第四章_紫外-可见分子吸收光谱法.ppt

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1、第四章第四章紫外紫外-可见分子吸收光谱法可见分子吸收光谱法(UV-VIS spectrometry)(UV-VIS spectrometry)第一节第一节 概述概述一、分子吸收光谱分析的发展概况一、分子吸收光谱分析的发展概况可见可见-紫外紫外-红外红外目视比色目视比色-光电比色光电比色-分光光度分光光度光声光谱光声光谱-长光程吸收光谱长光程吸收光谱-传感器传感器二、分子吸收光谱的分类和特征二、分子吸收光谱的分类和特征紫外紫外-可见可见电子光谱电子光谱 Ee=1-20 eV红外红外振动光谱振动光谱0.05-1远红外远红外转动光谱转动光谱0.005-0.05a b cRoRoRoVoV1EoE1E

2、电子能级V振动能级R转动能级分子的电子光谱的特点：在波长范围内按一定强度分布的谱带带光谱带光谱 波长位于紫外紫外-可见区可见区A/nmHCN NN NCH对称四嗪水中环己烷中蒸汽中500555分子在不同环境中的谱带形状p可进行分子的定性和定量分析p可用于一些物理化学常数的测定（如平衡常数等）p仪器结构简单、价格便宜p应用范围广泛（无机离子、有机化合物、生物大分子分析等）三、分子吸收光谱的特点一、吸收光谱与分子结构一、吸收光谱与分子结构1、有机化合物的吸收光谱、有机化合物的吸收光谱根据分子轨道理论，分子中的电子轨道有根据分子轨道理论，分子中的电子轨道有 n、和和 三种三种 *n第二节第二节 紫外

3、紫外-可见分子吸收光谱的理论基础可见分子吸收光谱的理论基础反键轨道非键轨道成键轨道 *跃迁跃迁 能量很大能量很大 吸收光谱在真空紫外区吸收光谱在真空紫外区 多为饱和烃多为饱和烃甲烷甲烷125 nm乙烷乙烷135 nmn *跃迁跃迁 所需能量小于所需能量小于 *跃迁（跃迁（150-250 nm）含有未共用电子对（含有未共用电子对（n电子）原子的饱和化合物都可发生电子）原子的饱和化合物都可发生跃迁的摩尔吸光系数比较小，一般在跃迁的摩尔吸光系数比较小，一般在100-3000 L/mol cm化合物化合物 max maxH2O1671480CH3OH184150CH3Cl173200(CH3)2O18

4、42520 *和和 n *跃迁跃迁 *和和 n *跃迁能量低（跃迁能量低（200 nm）含有不饱和键的有机分子易发生这类跃迁含有不饱和键的有机分子易发生这类跃迁 C=C C=C ;N=N ;C=O 有机化合物的紫外有机化合物的紫外-可见吸收光谱分析多以这两类可见吸收光谱分析多以这两类跃迁为基础跃迁为基础 *比比 n *跃迁几率大跃迁几率大 100-1000 倍倍 *跃迁吸收强，跃迁吸收强，104 n *跃迁吸收弱，跃迁吸收弱，500生色团生色团 含有含有 键不饱和官能团键不饱和官能团助色团助色团 基团本身无色，但能增强生色团颜色基团本身无色，但能增强生色团颜色 为含有为含有n电子，且能与电子，

5、且能与 电子作用，电子作用，产生产生n 共轭共轭184204254270苯（*）苯酚（OH为助色团）A/nm影响紫外-可见光谱的因素共轭效应：电子共轭体系增大，波长红移、吸收增强；取代基影响：能够引起电子永久性转移的取代基使波长红移（助色团）；溶剂影响：一般情况下分子的激发态极性大于基态，因此溶剂极性增大有利于激发态稳定，能量降低，波长红移。2、无机化合物的吸收光谱、无机化合物的吸收光谱d-d 电子跃迁电子跃迁绝大多数过渡金属离子都具有未充满的绝大多数过渡金属离子都具有未充满的 d 轨道，轨道，按照晶体场理论，当它们在溶液中与水或其它配体生成按照晶体场理论，当它们在溶液中与水或其它配体生成配合

6、物时，受配体配位场的影响，原来能量相同的配合物时，受配体配位场的影响，原来能量相同的 d轨道轨道发生能级分裂，产生发生能级分裂，产生 d-d 电子跃迁。电子跃迁。配体配位场越强，配体配位场越强，d 轨道分裂能越大，吸收波长越轨道分裂能越大，吸收波长越短。短。（f-f 跃迁与此类似）跃迁与此类似）没有配位场没有配位场八面体配位场八面体配位场dxy dxx dyzdx2 dx2-y2 E例如：例如：H2O 配位场配位场 NH3 配位场配位场Cu 2+水合离子水合离子 794 nm浅蓝色浅蓝色Cu 2+氨合离子氨合离子663 nm深蓝色深蓝色电荷转移跃迁电荷转移跃迁电子接受体电子接受体电子给予体电子

7、给予体配合物中一方电子向主要属于另一方的轨道跃迁配合物中一方电子向主要属于另一方的轨道跃迁电荷转移跃迁的摩尔吸光系数都很大（电荷转移跃迁的摩尔吸光系数都很大（10000以上）以上），因此利用配合物可建立灵敏的分析方法。例如，因此利用配合物可建立灵敏的分析方法。例如Fe（III）-SCN 配合物配合物金属离子影响下的配体金属离子影响下的配体 *跃迁跃迁金属离子与有机物配合后使配体的共轭结构发生变金属离子与有机物配合后使配体的共轭结构发生变化，导致吸收光谱蓝移或红移。化，导致吸收光谱蓝移或红移。偶氮氯瞵偶氮氯瞵III偶氮氯瞵偶氮氯瞵IIIU（VI）配合物配合物500 600 700/nmA小结：小

8、结：分子结构分子结构光谱特征光谱特征定性分析定性分析n不同结构的分子由于共轭程度不同，分子吸收的特征不同；n相同共轭结构的分子骨架，因助色团的加入或改变，导致光谱位移和吸收系数变化；n相同配体，因过渡金属离子不同，导致配位场的变化或电荷转移跃迁，或配体共轭结构的变化，光谱发生变化IoIbSdx二、吸收定律（定量分析的基础）IxdIxdIxIx吸收光强入射光强吸收率任一截面的吸收率adnds=adn截面为S的区域内俘获光的有效面积从分子吸收的角度考虑因此俘获光的几率应为：因此俘获光的几率应为：a1dn1dn2dn3a3a2ds=a1dn1+a2dn2+a3dn3令 i=0.4343NaiAi=i

9、 b ci 如果吸光介质内只有一种吸光分子A=b c定量分析的依据二、吸收定律的适用性与限制二、吸收定律的适用性与限制1、吸收定律具有加和性，即、吸收定律具有加和性，即 1 2 A1A2A2、吸收定律只适合单色光、吸收定律只适合单色光设设当1=2=当当时，出现偏离时，出现偏离AC011+2特别是存在非吸收线(或吸收很小,杂散光)和浓度较大时，I变的 很小，I i=常数 AiI0350 380CrO4 2-Cr2O7 2-/nmA03、吸收定律因化学反应而偏离、吸收定律因化学反应而偏离因解离等原因，被测物并不都以对特定频率辐射因解离等原因，被测物并不都以对特定频率辐射吸收有效的形态存在，导致吸收

10、定律的偏离。吸收有效的形态存在，导致吸收定律的偏离。三、紫外三、紫外-可见吸收光谱的灵敏度可见吸收光谱的灵敏度 =0.4343 N aiai=1x10-15 cm2N=6.02x 1023因为因为 为摩尔吸光系数为摩尔吸光系数 ai 的单位是的单位是 cm2（cm3 是是 ml,变成变成L除除1000）所以所以 =0.4343 N ai=0.4343 x 6.02x 1023 x 1x10-15/1000=105若若1%吸收吸收A=0.0044b=1C=A 0.0044 b 100000=4.4 x 10-8(M)此即为方法的理论灵敏度此即为方法的理论灵敏度思考题UV-VIS的理论灵敏度为为

11、4.4 x 10-8 M，这一极限值能够从哪几个方，这一极限值能够从哪几个方面突破？请你提出有效的方法。面突破？请你提出有效的方法。第三节第三节紫外紫外-可见分光光度计可见分光光度计一、基本结构一、基本结构光源光源单色器单色器狭狭缝缝样品室样品室检测器检测器讨论：与原子吸收光谱仪比较：讨论：与原子吸收光谱仪比较：光源的单色性光源的单色性 单色器单色器 样品室样品室 检测器检测器1、光源、光源 钨丝灯钨丝灯 卤钨灯卤钨灯 氢灯和氘灯氢灯和氘灯山山气灯气灯100 400 800 1 4 8 10 m山山气灯气灯钨丝灯钨丝灯相对辐射功率D2 灯H2 灯200 250 300/nm相对辐射功率2、单色

12、器、单色器光栅光栅棱镜棱镜与原子吸收要求类似与原子吸收要求类似3、检测器、检测器光电被增管光电被增管 CCD4、样品室、样品室1 cm5 cm石英石英 玻璃玻璃二、紫外二、紫外-可见分光光度计可见分光光度计1、单光束仪器、单光束仪器HW红蓝S1S2单光束仪器的缺点：单光束仪器的缺点：操作麻烦：操作麻烦：空白空白IO样品样品I任一波长任一波长 不能进行吸收光谱的自动扫描不能进行吸收光谱的自动扫描光源不稳定性影响测量精密度光源不稳定性影响测量精密度2、双光束仪器、双光束仪器IOI双光束仪器的特点和不足：双光束仪器的特点和不足：测量方便，不需要更换吸收池测量方便，不需要更换吸收池 补偿了仪器不稳定性

13、的影响补偿了仪器不稳定性的影响 实现了快速自动吸收光谱扫描实现了快速自动吸收光谱扫描 不能消除试液的背景成分吸收干扰不能消除试液的背景成分吸收干扰3、双波长仪器、双波长仪器切光器 1 2/nmA0200 300 400待测成分待测成分干扰成分干扰成分 1 2(1)消除消除光谱重叠干扰光谱重叠干扰A 1=Aa 1+Ai 1 A 2=Aa 2+Ai 2 Ai 1=Ai 2 A=Aa 2-Aa 1=（a 1-a 2）bCa消除了共存组分的干扰消除了共存组分的干扰双波长仪器能否消除背景干扰？双波长仪器能否消除背景干扰？A 1=lg I0/I1=1bC+AbA 2=lg I0/I2=2bC+Ab式中式中

14、 Ab 为为背景吸收或干扰物质的吸收背景吸收或干扰物质的吸收若波长选择合适，若波长选择合适，1和和 2处处 Ab相同相同则则 A=lg I1/I2=（1-2）bC因此因此测量两波长测量两波长吸光度之差，就吸光度之差，就消除了背景吸收消除了背景吸收的干扰。的干扰。(3)进行导数光谱测定进行导数光谱测定 AAA=b CdA d=bCd d （1）灵敏度取决于）灵敏度取决于d /d ，拐点拐点d /d 最最大，灵敏度最高；大，灵敏度最高；（2）d /d =0 为吸为吸收曲线极大值；收曲线极大值；（3）两个重叠度很大）两个重叠度很大的曲线的导数曲线有可的曲线的导数曲线有可能区别开。能区别开。/nmA/

15、nmA0200 300 400 1 2 3（4）多组分混合物中各组分分别测定多波长分光光度法A1=11C1+12C2+13C3 A2=21C1+22C2+23C3A3=31C1+32C2+33C3ij为在波长i测定组分j的摩尔吸光系数Ai 为在波长i测得该体系的总吸光度解上联立方程可求出待测物浓度C1、C2、C3一、络和物组成的测定一、络和物组成的测定摩尔比率法摩尔比率法等摩尔系列法等摩尔系列法斜率比法斜率比法平衡移动法平衡移动法第四节第四节紫外紫外-可见分光光度法的应用可见分光光度法的应用定性分析与定量分析（略）摩尔比率法测定络和比：摩尔比率法测定络和比：mM+nR MmRn配制：不同配制：

16、不同CR/CM的系列溶液：如的系列溶液：如CR/CM=1，2，3，n分别测吸光度：分别测吸光度：A1,A2,A3An,作作A CR/CM曲线曲线ACR/CM0D络和比M未被完全络和有过量的RA0A 若络合物稳定性差，络合物解离使吸光度下降，转折若络合物稳定性差，络合物解离使吸光度下降，转折不明显，据此可以测定络合物不稳定常数。不明显，据此可以测定络合物不稳定常数。设：络合物解离度为设：络合物解离度为 ，不解离时转折处浓度为，不解离时转折处浓度为 CCMmRn=(1-)CCM=m CCR =n C则络合物不稳定常数为则络合物不稳定常数为 =A0-AA0K=CMmCRn (m C)m(n C)n

17、mmnn m+n Cm+n-1CMmCRn(1-)C1-=二、酸碱离解常数的测定二、酸碱离解常数的测定HBH+B-Ka=H+B-HB(1)pKa=pH+lgHBB-设：设：b=1cmA=A HB+AB-A=HB（c-B-)+B-B-=HBc+B-(B-HB)同样由（同样由（2）得：）得：A=HBHB+B-(c-HB)=B-c+HB(HB-B-)B-=HBA-HB c B-则：则：A=A HB+AB-=HBHB+B-B-(2)HB=B-c-A B-HB(3)(4)将（将（3）（）（4）代入（）代入（1）中：）中：Ka=H+B-HBC=HB+B-Ka=H+(A-HB c)B-c-AA HB=HB

18、cAB-=B-c定义：定义：A-AHBKa=H+AB-ApKa=pH+lgA-AHBAB-A三、测量误差三、测量误差0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0相对误差T只有当则测量误差最小，此时-logT=log e=0.434=A即吸光度为0.434时，浓度测量才具有最小相对误差。四、紫外-可见分子吸收光谱的发展1、光声光谱激光光源吸收池光声传感器记录装置不仅可用于液体样品、也可用于固体样品二、长光程紫外-可见分光光度计激光光源吸收池记录装置双叉光纤光导纤维传感器第五节第五节荧光、磷光和化学发光分析法荧光、磷光和化学发光分析法（Fluorescence，phosphorescence and

19、 chemiluminescence analysis）一、理论基础一、理论基础1、分子发射光谱与分子能级结构、分子发射光谱与分子能级结构吸光吸光无辐射跃迁系间跨越单重线态三重线态荧光磷光E0E1E2振动弛豫（1）分子吸收光谱与分子荧光光谱）分子吸收光谱与分子荧光光谱吸光荧光250300350400450蒽乙醇溶液吸收和荧光光谱相对强度300 400 500相对强度荧光光谱与吸收光谱镜像对称荧光光谱较吸收光谱简单硫酸奎宁在稀硫酸中的荧光光谱与吸收光谱（2）荧光量子产率（荧光效率）荧光量子产率（荧光效率）发荧光的两个必要条件发荧光的两个必要条件 分子能吸收光子而跃迁至激发态分子能吸收光子而跃迁至

20、激发态 激发态分子能以光的形式释放能量激发态分子能以光的形式释放能量荧光效率（荧光效率（f）=发出光子数发出光子数吸收光子数吸收光子数如果一个分子将吸收的光子全部如果一个分子将吸收的光子全部释放，则其量子产率为释放，则其量子产率为100%。化合物化合物 荧光效率荧光效率溶剂溶剂荧光素荧光素0.92（0.1MNaOH）曙红曙红0.19（0.1MNaOH）罗丹明罗丹明B0.97（乙醇）乙醇）蒽蒽0.31（己烷）（己烷）核黄素核黄素0.26（水，（水，pH7）菲菲0.10（乙醇）（乙醇）萘萘0.12（乙醇）（乙醇）酚酚0.22（水）（水）叶绿素叶绿素0.32（苯）（苯）某些化合物的荧光效率某些化合物

21、的荧光效率（3）量子产率与分子结构）量子产率与分子结构荧光通常发生在具有荧光通常发生在具有刚性刚性结构和结构和平面平面结构的结构的-电子共轭体系分子中，任何有利于提高电子共轭体系分子中，任何有利于提高-电子共电子共轭度的结构改变，都将提高荧光轭度的结构改变，都将提高荧光量子产率，或使荧量子产率，或使荧光波长向长波长方向移动。光波长向长波长方向移动。化合物化合物荧光效率荧光效率平均波长平均波长苯苯0.07283联苯联苯0.18316对联三苯对联三苯0.93342化合物化合物荧光效率荧光效率平均波长平均波长苯苯0.07283萘萘0.23334蒽蒽0.36402苯苯0.07283甲苯甲苯0.1728

22、5乙苯乙苯0.182862、荧光定量分析基础荧光定量分析基础If=fIa=f(Io-I)If:荧光强度 Io:所吸收的辐射强度；f：荧光效率（1）荧光强度与浓度）荧光强度与浓度将指数展开：将指数展开：如果吸光度如果吸光度A 0.05,A 紫外紫外-可见吸收光谱光源强度可见吸收光谱光源强度激光诱导荧光Laser Induced fluorescence低压汞灯：254 nm2、单色器、单色器滤光片滤光片棱镜棱镜光栅光栅400 500600nmRelative FL IntensityEXEMWavelength/Stocks位移标准1样品2Wavelength/If荧光光谱If1 1A1 If2

23、 2A2=量子产率的测定量子产率的测定1A1 If1 2A2 If2=奎宁在0.1M的硫酸中荧光量子产率的绝对值为0.55。荧光分析的缺点散射光影响（3）荧光分析的特点）荧光分析的特点p灵敏度高灵敏度高p选择性好选择性好p仪器简单仪器简单p应用范围广应用范围广磷光分析的仪器磷光分析的仪器光源检测器贝克勒耳圆盘低温磷光分析低温磷光分析固体基质室温磷光分析固体基质室温磷光分析保护流体室温磷光分析保护流体室温磷光分析无保护流体室温磷光分析无保护流体室温磷光分析磷光分析的缺点仪器复杂，需要固体基质或保护化学发光分析的仪器化学发光分析的仪器记录器EXEXEMEMDevelopment of nanopa

24、rticle labels to DNA and Protein-chipsChemiluminescence Sensors based on Enhanced emission on Rare-earth doped nanoparticlesCL Spectrum of Tb-doped and CL Spectrum of Tb-doped and pure Zrpure ZrO2 dopeddopedpurepureFluorescence Spectrum of Fluorescence Spectrum of TbTbnmnmnmnmZhenyuZhenyu Zhang,et a

25、l,submitted to Anal.Chem.Zhang,et al,submitted to Anal.Chem.Apparatus Apparatus Schematic diagram of CL sensor based on Schematic diagram of CL sensor based on nanoparticlesnanoparticlesChinese Patent No.02103614.1,2001Chinese Patent No.02103614.1,2001Gas inCeramic substratenanoparticlesHeater controllerElectric wiresGas outQuartz tube