第一章紫外-可見吸收光譜法

第一章紫外-可見吸收光譜法Ultraviolet-VisibleAbsorptionSpectrometry，UV-VIS2引言：光學分析法光學分析法是根據物質發射的電磁輻射或電磁輻射與物質相互作用而建立起來的一類分析方法。

包括從射線到無線電波的所有電磁波譜范圍。物質對光的選擇性吸收（一）當光束照射到物質上時，光與物質發生相互作用，于是產生反射、散射、吸收或透射，如圖所示。光和物質發生作用示意圖物質對光的選擇性吸收（二）

物質的顏色是由于它選擇性的吸收了某一波長的可見光而產生的。藍綠物質的顏色由透過光的顏色決定目視比色法標準系列未知樣品特點利用自然光比較吸收光的互補色光準確度低(半定量)不可分辨多組分方法簡便6分光光度法是基于被測物質的分子對光具有選擇性吸收的特性而建立起來的分析方法。MnO4-的吸收光譜曲線

將不同波長的光透過某一固定濃度和厚度的有色溶液，測量每一波長下有色溶液對光的吸收程度（即吸光度)300400500600700/nm

5451.00.80.60.40.2Absorbance6007分光光度法特點：靈敏度高：測定下限可達10-5～10-6mol·L-1,準確度：能夠滿足微量組分的測定要求，相對誤差2～5％操作簡便快速應用廣泛81.2紫外-可見吸收光譜1.1光吸收基本定律1.4紫外-可見吸收光譜的應用1.3紫外-可見分光光度計1.1光吸收基本定律（Lambert-Beer定律）91.透光率(透射比,Transmittance)透光率定義:T取值為0.0%~100.0%全部吸收T=0.0%全部透射T=100.0%入射光強度

I0透射光強度It一束平行單色光1.1.1、朗伯－比爾定律2.吸光度(Absorbance)1.1.1、朗伯－比爾定律常用吸光度來表示物質對光的吸收程度：A值越大，表明物質對光的吸收越大，量綱為1。

當一束平行單色光通過均勻、透明的吸光介質時，其吸光度與吸光物質的濃度和吸收層厚度的乘積成正比.3.Lambert-Beer定律（光吸收基本定律）1.1.1、朗伯－比爾定律K--吸光系數b--吸光液層的厚度(光程)，cmc--吸光物質的濃度，g/L,mol/L分光光度法的依據和基礎吸光度與光程的關系

A=Kbc

0.10b0.202b0.00光源檢測器顯示器參比朗伯定律(1760)吸光度與濃度的關系

A=Kbc0.10c0.202c0.00光源檢測器顯示器參比比爾定律(1852)K

K

a吸光系數，L·g–1·cm-1c：mol/Lc：g/L摩爾吸光系數，L·mol–1·cm-1吸光系數(K)入射光波長物質的性質溫度與濃度無關,取值與濃度的單位相關16

ε—摩爾吸光系數，數值上等于濃度為1mol/L、液層厚度為1cm時，該溶液在某一波長下的吸光度。但是，ε的值，不能直接取1mol/L這樣高濃度的有色溶液來測量，而只能通過計算求得。ε的物理意義及計算

吸收物質在一定波長和溶劑條件下的特征常數,不隨濃度c和光程長度b的改變而改變17摩爾吸光系數ε

同一吸光物質在不同波長下的ε值是不同的。在最大吸收波長λmax處的摩爾吸光系數，以εmax表示在溫度和介質條件一定時，ε

僅與吸光物質的結構與性質有關；εmax表明了該吸收物質最大限度的吸光能力，也反映了光度法測定該物質可能達到的最大靈敏度。越大,靈敏度越高:>105

超高靈敏度

=(6～10）×104

高靈敏=(2～6)×104中等靈敏度;

<2×104不靈敏.1.1.2、比爾定律的偏離

根據比爾定律，當光程b固定時，吸光度A與有色溶液濃度c成正比，即A=Kc.因此，以吸光度對濃度作圖應得到一條通過原點的直線，成線性關系。但是，實際測得的線性關系常常出現偏差，即不再遵守比爾定律。1.1.2、比爾定律的偏離

當被測定試樣濃度比較高時，曲線發生上翹或下彎，稱為對比爾定律的偏離。A－C校正曲線

產生偏離的原因

(1)與樣品有關的因素

(2)與儀器有關的因素(1)與樣品有關的因素

濃度較大時，吸光質點的相互作用，產生負偏差，

朗伯-比爾定律只適合于稀溶液（C<10-2mol/L)。比爾定律本身的局限性當試樣為膠體、乳狀液或有懸浮物質存在時，一部分光會因散射而損失，使吸光度增大，產生正偏差。平衡效應：溶液中存在著離解、聚合、互變異構、配合物的形成等化學平衡時。使吸光質點的濃度發生變化，影響吸光度。

例：鉻酸鹽或重鉻酸鹽溶液中存在下列平衡：

Cr2O72-+H2O＝2HCrO4-

＝2H＋

+2CrO42-（橙色）（黃色）

溶液中CrO42-、Cr2O72-的顏色不同，吸光性質也不相同。故此時溶液pH對測定有重要影響。(1)與樣品有關的因素（2）與儀器有關的因素

當入射光為單色光時，溶液的吸收才嚴格服從比耳定律，但在實際測定中，真正的單色光卻難以得到。無論是用濾光片或棱鏡分光，所得的光源仍是含有不同波長光線的復合光帶。

波長與吸光度關系示意圖

波段A：吸光度相差不大，吸光度A的綜合值的線性關系好.

波長與吸光度關系示意圖

波段B：吸光度相差很大，吸光度A的綜合值與濃度C未必成正比，A-C曲線就不呈線性。（2）與儀器有關的因素1.1.4怎樣避免這種偏離？

（1）入射光純度要高，應選擇比較好的單色器。（2）入射光波長應選擇吸收曲線斜率變化小的部位，即最大吸收波長處。261.1.3、L-B定律成立的條件均一溶液，稀溶液入射光為單色光溶液界面無反射，光度計內無雜散光溶液為真溶液（無溶質、溶劑及懸濁物引起的散射）吸收過程中，吸收物質互相不發生作用27

紫外-可見吸收光譜是基于分子內電子躍遷產生的分子吸收光譜，研究范圍在200-800nm

（UV200-380，VIS380-800nm）光區內的，靈敏度和選擇性較好。涉及分子內外層電子(或價電子)的能級躍遷。分子在紫外-可見區的吸收與其電子結構緊密相關。1.2紫外-可見吸收光譜28物質分子內部三種運動形式，分別對應分子的三種能級：（1）電子相對于原子核的運動——電子能級（2）原子核在其平衡位置附近的相對振動

——振動能級（3）分子本身繞其重心的轉動——轉動能級能級是量子化的，各自具有相應的能量。1.2.1分子吸收光譜的形成29

分子吸收外界輻射能,總能量變化為△E總，其中：

電子運動能量變化:△E電子

振動能量變化:△E振動

轉動能量變化△E轉動△E電子>△E振動>△E轉動1.2.1分子吸收光譜的形成30

?E－－能量，J；

h－－普朗克常數（4.136×10－15eV·s）

λ

－－光的波長，cm；

v－－頻率，Hz；

c

－－光速（2.998×1010cm/s）當用光照射分子時，分子就要選擇性的吸收某些波長（頻率）的光而由較低的能級E躍遷到較高能級E’上，所吸收的光的能量就等于兩能級的能量之差：1.2.1分子吸收光譜的形成31

運動的分子外層電子---吸收外來輻射---產生電子能級躍遷---分子的電子光譜。S2S1S0Ah分子內電子躍遷帶狀光譜S2S1S0Ah分子內電子躍遷帶狀光譜S2S1S0Ah分子內電子躍遷帶狀光譜1.2.1分子吸收光譜的形成1.2.1分子吸收光譜的形成

將不同波長的光透過某一固定濃度和厚度的有色溶液，測量每一波長下有色溶液對光的吸收程度（即吸光度)300400500600700/nm

5451.00.80.60.40.2Absorbance600吸收峰

maxMnO4-的吸收光譜曲線以波長為橫坐標，以吸光度為縱坐標作圖，得到的譜圖稱為吸收曲線或吸收光譜。物質分子內部結構不同分子能級差異?E不同

選擇吸收不同波長的光線1.2.1分子吸收光譜的形成341.2.2有機化合物的電子光譜有機化合物的紫外－可見吸收光譜，是由分子中價電子的躍遷產生的。形成單健的σ電子形成雙健的π電子未成健的n電子價電子有以下三種：COHnpsH1.2.2.1、電子躍遷的主要類型1.2.2.1、電子躍遷的主要類型(1)σ→σ*

(2)n→σ*

(3)n→π*(4)π→π*

分子中電子的能級和躍遷

當分子吸收一定能量后，其價電子將從能量較低的軌道躍遷至能量較高的反鍵軌道。分子內各種電子的能級高低的次序為：

**n1.2.2.1、電子躍遷的主要類型有機化合物的吸收光譜是建立在n→π*或π→π*躍遷的基礎上的，它們的吸收峰位于200～800nm范圍內。

這四種躍遷所需能量ΔΕ大小順序為：

n→π＊

<π→π＊

<n→σ＊

<σ→σ＊

1.2.2.1、電子躍遷的主要類型例1.電子能級間隔越小，躍遷時吸收光子的：

A.能量越大；B.波長越長；C.波數越大；D.頻率越高。例2.丙酮在己烷中的紫外吸收λmax為279nm，εmax為14.8，該吸收帶是由哪種躍遷引起的？A.n→π*；B.π→π*；C.n→σ*；D.σ→σ*；

1.2.2.1、電子躍遷的主要類型401.2.2.2電荷轉移躍遷電子給體電子受體

某些分子同時具有電子給予體部分和電子接受體部分，在外來輻射激發下會吸收紫外或可見光，使電子從給予體外層軌道向接受體的電子軌道躍遷，產生電荷轉移躍遷。41電子受體電子給體1.2.2.2電荷轉移躍遷42

電荷轉移躍遷實際上是一個分子內氧化-還原過程，相應的吸收光譜稱為電荷轉移吸收光譜。

電荷轉移光譜的譜帶較寬，吸收強度大，最大吸收波長處的摩爾吸光系數max可大于104。1.2.2.2電荷轉移躍遷431.2.4常用術語定義——在近紫外和可見區域有特征吸收的

基團。結構特征——具有π電子：C＝C，C＝O，C≡N，N＝N，N＝O等。（1）生色團對應躍遷類型——π→π*和n→π*。44（1）生色團常見的生色團及其特性見：教材

一個雙鍵：π→π*躍遷,強吸收，遠紫外區。多個生色團（共軛）：吸收出現在近紫外區。

在紫外光譜中，生色團并非一定有顏色。1.2.3常用術語45

助色團——本身不能在紫外-可見光區（200-800nm）產生吸收，但是當它們與生色團相連時，會使生色團的吸收帶最大吸收波長發生移動，并且吸收強度增加。（2）助色團

這類基團一般是帶有非鍵電子對（孤對電子）的基團，如：—OH，—OR，—NHR，—SH，—Cl，—Br，—I1.2.3常用術語46

在有機化合物中，常常因為取代基的不同或溶劑的改變，使其吸收帶的最大吸收波長max發生移動，吸收強度發生改變。（3）紅移和藍移向長波方向移動——紅移，向短波方向移動——藍（紫）移；吸收強度增大——增色效應，吸收強度減小——減色效應1.2.3常用術語47(4).吸收帶的劃分1.2.3常用術語48環狀共軛,π→π＊產生三個吸收帶：苯：具精細結構（由振動躍遷引起）,特征吸收帶E1帶：λmax~184nm,ε~47000E2帶：λmax~203nm,ε~7400B帶：λmax~256nm,ε~230例3：以下四種化合物中，能同時產生B吸收帶、K吸收帶、R吸收帶的是：√501.2.4影響紫外-可見光譜的因素內因：分子結構外因：測定條件511.2.4.1共軛效應的影響

電子共軛體系增大，

max紅移，max增大原因？共軛效應增大，使軌道能量降低，*躍遷所需的能量降低，max紅移，max增大。共軛多烯的紫外吸收1.2.4.1共軛效應的影響β-胡蘿卜素與蕃茄紅素：例4：試估計下列三種化合物中，何者最大吸收波長最長？何者最短？為什么?1.2.4.1共軛效應的影響54(2)空間阻礙使共軛體系破壞，max藍移，max減小。共平面程度減小，共軛程度減弱。1.2.4.1共軛效應的影響551.2.5.2取代基的影響給電子能力順序：-N(C2H5)2>-N(CH3)2>-NH2>-OH>-OCH3>-NHCOCH3>-OCOCH3>-CH2CH2COOH>-H給電子基：含未共用電子對的原子的基團。吸電子基：易吸引電子而使電子容易流動的基團。作用強度順序：-N+(CH3)3>-NO2>-SO3H>-CHO>-COO->-COOH>-COOCH3>-Cl>-Br>-I56給電子基未共用電子對流動性大，形成p-共軛，降低能量，max紅移。吸電子基的存在產生電子的永久性轉移，max紅移。電子流動性增加，吸收光子的吸收分數增加，吸收強度增加max增加。給電子基與吸電子基同時存在，產生分子內電荷轉移吸收，max紅移，max增加。

1.2.4.2取代基的影響57分子內電荷轉移吸收K吸收帶B吸收帶取代苯的*躍遷吸收特性1.2.4.2取代基的影響58

溶劑極性越大，分子與溶劑的靜電作用越強，使激發態穩定，能量降低，即*軌道能量降低大于軌道能量降低，因此

*躍遷能量減小。1.2.4.3溶劑極性的影響ΔE=hν=h/λ*波長紅移59溶劑極性增大，*躍遷波長紅移1.2.4.3溶劑極性的影響60n電子由于與極性溶劑形成氫鍵，基態n軌道能量降低大，因此n*躍遷能量增大。

ΔE=hν=h/λn*波長藍移1.2.4.3溶劑極性的影響61溶劑極性增大，n*躍遷波長藍移1.2.4.3溶劑極性的影響62極性溶劑中，由于溶質與溶劑的相互作用，振動的精細結構消失1.2.4.3溶劑極性的影響63

影響因素小結共軛體系增大，max紅移，max增大；空間位阻增大，max藍移，max減小；含給電子基時，max紅移；含吸電子基時，max紅移，max增加；同時含給電子基和吸電子基時，分子內電荷轉移吸收，max紅移，max增加；溶劑極性增大，*躍遷吸收帶紅移，

n*躍遷吸收帶藍移；極性溶劑使振動精細結構消失。641.3紫外-可見分光光度計1.3.1分光光度法1.3.2主要部件1.3.3常用儀器類型

1.3.1

分光光度法

通過棱鏡或光柵得到一束近似的單色光.波長可調,故選擇性好,準確度高.光源單色器檢測系統吸收池66光源碘鎢燈氘燈單色器測量池參比池樣品池光電倍增管數據處理和儀器控制光源樣品池單色器檢測器數據處理儀器控制1.3.2主要部件光源：發出所需波長范圍內的連續光譜，有足夠 的光強度,穩定。

可見光區：鎢燈，碘鎢燈(320～2500nm)

紫外區：氫燈，氘燈(180～375nm)

氙燈：紫外、可見光區均可用作光源/nm鎢燈（熱輻射光源）4006008001000氙燈（氣體放電光源）氫燈強度1.3.2主要部件氙燈氫燈鎢燈單色器：將光源發出的連續光譜分解為單色光的 裝置。

（1）.棱鏡:依據不同波長光通過棱鏡時折射率不同入射狹縫準直透鏡棱鏡聚焦透鏡出射狹縫白光紅紫λ1λ2800

6005004001.3.2主要部件（2）光柵：在鍍鋁的玻璃表面刻有數量很大的等寬度等間距條痕(600、1200、2400條/mm)。M1M2出射狹縫光屏透鏡平面透射光柵光柵衍射示意圖原理：利用光通過光柵時發生衍射和干涉現象而分光.波長范圍寬,色散均勻,分辨性能好,使用方便1.3.2主要部件713.吸收池1.3.2主要部件吸收池也稱比色皿，用來盛放樣品溶液。吸收池主要有石英池和玻璃池兩種。可見光區：一般用玻璃池；紫外光區：須采用石英池724.檢測器1.3.2主要部件利用光電效應將透過吸收池的光信號變成可測的電信號光電池，光電管，光電倍增管。5.檢流計（指示器）：

低檔儀器：刻度顯示中高檔儀器：數字顯示，微機0.575光源單色器吸收池檢測器顯示1.單波長單光束分光光度計簡單，價廉，適于在給定波長處測量吸光度或透光度，1.3.3常用儀器類型74單光束儀器的不足：1）操作麻煩：

空白——I0樣品——I任一波長下2）不能進行吸收光譜的自動掃描3）光源不穩定會影響測量精度1.3.3常用儀器類型751.3.3常用儀器類型2.單波長雙光束分光光度計比值光源單色器吸收池檢測器顯示光束分裂器自動記錄，快速全波段掃描。可消除光源不穩定、檢測器靈敏度變化等因素的影響，特別適合于結構分析。儀器復雜，價格較高。光束幾乎同時通過樣品池和參比池772.雙光束分光光度計1.3.3常用儀器類型793.雙波長分光光度計1.3.3常用儀器類型兩個波長間隔1-2nm，測量的是吸光度對波長的變化率曲線803.雙波長分光光度計1.3.3常用儀器類型82可以降低雜散光，光譜精度高。消除背景吸收，可用于懸濁液和懸浮液的測定。

無須分離，可用于混合組分的同時測定。3.雙波長分光光度計1.3.3常用儀器類型紫外-可見吸收光譜法主要用于化合物的定量分析靈敏度高：測定下限可達10-5～10-6mol·L-1,準確度：能夠滿足微量組分的測定要求，相對誤差2～5％作為四大波譜之一，是鑒定許多化合物，尤其是有機化合物的重要定性工具之一。

1.4紫外-可見吸收光譜的應用定性分析基礎定量分析基礎物質對光的選擇性吸收在一定實驗條件下,A∝cAc增大AB

A

最大吸收波長

max測定依據1.4.1顯色反應及其條件的選擇1.4.2光度測量條件的選擇1.4.3

標準曲線與測定步驟一.顯色反應mX(待測物)＋nR(顯色劑)＝XmRn(有色化合物)主要有配位反應(為主)和氧化還原反應。1.4.1顯色反應及其條件的選擇配位顯色反應當金屬離子與有機顯色劑形成配合物時，通常會發生電荷轉移躍遷，產生很強的紫外—可見吸收光譜。氧化還原顯色反應例如：鋼中微量錳的測定，Mn2＋不能直接進行光度測定

2Mn2＋＋5S2O82-＋8H2O=2MnO4-+10SO42-＋16H+將Mn2＋

氧化成紫紅色的MnO4-后，在525nm處進行測定。二.顯色劑

：：：：助色團：－NH，－OH，－X(孤對電子)neO生色團：－N＝N－，－N＝O，OC=S,－N（共軛雙鍵）πe無機顯色劑:

SCN-

[Fe(SCN)]2+H2O2

[TiO·H2O2]2+有機顯色劑:三.顯色反應的選擇

*靈敏度高，一般ε>104*選擇性好*顯色劑在測定波長處無明顯吸收。

對照性好,λmax>60nm.*反應生成的有色化合物組成恒定，穩定。*顯色條件易于控制，重現性好。要求：有色化合物與顯色劑之間的顏色差別應盡可能大。RAMRRMRFe3++磺基水楊酸→三磺基水楊酸鐵(黃色)（組成固定）

Fe3++SCN-→FeSCN2+、Fe(SCN)2+……（組成不固定）四.顯色條件的確定c(R)c(R)c(R)1.顯色劑用量

Mo(SCN)32+

淺紅Mo(SCN)5

橙紅Mo(SCN)6-淺紅Fe(SCN)n3-n選擇曲線變化平坦處。2.顯色反應酸度

酸度的影響副反應M+nR=MRn弱酸解離RH=R-+H+

生成不同配比的絡合物例，磺基水楊酸(Ssal)–Fe3+pH=2~3FeR紫紅色pH=4~7FeR2橙色pH=8~10FeR3黃色

pH>12Fe(OH)3

沉淀例：二甲酚橙pH>6.3紅紫色，pH<6.3黃色金屬配合物則紅色故：只適合于pH<6.3的條件。25℃50℃t/minA3.顯色溫度及顯色時間

根據具體反應，選擇溶液顏色最為穩定的條件96所選擇的溶劑應易于溶解樣品并不與樣品作用，且在測定波長區間內吸收小，不易揮發。常見溶劑可用于測定的最短波長。見教材五.溶劑的選擇六.共存干擾離子的消除

（1）控制酸度測Fe3＋:(控制pH)Fe3+,Cu2+Fe(Ssal)+（紫紅）Cu2+pH2.5Ssal六.共存干擾離子的消除

Co2＋,Fe3+Co2+FeF63-Co(SCN)2(藍)⑴NaFSCN－Co2+Fe2+,Sn4+(2)Sn2+Co(SCN)2SCN－測Co2＋(含Fe3+):

(掩蔽法)（2）選擇適當的掩蔽劑六.共存干擾離子的消除

（3）利用生成惰性配合物例：鋼鐵中微量Co2＋的測定（4）選擇適當的測量波長例：K2Cr2O7存在下測定KMnO4如不能通過以上辦法消除干擾，則需采取分離法。如不能通過控制酸度和掩蔽的辦法消除干擾，則需采取分離法。（3）利用生成惰性配合物（4）選擇適當的測量波長（5）分離1.測量波長的選擇“吸收最大，干擾最小”AXmaxY1.4.2光度測量條件的選擇一般選擇最大吸收波長2.參比溶液的選擇參比液的選擇方法溶劑作參比試液空白(不加顯色劑)作參比試劑空白(不加試樣溶液)作參比溶劑代替試液配制的溶液作參比試液無吸收,顯色劑無吸收試液有吸收,顯色劑無吸收試液無吸收,顯色劑有吸收試液有吸收,顯色劑有吸收參比溶液（空白溶液）是用來調節工作零點即

A=0，T%=100%的溶液，以消除溶液中其它基體組分以及吸收池和溶劑對入射光的反射和吸收所帶來的誤差。1086420204060800.70.40.20.1AT%Er(36.8)0.434濃度測量的相對誤差與T(或A)的關系實際工作中，應控制A在0.2～0.8之間(調c,b,)3.吸光度讀數范圍的選擇：

最佳值最佳讀數范圍【例】某一有色溶液在2.0cm的吸收皿中，測得透光率T＝1％，若儀器透光度的絕對誤差△T＝0.5％，計算（1）測定的濃度的相對誤差△c/c（2）為使測得吸光度在最適讀數范圍內，溶液應稀釋或濃縮多少倍？（3）若濃度不變，而改變比色皿厚度（0.5cm,1.0cm，2.0cm,3.0cm）,則應選擇那種厚度的吸收皿最合適，此時△c/c為多少？解（1）

（2）A=-lgT=-lg1%=2設有色溶液原始濃度為co，當b一定時，A＝εbc＝Kc,要使A＝0.2～0.8，則即稀釋2.5～10倍（3）當c一定時，A＝εbc＝Kb,要使A＝0.2～0.8，則bo=2cm所以，b=0.5cm最合適，此時：1.4.3、定量分析測定方法與步驟1單組分的測定測定依據：朗伯－比爾定律測定方法：

標準曲線法

配制一系列已知的具有不同濃度的標準溶液，在相同條件下配制樣品溶液。實驗點濃度所跨的范圍要盡可能寬(同一數量級內)樣品溶液濃度最好位于標準曲線的中央部分如：采用啉菲羅啉分光光度法（標準曲線法）測定地面水中微量鐵的含量。配制鐵的標準系列溶液并測定其吸光度，繪制成一標準曲線。標準溶液系列配制110

在相同條件下測量樣品溶液