Ultraviolet-visible Spectrophotometry

紫外－可见分光光度法

分子吸收光谱分子价电子在电子能级间的跃迁

基本原理和概念

一.电子跃迁类型

价电子绕分子或原子运动的几率分布称为轨道。处于不同轨道的电子具有不同的能量。

当分子吸收一定的辐射能后，成键电子和非键电子可被激发跃迁至反键轨道

1.σ→σ＊跃迁

1) 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。

2) 饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区( 吸收波长λ< 200 nm)

3) 作为溶剂使用

2.n→σ＊跃迁

1) 所需能量较大吸收波长为200 nm左右，位于远紫外区，近紫外区仍不易观察到。

2) 含-OH、-NH3、-X和-S等基团的化合物均呈现n→σ* 跃迁。

3. π→π＊跃迁

1) 所需能量较小，吸收波长大多处于近紫外区，摩尔吸光系数εmax一般在104 L·mol-1·cm-1以上，属于强吸收。

2)不饱和烃、共轭烯烃和芳香烃类均可发生该类跃迁

4.n→π＊跃迁

1) 吸收峰位于200nm左右。

2) 摩尔吸光系数εmax一般为10～100 L·mol-1 ·cm-1，吸收谱带强度较弱。

3) 含有杂原子的不饱和基团，如C=O、C=S、-N=N-等发生n →π＊跃迁

5.电荷迁移跃迁

6.配位场跃迁吸收强度较小，多用于配位化合物的研究。

@小结

1、饱合键电子跃迁类型为σ→σ*，n →σ* 跃迁，跃迁所需能量大，吸收峰一般出现在真空紫外区（10 - 200 nm）。

仅含有此键的化合物可作测定的溶剂。

2、不饱合键(UV分析常用) 电子跃迁类型为n→π*，π→π* 跃迁，吸收峰一般大于200nm。

紫外-可见吸收光谱的常用概念:

1.生色团：含有不饱合键的基团

2.助色团：含有非键电子的杂原子饱和基团——本身不产生吸收-OH、-OR、-NH2、-NR2、-SH、-SR、-Cl、-Br

3.吸收谱带λmax和吸收强度的变化：

1) 红移：吸收峰→长波共轭作用，加入助色团，溶剂极性↑(π→π*)

2) 蓝移：吸收峰→短波取代基（-CH3、-CH2CH3），溶剂极性↑(n →π*)

4.吸收光谱中，摩尔吸光系数> 104的吸收峰称为强带，摩尔吸光系数< 102的

吸收峰称为弱带。

三、吸收带及其与分子结构的关系

1、R带

1) 由n →π*跃迁引起；

2) 含杂原子的不饱和基团，C=O、-NO、-NO2、N=N等的特征吸收；

3) 波长较长，弱吸收；

4) 溶剂极性增加，发生蓝移，附近有强吸收峰时，发生红移，有时被掩盖。

2、K带

1) 由共轭双键的π→π*跃迁引起，

2) 强吸收

3、B 带 1) 芳香族化合物的特征吸收 2)多重吸收带：苯蒸气在230-270 nm 处出现的精细结构

4、E 带 1)芳香族化合物的特征吸收 2)苯环结构中三个乙烯的环状共轭系统产生 4)强吸收

四、影响吸收带的因素——实质是对分子中电子共轭结构的影响。

1、位阻影响 两个生色团产生共轭作用，则引起红移。但当二者存在位阻时，共轭效应会受到影响。

2、跨环作用

1)在β、γ不饱和酮中，羰基氧的孤对电子和双键π电子发生作用，使R 吸收带红移，强度增加。

2)当C=O 的π轨道与一个杂原子的P 轨道能有效交盖时，也会出现吸收带红移，强度增加。

3、溶剂效应

n > π* > π

4、体系pH 的影响 主要通过影响其在溶液中的存在形式而产生作用。

五、朗伯－比尔定律

透光率（transmittance ）：透射光强度I t 与入射光强度I 0之比，T = I t /I 0

吸光度（absorbance ）：表示溶液对光的吸收程度 A = lg 1/T = lg I 0/I t

Lambert Law ：当用一种适当波长的单色光照射一浓度固定的溶液时，其吸光度与光透过的液层厚度成正比。

A = E’l ---- 适用于所有均匀吸收介质 A=Ecl ------定量分析的基础

吸光系数E ：是吸光物质在单位浓度及单位液层厚度时的吸光度值。 与吸光物质的本性、入射光波长及温度等因素

有关，表示物质对光的吸收能力。 其数值及单位与c 和l 的单位有关。

1.摩尔吸光系数：ε（单位为 L·(mol·cm)-1 ）表示物质的浓度为1mol ·L -1，液层厚度为1cm 时，溶液的吸光度。

（1）吸光物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数，是物理常数；

（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，仅与吸光物质本身的性质有关，与待测

物浓度无关；

（3）可作为定性鉴定的参数；

（4）同一吸光物质在不同波长下的ε值是不同的。λmax 处的摩尔吸光系数以εmax 表示。

（5）εmax 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。

2.比吸光系数或百分吸光系数 一定波长下，溶液浓度为1％（W/ V ），厚度为1cm 的吸光度，以 表示。

@注意: a.朗伯-比尔定律只适合单色光 b.吸光度值具有加和性 六、偏离比尔定律的因素

(一) 化学因素

1.比尔定律只适用于稀溶液 高浓度时，吸光粒子间的平均距离减小，导致粒子电荷分布改变，从而影响吸光系

数，产生偏离。

2.吸光物质因离解、缔合、与溶剂相互作用，导致发生偏离——吸光粒子数量变化

(二) 光学因素

1、非单色光：引起负偏离

2) 由单色器分离出来的总是具有一定波长范围的光，这一宽度称为谱带宽度。

3) 方法：a.选择性能好的仪器 b.以λmax 处作为分析波长。

@不同浓度溶液的吸光度在λmax 处的差值最大——即吸光度与浓度间的关系最灵敏

@λmax 处峰形平坦，相同的谱带宽度下，单色性最好。

2、杂散光 指不在谱带宽度范围内，与所需波长相隔较远的光。

3、散射光和反射光：谱带宽度范围内的光，使透射强度减弱，导致测得的吸光度增加，引起偏差。

4、非平行光：导致光程l 不同，引起偏差。

%11cm E %1110

cm E M ?=ε

(三) 透光率测量误差ΔT。(测量中的随机误差，来自仪器的噪音)

浓度的相对误差

1、暗噪音

1) 光电检测器或热检测器与放大电路等各部件的不确定性引起的。

2) 其大小取决于各种电子元件和线路结构的质量、工作状态及环境条件等。

3) 暗噪音引起的ΔT是一个常量。

4) 测量最适宜的吸光度范围：0.2－0.7

2、讯号噪音

紫外－可见分光光度计

一、主要部件

1、光源——连续光谱

1) 要求：光具有足够的强度和稳定性、发光面积小

2) 紫外区：氢灯和氘灯可见光区：钨灯和卤钨灯

2、单色器作用：将来自光源的连续光谱按波长顺序分散，并分离出一定宽度的谱带。

@调整狭缝宽度：以减少狭缝宽度吸光度不再增加为宜。

紫外—可见分光光度分析方法

三、单组分的定量方法

（一）校正曲线法原理：Lambert-Beer Law A = ε l c

（二）对照法原理：A = εlc

（三）吸光系数法

四、多组分定量方法

互不干扰

部分干扰相互干扰（一）联立方程组法适于：吸收峰未完全重叠

A1 = ε11c1 + ε12c2 A2 = ε21c1 + ε22c2 A1、A2由实验获得；ε可用标准溶液进行测量（二）双波长法

1、等吸收法适于：吸收峰完全重叠的双组份共存，且干扰组分的吸收成峰形时的分析。

T

T

T

C

C

lg

434

.0?

=

?

λ1、λ2的选择： 干扰组分在λ1、λ2处的A 值相同; 待测组分在λ1、λ2处的?A 应尽可能的大。

2、系数倍率法 适于：干扰组分的吸收不成峰形

A 1=A 1X + A 1Y A 2=A 2X + A 2Y 令KA 2Y =A 1Y ?A ＝ A 2 － A 1

特点：a.不需空白溶液作参比；b.需要两个单色器获得两束单色光(λ1和λ2) c.以参比波长λ1处的吸光度A λ1作为参

比，来消除干扰 d.由于系数K 的引入，使得? A 值加大，灵敏度、选择性、测量精密度等方面都比单波长法有所提高e.当K 过大时，由于噪音也同时放大，使信噪比S/N 减小，所以通常选择5-7倍。

(一) 仪器测量条件的选择

1.适宜的吸光度范围

误差来源：偏离L-B 的因素、光源不稳定、条件的变化、读数精度变动

当A = 0.4343时，吸光度测量误差最小；在0.2～0.7的吸光度范围内，测量误差较小；

@方法：a.调整溶液浓度 b.调整吸收池厚度c.改变参比溶液。

2.入射光波长的选择

1）最大吸收原则: 在 λmax 、 εmax 条件下进行测定，灵敏度最高，单色性最好。

2）做吸收曲线，由吸收曲线可得出λmax 。

3）当最强吸收峰较尖锐时，可选择吸收稍低、峰形稍坦的次强峰或肩峰进行测量。

(二) 显色反应条件的选择 增强物质的吸光能力，提高方法的灵敏度

(三) 参比溶液的选择

@为什么要用参比溶液？除待测组分的吸收外,还存在皿壁的吸收和反射,溶液的散射，这些都会引起入射光的减弱 Basic theory:

When the light beam in the UV-visible region passed through a substance, photons will be absorbed. The energy of the photons h ν is equal to the energy difference between the ground state and the excited state of substance. It is

substance-dependent.

Absorption spectrum is the fraction of incident light absorbed by the substance (A) over a range of wavelengths (λ). The λmax at which A is at maximum is termed as the maximum absorption wavelength.

Determination of substance concentration by spectrophotometer(分光光度计) is based on Lambert-Beer law. The law is only applicable to the use of the monochromic(单色) light as source.

To increase the sensitivity and precision of a measurement, it is important to select a proper incident wavelength, usually at λmax , to ensure the absorption measured in the range of A=0.2-0.7, especially in quantitative analysis(定量分析) and routine calibration(校正) of the instrument.

UV 补充习题：

1、双波长分光光度计与单波长分光光度计的主要区别在于（ ）。

A 、光源的种类

B 、检测器的个数

C 、吸收池的个数

D 、单色器的个数

E 、单色器的种类

2、下列化合物中，同时具有n→*π、σ→σ*、π→*

π跃迁的化合物为（ ）。 A 、一氯甲烷B 、丙酮C 、丁二烯D 、一氯代甲苯E 、甲醇

3、组分A 和B 的吸光光谱相互干扰，它们的最大吸收波长分别为λA 和λB,若用双波长法测定A 的含量，选择两工作波长λ1和λ2的方法是（ ）。

A 、λ1=λA 及λ2=λB

B 、以λ1为参比波长、λ2为测定波长，使B 组分在λ1和λ2具有相等的吸光度 C.使λ1=λB ，选择λ2使B 组分在λ1和λ2具有相等的吸光度 D.使λ2=λB ，选A 、B 两吸收峰相交处的波长为λ1 E 、以上都不正确

4、下列表达不正确的是（ ）。

A 、吸收光谱曲线表明吸光物质的吸光度随波长的变化而变化

B 、吸收光谱曲线以波长为纵坐标，吸光度为横坐标

C 、吸收光谱曲线以吸光度为纵坐标，波长为横坐标

D 、吸收光谱曲线中，最大吸收处的波长为最大吸收波长

E 、吸收光谱曲线表明吸光物质的光吸收特性

5、某共轭二烯烃在正己烷中的max λ为219nm ，若改在乙醇中测定，吸收峰将（ ）。

A 、红移

B 、蓝移

C 、峰高降低

D 、峰高变高

E 、以上都不正确

6、某物质的摩尔吸光系数很大，则表明（ ）。

A、该物质溶液的浓度很大

B、光通过该物质溶液的光程长

C、该物质对某波长的光的吸收能力很强

D、用紫外-可见分光光度法测定该物质时灵敏度高

E、该物质的物质的量很大

7、下列哪些因素会导致对比尔定律的偏离（）。

A、溶液浓度较高

B、光的散射

C、光的折射

D、溶液中物质产生的荧光

E、非平行光

8、Which of the following factor have effect on the molar absorbancy index of substance（）.

A、thickness of the cuvette

B、wave length of incident light

C、concentration

D、temperature

E、pH

1、D

2、D

3、B

4、B

5、AD

6、CD

7、ABCDE

8、BD