第1章紫外吸收和荧光光谱法

光学分析法紫外可见分光光度法 紫外吸收光谱的产生 有机化合物的紫外吸收光谱 无机化合物的紫外吸收光谱 紫外-可见分光光度计 分析条件的选择 紫外-可见分光光度的应用紫外吸收光谱：分子价电子能级跃迁。波长范围：100-750nm.(1)远紫外光区:100-200nm(2)近紫外光区:200-400nm(3)可见光区:400-750nm可用于结构鉴定和定量分析。电子跃迁的同时，伴随着振动转动能级的跃迁;带状光谱。第一节.紫外吸收光谱的产生1.概述分子内能量总和:E分子=E电+E振+E转E电>E振>E转 分子光谱1.概述2.物质对光的选择性吸收及吸收曲线E=E2－E1=h量子化；选择性吸收吸收曲线与最大吸收波长max吸收曲线的讨论： ①同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长λmax ②不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似λmax不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和λmax则不同 ③吸收曲线可以提供物质的结构信息，并作为物质定性分析的依据之一。 ④不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度A有差异，在λmax处吸光度A的差异最大。此特性可作作为物质定量分析的依据。3.紫外可见光谱的特点1.灵敏度高通常，待测物质的含量1～10-5％时，能够用分光光度法准确测定。所以它主要用于测定微量组分。2.应用广泛几乎所有的无机离子和许多有机化合物可以用分光光度法进行测定。如土壤中的氮、磷以及植物灰、动物体液中各种微量元素的测定。3.操作简便、迅速、仪器设备不太复杂若采用灵敏度高、选择性好的有机显色剂，并加入适当的掩蔽剂，一般不经过分离即可直接进行分光光度法测定，其方法的相对误差通常为5～10％，其准确度虽不及重量分析法和容量法，但对于微量组分的测定，结果还是满意的。第二节.有机化合物紫外－可见吸收光谱 有机化合物中的单键电子称为σ键电子，双键电子称为π键电子，孤对电子称为n电子。 它们吸收能量后跃迁到反键轨道或非键轨道上。即有四种轨道跃迁：σ→σ*n→σ*n→π*π→π*1.σ→σ＊跃迁 所需能量最大；σ电子只有吸收远紫外光的能量才能发生跃迁；饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区；吸收波长λ<200nm；例：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；通常作为溶剂使用；2.n→σ＊跃迁 所需能量较大吸收波长为150～250nm，大部分在远紫外区，近紫外区仍不易观察到。含非键电子的饱和烃衍生物(含N、O、S和卤素等杂原子)均呈现n→σ*跃迁。3.π→π＊跃迁 所需能量较小，吸收波长处于远紫外区的近紫外端或近紫外区，εmax一般在104L·mol-1·cm-1以上，属于强吸收。助色基团取代π→π*（K带)发生红移（1）不饱和烃π→π*跃迁乙烯π→π*跃迁的λmax为162nm，εmax:1×104L·mol-1·cm-1K带——共轭非封闭体系的π→π*跃迁 取代基 -SR -NR2 -OR -Cl CH3 红移距离 45(nm) 40(nm) 30(nm) 5(nm) 5(nm)（2）共轭烯烃中的→*根据分子轨道理论，共轭效应使π电子进一步离域，在整个共轭体系内流动。这种离域效应使轨道具有更大的成键性，从而降低了能量，使π电子易激发，吸收带最大波长向长波方向移动，颜色加深（红移），摩尔吸光系数增大（εmax一般在104L·mol-1·cm-1）3.π→π＊跃迁（3）羰基化合物共轭烯烃中的→*①Y=H,Rn→*180-190nm→*150-160nmn→*275-295nm②Y=-NH2–OH-OR等助色基团K带红移，R带蓝移；R带max=205nm；10-100③不饱和醛酮K带红移：165250nmR带蓝移：290310nm3.π→π＊跃迁（4）芳香烃3.π→π＊跃迁 苯在λmax185nm处有一强吸收带，称为E1吸收带（εmax50000）； 在λmax204nm处，有一较强吸收带，称为E2吸收带（εmax7000）； 在230~270nm处还有一个较弱的吸收带（λmax254nm；εmax200）称为精细结构吸收带，也称B吸收带（德文，Benzenoid苯的），它是由π→π*跃迁与苯环的振动重叠引起的，常用来鉴别芳香族化合物。 含有杂原子的双键化合物（如-C=O，-C=N）中杂原子上的n电子跃迁到π*轨道，即分子中含有孤对电子的原子和π键同时存在时，会发生此跃迁，所需的能量小，吸收波长λ＞200nm，但吸收峰的摩尔吸收系数ε很小，一般为10~100L·mol-1·cm-1。4.n→π＊跃迁5.吸收带n→π＊跃迁：R吸收带发色团与助色团 发色团：最有用的紫外—可见光谱是由π→π*和n→π*跃迁产生的。这两种跃迁均有机物分子中含有不饱和基团。这类含有π键的不饱和基团称为生色团。简单的生色团由双键或叁键体系组成，如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基—N＝N—、乙炔基、腈基—C≡N等。助色团：有一些含有n电子的基团(如—OH、—OR、—NH２、—NHR、—X等)，它们本身没有生色功能(不能吸收λ>200nm的光)，但当它们与生色团相连时，就会发生n—π共轭作用，增强生色团的生色能力(吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加)，这样的基团称为助色团。红移与蓝移有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长λmax和吸收强度发生变化:λmax向长波方向移动称为红移，向短波方向移动称为蓝移(或紫移)。吸收强度即摩尔吸光系数ε增大或减小的现象分别称为增色效应或减色效应 饱和烃只有σ键电子，发生σ→σ*跃迁，吸收波长在远紫外区（10-200nm）。 由于小于160nm紫外光被氧气吸收，需要在高真空中进行，因此应用不多。 但是H被O、X、N、S取代后，发生n→σ*，吸收波长向长方向移动，即红移。使吸收波长向长波长方向移动的杂原子基团称为助色基团，例如－NH2-、－OH、－OR等。 饱和烃 CH3Cl CH3Br CH3I n→σ*跃迁 173nm 204nm 258nm CH3I CH2I2 CHI3 n→σ*跃迁 259nm 292nm 349nm 不饱和烃含π键，产生跃迁π→π*。 不饱和基团是使化合物的最大吸收峰波长移动到紫外可见区域，因此被称为生色团。例如C=O、－COOH等，生色团可发生n→π*、π→π*跃迁。 共轭烯烃各能级间距离较近，电子容易激发，生色作用大为增强。 共轭双键中π→π*跃迁所产生的吸收带叫做K吸收带。强度大，摩尔吸光系数在>104。 不饱和烃 C2H4（孤立单键） CH2=CH-CH=CH2 π→π*跃迁 λmax=165nm，εmax=1.553×104 λmax=217nm，εmax=2.1×104 芳香烃及其杂环化合物苯：E1带180184nm=47000E2带200204nm=7000苯环上三个共扼双键的→*跃迁特征吸收带；B带230~270nm=200→*与苯环振动引起；含取代基时，B带简化，红移。 电荷迁移跃迁 配位场跃迁 d－d、f－f跃迁。ε较小，较少应用于分析。第三节.无机化合物紫外－可见吸收光谱 常用溶剂例如己烷、庚烷、环己烷、二氧六环、水、乙醇等。部分溶剂，特别是极性溶剂，由于氢键或本身的偶极距，使得溶质极性增强。引起：n→π*、π→π*吸收带迁移。引起精细结构的变化。 溶剂选用：－满足溶解下要求极性尽量小－溶剂的吸收范围不能与实验重叠第四节.影响紫外－可见吸收光谱的因素1.溶剂极性对最大吸收波长λmax的影响n→*跃迁：蓝移；；→*跃迁：红移；； 溶剂的极性会影响π→π*和n→π*跃迁。当物质溶解在溶剂中时，溶剂分子将该溶质分子包围，即溶剂化，从而限制了溶质分子的自由转动，使转动光谱消失。溶剂的极性大，使溶质分子的振动受到限制，由振动引起的精细结构也不出现。当物质溶解在非极性溶剂中时，其光谱与该物质的气态光谱相似，可以观测到孤立分子产生的转动-振动的精细结构。2.溶剂的极性影响吸收光谱的精细结构第五节.紫外-可见分光光度计 紫外-可见分光光度计基本构造 仪器类型 紫外-可见分光光度计基本构造1.光源 作用：提供能量激发被测物质分子，使之产生电子谱带 要求：发射足够强的连续光谱，有良好的稳定性及足够的适用寿命 类型：可见与近红外区：钨灯400～1100nm紫外区：氢灯或氘灯180～400nm2.单色器 作用：从连续光源中分离出所需要的足够窄波段的光束 常用的元件：棱镜、光栅3.吸收池 功能：用于盛放试样，完成样品中待测试样对光的吸收 常用的吸收池：石英（紫外区）玻璃（可见区） 吸收池光程：1cm、2cm、3cm等4.检测系统 作用：接受、记录信号 组成：检测器、放大器、读数和记录系统 常用检测器： 光电管蓝敏光电管210～625nm 红敏光电管625～1000nm 光电倍增管5.仪器类型 单光束分光光度计 优点：结构简单，价格便宜 缺点：受光源影响波动大 双光束分光光度计优点：可直接读数；可进行扫描测量；可进行自动测量；消除了仪器光强变化带来的误差 双光束分光光度计动画示意图 双波长分光光度计 优点不用参比溶液，只用一个待测试液，直接而完全地扣除背景，从而提高了灵敏度，适合于微量组分的测量。可进行双组分同时测定而无需解方程 双波长分光光度计示意图第六节.紫外可见分光光度法应用 光谱定性分析基础：吸收曲线的形状和最大吸收波长用于有机化合物的结构鉴定；同分异构体的鉴别、物质结构测定。 光谱定量分析的基础：某一波长下测得的吸光度与物质浓度关系的工作曲线，一般以max处的吸光度与物质浓度之间的关系作工作曲线定性分析 有机化合物的定性分析 立体结构和互变结构的影响 纯度检查1.有机化合物的定性分析 在200~800nm范围内无吸收峰，该有机化合物可能是链状或环状的脂肪族化合物，或是它的简单的衍生物，如醇、胺、氯代烷及不含双键的共轭体系。 在210~250nm范围内有强吸收带（ε=2×104~1×104），可能含有两个共轭双键。 在210~300nm有强吸收带，可能含有3~5个共轭双键。 在250~300nm有吸收峰，示有羰基存在；有中强吸收峰且有振动结构时，表示有苯环。 可获得的结构信息(1)确认max，并算出㏒ε，初步估计属于何种吸收带；(2)观察主要吸收带的范围，判断属于何种共轭体系；(3)乙酰化位移B带：262nm(ε302)274nm(ε2040)261nm(ε300)(4)pH值的影响加NaOH红移→酚类化合物，烯醇。加HCl蓝移→苯胺类化合物。 光谱解析注意事项2.立体结构和互变结构的影响顺反异构：顺式：λmax=280nm；εmax=10500反式：λmax=295.5nm；εmax=29000互变异构：酮式：λmax=204nm 烯醇式：λmax=243nm�EMBEDChemDraw.Document.5.0���_1000624364.cdx�EMBEDChemDraw.Document.5.0���_1000625959.cdx_1030011036.cdx3.纯度检查定量分析 透射比和吸光度 Lambert-Beer定律 偏离Lambert-Beer定律的因素 实验条件的选择 多组分的定量分析方法1.透光率和吸光度 当一束平行的单色光照射均匀的有色溶液时，光的一部分被吸收，一部分透过溶液，一部分被比色皿的表面反射。如果入射光的强度为I0，吸收光的强度为Ia，透过光的强度为It，反射光的强度为Ir，则:I0＝Ia＋It＋Ir 在吸光光谱分析中，由于采用同样质料的比色皿进行测量，反射光的强度基本上相同，其影响可以相互抵消，上式可简化为:I0＝Ia＋It 透光率或透光度:透过光的强度It与入射光的强度Io之比，用T表示。T＝It/Io 吸光度A：单色光通过溶液时被吸收的程度，其定义为入射光的强度Io与透射光的强度It之比A＝lg(I/It)=lg(1/T)2.Lambert-Beer定律 Lambert指出，当用适当波长的单色光照射一固定浓度的溶液时，其吸光度与光透过的液层厚度（b）成正比A＝k’b Beer指出当用一适当波长的单色光照射厚度一定的均匀溶液时，吸光度与溶液浓度成正比，即：A＝k’’c 当溶液的浓度（c）和液层的厚度（l）均可变时，它们都会影响吸光度的数值，合并两式，得到Lambert-Beer定律，数学表达式为：A＝kbc 吸收系数在朗伯-比耳公式A＝kbc，k值决定于b，c所用的单位。 吸光系数a：当浓度c以g·L-1、液层厚度b以cm表示时，常数k是以a表示，单位为L·g-1·cm-1。朗伯－比耳公式可表示为:A＝abc 摩尔吸光系数ε：若c以mol·L-1为单位时，以符号ε表示，其单位为L·mol-1·cm-1。ε的物理意义表达了当吸光物质的浓度为1mol·L-1，液层厚度为1cm时溶液的吸光度。在这种条件下上式可改写为:A=εbc3.偏离朗伯－比耳定律的原因在实际应用时，通常是使液层厚度保持不变，然后测定一系列浓度不同的溶液的吸光度，根据A=kbc=k’c关系式，以浓度为横坐标，吸光度为纵坐标作图，应得到一通过原点的直线，称为标准曲线或工作曲线。但是，在实际工作中，当有色溶液的浓度较高时，往往不成直线，这种现象称为偏离朗伯－比耳定律。 引起偏离Lambert-Beer定律的原因(1).与测定样品溶液有关的因素溶液中的化学变化如缔合、离解、溶剂化、形成新的化合物、互变异构等，使吸光度不随溶液浓度而成正比地改变，而导致偏离朗伯－比耳定律。例，重铅酸钾在弱酸性介质中有如下平衡：Cr2O72-+H2O＝2HCrO4-在450nm波长处测量不同浓度重铬酸钾溶液的吸光度。由于在浓度低时重铬酸根的离解度大，而浓度高时离解度小，同时由于铬酸氢根离子（HCrO4-）的摩尔吸光系数比重铬酸根离子的摩尔吸光系数要小得多，因此低浓度时重铬酸根离子的吸光度降低十分显著，这就使工作曲线偏离朗伯和耳定律。(2).与仪器有关的因素朗伯－比耳定律只适用于单色光。但实际上单波长的光不能得到。目前各种方法所得到的入射光是具有一定波长范围的波带，而非单色光。因而发生偏离朗伯一比耳定律的现象。单色光的纯度愈差，吸光物质的浓度愈高，偏离朗伯-比耳定律的程度愈严重。在实际工作中，若使用精度较高的分光光度计，可获得较纯的单色光。 引起偏离Lambert-Beer定律的原因4.实验条件的选择 波长通常选择最强吸收带的最大吸收波长（max） 狭缝宽度合适的狭缝宽度就是在吸光度不减小时的最大狭缝宽度。 吸光度值由于光源不稳定以及实验条件的偶然变动等因素对试样测定结构影响较大，因此要使待测溶液测量的相对误差小于5%，则待测溶液的透射比选在70%～10%，吸光度为0.15～1.00。 参比溶液当试样组成较简单时，可采用溶剂作为参比溶液，可以消除溶剂，吸收池等因素的影响。5.定量分析方法 单一组分分析朗伯比尔定律：A-c标准曲线 多组分分析 不重叠 部分重叠 相互重叠选择适当的波长，按单一组分测定在A和B组分的最大吸收波长处1和2，分别测定混合物的吸光度，列式求解a不重叠b部分重叠c重叠 相互重叠的多组分分析在A和B组分的最大吸收波长处1和2，分别测定混合物的吸光度，列式求解例用光程为1cm的吸收池，在两个测定波长处测定含有K2Cr2O7和KMnO4两种物质溶液的吸光度。混合物在450nm处的吸光度为0.38，在530nm处的吸光度为0.71，求混合物的组成。已知1.010-3mol/L的K2Cr2O7在450nm处吸光度为0.20，而在530nm处为0.05；1.010-4mol/L的KMnO4在450nm处无吸收，在530nm处吸光度为0.42。KMnO4K2Cr2O7450nm530nm530nm混合物的吸光度可建立以下方程：代入数据后得分子荧光光谱法(FluorescenceSpectrometry,FS)基本原理 光致发光（二次发光）过程：物质吸收电磁辐射后受到激发，受激原子或分子以辐射去活化，再发射波长与激发辐射相同或不同的辐射。 再发射时间在10-9～10-6S的光为荧光 再发射时间在10-6S以内的光为磷光荧光光谱的定性定量分析 定性分析将实验测得样品的荧光光谱与标准荧光光谱图进行比较来鉴定样品的成分 定量分析F=kcF：荧光强度，k：系数，c：待测样品浓度荧光光谱法的方法评述 优点：具有极高的灵敏度具有很低的检测限以及很宽的检测范围具有高选择性，特别是对有机物的灵敏度极高方便、快速、重现性好、式样和试剂用量少 缺点：应用对象范围较窄，因为有许多物质不会发射荧光影响分析的因素多，最佳分析条件的选择较难部分环境污染物的荧光分析方法污染物反应体系及介质(ex/(em检出限或测定范围应用矿物油二氯甲烷萃取液365/绿色工业废水苯并[(]芘环己烷萃取/低层析（丙酮）367/402、405、4080.001(g/5mL空气、水、土壤挥发酚FIA荧光光度直读测定269/2990.7ng污水、工业废水异氰酸酯1-萘甲基胺,反向HPLC-荧光测定2160.5ng空气几种光谱分析方法的比较几种分子光谱的比较分子吸收光谱仪器比较原子发射光谱原子吸收光谱紫外-可见吸收光谱