《光学分析法》课程教学资源（教材讲义）第2章紫外-可见分光光度法.pdf_大学文库

第2章紫外可见分光光度法 (Ultraviolet and Visible [UV-Vis] Spectrophotometry) 2.1紫外-可见吸收光谱 (UV-Vis Absorption Spectroscopy) 2.2 Lambert-Beer定律 (Lambert-Beer's Law) 2.3紫外-可见分光光度计 (UV-Vis Spectrophotometer) 2.4分析条件的选择 (Optimization of Analytical Conditions) 2.5紫外-可见分光光度法的应用 (Applications of UV-Vis Spectrophotometry) 紫外-可见分光光度法是利用某些物质的分子吸收200~800mm光谱区的辐射来进行分析测定的方法。这种分子吸收光谱产生于价电子和分子轨道上的电子在电子能级间的跃迁, 广泛用于无机和有机物质的定性和定量测定。 2.1紫外-可见吸收光谱 (一)分子吸收光谱的形成分子中的电子总是处在某一种运动状态中,每一种状态都具有一定的能量,属于一定的能级。电子由于受到光、热,电等的激发,从一个能级转移到另一个能级,称为跃迁。当这些电子吸收了外来辐射的能量,就从一个能量较低的能级跃迁到另一个能量较高的能级。但是由于分子内部运动所牵涉到的能级变化比较复杂,分子吸收光谱也就比较复杂在分子内部除了电子运动状态外,还有核间的相对运动,即核的振动和分子绕着重心的转动而振动能和转动能,按量子力学计算,它们是不连续的,即具有量子化的性质。所以,一个分子吸收了外来辐射之后,它的能量变化△E为其振动能变化△E、转动能变化△E以及电子运动能量变化之总和,即 △E=△E+△E,+△E (2.1) (2.1)式中△E最大,一般在1~20eV之间。现假设E为5eV,其相应的波长为 =hc6.62×10-34.s×3.0×10cm's △E 5×1.60×10-1J 2.5×10-5cm=250nm 因此,由于分子内部电子能级的跃迁而产生的光谱位于紫外区或可见区内分子的振动能级间隔△E大约比△E小10倍,一般在0.05~ev之间。如果△为0.le, 即为5eV的电子能级间隔的2%。因此在发生电子能级之间跃迁的同时,必然也要发生振动能级之间的跃迁,得到的是一系列的谱线,它们相互波长的间隔是250nm×2%=5nm,而 20

6)配位休场跃迂产生的吸收谱带(t→d,f→f跃迁) (三)一些基本概念 1.生色团分子中能吸收紫外或可见光的结构单元称为生色团,其含有非键轨道和兀分子轨道的电子体系,能引起口→x和兀→跃迁,例如C=CC=0C=C-0-,-N=O等,如果一个化合物的分子含有数个生色团,但它们并不发生共轭作用,那么该化合物的吸收光谱将包含有这些个别生色团原有的吸收带,这些吸收带的位置及强度互相影响不大,如果两个生色团彼此相邻形成了共轭体系,那么原来各自生色团的吸收带就消失了,而产生了新的吸收带。新吸收带的位置一般比原来的吸收带处在较长的波长处,而且吸收强度也显著增加, 这一现象叫生色团的共轭效应。在共轭体系中,由每个π轨道相互作用形成一组新的成键和反键轨道。当分子的共轭体系变得较长时,πm跃迁的基态和激发态之间的能量差变小因此在较长的波长处产生吸收。共轭双键的数日、位置、取代基的种类等,都将影响吸收光谱的波长和强度 2.助色团助色团是一种能使生色团吸收峰向长波位移并增强其强度的官能团,如一OH,一NH SH及一些卤族元素等.这些基团中都含有孤对巾子,它们能与生色团中电子相互作用使π→x’跃迁能量降低并引起吸收峰位移。 3.红移与蓝移某些有机化合物经取代反应引人含有未共享电子对的基团(如-NH2OH、-C 一B、-NR2-OR、-SH,SR等)之后,吸收峰的波长入mx将向长波长方向移动,这种效应称为红移效应。这些会使某化合物的ma向长波长方向移动的基团称为向红基团与红移效应相反,有时在某些生色团如C=O)的碳原子一端引人一些取代基之后吸收峰的波长会向短波长方向移动,这种效应称为蓝移效应,这些会使某化合物的向短波长方向移动的基团如CH2-CH2CH3-0-C、cH3 等)称为向蓝基团溶剂极性的不同也会引起某些化合物吸收光谱的红 x移或蓝移,这种作用称为溶剂效应。在π→π*跃迁中,激发态极性大于基态,当使用极性大的溶剂时,由于溶剂与溶质相互作用,激发态π比基态π的能量下降更多 r因而激发态与基态之间的能量差减小,导致吸收谱带无溶剂效应极性剂效应mx红移。而在n→跃迁屮,基态n电子与极性溶剂形成氢键、降低了基态能量,使激发态与基态之间的图2.2溶剂极性对r→x与n→κ能量差变大,导致吸收带λmx向短波区移动(蓝移) 跃迁能量的影响图22给出了在极性溶剂中π→π和r-π跃迁能量变化示意图 (四)有机化合物的紫外-可见吸收光谱有机化合物的紫外-可见吸收光谱决定于分子的结构,分子轨道上电子的性质。一个有机化合物分子对紫外光或可见光的特征吸牧,可以用吸收最大处的波长,即吸收峰波长来表示

符号为λmx,)la次定于分子的激发态与基态之间的能量差。从化学键的性质来看,与紫外可见吸收光谱有关的电子主要有三种,即形成单键的σ电子、形成双键的兀电子以及未参与成键的n电子(孤对电子) 根据分子轨道理论,分子中这三种电子的能级高低次序是 (o)<(n)<(n)<(r)<(o) o,表示成键分子轨道;n表示非键分子轨道;a、π表示反键分子轨道.o轨道和轨道是由原来属于原子的s电子和p,电子所构成π轨逆和r'轨道是由原来属于原子的p和p2电子所构成,n轨道是由原子中未参与成键的p电子所构成。当受到外来辐射的激发时,处在较低能级的电子就跃迁到较高的能级,由于各个分子轨道之间的能量差不同,因此要实现各种不同的跃迁所需要吸收的外来辐射的能量也是各不相同的.电子从σ轨道跃迁到。'轨道称为σ→0跃迁,这是饱和有机化合物都可能产生的电子跃迁类型。实现→跃迁所需要吸收的能量最大,因而所吸收的辐射的波长最短,处于小于200nm的真空紫外区。如甲烷的 λmx为125mm,乙烷的λmu为135m。目前一般的紫外分光光度计还难以在远紫外区工作,因此一般不讨论由o→跃迂引起的吸收谱带。电子从轨道跃迁到π轨道,或者从π轨道跃迁到。轨道,分别称为a→π跃迁和π→跃迁。实现这两种跃迁所需吸收的能量比实现σ→σ跃迁的要小,但相应的波长还是小于200m,仍属远紫外区,因此也很少讨论,电子从n轨道跃迁到σ轨道称为n→σ'跃迁,含有杂原子(如N,S,O,P和卤素原子等)的饱和有机化合物都可发生这种跃迁。实现n→+d跃迁需要的能量较o-小,吸收峰的波长一般在200nm附近,但大多数仍出现在小于200nm的区域内.电子从r轨道跃迁到’轨道称为兀→跃迁.不饱和的有机化合物例如含有XC=C<,C=0,-C=C-等生色团的有机化合物都会发生兀→兀跃迁。电子从非键的n轨道跃迁到r轨道称为n→π跃迁。对于有机化合物分析来说最有用的吸收光谱是基于n→z和π→n‘跃迁而产生的,实现这两类跃迁所需要吸收的能量相对较小,其吸收峰波长一般都处于大于200m的近紫外光区,对n→π 跃迁甚至还可能在可见光区图2.3足性地表示了几种分子轨道能量的相对大小,不同类型的电子跃迁所需要吸收的能量大小以及相应的吸收峰的波长范围反键轨道反健轨道非键轨道成健轨道成健轨道 A/ nm 图2.3各种电子跃迁相应的吸收峰和能量示意图 23

(五)无机化合物的紫外可见吸收光谱电荷转移吸收光谱某些分子同时具有电子给予体部分和电子接受体部分,它们在外来辐射激发下会强烈吸收紫外光或可见光,使电子从给予休外层轨道向接受体跃迁,这样产生的光谱称为电荷转移光谱。许多无机配合物能产生这种光谱。如以M和L分别表小配合物的中心离子和配位体,当一个电子由配位体的轨道跃迁到与中心离子相关的轨道上时,可用下式表示 M+一IbM-)+-L-)- 例如 Fe+-SCN--Fe+-SCN 接受体绐予体般来说,在配合物的电荷转移过程屮,金属离子是电子接受休,配位体是电子给予体。此外,一些具有d电子结构的过渡元素形成的卤化物及硫化物,如AgBr,Pb2、HgS等也是由于这类电荷转移而产生颜色有些有机化合物也可以产生电荷转移吸收光谐如在-C-R分子中苯环可以作为电子给予体,氧可以作为电子接受体,在光子的作用下产生电荷转移 O C-R 又如在乙醇介质中,将醌与氢醌混合产生暗绿色的分子配合物,它的吸收峰在可见光区电荷转移吸收光诸谱带的最大特点是摩尔吸光系数大,一般E=>104,因此用这类谱带进行定量分析可获得较高的测定灵敏度。 2.配位体场吸收光谱这种谱带是指过渡金属离子与配位体(通常是有机化合物)所形成的配合物在外来辐射作用下,吸收紫外或可见光而得到相应的吸收光谱。元素周期表屮第四第五周期的过渡元素分别含有3d和4d轨道,镧系和锕系元素分别含有4f和5f轨道。这些轨道的能量通常是相等的 (简并的),而当配位体按一定的几何方向配位在金属离子的周围时,使得原来简并的5个d 轨道和7个f轨道分别分裂成儿组能量不等的d轨道和f轨道。如果轨道是未充满的,当它们的离子吸收光能后,低能态的d电子或f电子可以分别跃迁到高能态的d或f轨道上去。这两类跃迁分别称为d-d跃迁和f-跃迁。这两类跃迁必须在配位体的配位场作用下才有可能产生,因此又称为配位场跃迁图24为在八面体场中d轨道的分裂示意图。由于它们的基态与激发态之间的能量差别不大,这类光谱一般位于可见光区.又由于选择规则的限制配位场跃迁吸收谱带的摩尔吸光系数较小,一般m<102.相对来说配位体场吸收光谱较少用于定量分析中,但它可用于研究配合物的结构及无机配合物键合理论等方面图24在八面体场中d轨道的分裂

22 Lambert-Beer定律 (-)透射比和吸光度当一束平行光通过均匀的液体介质时,光的一部分被吸收,一部分透过溶液,还有一部分被器皿表面反射。设入射光强度为l,吸收光强度为la,透射光强度为L,反射光强度为l,则 10=ln+1+ 在吸收光谱分析中,被测溶液和参比溶液一般是分别放在同样材料和厚度的吸收池中,让强度为l的单色光分别通过两个吸收池,再测量透射光的强度。所以反射光的影响可相互抵消,(2.2)式可简化为 1o=1,+i (2.3) 透射光的强度(1)与入射光强度(4)之比称为透射比,用T表示,则有 (24) 溶液的透射比越大,表示它对光的吸收越小;反之,透射比越小,表示它对光的吸收越大。常用吸光度来表示物质对光的吸收程度,其定义为 lg=lg (2.5) A值越大,表明物质对光的吸收越大,透射比和吸光度都是表示物质对光的吸收程度的一种量度,透射比常以百分率表示,称为百分透射比,T%;吸光度为一个无因次的量,两者可由式 (2.5)相互换算。 (二) Lambert-Ber定律 Lambert-Ber定律是光吸收的基本定律,也是分光光度分析法的依据和基础.当入射光波长一定时,溶液的吸光度A是待测物质浓度和液层厚度的函数 Lambert和Bee分别于1760 年和1852年研究了溶液的吸光度与溶液层厚度和溶液浓度之间的定量关系。当用适当波长的单色光照射一固定浓度的溶液时,其吸光度与光透过的液层厚度成正比,此即 Lambert定律,其数学表达式为 (2.6) 式中k为比例系数,为液层厚度(即样品的光程长度). Lambert定律适用于任何非散射的均匀介质。但它不能阐明吸光度与溶液浓度的关系 Ber定律描述了溶液浓度与吸光度之间的定量关系。当用一适当波长的单色光照射厚度定的均匀溶液时,吸光度与溶液浓度成正比,即 A=k c (27) 式中c为溶液浓度,k"为比例系数, 当溶液的浓度(c)和液层的厚度()均可变时,它们都会影响吸光度的数值,合并(26)和 (2.7)两式,得到 Lambert-Beer定律,其数学表达式为式中k为比例系数,它与溶液的性质、温度及入射光波长等因素有关 Lambert-Ber定律的推导如下:根据量子理论,光是由光子所组成的,其能量E=h因 25

a表示,式(28)变为 A=uci 215) a的单位为dm3·g1·cm!.当c以mol·dm3为单位时,k称为摩尔吸光系数;用e表示,单位为dm3mol·cm-,s比a更常用,因为有时吸收光谱的纵坐标用或1g表示,并以最大摩尔吸光系数(επ)表示吸光强度。摩尔吸光系数在特定波长和溶剂的情况下是吸光质点的一个特征常数,在数值上等于吸光物质的浓度为lol·dm-3、液层厚度为lcm时溶液的吸光度。它是物质吸光能力的量度,可作为定性分析的参考和佔量定量分析方法的灵敏度值越大,方法的灵敏度越高。如ε为104数量级时,测定该物质的浓度范围可以达到 106~10-3mol·dm;当ε<103时,其测定范围在10-4~10mol·dm-3左右 E一般是由较稀浓度溶液的吸光度计算求得,由于g值与人射光波长有关,因此在表示某物质溶液的ε时,常用下胸标注明入射光的波长在化合物的组成成分不明的情况下,物质的摩尔质量也不知道,因而物质的量浓度无法确定,就无法使用摩尔吸光系数。在这种情况下可采用比吸光系数这一概念,比吸光系数是指质量分数为1%为1cm时的吸光度值,用4表示。A与c间的关系为 E=0.1M,A 式中M,为吸光物质的相对摩尔质量。四)偏离 Lambert-Ber定律的因素在一均匀休系中,当物质浓度固定肘,吸光度A与样品的光程长l之间的线性关系 ( Lambert定律)总是普遍成立而无一例外。但在l恒定时,吸光度A与浓度c之间的正比关系有时可能失效也就是说会偏离 Lambert-Ber定律。一般以负偏离的情况居多,因而影响了测定的准确度.引起偏离 Lambert-Ber定律的因素很多,通常可归成两类,一类与样品有关,另类则与仪器有关,分别叙述如下与测定样品溶液有关的因素通常只有当溶液浓度小于001mol·dm-3的稀溶液中 Lambert-Ber定律才能成立,在髙浓度时,由于吸光质点间的平均距离缩小,邻近质点彼此的电荷分布会产生相互影响,以致改变它们对特定辐射的吸收能力,即吸光系数发生改变,导致对Ber定律的偏离推导 Lambert-Ber定律时隐含着测定试液屮各组分之间没有相互作用的假设但随着溶液浓度增加,各组分之间的相互作用则是不可避免的。例如,可以发生离解、締合、光化反应、互变异构及配合物配位数变化等作用,会使被测组分的吸收曲线发生明显改变,吸收峰的位置、高度以及光谱精细结构等都会不同,从而破坏了原来的吸光度与浓度的函数关系,偏离了Ber定律溶剂对吸收光谱的影响也很重要。在分光光度法中广泛使用各种溶剂,它会对生色团的吸收峰高度、波长位置产生影响。溶剂还会影响待测物质的物理性质和组成,从而影响其光谱特性包括谱带的电子跃迁类型等当试样为胶体乳状液或有悬浮物质存在时,入射光通过溶液后,有一部分光会因散射而损失,使吸光度增大,对Beer定律产生正偏差.质点的散射强度是与入射光波长的四次方成反比的,所以散射对紫外区的测定影响更大 2.与仪器有关的因素严格讲 Lambert-Ber定律只适用于单色光,但在紫外可见分光光度法中从光源发出的光经单色器分光,为满足实际测定中需有足够光强的要求狭缝必须有一定的宽度。因此,由出射 2

狭缝投射到被测溶液的光,并不是理论上要求的单色光。这种非单色光是所有偏离Beer定律的因素中较为重要的一个。因为实际用于测量的是一小段波长范围的复合光,由于吸光物质对不同波长的光的吸收能力不同,就导致了对Ber定律的负偏离。在所使用的波长范围内, 吸光物质的吸光系数变化越大,这种偏离就越显著。例如,按图26所示的吸收光谱,谱带I的吸光系数变化不大,用谐带I进行分析,造成的偏离就比较小.而谱带 Ⅱ的吸光系数变化较大,用谱带耵进行分析就会造成较大的负偏离。所以通常选择吸光物质的最大吸收波长作为分析波长,这样不仅能保证测定有较高的灵敏度, 而且此处曲线较为平坦,吸光系数变化不大,对Ber定律的偏离程度就比较小.并且在保证一定光强的前提下,应使用尽可能窄的带宽宽度,同时应尽量避免采用图26分析谱带的选择尖锐的吸收峰进行定量分析. 2.3紫外-可见分光光度计 (一)主要组成部件各种型号的紫外-可见分光光度计,就其基本结构来说,都是由五个部分组成(见图 2.7),即光源单色器、吸收池、检测器和信号指示系统单色器检測器信号指示系统吸收池图2.7紫外-可见分光光度计基本结构示意图 1.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的变化应尽可能小。分光光度计中常用的光源有热辐射光源和气体放电光源两类。热辐射光源用于可见光区,如钨丝灯和卤钨灯;气体放电光源用于紫外光区,如氢灯和氘灯钨灯和碘钨灯可使用的范围在340~2500nm,这类光源的辐射能量与施加的外加电压有关,在可见光区,辐射的能量与工作电压的4次方成正比。光电流也与灯丝电压的n次方 (n>1)成正比。因此必须严格控制灯丝电压,仪器必须备有稳压装置在近紫外区测定时常用氢灯和氘灯,它们可在160~375nm范围内产生连续光源。氘灯的灯管内充有氢的同位素氘,它是紫外光区应用最广泛的一种光源,其光谱分布与氢灯类似,但光强度比相同功率的氢灯要大3~5倍 2.单色器单色器是能从光源辐射的复合光中分出单色光的光学装置,其主要功能应该是能够产生光谱纯度高且波长在紫外可见区域内任意可调。单色器一般由入射狭缝准光器(透镜或凹面反射镜使人射光成平行光)色散元件、聚焦元件和出射狭缝等儿部分组成。其核心部分是 28

色散元件,起分光的作用。单色器的性能直接影响入射光的单色性,从而也影响到测定的灵敏度、选择性及校准曲线的线性关系等能起分光作用旳色散元件主要是棱镜和光栅。棱镜有玻璃和石英两种材料。它们的色散原理是依据不同波长光通过棱镜时有不同的折射率而将不同波长的光分开。由于玻璃町吸收紫外光,所以玻璃棱镜只能用于350~3200im的波长范围,即貝能用于可见光域内。石英棱镜可适用的波长范围较宽,可从185~400m,即可用于紫外、可见、近红外三个光域光栅是利用光的衍射与干涉作用制成的。它可用于紫外、可见及近红外光域,而且在整个波长区具有良好的几儿乎均匀一致的分辨能力。它具有色散波长范围宽、分辨木领高、成本低、便于保存和易于制备等优点.缺点是各缴光谱会重叠而产生干扰入射、出射狭缝,透锦及准光镜等光学元件中狭缝在决定单色器性能上起重要作用。狭缝的大小直接影响单色光纯度,但过小的狭缝又会减弱光强 3.吸收池吸收池用于盛放分析试样,一般有石英和玻璃材料两种,石英池适用于可见光区及紫外光区,玻璃吸收池只能用于订见光区。为减少光的反射损失,吸收池的光学面必须完全垂直于光束方向。在髙精度的分析测定中(紫外区尤其重要),吸收池要挑选配对。因为吸收池材料的本身吸光特征以及吸收池的光程长度的精度等对分析结果都有影响 4.检测器检测器的功能是检测光信号、测量单色光透过溶液后光强度变化的一种装置。常用的检测器冇光电池、光电管和光电倍增管等,它们逦过光电效应将照射到检测器上的光信号转变成电信号。对检测器的要求是:在测定的光谱范围内具有高的灵敏度;对辐射能量的响应时间短,线性关系好;对不同波长的辐射响应均相同,且可靠;噪浴水平低,稳定性好等硒光电池对光的敏感范围为300~800m,其中又以500~600nm最为灵敏。这种光电池的特点是能产生可直接推动微安表或检流计的光电流但由于容易出现疲劳效应而只能用于低档的分光光度计中。光电管在紫外-可见分光光度计上应用较为广泛。它的结构是以一弯成半圆柱形的金属片为阴极,阴极的内表面涂有光敏层;在圆柱形的屮心置一金属丝为阳极,接受阴极释放出的电予·两电极密封于玻璃或石英管内并抽成真空。阴极上光敏材料不同光谱的灵敏区也不同。可分为蓝敏和红敏两种光电管,前者是在镍阴极表面上沉积锑和铯,可用于波长范围为 210~625nm;后者是在阴极表面上沉积了银和氧化铯,可用范围为625~1000nm.与光电池比较,它有灵敏度高、光敏范围宽、不易疲劳等优点光电倍增管是检测微弱光最常用的光电元件,它的灵敏度比一般的光电管要高200倍,因此可使用较窄的单色器狭缝,从而对光谱的精细结构有较好的分辨能力。 5.信号指示系统它的作用是放大信号并以适当方式指示或记录下来。常用的信号指示装置有直读检流计、电位调节指零装置以及数宇显示或自动记录装置等。很多型号的分光光度计装配有微处理机,一方面可对分光光度计进行操作控制、另一方面可进行数据处理 (二)紫外-可见分光光度计的类型紫外-可见分光光度计的类型很多,但可归纳为三种类型,即单光束分光光度计、双光束分光光度计和双波长分光光度计

《光学分析法》课程教学资源（教材讲义）第2章 紫外-可见分光光度法

《光学分析法》课程教学资源（教材讲义）第2章紫外-可见分光光度法