紫外可见光谱分析实验讲义Word文档下载推荐.docx

1、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= cl式中比例常数与吸光物质的本性，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

2、：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）形成单键的电子 ；（2）形成不饱和键的电子 ；（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，n成键电子当它们吸收一定能量E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轨道、反键*轨道、成键轨道、反键 * 轨道和n轨道，其能量由低到高的顺序为：n*104（lgmax4），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

3、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*跃迁，在光谱学上称为B 带（benzenoid band，苯型谱带）和E带（ethylenic band，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*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带的摩尔吸光系数大于104（lg4），吸收出现在184nm；而E2带的摩尔吸光系数约为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*跃迁产生的强度较弱的吸收谱带，苯B带的摩尔吸光系数约为200，吸收

4、峰出现在230270nm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*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*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*的小，一般在近紫外或可见光区有吸收，其特点是在270350nm之间，值较小，通常在100以内，为弱带，该跃迁为禁阻跃迁。随着溶剂

5、极性的增加，吸收波长向短波方向移动（蓝移）。为n*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32025

6、00nm。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24002800K。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165375nm。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

7、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

8、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

9、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2004000nm）。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

10、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。

11、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0.110cm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

12、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

13、工作原理分子中的电子跃迁需要的能量在 1.610-19 3.210-18 J 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

14、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

15、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

16、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2/33/4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

17、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0.30