《紫外吸收光谱》PPT课件.ppt

紫外可见吸收光谱法,UltravioletandVisibleSpectrophotometry（UV-Vis）华南理工大学,概述,基于物质对紫外-可见光的选择性吸收而建立起来的方法。分子光谱；涉及电子的能级跃迁；光谱范围在200800nm；UV-Vis为四大波谱之一，是鉴定许多化合物，尤其是有机化合物的重要定性工具之一。定量分析依据朗伯-比耳定律,UV-Vis光谱的形成：过程：分子内部运动形式及对应能级：1.电子的运动-电子能级2.原子核在其平衡位置附近的振动-振动能级3.分子本身绕其质心的转动-转动能级,分子MM*,光子h,有机化合物的紫外可见吸收光谱轨道、轨道、未成键轨道(孤对电子,孤电子对)*轨道、*轨道,各轨道能级高低顺序：n*,形成单健的电子形成双健的电子未成健的孤对电子n电子,图212分子中电子的能级和跃迁,电子跃迁的主要类型,(1)*(2)n*(3)n*(4)*能量顺序如下：,*,n*n*,(1)*跃迁,吸收波长在180nm以下，真空紫外区才能观察到。,图212分子中电子的能级和跃迁,(2)n*跃迁,含有杂原子(如S、N、O、Cl、Br、I等)的有机物都会发生这种跃迁，吸收峰在150250nm之间，在近紫外区可观察到这类跃迁。,图212分子中电子的能级和跃迁,n*跃迁（含杂原子）,(3)*跃迁,吸收峰在200nm附近，大都处在紫外区,双键叁键含有-C=C-或-CC-的不饱和有机物都会发生这类跃迁。,图212分子中电子的能级和跃迁,*跃迁（不饱和烃类）,(4)n*跃迁,这种跃迁所需能量最小，吸收峰一般都在近紫外甚至可见光区。含杂原子的双键化合物-C=O、-C=N，可发生这种跃迁，杂原子上有n电子，同时又有*轨道。,图212分子中电子的能级和跃迁,n*跃迁（带孤对电子的杂原子与其他键共轭）,C12C=CCl2?,紫外可见吸收光谱的常用术语,1.吸收光谱,也称为吸收曲线。用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化合物的结构。以波长为横坐标，吸光度A为纵坐标，即得吸收光谱。,KMnO4,/nm,吸收峰,半波宽,峰强度,2.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)，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。,3.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红移。发色团的吸收峰向短波方向移动的现象称为蓝移。,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。,4.浓色效应和淡色效应,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，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；,吸收带,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*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，称为苯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。,是由苯环结构中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。,吸收带,4.E带,二、影响UV光谱的因素,1、溶剂对吸收峰产生的影响溶剂的极性对不同性质的吸收峰有不同的影响。在*跃迁中，极性的溶剂能使吸收峰发生红移；在n*跃迁中，极性溶剂使跃迁需要较多的能量，吸收峰向短波移动（蓝移）。,溶剂极性对n和*跃迁能量的影响,溶剂极性增大，n*吸收蓝移,例:丙酮,丙酮的UV吸收光谱图,溶剂极性增大，*吸收红移,例：异亚丙基丙酮,溶剂的影响,1.蒸气状态2.环己烷中3.水中,极性增大，吸收峰振动精细结构消失。,在选择测定电子吸收光谱曲线的溶剂时，应注意如下几点：（1）尽量选用低极性溶剂；（2）能很好地溶解被测物，并且形成的溶液具有良好的化学和光化学稳定性；（3）溶剂在样品的吸收光谱区无明显吸收。,2、共轭效应,说明：共轭效应越大,能量越低,吸收带向长波方向移动-称-红移.,共轭烯烃键数与能量的关系,共轭烯烃双键数与能量的关系,共轭烯烃双键数与能量的关系,11个共轭双键,苯吸收带（溶剂：异辛烷）,E带（I，E1）,E带（K，E2）,精细结构B带（III）,苯环共轭的影响,3、空间效应,4、pH的影响,苯胺UV吸收光谱图,苯胺pKb=9.3,苯酚pKa=9.95,酸碱性导致物质结构发生变化,例：PP,三、有机化合物的UV-Vis光谱类型,n*电荷转移配合物吸收光谱,D:e给体A:e受体,谱带宽；吸收强度大,几种有机化合物的分子吸收光谱图,UV-Vis光谱与官能团之间的关系,（a）胆甾醇（b）异丫丙基丙酮,电荷转移吸收光谱配场跃迁,四、无机化合物的UV-Vis光谱类型,104，定量,过渡元素的d或f轨道为简并轨道（Degenerationorbit），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，将会跃迁到高能量的d或f轨道，从而产生吸收光谱，研究配合物结构及其键合理论。,紫外可见吸收光谱的应用,1、定性分析紫外-可见吸收光谱可用于鉴定有机化合物。在鉴定有机化合物时，通常是在相同的条件下，比较未知物与已知标准物质的紫外光谱图，若两者的谱图相同，则可认为待测样品与已知物质具有相同的生色团。,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,定性分析,但应注意，紫外吸收光谱相同，两种化合物有时不一定相同，所以在比较max的同时，还要比较它们的值。如果待测物质和标准物质的吸收波长、吸收系数都相同，则可认为两者是同一物质。,例如：化合物在220800nm范围内无吸收峰，它可能是脂肪族碳氢化合物；如果在250nm300nm有中等强度的吸收带并且有一定的精细结构，则表示有苯环存在.,图苯在乙醇中的紫外吸收光谱,苯在185nm和204nm处有两个强吸收带，分别称为E1和E2吸收带，是由苯环结构中三个乙烯的环状共轭体系的跃迁产生的，是芳香族化合物的特征吸收。在230270nm处有较弱的一系列吸收带，称为精细结构吸收带，亦称为B吸收带。B吸收带的精细结构常用来辨认芳香族化合物。,精细结构：,精细结构：,若苯环上有助色团如-OH、-Cl等取代，由于n*共轭，使E2吸收带向长波移动，并产生精细结构，因此可以从E2和B来确定某些取代基的存在。,图213苯在乙醇中的紫外吸收光谱,判断顺反异构体,反式1,2-二苯乙烯max2952.7104,顺式1,2-二苯乙烯max2801.1104,反式肉桂酸max2952.7104,顺式肉桂酸max2801.35104,判断互变异构（乙酰乙酸乙酯）,酮式（在极性溶剂中）,烯醇式（在非极性溶剂中）,max272，16，n*max=204，*,max=300，n*max243，1.8104，*,有机化合物紫外光谱解析,了解共轭程度、空间效应、氢键等；可对饱和与不饱和化合物、异构体及构象进行判别。紫外可见吸收光谱中有机物发色体系信息分析的一般规律是：若在200750nm波长范围内无吸收峰，则可能是直链烷烃、环烷烃、饱和脂肪族化合物或仅含一个双键的烯烃等。若在270350nm波长范围内有低强度吸收峰(10100Lmol-1cm-1),（n*跃迁），则可能含有一个简单非共轭且含有n电子的生色团，如羰基。,若在20300nm波长范围内有中等强度的吸收峰则可能含苯环。若在210250nm波长范围内有强吸收峰，则可能含有2个共轭双键；若在260300nm波长范围内有强吸收峰，则说明该有机物含有3个或3个以上共轭双键。若该有机物的吸收峰延伸至可见光区，则该有机物可能是长链共轭或稠环化合物。,纯度检查,如果一化合物在紫外区没有吸收峰，而其杂质有较强吸收，就可方便的检出该化合物中的痕量杂质。例如要鉴定甲醇和乙醇中的杂质苯，可利用苯在256nm处的B吸收带，而甲醇或乙醇在此波长几乎没有吸收。又如四氯化碳中有无二硫化碳杂质，只要观察在318nm处有无二硫化碳的吸收峰即可。,标准曲线标准加入,2、定量分析基础,LambertBeer定律,朗伯(Lambert)和比耳(Beer)分别于1760年和1852年研究了光的吸收与有色溶液液层的厚度及溶液浓度的定量关系，奠定了分光光度分析法的理论基础。,LambertBeer定律的数学表达式。,=bc摩尔吸光系数,厚度,摩尔浓度,o,摩尔吸光系数,它表示吸光质点的浓度为1mol/L，溶液的厚度为1cm时溶液对光的吸收能力。值越大，表示吸光质点对某波长的光吸收能力越强，测定的灵敏度就越高。,单位为Lmol1cm1。,104，为强吸收，是灵敏的。,定量测定,紫外分光光度法的定量测定原理及步骤与可见区分光光度法相同。它的应用广泛，仅药物分析来说，利用紫外吸收光谱进行定量分析的例子很多，例如一些国家已将数百种药物的紫外吸收光谱的最大吸收波长和吸收系数载入药典。,紫外分光光度法可方便的用来直接测定混合物某些组分的含量，如环己烷中的苯、四氯化碳中的二硫化碳、鱼肝油中的维生素A等。,偏离LambertBeer定律的因素,化学因素,2,2,橙色,黄色,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,3.3紫外-可见分光光度计的结构,分光光度计种类和型号繁多，但其基本结构和原理相似，主要由下列4个部分组成：（1）光源（2）单色器（3）吸收池（4）检测器和读数装置,一、光源,可见光分光光度法使用的光源常为612V的钨丝灯，它可以发出波长约为320nm2500nm的连续光谱.若紫外光谱法，则采用氘灯，它能够产生180375nm的连续光谱。,Themostcommonlyusedlightsourcesaredeuteriumlampsintheregionfrom180to350nmandtungstenfilamentandhalogenlampsintheregionfrom330to900nm.Alightsourceforthecompleterangeisthexenonarcfrom175to1000nm.Furthermore,forspecialapplicationssuchashighresolutionstudies,tunablelaserscanbeused.Fortimeresolvedmeasurementspulsedarclampscanbeused.,二、单色器,单色器的作用是获得单色光。1、滤光片,常用的滤光片是由有色玻璃（或其他材料）构成，使通过的光与滤光片的颜色相同。为了表示滤光片的质量，可制作透光率波长曲线（即透光曲线），以峰高的一半与曲线相交波长范围（光谱半宽度）来表示单色光的质量。半宽度愈窄，单色光愈纯。选择滤光片，必须使能被溶液吸收最大的光通过，也就是滤光片颜色是溶液的补色。,单色器,棱镜分光光度计常用棱镜作为单色器。棱镜获得单色光的纯度与棱镜色散率和出口狭缝宽度有关。可见光区用玻璃棱镜（对可见光有较大色散率），紫外区则用石英棱镜（玻璃吸收紫外光）。光栅：是在镀铝的光学玻璃上刻了许多相距很小、等距又相平行，并具有反射面的沟槽构成的一种单色器。,三、检测器和读数装置（一）,检测器和读数装置都是光电转换元件，目的是把透过光信号转换成电流信号，并加以测量。1、硒光电池,是一种光敏半导体元件，经常使用的是硒光电池。硒光电池适用于波长范围380750nm的光，在540580nm处灵敏度最高。它产生的光电流较大，可毋须放大，直接用灵敏电流计测量。,光电池使用时间过长或受强光照射时会导致灵敏度下降，称为“疲劳现象”。使用时须注意不可令光源未经单色器调节便直接照射光电池，出现疲劳现象时可放置暗处使其恢复。,检测器和读数装置（2）,2、光电管是一个二极真空管由一个阳极和一个光敏阴极组成。3、光电倍增管是利用光敏阴极把光信号放大的装置。4、光电二极管阵列由一系列的光电二极管一个接一个地排列在一块硅晶片上组成，作为固体元件比光电倍增管更耐用。5、读数装置读数装置常用的是微安计或检流计。,ArecentdevelopmentistheuseofphotomultiplierarraysandCCDcamerasasinallotherspectroscopicmethods.,四、几种类型的分光光度计（一）,图27721分光光度计,722型分光光度计,几种类型的分光光度计（二）,图28721分光光度计的光学系统,几种类型的分光光度计（三）,图297530G紫外可见光分光光度计,VarianCary1E紫外可见分光光度计,可消除光源不稳定误差以及样品池的差异,2.4.4反射光谱法（1）,反射光谱法测定的是从样品表面反射回来的辐射能量大小。,R:反射率I:被反射的辐射强度，I0:从某些标准表面反射回来的辐射强度,两个对角镜用于反射从样品反射过来的光线,用于反射光谱测定的积分球附件,BaSO4涂层：均化能量,标准白板,镜面反射,漫反射,2.4.4反射光谱法（2）,a:较差的白色纸b:黄色纸c:紫色纸d:栗色纸参比：MgCO3,质量较好的白纸在可见光区R应为定值,2.4.5光声光谱法（1）,光声光谱法是1970年以后发展起来，可用于测定固体、半固体状态的生物组织或浑浊液体样品的紫外-可见吸收光谱。,光声效应：以经过斩光器调制的入射光照射密闭池中气体时，气体对光产生吸收，被吸收的辐射使气体产生周期性的热能，热能反过来使气体压力发生周期性的涨落。如果斩光器速率落在音频范围，气体压力脉冲可用灵敏的微音器检测。,光声光谱仪,2.4.5光声光谱法（2）,光声池：密闭；透光性好。样品吸收光能传递给气体产生气压波动,光声光谱法的定量基础,2.4.5光声光谱法（3）,光声信号的能量与样品从入射光束吸收的能量成正比,吸收很小时：,P0:入射光强P:样品吸收的能量,根据吸收定律：,B:吸收能量转变为热能的效率,定量基础,特点及应用1.对样品散射、反射无响应，可用于含蛋白和胶体等的高散射体系的测定2.灵敏度比普通光谱法高2-3个数量级可用于：a.不透明固体、液体、气体的痕量分析b.绝缘体、半导体、金属、半固体生物组织、粉末及凝胶样品的分析c.薄层板上的直接分析,2.4.5光声光谱法（4）,