1、 第九章第九章 紫外吸收光谱分析紫外吸收光谱分析 ultraviolet spectrometry,UV主要内容主要内容 9.1 分子吸收光谱分子吸收光谱 9-2 有机物的紫外吸收光谱有机物的紫外吸收光谱 9-3 无机物的紫外及可见光吸收光谱无机物的紫外及可见光吸收光谱 9.4 溶剂对紫外吸收光谱的影响溶剂对紫外吸收光谱的影响(溶剂效应溶剂效应)9.5 紫外及可见光分光光度计紫外及可见光分光光度计 9.6 紫外吸收光谱的应用紫外吸收光谱的应用 光分析方法的分类光分析方法的分类classification of electrochemical analysis光分析法光分析法原子吸收法原子吸收法
2、红外法原子发射法原子发射法核磁法荧光法紫外可见法分子光谱分子光谱原子光谱原子光谱第九章第九章 紫外吸收光谱分析紫外吸收光谱分析 ultraviolet spectrometry,UV 9.1 9.1 分子吸收光谱分子吸收光谱 一、一、分子内部的运动及分子能级分子内部的运动及分子能级 1.1.物质分子内部物质分子内部三种运动形式三种运动形式：（1）电子相对于原子核的运动；）电子相对于原子核的运动；（2）分子内原子在平衡位置附近的振动；）分子内原子在平衡位置附近的振动；（3）分子本身绕其重心的转动。）分子本身绕其重心的转动。2.2.三种不同能级三种不同能级分子具有三种不同能级：电子能级、振动能级分
3、子具有三种不同能级：电子能级、振动能级和转动能级。和转动能级。三种能级都是量子化的，具有相应的能量。三种能级都是量子化的，具有相应的能量。分子的内能：电子能量分子的内能：电子能量E Ee e、振动能量、振动能量E Ev v、转、转动能量动能量E Er,r,即即:E EE Ee+e+E Ev+v+E Er 9.1 r 9.1 eevvr r 构成物质的分子一直处于运动状态，包括构成物质的分子一直处于运动状态，包括电子相对于原子核的运动，对应于电子能级，电子相对于原子核的运动，对应于电子能级，能级跃迁产生能级跃迁产生紫外、可见光谱紫外、可见光谱；原子核在其平衡位置附近的振动，对应于原子核在其平衡位
4、置附近的振动，对应于振动能级，能级跃迁产生振动能级，能级跃迁产生振动光谱振动光谱；分子本身绕其重心的转动，对应于转动能分子本身绕其重心的转动，对应于转动能级，能级跃迁产生级，能级跃迁产生转动光谱转动光谱。分子的总能量由以下几种能量组成：分子的总能量由以下几种能量组成：EEe+Ev+Er 分子从外界吸收能量后，就能引起分子能级的跃分子从外界吸收能量后，就能引起分子能级的跃迁，即从基态能级跃迁到激发态能级。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，即分子吸收能量具有量子化的特征，即分子只能分子只能吸收等于二个能级之差的能量吸收等于二个能级之差的能量：=E=E2 2E E1 1
5、=h=hc/=h=hc/9.2 9.2 式中，式中，E E2 2,E,E1 1分别为高能级、低能级的能量，分别为高能级、低能级的能量，h h为普朗克为普朗克(Planck)(Planck)常数常数，h h=6.6256=6.62561010-34-34js js；v v 及及分别为所发射电磁波的频率及波长，分别为所发射电磁波的频率及波长，c c为光为光在真空中的速度在真空中的速度,c=2.997,c=2.99710101010cmscms-1-1。=E=E1 1E E2 2=h=hc/=h=hc/9.2 9.2 根据根据9-29-2式可计算某能量对应的波长，或某波长式可计算某能量对应的波长，或
6、某波长对应的能量，如对应的能量，如5eV5eV对应的波长计算：对应的波长计算：已知已知h=h=6.6266.626 10103434js=4.136js=4.13610101515eVs eVs c=2.997 c=2.99710101010cmscms1 1 =hchc/EE =4.136 =4.13610101515eVseVs2.9972.99710101010cmscms1 1/5eV/5eV =2.48 =2.48 10105 5cm=248nmcm=248nm 1eV 1eV=1.60221.6022 10101919j j能级跃迁 电子能级间跃迁电子能级间跃迁的同时，总伴随有的同
7、时，总伴随有振动和转动能级间振动和转动能级间的跃迁。即电子光的跃迁。即电子光谱中总包含有振动谱中总包含有振动能级和转动能级间能级和转动能级间跃迁产生的若干谱跃迁产生的若干谱线而呈现宽谱带线而呈现宽谱带。(P271/(P271/图图9-1)9-1)讨论：（1 1）电子能级的能量差电子能级的能量差e e较大，为：较大，为：1 120eV20eV。电子跃迁产生的吸收光谱在紫外电子跃迁产生的吸收光谱在紫外可见光区（可见光区（200-200-780780nm），称紫外），称紫外可见光谱或分子的电子光谱；可见光谱或分子的电子光谱；（2 2）振动能级的能量差振动能级的能量差v v约为：约为：0.0250.0
8、25eVeV，跃迁产生的吸收光谱位于红外区，称红外光谱或分子跃迁产生的吸收光谱位于红外区，称红外光谱或分子振动光谱；振动光谱；P272P272表表9-1 9-1 电磁波谱电磁波谱 讨讨 论论讨论：（3 3）转动能级间的能量差转动能级间的能量差r r：0.0050.0050.025eV0.025eV，跃迁产生吸收光谱位于远红外区。称，跃迁产生吸收光谱位于远红外区。称远红外光谱或分子转动光谱。远红外光谱或分子转动光谱。9-2 9-2 有机化合物的紫外吸收光谱有机化合物的紫外吸收光谱 ultraviolet spectrometry of organic compounds 一、一、紫外紫外可见吸收
9、光谱可见吸收光谱 有机化合物的紫外有机化合物的紫外可见吸收光谱是三种价电子跃可见吸收光谱是三种价电子跃迁的结果：迁的结果：键电子、键电子、键电子、键电子、n n键键电子。电子。分子轨道理论：分子轨道理论：成键轨道成键轨道反键轨道。反键轨道。s sp p *s s*RKE,Bnp p ECOHnp ps sH有机物的紫外吸收光谱（续）有机物的紫外吸收光谱（续）当外层电子吸收一定的能量当外层电子吸收一定的能量后，就从基态跃迁到后，就从基态跃迁到激发态，此时电子所占得轨道称为反键轨道，激发态，此时电子所占得轨道称为反键轨道，反键轨反键轨道能量更高道能量更高。主要的四种跃迁所需能量主要的四种跃迁所需能
10、量由小到大顺序为：由小到大顺序为：n n n n 10104 4Lmol1cm1FeFe2+2+与邻菲罗啉配合物（与邻菲罗啉配合物（1,10-1,10-邻二氮菲）邻二氮菲）的紫外吸收光谱属于荷移光谱。的紫外吸收光谱属于荷移光谱。二、配位场跃迁二、配位场跃迁 元素周期表第四、五周期的过渡金属元素分别元素周期表第四、五周期的过渡金属元素分别含有含有3d3d和和4d 4d 轨道，镧系、锕系元素分别含有轨道，镧系、锕系元素分别含有4f4f和和5f5f轨道。在配体的作用下轨道。在配体的作用下,过渡元素过渡元素五个能量相等五个能量相等的的d d 轨道轨道和和镧系、锕系元素的七个能量相等的镧系、锕系元素的七
11、个能量相等的f f 轨轨道道分别裂分成几组能量不等的分别裂分成几组能量不等的d d轨道和轨道和f f轨道轨道，吸收，吸收光后，产生光后，产生d d一一d d、f f 一一f f 跃迁。跃迁。由于由于d-dd-d跃迁和跃迁和f-ff-f跃迁必须在配体的配位场作跃迁必须在配体的配位场作用下才有可能产生，因此称之为用下才有可能产生，因此称之为配位场跃迁配位场跃迁。9.4 9.4 溶剂对紫外吸收光谱的影响溶剂对紫外吸收光谱的影响(溶剂效应溶剂效应)有些溶剂，特别是极性溶剂，对溶质吸收峰的有些溶剂，特别是极性溶剂，对溶质吸收峰的波长、强度及形状可能产生影响。波长、强度及形状可能产生影响。（表（表9-59
12、-5）p p p p*跃迁：极性由小跃迁：极性由小大，大，红移红移；n p p*跃迁：极性由小跃迁：极性由小大，大，兰移兰移；溶剂的影响1：乙醚乙醚2：水水12250300苯酰丙酮 非极性非极性 极性极性p p p p*跃迁：跃迁：红移红移；n p p*跃迁：跃迁：兰移兰移；极性溶剂使精细结构消失 (p280图图9-7)溶剂效应的成因：溶剂效应的成因：1.1.溶剂和溶质间形成氢键；溶剂和溶质间形成氢键；2.2.溶剂的偶极使溶质的极性增强，引起溶剂的偶极使溶质的极性增强，引起nn及及吸收带吸收带的迁移。的迁移。3.3.溶剂除了对吸收波长有影响外，还影响吸收强度和精细结构。溶剂除了对吸收波长有影响
13、外，还影响吸收强度和精细结构。例：苯酚的例：苯酚的B B吸收带的吸收带的 精细结构精细结构在非极性在非极性溶剂庚烷中清晰可见，溶剂庚烷中清晰可见，而在极性溶剂中完全消失而在极性溶剂中完全消失 (图图9-79-7）。）。应选择极性较小的溶剂。应选择极性较小的溶剂。表表9-69-6溶剂使用最低波长极限溶剂使用最低波长极限9.5 9.5 紫外及可见光分光光度计紫外及可见光分光光度计 构造：与可见光光度计相似（图构造：与可见光光度计相似（图9-89-8）仪器仪器 紫外紫外-可见分光光度计可见分光光度计一、基本组成一、基本组成 general process光源光源单色器单色器样品室样品室检测器检测器显
14、示显示1.1.光源光源 在整个紫外光区或可见光谱区可以发射连续光谱，具在整个紫外光区或可见光谱区可以发射连续光谱，具有足够的辐射强度、较好的稳定性、较长的使用寿命。有足够的辐射强度、较好的稳定性、较长的使用寿命。可见光区：钨灯作可见光区：钨灯作为光源，其辐射波长范为光源，其辐射波长范围在围在3203202500 nm2500 nm。紫外区：氢、氘灯。紫外区：氢、氘灯。发射发射185185400 nm400 nm的连的连续光谱。续光谱。2.2.单色器单色器 将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出一任将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出一任波长单色光的光学系统。波长单色光的光学系统。入射
15、狭缝：光源的光由此进入单色器；入射狭缝：光源的光由此进入单色器；准光装置：透镜或反射镜使入射光成为平行光束；准光装置：透镜或反射镜使入射光成为平行光束；色散元件：将复合光分解成单色光；棱镜或光栅；色散元件：将复合光分解成单色光；棱镜或光栅；聚焦装置：透镜或凹聚焦装置：透镜或凹面反射镜，将分光后所得面反射镜，将分光后所得单色光聚焦至出射狭缝；单色光聚焦至出射狭缝；出射狭缝。出射狭缝。3.3.样品室样品室 样品室放置各种类型的吸收池样品室放置各种类型的吸收池（比色皿）和相应的池架附件。吸（比色皿）和相应的池架附件。吸收池主要有石英池和玻璃池两种。收池主要有石英池和玻璃池两种。在紫外区须采用石英池紫
16、外区须采用石英池，可见区一可见区一般用玻璃池。般用玻璃池。4.4.检测器检测器 利用光电效应将透过吸收池的利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号，常用的光信号变成可测的电信号，常用的有光电池、光电管或光电倍增管有光电池、光电管或光电倍增管。5.5.结果显示记录系统结果显示记录系统 检流计、数字显示、微机进行检流计、数字显示、微机进行仪器自动控制和结果处理仪器自动控制和结果处理光路图小小 结结光源：钨丝灯及氢灯（或氘灯），光源：钨丝灯及氢灯（或氘灯），可见光区用钨丝灯可见光区用钨丝灯；紫外光区用氢灯或氘灯。紫外光区用氢灯或氘灯。比色皿：比色皿：用石英比色皿用石英比色皿（因为玻璃会吸收紫
17、外光）（因为玻璃会吸收紫外光）单色器：石英棱镜或光栅。单色器：石英棱镜或光栅。检测器：用两只光电管；或光电倍增管；检测器：用两只光电管；或光电倍增管；氧化铯光电管用于氧化铯光电管用于625-1000nm625-1000nm；锑铯光电管用于锑铯光电管用于200-625nm200-625nm。现代仪器在主机中装有现代仪器在主机中装有处理机或外接处理机或外接微型计算机微型计算机，控制仪器操作和处理测量数据，控制仪器操作和处理测量数据，组装有组装有屏幕显示、打印机和绘图仪屏幕显示、打印机和绘图仪等。采用等。采用光电二极管阵列检测器构成的二极管阵列分光电二极管阵列检测器构成的二极管阵列分光光度计，在全部
18、波长（光光度计，在全部波长（200-900nm200-900nm）范围）范围内可同时内可同时快速检测快速检测（0.11s0.11s），使液相色），使液相色谱不停流检测，谱不停流检测，应用于化学反应及反应动力应用于化学反应及反应动力学研究。学研究。9.6 9.6 紫外吸收光谱的应用紫外吸收光谱的应用 紫外吸收光谱具有一些突出特点紫外吸收光谱具有一些突出特点,可用于在紫外可用于在紫外区有吸收峰的物质的鉴定及结构分析，区有吸收峰的物质的鉴定及结构分析，如如有机化合有机化合物的分析和鉴定，同分异构体的鉴别，物质物的分析和鉴定，同分异构体的鉴别，物质结构的测定等。结构的测定等。物质的紫外吸收光谱基本上是
19、其分子中物质的紫外吸收光谱基本上是其分子中生色团生色团及助色团的特性，及助色团的特性，而不是它的整个分子的特性而不是它的整个分子的特性。单根据紫外光谱不能完全决定物质的分子结构，单根据紫外光谱不能完全决定物质的分子结构，还须与还须与IRIR、MNRMNR、MSMS及其他化学的和物理化学的方法及其他化学的和物理化学的方法配合起来，才能得出可靠的结论。配合起来，才能得出可靠的结论。二、定性分析二、定性分析：1.1.以紫外吸收光谱鉴定有机化合物时，通常是以紫外吸收光谱鉴定有机化合物时，通常是在相同的测定条件下，在相同的测定条件下，比较未知物与已知标准物的比较未知物与已知标准物的紫外光谱图紫外光谱图，
20、若两者的谱图相同，则可认为待测试若两者的谱图相同，则可认为待测试样与已知化合物具有相同的生色团；样与已知化合物具有相同的生色团；2.2.比较比较max max 与与的一致性的一致性 紫外光谱主要是由分子内的发色基团所产生的，紫外光谱主要是由分子内的发色基团所产生的，具有相同发色基团的不同分子结构，在较大分子中具有相同发色基团的不同分子结构，在较大分子中吸收光谱形状变化不大，但吸收光谱形状变化不大，但差别较大。差别较大。max max，maxmax都相同，可能是一个化合物；都相同，可能是一个化合物；标准谱图库：标准谱图库：4600046000种化合物紫外光谱的标准谱种化合物紫外光谱的标准谱图图T
21、he sadtler standard spectra,Ultraviolet The sadtler standard spectra,Ultraviolet 二、有机化合物分子结构的推断二、有机化合物分子结构的推断 1.1.根据化合物的紫外及可见区吸收光谱可以推测化合根据化合物的紫外及可见区吸收光谱可以推测化合物所含的官能团。物所含的官能团。220-800nm220-800nm：无吸收峰，可能是脂肪族碳氢化合物、胺、无吸收峰，可能是脂肪族碳氢化合物、胺、腈、醇、羧酸、氯代烃和氟代烃，不含双键或环状共轭体腈、醇、羧酸、氯代烃和氟代烃，不含双键或环状共轭体系，没有醛、酮或溴、碘等基团。系，没有
22、醛、酮或溴、碘等基团。210210250nm250nm：有强吸收峰，则可能含有有强吸收峰，则可能含有2 2个共轭双键；个共轭双键；260260350nm350nm：有强吸收峰，则说明该有机物含有强吸收峰，则说明该有机物含3 3个共轭个共轭双键；（双键；（3-53-5个）个）270-350nm270-350nm：吸收峰很弱而无其他强吸收峰，则说明只含吸收峰很弱而无其他强吸收峰，则说明只含非共轭的具有非共轭的具有n n电子的生色团；电子的生色团；250-300nm250-300nm：中等强度吸收带且有一定的精细结构，则表示：中等强度吸收带且有一定的精细结构，则表示有苯环的特征吸收；有苯环的特征吸收
23、；2.2.对某些同分异构体进行判别对某些同分异构体进行判别例如：乙酰乙酸乙酯存例如：乙酰乙酸乙酯存在酮在酮-烯醇互变异构体，烯醇互变异构体，酮式酮式没有共轭双键，没有共轭双键，它在它在204nm204nm处仅有弱吸处仅有弱吸收；收；烯醇式烯醇式有共轭双有共轭双键，因此在键，因此在245nm245nm处有处有强的强的K K吸收带。吸收带。H3CCH2CCOEtOOH3CCHCCOEtOHO 酮式：酮式：max=204 nmmax=204 nm；无共轭；无共轭 烯醇式：烯醇式：max=245 nmmax=245 nm，有共轭，有共轭立体结构和互变结构的确定立体结构和互变结构的确定CCHHCCHH顺
24、 式：顺 式：m a xm a x=2 8 0 n m=2 8 0 n m；maxmax=10500=10500反式：反式：m a xm a x=295.5 nm=295.5 nm；maxmax=29000=29000共平面产生最大共轭效应，共平面产生最大共轭效应，maxmax大大 结论：紫外吸收光谱可提供识别未知物分子中紫外吸收光谱可提供识别未知物分子中可能具有的生色团、助色团以及估计共轭程可能具有的生色团、助色团以及估计共轭程度的信息，这对有机化合物结构的推断和鉴度的信息，这对有机化合物结构的推断和鉴别很有用，这就是吸收光谱的最重要应用。别很有用，这就是吸收光谱的最重要应用。三、纯度检查三
25、、纯度检查 紫外吸收灵敏度很高，可检测化合物中所紫外吸收灵敏度很高，可检测化合物中所含微量的具有紫外吸收的杂质。含微量的具有紫外吸收的杂质。1.1.如果化合物在紫外区没有吸收峰，而其如果化合物在紫外区没有吸收峰，而其中的杂质有较强吸收，就可检出该化合物中的中的杂质有较强吸收，就可检出该化合物中的痕量杂质。痕量杂质。例子：检定甲醇或乙醇中的杂质苯，可利用苯例子：检定甲醇或乙醇中的杂质苯，可利用苯在在256nm256nm处的处的B B吸收带，而甲醇或乙醇在吸收带，而甲醇或乙醇在256nm256nm处处没有吸收带。没有吸收带。2.2.如果一化合物，在可见区或紫外区有较强的如果一化合物，在可见区或紫外
26、区有较强的吸收带，吸收带，可用摩尔吸收系数来检查其纯度可用摩尔吸收系数来检查其纯度。例：菲的氯仿溶液在例：菲的氯仿溶液在296nm296nm处有强吸收处有强吸收（lg=4.10 lg=4.10）。而精制的菲，熔点）。而精制的菲，熔点100 100，沸点沸点340 340，似乎已很纯，但经紫外光谱检，似乎已很纯，但经紫外光谱检查，测得实际含量只有查，测得实际含量只有90%90%，其余可能是蒽等，其余可能是蒽等杂质。杂质。3.干性油与不干性油干性油与不干性油 不干性油不干性油饱和脂酸酯，或是双键不相共饱和脂酸酯，或是双键不相共轭。轭。不相共轭的双键具有典型的烯键紫外吸不相共轭的双键具有典型的烯键紫
27、外吸收带，波长较短；收带，波长较短；共轭双键谱带所在波长较长，且双键越共轭双键谱带所在波长较长，且双键越多，吸收谱带波长越长。多，吸收谱带波长越长。饱和脂酸酯及不相共轭双键的吸收光谱一饱和脂酸酯及不相共轭双键的吸收光谱一般在般在210nm 210nm 以下。以下。干性油：干性油：含二个共轭双键的约在含二个共轭双键的约在220nm220nm处；处；三个共轭双键的在三个共轭双键的在270nm270nm附近；附近；四个共轭双键的在四个共轭双键的在310nm310nm附近。附近。干性油的吸收谱带一般都在较长的波长干性油的吸收谱带一般都在较长的波长处。工业上要设法使处。工业上要设法使不相共轭的双键转不相
28、共轭的双键转变为共轭变为共轭，将不干性油变为干性油。，将不干性油变为干性油。紫外吸收光谱可判断双键是否移动。紫外吸收光谱可判断双键是否移动。四、定量分析 定量分析的依据：定量分析的依据：朗伯朗伯-比耳定律。比耳定律。1.1.一些国家已将数百种药物的一些国家已将数百种药物的max，max max 载入药典。可方便地用来直接测定混合物中某些载入药典。可方便地用来直接测定混合物中某些组分的含量。组分的含量。2.2.如果混合物中各种组分的吸收相互重叠，如果混合物中各种组分的吸收相互重叠，需预先进行分离。需预先进行分离。3.3.各组分的吸收峰重叠不严重，也可不经分各组分的吸收峰重叠不严重，也可不经分离而
29、同时测定他们的含量。离而同时测定他们的含量。例例1 1：测定混合物中磺胺噻唑（测定混合物中磺胺噻唑（STST）和氨苯磺胺（）和氨苯磺胺（SNSN）的含量时，步骤如下：的含量时，步骤如下：a.a.分别作出各分别作出各STST及及SNSN两个两个 纯物质的吸收光谱纯物质的吸收光谱 （图（图9-119-11）b.b.选定两个合适的选定两个合适的 波长波长1 1及及2 2 ；c.c.分别在分别在1 1及及2 2处处测定混合物的吸光度测定混合物的吸光度A A。根据吸收值的加和性原则：根据吸收值的加和性原则：A A11=c=cST ST k kSTST11c cSNSN k kSNSN1 1 磺胺噻唑（磺
30、胺噻唑（STST）A A22=c=cST ST k kSTST22c cSN SN k kSNSN2 2 氨苯磺胺（氨苯磺胺（SNSN）解该联立方程，即可计算解该联立方程，即可计算STST和和SN SN 的浓度。的浓度。多组分混合物浓度的测定多组分混合物浓度的测定 新的吸光光度法：双波长吸光光度法；导数吸新的吸光光度法：双波长吸光光度法；导数吸光光度法；三波长法。光光度法；三波长法。通过对测定数据的数学处理后，得出所有共存通过对测定数据的数学处理后，得出所有共存各组分的含量。各组分的含量。数学处理方法：多波长线性回归法、最小二乘数学处理方法：多波长线性回归法、最小二乘法、线性规划法、卡尔曼滤波
31、法和因子分析法等。法、线性规划法、卡尔曼滤波法和因子分析法等。近代定量分析法的特点近代定量分析法的特点：不经化学或物理分离，：不经化学或物理分离，就能对一些复杂混合物中各组分含量进行测定。就能对一些复杂混合物中各组分含量进行测定。应用实例：应用实例：芦笋皂苷芦笋皂苷UV谱图分析谱图分析 从芦笋皂苷的从芦笋皂苷的UV图谱可以看出，在图谱可以看出，在238nm有明显吸收峰，提有明显吸收峰，提示其皂甙元有共示其皂甙元有共 双键存在，双键存在，260nm与与280nm均没有吸收峰，表均没有吸收峰，表明芦笋皂苷样品不含核酸与蛋白质。明芦笋皂苷样品不含核酸与蛋白质。图8 皂苷的UV谱图 Fig.8 UV spectrum of saponin0.005%saponin,W-533 UV spectrophotometer 图图3-1 多糖多糖UV谱图谱图 图5-4 多糖OPA的UV谱图 图5-5 多糖OPB的UV谱图 多糖OPA、OPB在260nm处均无核酸的特征吸 收 峰，在280nm处也没有明显的蛋白质的特征吸收峰。本章作业：本章作业：P284，7、8（1）、9题题.
