轭体系，在185nm和204nm产生两个很强的E带吸收；

在254nm产生中等强度的B带吸收的精细结构。

若苯环含有取代基，B带吸收的精细结构消失，但吸收强度增加，并发生红移。

助色团使E带吸收红移，生色团使E带吸收与K带吸收合并，并红移。

紫外光谱横坐标表示吸收光的波长，用nm（纳米）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）、（吸收系数）中的任何一个来表示，吸收曲线表示化合物的紫外吸收情况。

13.1.4紫外光谱中的几种吸收带

吸收带（absorptionband）:

在紫外光谱中，吸收峰在光谱中的波带位置。

根据电子及分子轨道的种类，可将吸收带分为四种类型。

（1）K带：

当分子中两个或两个以上双键共轭时，π→π*跃迁能量降低，吸收波长红移，共轭烯烃分子如1，3-丁二烯的这类吸收在光谱学上称为K带（取自德文：

共轭谱带，konjuierte）。

K带出现的区域为210～250nm，εmax>

104（lgεmax>

4），随着共轭链的增长，吸收峰红移，并且吸收强度增加。

共轭烯烃的K带不受溶剂极性的影响，而不饱和醛酮的K带吸收随溶剂极性的增大而红移。

（2）B带和E带：

芳香族化合物的π→π*跃迁，在光谱学上称为B带（benzenoidband，苯型谱带）和E带（ethylenicband，乙烯型谱带），是芳香族化合物的特征吸收。

所谓E带指在封闭的共轭的体系中（如芳环），因π→π*跃迁所产生的较强或强的吸收谱带，E带又分为E1和E2带，两者的强度不同，E1带的摩尔吸光系数ε大于104（lgε>

4），吸收出现在184nm；

而E2带的摩尔吸光系数ε约为103，吸收峰在204nm。

两种跃迁均为允许跃迁。

B带指在共轭的封闭体系（芳烃）中，由π→π*跃迁产生的强度较弱的吸收谱带，苯B带的摩尔吸光系数ε约为200，吸收峰出现在230～270nm之间，中心在256nm,在非极性溶剂中芳烃的B带为一具有精细结构的宽峰，但在极性溶剂中精细结构消失。

当苯环上有发色基团取代并和苯环共轭时，E带和B带均发生红移，此时的E2带又称为K带。

特点：

为芳香族化合物的π→π*跃迁，B带：

峰弱，吸收波长长；

E带：

峰强，吸收波长短。

（3）R带：

指连有杂原子的不饱和化合物（如羰基、碳氮双键等）中杂原子上的n电子跃迁到π*轨道，这种跃迁在光谱学上称为R带（取自德文：

基团型，radikalartig），跃迁所需能量比n→σ*的小，一般在近紫外或可见光区有吸收，其特点是在270～350nm之间，ε值较小，通常在100以内，为弱带，该跃迁为禁阻跃迁。

随着溶剂极性的增加，吸收波长向短波方向移动（蓝移）。

为n→π*跃迁，吸收波长长，峰弱。

13.2仪器基本构成及其工作原理

13.2.1仪器基本构成

紫外可见分光光度计的基本结构如下：

光源→单色器→吸收池→检测器→信息处理与显示系统

↑

样品

图13.4　紫外可见分光光度仪的基本结构

13.2.1.1　光源

光源的作用是提供激发能，使待测分子产生吸收。

要求能够提供足够强的连续光谱、有良好的稳定性、较长的使用寿命，且辐射能量随波长无明显变化。

在紫外可见分光光度计中，常用的光源有两类：

热辐射光源和气体放电光源。

利用固体灯丝材料高温放热产生的辐射作为光源的是热辐射光源，热辐射光源用于可见光区，如钨灯和卤钨灯；

钨灯的适用波长范围为320～2500nm。

钨灯中常充有惰性气体，以提高其使用寿命。

钨灯的工作温度与它的光谱分布有关，一般在2400～2800K。

可见光区钨灯的能量输出波动电源电压的4次方倍，因此必须对钨灯电源电压严格控制，也可使用6V直流电源供电。

卤钨灯的使用寿命及发光效率高于钨灯。

气体放电光源是指在接通电路时，氢或氘气放电所产生的连续辐射。

一般为氢灯或其同位素氘灯，在紫外区使用。

氢灯的波长使用范围是165～375nm。

氘灯的光谱分布与氢灯相同，但其光强度比同功率氢灯大3～倍。

石英窗口材料使短波辐射的透过受到限制（石英200nm，熔融石英185nm），而大于360nm时，氢的发射谱线叠加于连续光谱之上，不宜使用。

13.2.1.2　单色器系统

单色器是一个完整的色散系统，并组成仪器的核心部分，决定着仪器的主要光学特性和工作特性。

其作用是将光源发出的白光色散成不同波长的单色光，并从出射狭缝中导出照于样品上。

仪器除了棱镜或光栅色散元件外，还有入射、出射狭缝及一组反射镜。

由工作光谱性能指标如范围、分辨率、色散率等，分别选用不同的单色器如棱镜或光栅分光，双联，滤色片分光等等。

（1）滤光片

在仪器中，滤光片的作用通常是用来消除单色器的杂散光。

其特性可以用最大透光波长和谱带半宽度来表征它。

它是最简单、最廉价的单色装置。

但基于单色性不理想，大大限制了测定精度。

滤光片分为：

通带滤光、中性滤光、干涉滤光、截止滤光以及标准滤光片五种。

（2）单色器

从宽波长的光源辐射中分出单一波长的光学装置叫单色器。

由色散元件、入射狭缝、出射狭缝、和准直镜等部分组成。

单色器质量的优劣决定于色散元件的质量。

A、狭缝

狭缝是由具有很锐刀口的两片金属片精密加工制成的，包括入射和出射狭缝，是单色器的重要组成部分之一，关系到分辨率的优劣，当光源的光进入色散系统前，要先经过一个入射狭缝，使光称为一条细的光束照射到准直镜上，反射后成为平行光投射到棱镜或光栅上进行色散。

出口狭缝出来的光并不是某一单波长的光，狭缝越宽所包含的光波越多，狭缝月越窄杂散光的影响越小，但是光的亮度也越弱。

因刀口相互之间是严格平行的，并且在相同平面上，所以一种是用狭缝的两刀口之间的实际宽度表示来狭缝宽度（mm）；

一种是用从单色器出来的有效带宽来表示（nm），后者为常用表示法。

B、棱镜

棱镜是从紫外到中红外区的比较合适的色散元件，其光谱纯度主要决定于棱镜的色散特性和光学设计。

紫外范围内通常采用硅、人造蓝宝石和矾土（用于200～4000nm）。

因其昂贵，常用熔融石英代之。

可见范围内因硅的色散次于光学玻璃，故而常用廉价的光学玻璃代之。

本生（Bunsen）和利特罗（Littrow）是常用两种形式的棱镜单色器，棱镜的主要缺点是色散波长的非线性分布。

C、光栅

光栅分透射光栅和反射光栅，是用于紫外、可见、近红外范围内十分重要且应用范围很广的色散元件。

透射光栅的母光栅的生产是需要很精密的装置，要在一块透明材料或玻璃上刻一系列平行的紧紧相靠的凹槽，较贵。

故而用较便宜的复制光栅代替，性能上虽次于母光栅，但能满足应用。

反射光栅则是喷涂铝薄膜于复制光栅表面制成。

光栅的单位长度刻线越多，分辨率越高，色散也越大。

另外在闪耀光栅中，闪耀波长内光栅有最大能量输出。

光栅的缺点是有次级光谱干扰，且杂散光的影响比棱镜大，因此常配虑光片以去除。

光栅单色器的排列方式尽管有几种，但通常采用的一种是埃伯特（1889年发明）。

原理是一个球面镜准直和聚焦，对称地放置两个狭缝，让波长的选择通过旋转光栅来实现。

因其昂贵，现代仪器常采用采尼（Czerny）和特纳（Turner），一种结构紧凑的用两个小球面镜来代替大而昂贵的埃伯特球面。

13.2.1.3　吸收池，

吸收池又称比色皿或比色杯，紫外可见分光光度计常用的吸收池有石英和玻璃两制材料制成。

石英吸收池可用于紫外光区和可见光区，玻璃吸收池只能用于可见光区。

吸收池的种类很多，其光径可在0.1~10cm之间，常用的石英吸收池光程一般为1cm，玻璃吸收池有0.5cm、1cm、2cm、5cm等多种。

同一台分光光度计上的比色杯，其透光度应一致，在同一波长和相同溶液下，比色杯间的透光度误差应小于0.5%，使用时应对比色杯进行校准。

13.2.1.4　检测器

检测器的作用是检测光信号，并将光信号转变为电信号。

现今使用的分光光度计常用的检测器是光电接收元件，有光电倍增管（利用外光电效应与多级二次发射体相结合而制成的光电器件，放大倍数可达108倍，其积分灵敏度远远超过充气光电管，且与真空光电管一样有非常好的线性关系，是目前应用很广的紫外和可见区极灵敏的探测元件）、光敏电阻和光电池作为检测器。

13.2.1.5信息处理与显示系统

显示系统是将光电管或光电倍增管放大的电流通过仪表获取信息并显示出来的装置。

常用的信号显示装置有直读检流计、微安表、电位调节指零装置，以及自动记录和数字数字显示器和计算机等。

检流计和微安表可显示透光度（T%）和吸光度（A）。

数字显示器可显示T%、A和C（浓度）。

通过计算机与分光光度计相联，光谱数据可立即显示，绘制谱图，而且还可进行多种类型的数据处理。

13.2.2仪器的工作原理

分子中的电子跃迁需要的能量在1.6Χ10-19~3.2Χ10-18J之间，其对应的吸收光的波长范围大部分处于紫外和可见光区域，通常将分子在这一区域的吸收光谱称为电子光谱。

不同的分子中的电子跃迁需要的能量不一样，吸收光谱也就不同。

为了测量一种物质的吸收光谱，用经过分光后的不同波长的光依次透过该物质，这种物质可以是液体，也可以是固体或气体，但大多数情况都是具有一定浓度的溶液。

通过测量物质对不同波长的光的吸收程度（吸光度），以波长为横坐标，吸光度为纵坐标作图，就可以得到该物质在测量波长范围内的吸收曲线。

这种曲线体现了物质对不同波长的光度吸收能力，称为吸收光谱。

根据物质对光的吸收程度的不同来确定未知液体的物质浓度含量，一般采用标准曲线法，也有采用标准加入法的。

利用一定频率的紫外-可见光照射被分析的物质，引起分子中价电子的跃迁，它将有选择地被吸收。

一组吸收随波长而变化的光谱，反映了试样的特征。

在紫外可见光的范围内，对于一个特定的波长，吸收的程度正比于试样中该成分的浓度，因此测量光谱可以进行定性分析，而且根据吸收与已知浓度的标样的比较，还能进行定量分析。

紫外可见分光光度计的光度系统分为单光束和双光束两种。

现代的自动分光光度仪多采用双光束法来实现比较测量（图13.6所示）。

双光束光度系统的显著的特点和最基本要求是保持光路对称。

即两光路中的反射次数和相应的反射角、透射次数和相应透射面的曲率以及射入接收器的角度和照射面积等，尽量要求做到对称，并且光路应尽量缩短，光学零件也应尽量减少。

双波长分光光度计具有两个检测器，更适合应用于双波长光谱分析方法。

双单色器可明显减少杂散光，提高仪器的分辨能力。

图13.5 

单光束的光路图

（721型分光光度计光学系统示意图）

1－光源；

2，9－聚光透镜；

3－色散元件（棱镜）；

4－准直镜；

5，12－保护玻璃；

6－狭缝；

7－反射镜；

8－光栅；

10－吸收池；

11－光门；

13－光电管

1，8，9，12，15，16，20－凹面反射镜；

2－钨灯；

3－灯交换平面镜；

4－氘灯；

5－入口狭缝；

6，17－平面反射镜色散元件（棱镜）；

10，11－出口狭缝；

13－调制板；

14－斩光器；

18－参比池；

19－样品池；

21－光电倍增管

图13.6　双光束的光路图

13.3实验技术

13.3.1结构分析

被测物质的溶液浓度不宜过高，一般为mg/L级。

分析是的注意事项如下：

（1）在紫外区测定必须配对使用洁净的石英吸收池，量瓶、移液管均应校正、洗净后使用；

（2）应正确取吸收池，装盛样品以池体的2/3～3/4为度，手指应拿毛玻璃面的两侧，透光面要用擦镜纸由上至下擦拭干净，直至无溶剂残留。

使用挥发性溶液时应加盖，吸收池放入样品室时应注意方向相同，用后用溶剂或水冲洗干净，晾干防尘保存。

（3）采用1cm石英吸收池，测定时应以配制试品溶液同批溶剂为空白对照（另有规定除外），在规定的紫外可见波长范围内进行扫描，绘制波长—吸光度吸收曲线，以便于进一步进行结构分析。

注意：

没有颜色的溶液在紫外光谱区没有吸收峰。

13.3.2　定量分析

紫外可见吸收光谱法是进行定量分析最有用的工具之一。

定量分析的依据是朗伯－比尔定律。

该法不仅可以直接测定那些本身在紫外可见光谱区有吸收的无机物和有机物，还可以通过适当的显色反应使被测物质生成在紫外可见光谱区有强烈吸收的产物，从而进行定量分析。

（1）测量条件的选择

A、入射光波长的选择

定量分析时为了获得较高的测量灵敏度，入射波长应该选择被测物质的最大吸收波长。

如遇干扰时，可选购用灵敏度稍低，但能避免干扰从而进行定量分析的其他波长。

如果无法获知被测组分的适宜定量分析的吸收波长，可通过对被测物质在紫外可见光谱区的波长——吸光度吸收曲线，确定该物质的最大吸收波长，或适宜的定量分析测定波长。

B、控制适当的吸光度范围

定量分析时其吸收度在0.3～0