《紫外可见分光光度法ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《紫外可见分光光度法ppt课件.ppt（108页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第十章紫外可见分光光度法（UV-vis）,第十章,内容提要,第一节 紫外可见分光光度法的 基本原理和概念第二节 紫外可见分光光度计第三节 紫外可见分光光度分析法,第十章,概述,第十章,紫外可见分光光度法是根据物质分子对紫外或可见光区（200800 nm)电磁辐射的吸收特征或吸收程度而建立的分析方法。对物质进行定性分析、定量分析及结构分析。,按所吸收光的波长不同，分为紫外分光光度法和可见分光光度法，合称为紫外-可见分光光度法。,紫外-可见吸收光谱： 分子价电子能级跃迁产生的。 波长范围：100-800 nm. (1) 远紫外光区: 100-200nm (2) 近紫外光区: 200-400nm (
2、3)可见光区:400-800nm,电子跃迁的同时，伴随着振动转动能级的跃迁; 带状光谱。,紫外-可见分光光度法的特点： (1) 具有较高的灵敏度，适用于微量组分的测定。 (2) 通常所测试液的浓度下限达10-5 10-6 mol/L。 (3) 吸光光度法测定的相对误差约为2%5%。 (4) 测定迅速，仪器操作简单，价格便宜，应用广泛 (5) 几乎所有的无机物质和许多有机物质的微量成分都能用此法进行测定。 (6) 常用于化学平衡等的研究。,紫外可见吸收光谱的产生：分子中的价电子能级跃迁产生的,有机化合物的紫外可见吸收光谱是三种电子跃迁的结果： 电子、电子、n电子。,n ,第一节 紫外-可见分光光
3、度法的基本原理和概念,一、电子跃迁类型,紫外可见吸收光谱的产生,*n*n*,紫外可见吸收光谱的产生,有机化合物的吸收光谱主要由*、 *、 n*、n* 及电荷迁移跃迁产生的。 无机化合物的吸收光谱主要由电荷迁移跃迁和配位场跃迁产生。,跃迁类型,能在紫外光区产生吸收的有机 化合物：不饱和且具有共轭系统,*,含杂原子的不饱和基团,远紫外区(max150nm),含杂原子饱和基团,饱和烃C-C单键,近紫外区,200nm 左右，跃迁几率大，max104，强吸收,跃迁几率小max102 ，弱吸收,C=C,（共轭）,远近紫外交界处,n*,n*,*,E,一些无机物也产生紫外-可见吸收光谱，其跃迁类型包括 p-d
4、 跃迁或称电荷转移跃迁以及 d-d, f-f 跃迁或称配场跃迁。1. 电荷转移跃迁 (Charge transfer transition) 一些同时具有电子予体(配位体)和受体(金属离子)的无机分子，在吸收外来辐射时，电子从予体跃迁至受体所产生的光谱。 max 较大 (104以上)，可用于定量分析。,无机物分子能级跃迁,2. 配场跃迁(Ligand field transition) 过渡元素的 d 或 f 轨道为简并轨道(Degeneration orbit)，当与配位体配合时，轨道简并解除，d 或 f 轨道发生能级分裂。如果轨道未充满，则低能量轨道上的电子吸收外来能量时，将会跃迁到高能量
5、的 d 或 f 轨道，从而产生吸收光谱。 吸收系数 max 较小 (102)，很少用于定量分析；多用于研究配合物结构及其键合理论。,二、 紫外可见吸收光谱的常用概念,吸收光谱,也称为吸收曲线。用连续的光照射化合物的稀溶液，部分波长的光被吸收，被吸收光的波长和吸收程度取决于有机物的结构。以波长为横坐标，吸光度A为纵坐标，即得吸收光谱。,紫外、可见吸收光谱,1 吸收曲线特点, 连续的带状光谱, 分子对辐射能的吸收具有选择性，吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长max。吸收曲线的形状、max及吸收强度等与分子的结构密切相关。,在吸收曲线上，最大吸收峰所对应的是最大吸收波长（max），为不同化合物的
6、特征波长。吸收曲线的形状是物质定性的主要依据，在定量分析中可提供测定波长，一般以灵敏度较大的max为测定波长。,峰与峰之间的部位叫谷，该处对应波长为最小吸收波长。 在图谱短波端只呈现强吸收但不成峰的部分称为末端吸收（end absorption）。,吸收光谱特征：定性依据 吸收峰max 吸收谷min 肩峰sh 末端吸收饱和-*跃迁产生,发色团和助色团,发色团也称为生色团。分子中的某一基团能在一定的波段范围内产生吸收而出现吸收带，这一基团称为生色团。典型的生色团有羰基、羧基、酯基、偶氮基、硝基以及芳环等。这些生色团的结构特征是都含有电子。,有一些含有n电子的基团(如OH、OR、NH、NHR、X等
7、)，它们本身没有生色功能(不能吸收200nm的光)，但当它们与发色团相连时，就会发生n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。,蓝移和红移,由于取代基的作用或溶剂效应，导致发色团的吸收峰向长波方向移动的现象称为向红移动，简称红移。发色团的吸收峰向短波方向移动的现象称为向紫移动，简称蓝移。,由于化合物的结构改变或其它效应,使吸收强度增加的效应称为浓色效应；使吸收强度减弱的效应称为淡色效应。,浓色效应和淡色效应,有机化合物的紫外可见吸收光谱是三种电子跃迁的结果：电子、电子、n电子。,分子轨道理论：成键轨道反键轨道。,Ultraviolet s
8、pectrometry of organic compounds,三、吸收带及其与分子结构的关系,吸 收 带,1. R带 从德文Radikal(基团)得名,为n*跃迁引起的吸收带。如羰基CO, NO2、 CHO等， 其特点为吸收强度弱，100，吸收峰波长一般在270nm以上；,2. K带 从德文Konjugation(共轭作用)得名,为*跃迁引起的，如共轭双键。该吸收带的特点为吸收峰很强，104，最大吸收峰位置一般在217280nm。共轭双键增加，max向长波方向移动，max也随之增加；,3. B带 从德文Benzenoid(苯的)得名,为芳香化合物(包括杂环芳香化合物)的特征吸收带。这是由于
9、*跃迁和苯环的振动重叠引起的。苯蒸气在230270nm处出现精细结构的吸收光谱，称为笨的多重吸收带或精细结构吸收带。在极性溶剂中或苯环上有取代基时，复杂的B吸收带简化，精细结构消失，出现一宽峰，中心在256nm，220。,是由苯环结构中三个乙烯的环状共轭系统的跃迁所产生的。分为E1和E2吸收带，其中E1在185nm 附近，=47000，E2在204nm，=7900，均为强吸收。,4. E带,羰基双键与苯环共扼：K带强；苯的E2带与K带合并，红移；取代基使B带简化；氧上的孤对电子：R带，跃迁禁阻，弱；,B带和E带,苯的B带吸收光谱,苯蒸气,苯的乙醇溶液,苯异丙烷溶液的紫外吸收光谱,B带,E1带,
10、E2带,苯乙酮的紫外吸收光谱,B带,R带,278,319,1100,50,B带,R带,苯乙酮的吸收带,lg,E2带,?,K带,四、影响吸收带的因素,位阻影响跨环效应溶剂效应pH影响,共轭系统共平面性共轭效应 max （短移）， ,溶剂极性 K带长移，R带短移,二苯乙烯顺反异构体的紫外吸收光谱,顺式,反式,位阻影响,溶剂效应,溶剂极性,(n*),K带长移R带短移,(*),*,非极性溶剂,极性溶剂,*,E非,n*,极性溶剂对两种跃迁能级差的影响,E极,非极性溶剂,*,n,极性溶剂,E非,E极,五、朗伯-比耳（Lambert-Beer）定律,布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)先后于172
11、9年和1760年阐明了光的吸收程度和吸收层厚度的关系。Al,1852年比耳(Beer)又提出了光的吸收程度和吸收物浓度之间也具有类似的关系。A C,二者的结合称为朗伯比耳定律。,朗伯比耳定律数学表达式,A 吸光度(absorbance)l 介质厚度(length/cm)C 浓度(concentration)E 吸光系数(absorptivity),T与A的关系 T 100% 50% 25% 10% 1.0% 0.1% 0.01% 0.001% 0% A 0 0.301 0.602 1.00 2.0 3.0 4.0 5.0 上述说明： T值为0至100内的任何值。 A值可以取任意的正数值。,吸光
12、度具有加和性。,讨论：,1Lamber-Beer定律的适用条件（前提） 入射光为单色光 溶液是稀溶液2该定律适用于固体、液体和气体样品3在同一波长下，各组分吸光度具有加和性 应用：多组分测定,朗伯-比尔定律的适用条件,单色光 应选用max处或肩峰处测定.,稀溶液 浓度增大，分子之间作用增强.,吸光质点形式不变 离解、络合、缔合会破坏线性关系, 应控制条件(酸度、浓度、介质等).,2吸光系数两种表示法： 1）摩尔吸光系数： 在一定下，C=1mol/L，L=1cm时的吸光度 2）百分含量吸光系数 / 比吸光系数： 在一定下，C=1g/100ml，L=1cm时的吸光度 3）两者关系,3吸收光谱（吸收
13、曲线）：A,4、吸光系数E (e) 的讨论,（1）吸收物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数；（2）不随浓度C 和光程长度 L 的改变而改变。在温度和波长 等 条件一定时， E 仅与吸收物质本身的性质有关， 与待测物浓度无关；（3）同一吸收物质在不同波长下的E 值是不同的。在最大 吸收波长max处的摩尔吸收系数E max表明了该 吸收物质最大限度的吸光能力，也反映了光度法 测定该物质可能达到的最大灵敏度。,（4）可作为定性鉴定的参数；（5）物质的吸光能力的度量 Emax越大表明该物质的吸光能力越强，用光度法 测定该物质的灵敏度越高。 E 105：超高灵敏； E = (610）104 ：高灵敏；
14、E = 104 103 ：中等灵敏； E 103 ：不灵敏。（6） E在数值上等于浓度为1 mol L-1、液层厚度为1cm时 该溶液在某一波长下的吸光度。,六、偏离比耳定律的原因,1. 现象 标准曲线法测定未知溶液的浓度时，发现：标准曲线常发生弯曲（尤其当溶液浓度较高时），这种现象称为对朗伯比耳定律的偏离。,2. 引起偏离的因素（两大类） （1）物理性因素， 即仪器的非理想引起的； （2）化学性因素。,难以获得真正的纯单色光。 分光光度计只能获得近乎单色的狭窄光带。复合光可导致对朗伯比耳定律的正或负偏离。,物理性因素：,非单色光、杂散光、非平行入射光都会引起对朗伯比耳定律的偏离，最主要的是非
15、单色光作为入射光引起的偏离。,化学性因素,朗伯比耳定律的假定：所有的吸光质点之间不发生相互作用；仅在稀溶液(c10-2 mol L-1)时才基本符合。 故：朗伯比耳定律只适用于稀溶液。,偏离LambertBeer定律的因素,化 学 因 素,2,橙 色,黄 色,若溶液稀释2倍，A 离子的浓度不是减少2倍，而是受稀释平衡向右移动的影响，A 离子浓度的减少明显地多于2倍，结果偏离 Beer 定律，而产生误差。,A,是指从单色器分出的光不在入射光谱带宽度范围内，与所选波长相距较远。杂散光来源：仪器本身缺陷；光学元件污染造成,物 理 因 素,1. 非单色光的影响,2. 非平行光,3. 杂散光,透光率的测
16、量误差(T ),来源：仪器噪音(noise) 性质：随机误差种类：,暗噪音(检测器的不确定性引起的)散粒(讯号)噪音(signal shot noise),暗噪音与迅号噪音的误差曲线,暗噪音,迅号噪音,测量最适宜范围： A=0.20.7 (或T=2065%),测量条件的选择,1、测定波长的选择： 应该选择max为测定波长。但如果max处有 共存组分干扰时，则应考虑选择灵敏度稍低但 能避免干扰的入射光波长。2、溶液吸光度的范围 0.20.7之间,第二节 紫外-可见分光光度计,光源,单色器,吸收池,检测器,显示器,基本组成,一、主要部件,1. 光源 在整个紫外光区或可见光谱区可以发射连续光谱，具有
17、足够的辐射强度、较好的稳定性、较长的使用寿命。,可见光区：钨灯和卤钨灯作为光源，其辐射波长范围在3202500 nm。 紫外区：氢、氘灯。发射185400 nm的连续光谱。,氘灯紫外,卤钨灯-可见,2. 单色器,将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出一任意波长单色光的光学系统。入射狭缝：光源的光由此进入单色器；,准光装置：透镜或返射镜使入射光成为平行光束； 色散元件：将复合光分解成单色光; 棱镜或光栅,单色器：将光源发出的连续光谱分解为单色光的 装置。,棱镜:依据不同波长光通过棱镜时折射率不同,入射狭缝,准直透镜,棱镜,聚焦透镜,出射狭缝,白光,红,紫,1,2,800 600 500400
18、,光栅：在镀铝的玻璃表面刻有数量很大的等宽度等间距条痕(600、1200、2400条/mm )。,M1M2出射狭缝,光屏,透镜,平面透射光栅,光栅衍射示意图,原理：利用光通过光栅时发生衍射和干涉现象而分光.,波长范围宽, 色散均匀,分辨性能好, 使用方便,3. 样品室,样品室放置各种类型的吸收池（比色皿）和相应的池架附件。吸收池主要有石英池和玻璃池两种。在紫外区须采用石英池，可见区一般用玻璃池。,吸收池(比色皿),吸收池通常有0.5cm、1cm、2cm、3cm和5cm宽,利用光电效应将透过吸收池的光信号变成电信号，常用的有光电池、光电管、光电倍增管或光二极管阵列。,4. 检测系统,光电管,5.
19、 结果显示记录系统 常用的信号显示装置有直读检流计，电位调节指零装置，以及自动记录和数字显示装置等。,检流计、数字显示、微机进行仪器自动控制和结果处理,二、分光光度计的类型,（一）单光束分光光度计,只有一条光路，通过变换参比池和样品池的位置，使它们分别置于光路来进行测定,国产751型、752型、721型、722型、UV-1100型、英国SP-500型,单波长分光光度计,1) 单光束分光光度计,缺点,测量结果易受光源波动性的影响，误差较大,单色器,同步旋转镜,（二）双光束分光光度计,双光束分光光度计,可自动扫描吸收光谱；自动消除光源强度变化带来的误差,单波长双光束分光光度计,（三）双波长分光光度
20、计一个光源，两个单色器，一个吸收池,用两种不同波长的单色光束交替照射到样品溶液上，不需使用参比溶液，测得的是样品在两种波长下的吸光度之差,双波长分光光度计,双波长分光光度计结构特点,两个单色器,不需要参比溶液,第三节 紫外-可见分光光度分析法,一、定性分析二、定量分析,一、定性分析,（一）定性鉴别,定性鉴别的依据吸收光谱的特征吸收光谱的形状吸收峰的数目吸收峰的位置（波长）吸收峰的强度相应的吸光系数,（二）纯度检查和杂质限量测定,1纯度检查（杂质检查）,1）峰位不重叠： 找使主成分无吸收，杂质有吸收直接考察杂质含量2）峰位重叠： 主成分强吸收，杂质无吸收 / 弱吸收与纯品比较，E 杂质强吸收 主
21、成分吸收与纯品比较，E， 光谱变形,UV-vis定量分析方法,单组分定量分析方法多组分定量分析方法,单组分的定量方法,吸光系数法,适用：单色光较纯，符合Beer定律方法：绝对法：,比较法：,UV-vis单组分定量分析方法：吸光系数法（例题）,例1:VB12 max 361nm:E1%1cm=207, A=0.414, l=1cm，求C=？,g/100ml,例2:样品VB1225.0mg1000ml， max 361nm：A=0.507， l=1cm，求VB12 (%)=?,C=25mg/1000ml=0.0025g/100ml,=20g/ml,校正/标准/工作曲线法,适用：单色光不纯，不完全符
22、合L-B定律（曲线不过零点，线性稍差）方法：,标准序列,固定条件,AC曲线,样品,同上条件,Ax,Cx,曲线,回归方程：A=ElC=KC,Ax,校正曲线法示意图,Cx,对照法（外标一点法）,适用：线性关系较好要求：相同测定条件 Cs与Cx相近方法：,对照法示意图,As=ECsl；Ax=ECxl,多组分的定量方法,三种情况：,多组分的定量方法,三种情况：1两组分吸收光谱不重叠（互不干扰） 两组分在各自max下不重叠分别按单组分定量,2. 吸收光谱单向重叠,a b,1 2,A1a+b = A1a + A1b A2b= E2 b CbL,在1处a、b组分都吸收在2处b组分吸收，a组 分不干扰,首先在
23、 2 处测定b组分，因a组分不干扰 A sb= E2b C s bL E2b= A sb/C sbL 在2处 A xb= E2b C xbL 求出C xb A1a+b = A1a + A1b = E1 a Cxa L+ E1 b CxbL 其中： E1a= A 1a/C s a L E1b= A 1b/C s b L,3两组分吸收光谱完全重叠混合样品测定,用双波长法 （解线性方程组法）,4双波长法,步骤：,消除a的影响测b,消去b的影响测a,注：须满足两个基本条件选定的两个波长下干扰组分具有等吸收点选定的两个波长下待测物的吸光度差值应足够大,五、结构分析,（一）有机化合物的紫外吸收光谱,共轭双
24、烯及多烯化合物：对于共轭双烯和多烯化合物*跃迁(K带)，随着取代基的变化及共轭体系延伸，吸收谱带发生一些规律性的变化，其中伍德沃德总结出一个取代共轭双烯的经验规则。,1.饱和烃：,由于CH只有电子，只产生*跃迁，而*跃迁需要能量大，在200nm以上无吸收，常用作紫外吸收的溶剂。,2.含有孤立不饱和键的烃类化合物：,都会产生*跃迁，但多数在200nm以上无吸收，如乙烯(165、182)、乙炔(173)、丁烯(178)有吸收。对于含有=C=O、=C=S的不饱和烃类吸收红移至远紫外区甚至可见光区。,3.含有共轭体系的不饱和烃类：,共轭体系的化合物中的*跃迁由于能量降低，因此发生明显的红移。大多数出现
25、在200nm以上的区域。如乙烯的*跃迁在182nm，而1，3-丁二烯在217nm。,常见有机化合物紫外吸收光谱,表中的环指六员环，若是五环或七员环，则基本值分为228nm和241nm,常见有机化合物紫外吸收光谱,在杂环化合物中只有不饱和的杂环化合物在紫外区攻有吸收，其跃迁既有*跃迁，又有n*跃迁类型。,4.芳香族化合物(苯)：,(1)苯：苯有三个吸收带E1带(184nm，47000)、E2带(204nm，7400)和B带(255nm，230)。其中B带可观测到一个多重峰，容易识别，是苯的典型特征带。,(2)单取代苯：视取代基的不同使苯的谱带发生不同程度的红移。一般说来，连有推电子偏转的红移强弱
26、顺序为： CH3CIBrOHOCH3NH2O-,连有吸电子集团的红移强弱顺序为：NH3SO2NH2CO2-CNCOOHCOCH3CHONO2,如苯酚Ar-OH(211nm，6200；270nm，1450)，ArONa(236nm，9400；287nm，2600)。,5.杂环化合物：,（二）、有机化合物结构的研究,有机化合物的紫外吸收光谱,饱和碳氢化合物：*，短，远紫外区不饱和脂肪族化合物：*含孤立助色团和生色团的饱和有机化合物 、-不饱和醛、酮、酸和酯 芳香族化合物,推断官能团（可能性）,有机化合物分子结构研究,220800nm无吸收峰：脂肪族饱和化合物或仅含一个双键的烯烃 270350nm弱
27、吸收：羰基 250300nm中等强度吸收，重心256nm：苯环210250nm强吸收：含有两个双键的共轭系统 260350nm强吸收：35个共轭系统 化合物有色：共轭生色团5吸收峰延伸至可见光区：长链共轭或稠环化合物,推断构型和构象,结构异构体,松香酸,左旋松香酸,S-trans构型,S-cis构型,max(nm) 283 273 max 15100 7100,顺反异构体,maxEtOH(nm) 280 295.5max 10500 29000,顺式： 短， 小 反式： 长， 大,位阻效应,推断化合物骨架,紫外吸收光谱一致：具有相同的生色团,VK1 1，4-萘醌,max(nm) 249， 26
28、0，325 250，330lg 4.28，4.26，3.28 4.6，3.8,六、比色法,比色法：对于能吸收可见光的有色溶液的测定方法， 成为可见分光光度法。,显色剂,显色剂,显色反应及其影响因素,显色反应：将被测组分转变成有色化合物的 化学反应。显色剂：能与被测组分反应使之生成有色 化合物的试剂。,选择性好 所用的显色剂仅与被测组分显色而与 其它共存组分不显色，或其它组分干扰少。 灵敏度足够高 有色化合物有大的摩尔吸光系数， 一般应有104105数量级。 有色配合物的组成要恒定 显色剂与被测物质 的反应要定量进行。 生成的有色配合物稳定性好 色差大 有色配合物与显色剂之间的颜色差别 要大，这
29、样试剂空白小，显色时颜色 变化才明显。,（一）、对显色反应的要求,（二）、影响显色反应的因素,1、显色剂的用量,2、溶液的酸度,（2）对显色剂的平衡浓度和颜色的影响,（3）对有色化合物组成的影响,不同的显色反应的适宜 pH 是通过实验确定的。,（1）对被测组分存在状态的影响,H 与吸光度的关系曲线,3、显色温度：要求标准溶液和被测溶液 在测定过程中温度一致。4、显色时间：通过实验确定合适的显色 时间，并在一定的时间 范围内进行比色测定。5、溶 剂：有机溶剂降低有色化合物的 解离度，提高显色反应的灵敏度。6、共存离子的影响,干扰的消除,光度分析中，共存离子如本身有颜色，或与显色剂 作用生成有色化
30、合物，都将干扰测定。 （1）加入配位掩蔽剂或氧化还原掩蔽剂 使干扰离子生成无色配合物或无色离子 （2）选择适当的显色条件以避免干扰 用磺基水杨酸测定Fe3+离子时,Cu2+与试剂形成黄色 络合物, 干扰测定，但如控制pH在2.5左右，Cu2+则 不与试剂反应。 （3）分离干扰离子,（三）、 吸光度测量条件的选择,1、选择适当的入射波长 一般应该选择max为入射光波长。 如果max处有共存组分干扰时，则应考虑选择灵敏度稍低但能避免干扰的入射光波长。 如图选500nm波长测定，灵敏度虽有所下降，却消除了干扰，提高了测定的准确度和选择性。,2、 吸光度读数范围的选择,不同的透射比读数，产生的误差大小
31、不同： lgT= bc微分：dlgT0.434dlnT = - 0.434T -1 dT = b dc,c/c不仅与仪器的透射比误差T 有关， 而且与其透射比读数T 的值也有关。 是否存在最佳读数范围？何值时误差最小？,最佳读数范围与最佳值:,设：T =1%， c/c T 关系曲线T 在 20%65% 之间时, 浓度相对误差较小， 最佳读数范围,浓度相对误差最小时的透射比Tmin为： Tmin 36.8%, Amin 0.434 通过改变吸收池厚度或待测液浓度，使吸光度读数处在适宜范围。普通分光光度法不适于高含量或极低含量物质的测定。,3、参比溶液的选择,为什么需要使用参比溶液？ 测得的吸光度真正反映待测溶液吸光强度。,选择参比溶液所遵循的一般原则： 若仅待测组分与显色剂反应产物在测定波长处有吸收，其他所加试剂均无吸收，用纯溶剂（水)作参比溶液；, 若显色剂或其他所加试剂在测定波长处略有吸收,而试液本身无吸收，用“试剂空白”(不加试样溶液)作参比溶液； 若待测试液在测定波长处有吸收，而显色剂等无吸收，则可用“试样空白”(不加显色剂)作参比溶液； 若显色剂、试液中其他组分在测量波长处有吸收,则可在试液中加入适当掩蔽剂将待测组分掩蔽后再加显色剂，作为参比溶液。,
