1、第十三章紫外可见光谱分析第十三章-紫外可见光谱分析第十三章 紫外可见光谱分析13.1概述紫外-可见光谱法（ultraviolet-visible molecular absorption spectrometry,UV-VIS）是研究在200至800nm光区内的分子吸收光谱的一种方法。它广泛地用于无机和有机质的定性和定量测定，灵敏度和选择性较好。紫外-可见光谱法使用的仪器设备简单，易于操作。分子吸收紫外-可见光获得的能量足以使价电子发生跃迁，因此，由价电子跃迁产生的分子吸收光谱称为紫外-可见光谱或电子光谱。紫外吸收光谱是由于分子中价电子的跃迁而产生的，所以又称为电子光谱。由于电子跃迁的同时，伴
2、随着振动能级和转动能级的跃迁，故紫外光谱为带状光谱。紫外吸收光谱的波长范围是10-400nm(纳米), 其中10-200nm 为远紫外区（这种波长的光能够被空气中的氮、氧、二氧化碳和水所吸收，因此只能在真空中进行研究，故这个区域的吸收光谱称真空紫外），200-400nm为近紫外区, 一般的紫外光谱是指近紫外区。波长在400800nm范围的称为可见光谱。常用的分光光度计一般包括紫外及可见两部分，波长在200800nm（或2001000nm）。紫外-可见分光光度法有如下特点：仪器和操作简单、费用成本低、速度快。灵敏度高。最低检出浓度可达 10-6g/mL。精密度和准确度较高。其相对误差可达到1%2
3、%。这满足了对微量组分的测定要求。选择性较好。用途广泛。广泛用于化工、环境等方面。紫外-可见光谱不仅可以进行定量，定性及结构分析，还能进行配合物的组分及稳定常数、官能团鉴定、相对分子质量测定等等13.2 紫外可见光谱基本原理紫外可见吸收光谱遵从朗伯比尔定律：当一束平行单色光通过含有吸光物质的稀溶液时，溶液的吸光度与吸光物质浓度、液层厚度乘积成正比，即 A= C l （13-1）式中：-吸光物质的本性，入射光波长及温度等因素有关；C-吸光物质浓度；l-为透光液层厚度。朗伯-比尔定律是紫外-可见分光光度法的理论基础。紫外可见吸收研究的是分子内原子在平衡位置附近的振动、分子绕其重心的转动和价电子运动
4、。故分子的能量E等于以上三项之和： （13-2）式中，Ee、Ev、Er分别代表电子能、振动能和转动能。分子从外界吸收能量后，就引起分子能级的跃迁，即从基态能级跃迁到激发态能级。分子吸收能量具有量子化的特征： （13-3）紫外吸收光谱是由于分子中的电子跃迁产生的。按分子轨道理论，在有机化合物分子中这种吸收光谱取决于分子中成键电子的种类、电子分布情况，根据其性质不同可分为3种电子：形成单键的电子 ；形成不饱和键的电子 ；氧、氮、硫、卤素等杂原子上的未成键的n电子。如图13-1所示。图13-1基团中的，n成键电子当它们吸收一定能量E后，将跃迁到较高的能级，占据反键轨道。分子内部结构与这种特定的跃迁是
5、有着密切关系的，使得分子轨道分为成键轨道、反键*轨道、成键轨道、反键 * 轨道和n轨道，其能量由低到高的顺序为：n*104（lgmax4），随着共轭链的增长，吸 收峰红移，并且 吸收强度增加。共轭烯烃的K带不受溶剂极性的影 响，而不饱和醛酮的K带 吸收随溶剂极性的增大而红移。2.B带和E带芳香族化合物的*跃迁，在光谱学上称为B 带（benzenoid band，苯型谱带）和E带（ethylenic band，乙烯型谱带），是芳香族化合物的特征吸收。所谓E带指在封闭的共轭的体系中（如芳环），因*跃迁所产生的较强或强的吸收谱带，E带又分为E1和E2带，两者的强度不同，E1带的摩尔吸光系数大于104
6、(lg4)，吸收出现在184nm；而E2带的摩尔吸光系数约为103，吸收峰在204nm。两种跃迁均为允许跃迁。B带指在共轭的封闭体系（芳烃）中，由*跃迁产生的强度较弱的吸收谱带，苯B带的摩尔吸光系数约为200，吸收峰出现在230270nm之间，中心在256nm,在非极性溶剂中芳烃的B带为 一具有精细结构的宽峰，但在极性溶剂中精细结构消失。当苯环上有发色基团取代并和苯环共轭时，E带和B带均发生红移，此时的E2带又称为K带。特点：为芳香族化合物的*跃迁，B带：峰弱，吸收波长长；E带：峰强，吸收波长短。3.R带指连有杂原子的不饱和化合物（如羰基、碳氮双键等）中杂原子上的n电子跃迁到*轨道，这种跃迁在
7、光谱学上称为R带（取自德文：基团型，radikalartig），跃迁所需能量比n*的小，一般在近紫外或可见光区有吸收，其特点是在270350nm之间，值较小，通常在100以内，为弱带，该跃迁为禁阻跃迁。随着溶剂极性的增加，吸收波长向短波方向移动（蓝移）。特点：为n*跃迁，吸收波长长，峰弱。13.3 仪器基本构成及其工作原理仪器基本构成紫外可见分光光度计的基本结构如下图13-4所示：光源单色器吸收池检测器信息处理与显示系统样品图13-4紫外可见分光光度仪的基本结构 1.紫外可见光光源对光源的基本要求是应在仪器操作所需的光谱区域内能够发射连续辐射，有足够的辐射强度和良好的稳定性，而且辐射能量随波长
8、的变化应尽可能小。在紫外可见分光光度计中有热辐射光源和气体放电光源两类光源。热辐射光源用于可见光区；如钨丝灯、卤钨灯和汞灯，可用范围在340-2500nm。气体放电光源用于紫外光区，如氢灯、氘灯和氙灯，可在160-375nm范围内产生连续光源。氘灯一般是紫外光区应用最广泛的一种光源。2.单色器系统单色器是一个完整的色散系统，并组成仪器的核心部分，作用是将光源发出的白光色散成不同波长的单色光，并从出射狭缝中导出照于样品上，其决定着仪器的主要光学特性和工作特性。仪器除了棱镜或光栅色散元件外，还有入射、出射狭缝及一组反射镜。分别选用不同的单色器如棱镜或光栅分光，双联，滤色片分光等等。1）滤光片在仪器
9、中，滤光片的作用通常是用来消除单色器的杂散光。其特性可以用最大透光波长和谱带半宽度来表征它。它是最简单、最廉价的单色装置。但基于单色性不理想，大大限制了测定精度。滤光片分为：通带滤光、中性滤光、干涉滤光、截止滤光以及标准滤光片五种。2）单色器从宽波长的光源辐射中分出单一波长的光学装置叫单色器。由色散元件、入射狭缝、出射狭缝、和准直镜等部分组成。单色器质量的优劣决定于色散元件的质量。(1) 狭缝狭缝是由具有很锐刀口的两片金属片精密加工制成的，包括入射和出射狭缝，是单色器的重要组成部分之一，关系到分辨率的优劣，当光源的光进入色散系统前，要先经过一个入射狭缝，使光称为一条细的光束照射到准直镜上，反射
10、后成为平行光投射到棱镜或光栅上进行色散。出口狭缝出来的光并不是某一单波长的光，狭缝越宽所包含的光波越多，狭缝月越窄杂散光的影响越小，但是光的亮度也越弱。(2) 棱镜棱镜是从紫外到中红外区的比较合适的色散元件，其光谱纯度主要决定于棱镜的色散特性和光学设计。紫外范围内通常采用硅。可见范围内常用光学玻璃代之。本生(Bunsen)和利特罗(Littrow)是常用两种形式的棱镜单色器，棱镜的主要缺点是色散波长的非线性分布。(3) 光栅光栅分透射光栅和反射光栅，是用于紫外、可见、近红外范围内十分重要且应用范围很广的色散元件。透射光栅的母光栅的生产是需要很精密的装置，要在一块透明材料或玻璃上刻一系列平行的紧
11、紧相靠的凹槽，较贵。故而用较便宜的复制光栅代替，性能上虽次于母光栅，但能满足应用。反射光栅则是喷涂铝薄膜于复制光栅表面制成。光栅的单位长度刻线越多，分辨率越高，色散也越大。另外在闪耀光栅中，闪耀波长内光栅有最大能量输出。由于光栅有次级光谱干扰的缺点，因此常配虑光片以去除杂散光的影响。光栅单色器的排列方式尽管有几种，但通常采用的一种是埃伯特1889年发明的使波长通过选择旋转光栅来实现的排列方式。因其昂贵，现代仪器常采用采尼(Czerny)和特纳(Turner) ，一种结构紧凑的用两个小球面镜来代替大而昂贵的埃伯特球面。3.吸收池 吸收池又称比色皿或比色杯，紫外可见分光光度计常用的吸收池有石英和玻
12、璃两制材料制成。石英吸收池可用于紫外光区和可见光区，玻璃吸收池只能用于可见光区。吸收池的种类很多，其光径可在0.110cm之间，常用的石英吸收池光程一般为1cm，玻璃吸收池有0.5cm、1cm、2cm、5cm等多种。同一台分光光度计上的比色杯，其透光度应一致，在同一波长和相同溶液下，比色杯间的透光度误差应小于0.5%，使用时应对比色杯进行校准。4.检测器检测器的作用是检测光信号，并将光信号转变为电信号。现今使用的分光光度计常用的检测器是光电接收元件，有光电倍增管（利用外光电效应与多级二次发射体相结合而制成的光电器件，可达108倍的放大倍数）、光敏电阻和光电池作为检测器。5.信息处理与显示系统显
13、示系统是将光电管或光电倍增管放大的电流通过仪表获取信息并显示出来的装置。常用的信号显示装置有直读检流计、微安表、电位调节指零装置，以及自动记录和数字数字显示器和计算机等。检流计和微安表可显示透光度（T%）和吸光度（A）。数字显示器可显示T%、A和C（浓度）。 通过计算机与分光光度计相联，光谱数据可立即显示，绘制谱图，而且还可进行多种类型的数据处理。 分子中的电子跃迁需要的能量在 1.610-19 3.210-18 J 之间，其对应的吸收光的波长范围大部分处于紫外和可见光区域，通常将分子在这一区域的吸收光谱称为电子光谱。不同的分子中的电子跃迁需要的能量不一样，吸收光谱也就不同。为了测量一种物质的
14、吸收光谱，用经过分光后的不同波长的光依次透过该物质，这种物质可以是液体，也可以是固体或气体，但大多数情况都是具有一定浓度的溶液。通过测量物质的吸光度（物质对不同波长光的吸收程度），再以吸光度为纵坐标，波长为横坐标作图，就能得到该物质在该波长范围内的吸收曲线。这种体现了物质对不同波长的光度吸收能力的曲线，称为吸收光谱。 根据物质对光的吸收程度的不同来确定未知液体的物质浓度含量，一般采用标准曲线法，也有采用标准加入法的。即在紫外可见光区的一个特定的波长，利用朗伯比尔定律可进行定量分析。 紫外可见分光光谱仪的光度系统分为单光束系统（图13-5）和双光束系统两种（图13-6）。现代的自动分光光度仪多采
15、用双光束法来实现比较测量。用两种不同波长的单色光束交替照射到样品溶液上，不需要使用残壁溶液，测得的是样品在两种波长下得吸光度之差。双光束光度系统大大提高了测定准确度，可完全扣除背景；可用于微量组分的测定；可用于混浊液和多组分混合物的定量测定。双波长分光光度计具有两个检测器，更适合应用于双波长光谱分析方法。双单色器可明显减少杂散光，提高仪器的分辨能力。图13-5 单光束的光路图（721型分光光度计光学系统示意图）1光源；2，9聚光透镜；3色散元件（棱镜）； 4准直镜；5，12保护玻璃；6狭缝；7反射镜； 8光栅；10吸收池；11光门；13光电管图13-6双光束的光路图1，8，9，12，15，16
16、，20凹面反射镜；2钨灯；3灯交换平面镜；4氘灯；5入口狭缝；6，17平面反射镜色散元件（棱镜）；10，11出口狭缝；13调制板；14斩光器；18参比池；19样品池；21光电倍增管13.4 实验技术结构分析被测物质的溶液浓度不宜过高，一般为mg/L级。分析是的注意事项如下：（1）在紫外区测定必须配对使用洁净的石英吸收池，量瓶、移液管均应校正、洗净后使用。（2）应正确取吸收池，装盛样品以池体的2/33/4为度，手指应拿毛玻璃面的两侧，透光面要用擦镜纸由上至下擦拭干净，直至无溶剂残留。使用挥发性溶液时应加盖，吸收池放入样品室时应注意方向相同，用后用溶剂或水冲洗干净，晾干防尘保存。（3）采用1cm石
17、英吸收池，测定时应以配制试品溶液同批溶剂为空白对照（另有规定除外），在规定的紫外可见波长范围内进行扫描，绘制波长吸光度吸收曲线，以便于进一步进行结构分析。注意：没有颜色的溶液在紫外光谱区没有吸收峰。定量分析紫外可见吸收光谱法进行定量分析是依据是朗伯比尔定律。该法不仅可以直接测定那些本身在紫外可见光谱区有吸收的无机物和有机物，还可以通过适当的显色反应使被测物质生成在紫外可见光谱区有强烈吸收的产物，从而进行定量分析。1.测量条件的选择1）入射光波长的选择定量分析时为了获得较高的测量灵敏度，入射波长应该选择被测物质的最大吸收波长。如遇干扰时，可选购用灵敏度稍低，但能避免干扰从而进行定量分析的其他波长
18、。如果无法获知被测组分的适宜定量分析的吸收波长，可通过对被测物质在紫外可见光谱区的波长吸光度吸收曲线，确定该物质的最大吸收波长，或适宜的定量分析测定波长。2）控制适当的吸光度范围定量分析时其吸收度在0.30.7之间时测量精度较好，吸光度值最好不要超过0.20.8。可以从两方面提高测量精度：控制溶液浓度；选择不同厚度的吸收池。3）选择适当的参比溶液如果显色剂和所用的其他试剂均无色，而且被测试液中又无其他有色离子存在，可用蒸馏水作参比；如果显色剂无色，而被测试液存在其他有色离子时，应采用不加显色剂的被测试液作参比溶液；如果显色剂和试剂均有颜色，可在一份试液中加入适当掩蔽剂，将被测组分掩蔽起来，使之
19、不与显色剂作用，然后按试液测定加入显色剂及其他试剂，以此作物参比溶液。 2.显色剂及显色反应用于分析的显色剂中，无机显色剂不多，主要有硫氰酸盐、钼酸铵和过氧化氢。有机显色剂种类繁多，可与金属离子生成及其稳定的螯合物。常用的有机显色剂包括磺基水杨酸、丁二酮肟、邻二氮菲、二苯硫腙、偶氮胂（铀试剂）、铬天菁S、结晶紫等。显色反应的类型有配位反应，氧化还原反应以及增加生色团的衍生化反应等，其中配位反应应用最广。1）显色反应一般应满足下列要求：（1）灵敏度高，反应的产物须在紫外可见光谱区有强烈的吸光能力，即吸光系数大。（2）选择性好，干扰少，或干扰容易消除。（3）产物组成恒定，符合一定的化学反应式。（4
20、）产物化学性质足够稳定，至少在测量过程中溶液的吸光度变化很小。（5）产物与显色剂直接的颜色差别大。2）影响显色反应的因素有：（1）显色剂用量：一般需加入过量显色剂，以保证反应尽可能进行完全。（2）溶液的酸度：影响显色剂的浓度和颜色：不少显色剂是有机弱酸，因此溶液的酸度将影响显色剂的离解，并影响显色反应的完全程度；有许多显色剂具有酸碱指示剂的性质，更应注意选择适当的酸度条件。影响被测离子的存在状态：有些金属离子，随着水溶液酸度的降低，除了以简单的金属离子形式存在外，还可能形成一系列的羟基或多核羟基络离子，可能进一步水解生成沉淀。影响配合物的组成：某些生成逐级配合物的显色反应，酸度不同，配合物的配
21、合比不同，色调不同。显色反应的最适宜酸度，可通过实验确定：在不同酸度下测定被测物同一浓度的吸光度，以pH值为横坐标，吸光度为纵坐标，绘制ApH关系曲线。曲线的平直部分（吸光度恒定）所对应的pH值区间就是最适宜的酸度范围。（3）显色时间：根据实验结果选择合适的显色时间（4）反应温度：根据反应的具体情况选择合适的反应温度。（5）溶剂：可根据实际情况加入适当溶剂。一般有机溶剂能降低有色化合物的离解度，提高显色反应的灵敏度。（6）溶液中共存离子的影响：如果共存离子本身有颜色，或能与显色剂等反应生成有色化合物，会使测定结果偏高。如果共存离子和被测组分或显色剂生成无色配合物，将降低被测组分或显色剂的浓度，
22、从而影响显色剂离子与被测组分的反应，使结果偏低。常用消除干扰离子影响的方法有：控制溶液的酸度；加入合适的掩蔽剂；利用氧化还原反应改变干扰离子的价态；选择适当的波长；利用参比溶液消除显色剂和某些有色共存离子的影响；将被测组分与干扰离子分离。3.实验操作技术定量分析时其吸收度以在0.30.7之间为宜（除该品种已有注明外），A、B 操作过程同三、实验技术中1结构分析的（1）和（2）。C、规定的吸收峰2nm内，采用1cm石英吸收池，在规定的波长附近自动扫描测定或测几个点的吸收度以核对样品吸收峰位置是否正确，然后以吸收度最大波长作为测定波长（除另有规定外，否则均应在2nm以内）。D、样品一般应取2份进行平行操作，每份结果对平均值的偏差应在0.5%以内
