紫外吸收光谱1

第九章紫外吸收光谱1. 试简述产生吸收光谱的原因.

基本要点：

1. 分子吸收光谱；

2. 有机化合物的紫外吸收光谱；

3. 无机化合物的紫外吸收光谱；

4. 溶剂对紫外吸收光谱的影响 ;

5. 紫外吸收光谱的应用等 .

利用紫外吸收光谱进行定量分析的由来已久，公元60年古希腊已知道利用五味子浸液来估计醋中铁的含量。这一古老的方法由于最初是运用人的眼睛来进行检测，所以叫比色法。20世纪30年代产生了第一台光电比色计，40年代出现的BakmanUV 分光光度计, 促进了新的分光光度计的发展。随着计算机的发展，紫外分光光度计已向着微型化﹑自动化﹑在线和多组分同时测定等方向发展。

第一节分子吸收光谱

Molecular Absorption Spectroscopy

一、分子内部的运动及分子能级

前面讲的AAS和AES都属与原子光谱，是由原子中电子能级跃迁所产生的。原子光谱是由一条一条的彼此分离的谱线组成的线状光谱。

分子光谱比原子光谱要复杂得多。这是由于在分子中，除了有电子相对于原子核的运动外，还有组成分子的各原子在其平衡位置附近的振动，以及分子本身绕其重心的转动。如果考虑三种运动形式之间的相互作用，则分子总的能量可以认为是这三种运动能量之和。即

E＝E e+ E v+ E r

式中E e为电子能量，E v为振动能量，E r转动能量。这三种不同形式的运动都对应一定的能级，即：分子中除了电子能级外，还有振动能级和转动能级这三种能级都是量子化的、不连续的。正如原子有能级图一样，分子也有其特征的能级图。简单双原子分子的能级图如图9-1所示。A和B表示电子能级，间距最大；每个电子能级上又有许许多多的振动能级，用V＇=0,1,2,……等表示A能级上个振动能级，V＂=0,1,2,……等表示B能级上各振动能级；每个振动能级上又有许许多多的转动能级，用j＇=0,1,2,……等表示A能级上V＇=0各转动能级，j＂= 0,1,2,……等表示A能级上V＇=1各振动能级等等。

且ΔE e > ΔE v > ΔE r

二、能级跃迁与分子吸收光谱的类型

通常情况下，分子处于较低的能量状态，即基态。分子吸收能量具有量子化特征，即分子只能吸收等于二个能级之差的能量。如果外界给分子提供能量（如光能），分子就可能吸收能量引起能级跃迁，而由基态跃迁到激发态能级。

ΔE=E1-E2=hν=hc/λ

由于三种能级跃迁所需要的能量不同，所以需要不同的波长范围的电磁辐射使其

跃迁，即在不同的光学区域产生吸收光谱。

1．转动能级跃迁与远红外光谱

转动能级间的能量差ΔE r约为：0.025～0.003eV。假如是0.01 eV，可计算出：

λ=hc/ΔE

=6.624×10-34×2.998×108/0.01×1.6×10-19

=1.24×10-5m=12400nm=124μm

可见，转动能级跃迁产生吸收光谱位于远红外区（50~300 m）, 称远红外光谱或分子转动光谱。

2.振动能级：

振动能级间的能量差ΔE v约为：１～0.025eV。假如是0.1 eV，可计算出：

λ=hc/ΔE

=6.624×10-34×2.998×108/0.1×1.6×10-19

=1.24×10-5m=12400nm=12.4μm

可见，振动能级跃迁产生的吸收光谱位于红外区(0.78~50μm)，称红外光谱或分子振动光谱。

振动能级跃迁时不可避免地会产生转动能级间的跃迁。即振动光谱中总包含有转动能级间跃迁，因而产生光谱也叫振动-转动光谱。

3．电子能级

电子能级的能量差ΔE e : 20～1eV。假如是5eV，可计算出：

λ=hc/ΔE

=6.624×10-34×2.998×108/5×1.6×10-19

=2.48×10-7m=248nm

可见，电子跃迁产生的吸收光谱在紫外—可见光区(200~780nm)，称紫外—可见光谱或分子的电子光谱。

电子能级跃迁时不可避免地会产生振动和转动能级间的跃迁。即电子光谱中总包含有振动能级和转动能级间跃迁，因而产生的谱线呈现宽谱带。紫外—可见光谱实际上是电子-振动-转动光谱。

应该指出，紫外光可分为近紫外光（200 ~ 400 nm）和真空紫外光（60 ~ 200 nm）。由于氧、氮、二氧化碳、水等在真空紫外区（60 ~ 200 nm）均有吸收，因此在测定这一范围的光谱时，必须将光学系统抽成真空，然后充以一些惰性气体，如氦、氖、氩等。鉴于真空紫外吸收光谱的研究需要昂贵的真空紫外分光光度计，故在实际应用中受到一定的限制。我们通常所说的紫外—可见分光光度法，实际上是指近紫外、可见分光光度法。

第二节有机化合物的紫外吸收光谱

Organic Molecular Ultraviolet Absorption Spectroscopy

有机化合物此外吸收光谱（电子光谱）是由分子外层电子或价电子跃迁所产生的。按分子轨道理论，有机化合物分子中有：成键σ轨道，反键σ*轨道；成键π轨道，反键π＊轨道（不饱和烃）；另外还有非键轨道（杂原子存在）。各种轨道的能级不同，如图9-2所示。

相应的外层电子和价电子有三种：σ电子、π电子和n 电子。通常情况下，电

子处于低的能级（成键轨道和非键轨道）。当用合适能量的紫外光照射分子时，分子可能吸收光的能量，而又低能级跃迁到反键*轨道。在紫外可见光区，主要有下列几种跃迁类型：

①.N→V跃迁：电子又成键轨道跃迁到反键轨道，包括σ→σ＊；π→π＊跃迁。

②. N→Q跃迁：分子中未成键的n 电子跃迁到反键轨道，包括n→σ＊；n→π＊跃迁。

③. N→R跃迁：σ电子逐级跃迁到各高能级，最后脱离分子，使分子成为分子离子的跃迁。（光致电离）

④.电荷迁移跃迁：当分子形成配合物或分子内的两个大π体系相互接近时，外来辐射照射后，电荷可以由一部分转移到另一部分，而产生电荷转移吸收光谱。可见，有机化合物一般主要有4种类型的跃迁：n→π＊、π→π＊、n→σ＊和σ→σ＊。各种跃迁所对应的能量大小为

n→π＊< π→π＊< n→σ＊< σ→σ＊

[讨论]：

①σ→σ＊跃迁所需能量最大。σ电子只有吸收远紫外光的能量才能发生跃迁饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区，吸收波长λ<200 nm，甲烷的λmax 为125nm , 乙烷λmax为135nm，只能被真空紫外分光光度计检测到；作为溶剂使用。

②.n→σ＊跃迁所需能量较大。吸收波长为150～250nm，大部分在远紫外区，近紫外区仍不易观察到。含非键电子的饱和烃衍生物(含N、O、S和卤素等杂原子)均呈现n→σ*跃迁。

③. π→π＊跃迁所需能量较小。吸收波长处于远紫外区的近紫外端或近紫外区，εmax一般在104L·mol－1·cm－1以上，属于强吸收。

1．饱和烃

饱和烃类分子中只含有σ键，因此只能产生σ→σ*跃迁，即σ电子从成键轨道（σ）跃迁到反键轨道（σ*），所需能量最大。饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区，吸收波长λ10～200nm，已超出紫外、可见分光光度计的测量范围，只能被真空紫外分光光度计检测到（空气中的氧吸收波长< 160nm的紫外光）。如甲烷的λmax为125nm,乙烷λmax为135nm。这类物质在紫外光谱分析中常用作溶剂。

当饱和烷烃的分子中的氢被氧、氮、卤素、硫等杂原子取代时，因有n 电子存在，而产生n→σ＊跃迁，所需能量减小。吸收波长向长波方向移动，这种现象称之为红移。

例如，CH3Cl、CH3Br和CH3I的n→σ* 跃迁分别出现在173、204和258nm 处。又如，CH4跃迁范围125～135nm（σ→σ*），CH3I跃迁范围150～210nm（σ→σ*）和259nm （n→σ＊）；CH2I2吸收峰292nm（n→σ*）；CHI3吸收峰349nm（n→σ*）。这些数据不仅说明氯、溴和碘原子引入甲烷后，其相应的吸收波长发生了红移，显示了助色团的助色作用。而且说明，虽杂原子半径增加，n→σ*跃迁向长波方向移动。

直接用烷烃和卤代烃的紫外吸收光谱分析这些化合物的实用价值不大。但是它们是测定紫外和（或）可见吸收光谱（200～1000nm）的良好溶剂。

2．不饱和脂肪烃

在不饱和烃类分子中，除含有σ键外，还含有π键，它们可以产生σ→σ*和π→π*两种跃迁。π→π*跃迁的能量小于σ→σ*跃迁。例如，在乙烯分子中，π→π*跃迁最大吸收波长为180nm。这种含有不饱和键的基团称为生色团。See Table 9-3。

在不饱和烃类分子中，当有两个以上的双键共轭形成大π键时，随着共轭系统的延长，π→π*跃迁的吸收带将明显向长波方向移动，吸收强度也随之增强[原因：轭系效应使单键具有双键的性质（加强），双键具有单键的性质（削弱），即平均化。电子易激发] 。

例如，C2H4（孤立单键）λmax=171nm,εmax=1.553×104；CH2=CH-CH=CH2λmax=217nm,εmax=2.1×104。[See Table 9-4]。在共轭体系中，π→π*跃迁产生的吸收带又称为K（Konjugation）带。

K带（π→π*）的特点：强度大，εmax›104；位置一般在217～280nm；λmax 和εmax的大小共轭链的长短及取代基的位置有关。

根据K带是否出现，可判断分子中共轭体系的存在的情况。在紫外光谱分析中有重要应用。

乙酰苯紫外光谱图（See Power Point）：羰基双键与苯环共扼：K带强；苯的E2带与K带合并，红移；取代基使B带简化；氧上的孤对电子：R带，n→π*跃迁，跃迁禁阻，弱。

3．芳香烃

Fig. 9-5为苯的紫外光谱图（乙醇溶剂）。苯有三个吸收带，它们都是由π→π*跃迁引起的。

E1带出现在185nm（εMAX = 47，000），E2带出现在204nm（εMAX = 79，00 ），强吸收带。它们是由苯环结构中，三个乙烯的环状共轭系统的跃迁所产生的，是芳香族化合的特征吸收。

B带出现在255nm （εMAX = 200）。这是由π→π*跃迁的振动重叠引起的。在气态或非极性溶剂中，苯及其许多同系物的B谱带有许多的精细结构，这是由于振动跃迁在基态电子跃迁上的叠加而引起的。在极性溶剂中，这些精细结构消失。

当苯环上有取代基时，苯的三个特征谱带都会发生显著的变化，其中影响较大的是E2带和B谱带。

当苯环与生色团连结时，有B和K两种吸收带，有时还有R吸收带，其中R吸收带的波长最长。

稠环芳烃，如萘、蒽、芘等，均显示苯的三个吸收带，但是与苯本身相比较，这三个吸收带均发生红移，且强度增加。随着苯环数目的增多，吸收波长红移越多，吸收强度也相应增加。

当芳环上的-CH基团被氮原子取代后，则相应的氮杂环化合物（如吡啶、喹啉）的吸收光谱，与相应的碳化合物极为相似，即吡啶与苯相似，喹啉与萘相似。此外，由于引入含有n电子的N原子的，这类杂环化合物还可能产生n→π*吸收带。

3．羰基化合物

羰基化合物含有>C=O基团。>C=O基团主要可产生π→π*、n→σ* 、n→π*三个吸收带，n→π*吸收带又称R带，落于近紫外或紫外光区。醛、酮、羧酸及羧酸的衍生物，如酯、酰胺等，都含有羰基。由于醛酮这类物质与羧酸及羧酸的衍生物在结构上的差异，因此它们n→π*吸收带的光区稍有不同。

羧酸及羧酸的衍生物虽然也有n→π*吸收带，但是，羧酸及羧酸的衍生物的羰基上的碳原子直接连结含有未共用电子对的助色团，如-OH、-Cl、-OR等，由于这些助色团上的n电子与羰基双键的π电子产生n→π共轭，导致π*轨道的能级有所提高，但这种共轭作用并不能改变n轨道的能级，因此实现n→π* 跃迁所需的能量变大，使n→π*吸收带蓝移至210nm左右。

第三节无机化合物的紫外吸收光谱

Inorganic Molecular Ultraviolet Absorption Spectroscopy

产生无机化合物紫外、可见吸收光谱的电子跃迁形式，一般分为两大类：电荷迁移跃迁和配位场跃迁。

一﹑电荷转移跃迁：吸收谱带200～400nm

许多无机配合物有电荷迁移跃迁所产生的电荷迁移吸收光谱。

电荷迁移跃迁：指络合物吸收了可见-紫外光后，电子从中心离子的某一轨道跃迁到配位体的某一轨道，或从配位体的某一轨道跃迁到与中心离子的某一轨道。所产生的吸收光谱称为电荷迁移吸收光谱。（相当于内氧化还原反应）。一般可表示为：

M n+-L b-→ M(n+1)+-L(b+1)- (hν)

[Fe3+-SCN-]2+→[Fe2+-SCN]2+

（这就是配合物λmax=490nm为血红色原因）

金属配合物的电荷转移吸收光谱，有三种类型：

1. 电子从配体到金属离子:相当于金属的还原；

2. 电子从金属离子到配体；

产生这种跃迁的必要条件是金属离子容易被氧化（处于低氧化态），配位体具有空的反键轨道，可接受从金属离子转来的电子，如吡啶、2，2' -联吡啶，1，10-二氮杂菲及其衍生物等，这类试剂易与可氧化性的 Ti(III)、 Fe(II)、V(II) 、 Cu(I) 等结合，生成有色配合物，反应过程中，电子从主要定域在金属离子的d轨道，转移到配位体的π轨道上。

3.电子从金属到金属

配合物中含有两种不同氧化态的金属时，电子可在其间转移，这类配合物有很深的颜色，如普鲁士蓝 KFe[Fe(CN)6], 硅（磷、砷）钼蓝 H8[SiMo2O5(Mo2O7)5] 等。

过度金属离子与含生色团的试剂反应所生成的配合物以及许多水合无机离子，均可产生电荷迁移跃迁。

如，Fe2+--1，10邻二氮菲及Cu+--1，10邻二氮菲配合物。

又如， Fe3+OH-→ Fe2+HO (hν)

此外，一些具有d10电子结构的过度元素形成的卤化物及硫化物，如AgBr、HgS等，也是由于这类跃迁而产生颜色。

电荷迁移吸收光谱出现的波长位置，取决于电子给予体和电子接受体相应电子轨道的能量差。若中心离子的氧化能力越强，或配位体的还原能力越强，则发生跃迁时需要的能量越小，吸收光波长红移。

电荷迁移吸收光谱的ε一般在103~104之间，其波长通常处于紫外区。

二、配位场跃迁

配位场跃迁包括d - d 跃迁和f - f 跃迁。元素周期表中第四、五周期的过度金属元素分别含有3d和4d轨道，镧系和锕系元素分别含有4f和5f轨道。在配体的存在下，过度元素五个能量相等的d轨道和镧系元素七个能量相等的f 轨道分别分裂成几组能量不等的d轨道和f轨道。

当它们的离子吸收光能后，低能态的d电子或f电子可以分别跃迁至高能态的d或f轨道，这两类跃迁分别称为d - d 跃迁和f - f 跃迁。由于这两类跃迁必须在配体的配位场作用下才可能发生，因此又称为配位场跃迁。

图9-6（See Power Point）是[Co(NH3)5X]n+的吸收光谱，其中d - d 跃迁属配位场跃迁。

配位场跃迁吸收光谱的ε一般在10-1~102之间，其波长通常处于可见区。ε较小，所以在定量分析上用途不大，但可用于研究无机化合物的结构及键合理论。

第四节溶剂对紫外吸收光谱的影响

Effects of Solvent on Spectra

溶剂对紫外—可见光谱的影响较为复杂。溶剂对紫外-可见吸收光谱的影响有两个方面：

1．有些溶剂特别是极性溶剂可能会影响溶质的最大吸收波长

改变溶剂的极性，可能会使吸收带的最大吸收波长发生变化。原因是溶剂和溶质之间常形成氢键，或溶剂的偶极是溶质的极性增强，引起n →π* 跃迁及π→π* 跃迁的吸收带迁移。

(See Power Point)

例1. 对亚异丙酮(异丙叉丙酮)紫外吸收光谱

下表(Table 9-5)为溶剂对亚异丙酮(异丙叉丙酮)紫外吸收光谱的影响。

正己烷 CHCl3 CH3OH H2O

π→π* λmax/nm 230 238 237 243

n →π*λmax/nm 329 315 309 305由上表可以看出，当溶剂的极性增大时，由n →π* 跃迁产生的吸收带发生蓝移，而由π→π* 跃迁产生的吸收带发生红移。因此，在测定紫外、可见吸收光谱时，应注明在何种溶剂中测定。

例2. 苯酰丙酮(See Power Point)

非极性→极性，n→π*跃迁：兰移；↓λ，↑ε；π→π*跃迁：红移；↑λ；↓ε。2．溶剂的极性溶剂可能会影响溶质吸收带的强度及形状

溶剂的极性溶剂不仅会影响溶质的吸收波长，而且会影响溶质吸收带的强度及形状。

Fig.9-7是苯酚在庚烷和乙醇中的紫外图谱。

图9.5 苯酚在庚烷和乙醇中的紫外图谱：1庚烷；2.乙醇

苯酚B带的精细结构在庚烷中清晰可见，但在苯酚在乙醇中则完全消失，而呈现一个宽峰。

改变溶剂的极性，会引起吸收带形状的变化。例如，当溶剂的极性由非极性改变到极性时，精细结构消失，吸收带变向平滑。

由于溶剂对电子光谱图影响很大，因此，在吸收光谱图上或数据表中必须注明所用的溶剂。与已知化合物紫外光谱作对照时也应注明所用的溶剂是否相同。在进行紫外光谱法分析时，必须正确选择溶剂。选择溶剂时注意下列几点：①．溶剂应能很好地溶解被测试样，溶剂对溶质应该是惰性的。即所成溶液应具有良好的化学和光化学稳定性。

②．在溶解度允许的范围内，尽量选择极性较小的溶剂。

③．溶剂在样品的吸收光谱区应无明显吸收。

各种溶剂的使用最低波长极限见Table 9-6(P278)

第三节紫外-可见分光光度计

一、组成部件(See Power Point)

分光光度计按使用的波长范围可分为：紫外分光光度计（200 ~ 400nm）、可见分光光度计（400 ~ 800nm）和紫外-可见分光光度计（200 ~ 1000nm，现在多用）。紫外-可见分光光度计的基本结构是由五个部分组成：即光源、单色器、吸收池、检测器和信号指示系统。

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4次方成正比。光电流与灯丝电压的n次方（n 1）成正比。因此必须严格控制灯丝电压，仪器必须配有稳压装置。

在近紫外区测定时常用氢灯和氘灯。它们可在160 ~ 375 nm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：产生光谱纯度高的波长且波长在紫外可见区域内任意可调。(See Power Point)单色器一般由入射狭缝、准光器（透镜或凹面反射镜使入射光成平行光）、色散元件、聚焦元件和出射狭缝等几部分组成。其核心部分是色散元件，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。

能起分光作用的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的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。由于玻璃可吸收紫外光，所以玻璃棱镜只能用于350 ~ 3200 nm的波长范围，即只能用于可见光域内。石英棱镜可使用的波长范围较宽，可从185 ~ 4000nm，即可用于紫外、可见和近红外三个光域。

光栅是利用光的衍射与干涉作用制成的，它可用于紫外、可见及红外光域，而且在整个波长区具有良好的、几乎均匀一致的分辨能力。它具有色散波长范围宽、分辨本领高、成本低、便于保存和易于制备等优点。缺点是各级光谱会重叠而产生干扰。入射、出射狭缝，透镜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(See Power Point)

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可见光区。为减少光的损失，吸收池的光学面必须完全垂直于光束方向。在高精度的分析测定中（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(See Power Point)

检测器的功能是检测信号、测量单色光透过溶液后光强度变化的一种装置。

常用的检测器有光电池、光电管和光电倍增管等。

硒光电池对光的敏感范围为300~800nm，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。

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字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。

1．单光束分光光度计

经单色器分光后的一束平行光，轮流通过参比溶液和样品溶液，以进行吸光

度的测定。这种简易型分光光度计结构简单，操作方便，维修容易，适用于常规分析。(See Power Point)

2．双光束分光光度计

经单色器分光后经反射镜分解为强度相等的两束光，一束通过参比池，一束通过样品池。光度计能自动比较两束光的强度，此比值即为试样的透射比，经对数变换将它转换成吸光度并作为波长的函数记录下来。(See Power Point)双光束分光光度计一般都能自动记录吸收光谱曲线。由于两束光同时分别通过参比池和样品池，还能自动消除光源强度变化所引起的误差。

3．双波长分光光度计

由同一光源发出的光被分成两束，分别经过两个单色器，得到两束不同波长（λ1和λ2）的单色光；利用切光器使两束光以一定的频率交替照射同一吸收池，然后经过光电倍增管和电子控制系统，最后由显示器显示出两个波长处的吸光度差值ΔA（ΔA=Aλ1-Aλ2）。对于多组分混合物、混浊试样（如生物组织液）分析，以及存在背景干扰或共存组分吸收干扰的情况下，利用双波长分光光度法，往往能提高方法的灵敏度和选择性。利用双波长分光光度计，能获得导数光谱。(See Power Point)

通过光学系统转换，使双波长分光光度计能很方便地转化为单波长工作方式。如果能在λ1和λ2处分别记录吸光度随时间变化的曲线，还能进行化学反应动力学研究。

三、分光光度计的校正

通常在实验室工作中，验收新仪器或实验室使用过一段时间后都要进行波长校正和吸光度校正。

建议采用下述的较为简便和实用的方法来进行校正：镨铷玻璃或钬玻璃都有若干特征的吸收峰，可用来校正分光光度计的波长标尺，前者用于可见光区，后者则对紫外和可见光区都适用。也可用K2CrO4标准溶液来校正吸光度标度。

第五节紫外吸收光谱的应用

Applications of Ultraviolet Molecular Absorption Spectrometry

紫外－可见分光光度法是一种广泛应用的定量分析方法，也是对物质进行定性分析和结构分析的一种手段，同时还可以测定某些化合物的物理化学参数，例如摩尔质量、配合物的配合比和稳定常数、以及酸、碱的离解常数等。

一、定性分析

就其定性分析而言，紫外－可见分光光度法在无机元素的定性分析应用方面是比较少的，无机元素的定性分析主要用原子发射光谱法或化学分析法；而主要

的应用是有机和化合物的定性分析和结构分析。

定性分析的光谱依据是：吸收光谱的形状、吸收峰的数目和位置及相应的摩

尔吸光系数，而最大吸收波长及相应的是定性分析的最主要参数。

在有机化合物的定性分析鉴定及结构分析方面，由于有些有机化合物在紫外区没有吸收带，有些仅有简单而宽的吸收带，光谱信息较少，特征性不强；另一方面，紫外－可见光谱反映的基本上是分子中生色团和助色团的特性（而且不少简单官能团在近紫外及可见光区没有吸收或吸收很弱），而不是整个分子的特性，例如，甲苯和乙苯的紫外光谱实际上是一样的。因此，单根据一个化合物的紫外光谱不能完全确定其分子结构，这种方法的应用有较大的局限性。但是它适用于不饱和有机化合物，尤其是共轭体系的鉴定，以此推断未知物的骨架结构。此外，它可配合红外光谱法、核磁共振波谱法和质谱法等常用的结构分析法进行定量鉴定和结构分析，是不失为一种有用的辅助方法。

一般定性分析方法有如下两种：

1. 比较吸收光谱曲线法

吸收光谱的形状、吸收峰的数目和位置及相应的摩尔吸光系数，是定性分析的光谱依据，而最大吸收波长及相应的是定性分析的最主要参数。比

较法有标准物质比较法和标准谱图比较法两种。

①. 标准物质比较法

利用标准物质比较，在相同的测量条件下，测定和比较未知物与已知标准物的吸收光谱曲线，如果两者的光谱完全一致，则可以初步认为它们是同一化合物。为了能使分析更准确可靠，要注意如下几点：

a.尽量保持光谱的精细结构。为此，应采用与吸收物质作用力小的非极性溶剂，且采用窄的光谱通带；

b.吸收光谱采用lg A对λ作图。这样如果未知物与标准物的浓度不同，则曲线只是沿lg A轴平移，而不是象A~λ曲线那样以εb的比例移动，更便于比较分析。

c. 往往还需要用其它方法进行证实，如红外光谱等。

②. 标准谱图比较法

利用标准谱图或光谱数据比较。常用的标准谱图有以下表中的四种：[1] Sadtler Standard Spectra(Ultraviolet),Heyden,London,1978. 萨特勒标准图谱库，共收集了46000种化合物的紫外光谱。

[2] R.A.Friedel and M.Orchin,“Ultrav iolet and Visible Absorption Spectra of Aromatic Compounds”,Wiley,New York, 1951. 本书收集了597种芳香化合物的紫外光谱。

[3] Kenzo Hirayama：“Handbook of Ultraviolet and Visible Absorption Spectra a of Organic Compounds.”,New York,Plenum,1967。

[4] “Organic Electronic Spectral Data”。

③. 计算不饱和有机化合物最大吸收波长的经验规则

有伍德沃德（Woodward）规则和斯科特（Scott）规则。

当采用其它物理或化学方法推测未知化合物有几种可能结构后，可用经验规则计算它们最大吸收波长，然后再与实测值进行比较，以确认物质的结构。伍德沃德规则。它是计算共轭二烯、多烯烃及共轭烯酮类化合物π—π*跃迁最大吸

收波长的经验规则，参阅参考书[1]~[ 4]。计算时，先从未知物的母体对照表得到一个最大吸收的基数，然后对连接在母体中π电子体系(即共轭体系)上的各种取代基以及其他结构因素按上所列的数值加以修正，得到该化合物的最大吸收波长λmax。

二、有机化合物分子结构的推断

紫外－可见分光光度法可以进行化合物某些基因的判别、共轭体系及构型、构象的判断。

1. 推测化合物所含的官能团

有机物的不少基团(生色团)，如羰基、苯环、硝基、共轭体系等，都有其特征的紫外或可见吸收带，紫外－可见分光光度法在判别这些基团时，有时是十分有用的。

例1．如果一个化合物在220～800nm分为内无吸收峰，它可能是酯肪族碳氢化合物、胺、醇、羧酸、氯代烃和氟代烃，不含双键或共轭体系，没有醛、酮或溴、碘等基团。

例2．如果在210~250 nm有强吸收峰（ε≥104），表明含有两个双键的共轭体系（K带）。如1,3丁二烯，λmax为217nm，εmax为21,000；共轭二烯：K带（~230 nm）；−β,α不饱和醛酮：K带~230 nm 。

例3．若260～350nm区域有很强的吸收带，则可能有3~5个双键的共轭体系，如癸五烯有五个共轭双键，λmax为335nm，εmax为118,000。

R带~310~330 nm

例4．若270~350 nm有弱吸收峰（ε=10~100），而无其它吸收峰，则说明只含非共轭的，具有n电子的生色团。

See P281

例5．250~300 nm 有中等强度的吸收峰（ε=200~2000），芳环的特征吸收（具有精细解构的B带）。(在184nm附近有强吸收带(E1带)，在204nm附近有中强吸收带(E2带)，在260nm附近有弱吸收带且有精细结构(B带)，是苯环的特征吸收，等等)。

例6．如在270～300nm处有弱的吸收带，且随溶剂极性增大而发生蓝移，就是羰基n－π*跃迁所产生R吸收带的有力证据。

可以从有关资料中查找某些基团的特征吸收带。

共轭体系会产生很强的K吸收带，通过绘制吸收光谱，可以判断化合物是否存在共轭体系或共轭的程度。若在215～250nm区域有强吸收带，则该化合物可能有两至三个双键的共轭体系，

2. 异构体的判断

包括顺反异构及互变异构两种情况的判断。

①.顺反异构体的判断

生色团和助色团处在同一平面上时，才产生最大的共轭效应。由于反式异构体的空间位阻效应小，分子的平面性能较好，共轭效应强。因此反式都大于顺式

异构体。

例如，肉桂酸的顺、反式的吸收如下：

λmax＝280nm ，εmax =13500 λmax＝295nm ，εmax =27000

又如，1,2-二苯乙烯

顺式：λmax=280nm；εmax=10500

（空间位阻，影响共平面）

反式：λmax=295 nm；εmax=27000

共平面产生最大共轭效应，εmax大

同一化学式的多环二烯，可能有两种异构体：一种是顺式异构体；另一种是异环二烯，是反式异构体。一般来说，异环二烯的吸收带强度总是比同环二烯来的大。

②.互变异构体的判断

某些有机化合物在溶液中可能有两种以上的互变异构体处于动态平衡中，这种异构体的互变过程常伴随有双键的移动及共轭体系的变化，因此也产生吸收光谱的变化。最常见的是某些含氧化合物的酮式与烯醇式异构体之间的互变。例如乙酰乙酸乙酯就是和烯醇式两种互变异构体：

它们的吸收特性不同：

酮式异构体：π－π*跃迁：λmax=204nm，εmax小；烯醇式异构体（双键共轭）：π－π*跃迁：λmax=245nm，εmax=18000。

两种异构体的互变平衡与溶剂有密切关系。在像水这样的极性溶剂中，由

于可能与H2O形成氢键而降低能量以达到稳定状态，所以酮式异构体占优

势:

而像乙烷这样的非极性溶剂中，由于形成分子内的氢键，且形成共轭体系，使能量降低以达到稳定状态，所以烯醇式异构体比率上升:

此外，紫外－可见分光光度法还可以判断某些化合物的构象(如取代基是平伏键还是直立键)及旋光异构体等。

三、纯度检查

1．如果一个化合物在紫外区没有吸收峰，而其中的杂质有较强的吸收，就可方便的检该化合物中是否含有微量的杂质。

例1．如检查甲醇或乙醇中是否含有杂质苯。苯在256nm处有B吸收带，而甲醇或乙醇在此波长附近几乎没有吸收。[See Fig.9-9,9-10；P283]。

例2．检查四氯化碳中有无二硫化碳杂质。二硫化碳在318nm处有吸收峰。2．如果一个化合物在紫外可见区有较强的吸收带，有时可用摩尔吸收系数来检查其纯度。

例3．检查菲的纯度。在氯仿溶液中，菲在296nm处有强吸收（文献值

lgε=4.10）。如果测的样品溶液的lgε〈4.10，则说明含有杂质。

3．工业上往往要把不干性油（双键不共轭）转变为干性油（双键共轭），可用紫外光谱判断双键是否共轭。饱和或双键不共轭〈210nm；两个共轭双键：~220nm；三个共轭双键：~270nm；四个共轭双键：~310nm。

四、定量分析

定量分析的依据：朗伯-比尔定律，同基础分析“分光光度分析法”部分。应用广泛。

紫外－可见分光光度法定量分析的方法常见到的有如下几种：

1．单组分的定量分析

如果在一个试样中只要测定一种组分，且在选定的测量波长下，试样中其它组分对该组分不干扰，这种单组分的定量分析较简单。一般有标准对照法和标准曲线法两种。

①．标准对照法

在相同条件下，平行测定试样溶液和某一浓度C s（应与试液浓度接近）的标准溶液的吸光度A x和A s，则由C s可计算试样溶液中被测物质的浓度C x：

标准对照法因使用单个标准，引起误差的偶然因素较多，故往往较不可靠。②．标准曲线法

这是实际分析工作中最常用的一种方法。配制一系列不同浓度的标准溶液，以不含被测组分的空白溶液作参比，测定标准系列溶液的吸光度，绘制吸光度－浓度曲线，称为校正曲线（也叫标准曲线或工作曲线）。在相同条件下测定试样溶液的吸光度，从校正曲线上找出与之对应的未知组分的浓度。

此外，有时还可以采用标准加入法。

2. 多组分的定量分析

根据吸光度具有加和性的特点，在同一试样中可以同时测定两个或两个以上组分。假设要测定试样中的两个组分A、B，如果分别绘制A、B两纯物资的吸收光谱，绘出三种情况，如图13.20所示。

①．(a)情况表明两组分互不干扰，可以用测定单组分的方法分别在λ1、λ2测定A、B两组分；

②．(b)情况表明A组分对B组分的测定有干扰，而B组分对A组分的测定无干扰，则可以在λ1处单独测量A组分，求得A组分的浓度C A。然后在λ2处测量溶液的吸光度及A、B纯物质的和值，根据吸光度的加和性，即得

则可以求出C B；

③.(c)情况表明两组分彼此互相干扰，此时，在λ1、λ2处分别测定溶液的吸光

度及，而且同时测定A、B纯物质的及。然后列出联立方程:

解得C A、C B。显然，如果有n个组分的光谱互相干扰，就必须在n个波长处分别测定吸光度的加和值，然后解n元一次方程以求出各组分的浓度。应该指出，这

将是繁琐的数学处理，且n越多，结果的准确性越差。用计算机处理测定结果将使运算大为方便。

3. 双波长分光光度法

当试样中两组分的吸收光谱较为严重时，用解联立方程的方法测定两组分的含量可能误差较大，这时可以用双波长分光光度法测定。它可以进行一组分在其它组分干扰下，测定该组分的含量，也可以同时测定两组分的含量。双波长分光光度法定量测定两混合物组分的主要方法有等吸收波长法和系数倍率法两种。

①. 等吸收波长法

试样中含有A、B两组分，若要测定B组分，A组分有干扰，采用双波长法进行B 组分测量时方法如下：为了要能消除A组分的吸收干扰，一般首先选择待测组分B的最大吸收波长λ2为测量波长，然后用作图法选择参比波长λ1，作法如图所示。

在λ2处作一波长为横轴的垂直线，交于组分B吸收曲线的另一点，再从这点作一条平行于波长轴的直线，交于组分B吸收曲线的另一点，该点所对应的波成为

参比波长λ1。可见组分A在λ2和λ1处是等吸收点，

由吸光度的加和性可见，混合试样在λ2和λ1处的吸光度可表示为

双波长分光光度计的输出信号为ΔA，

可见仪器的输出讯号ΔA与干扰组分A无关，它只正比于待测组分B的浓度，即消除了B的干扰。

②.系数倍率法

当干扰组分A的吸收光谱曲线不呈峰状，仅是陡坡状时，不存在两个波长处的等吸收点时，如图所示。在这种

情况下，可采用系数倍率法测定B组分，并采用双波长分光光度计来完成。选择两个波长λ1、λ2，分别测量A、B混合液的吸光度、，利用双波长分光

光度计中差分函数放大器，把、分别放大k1、k2倍，获得、两波长处测得的差示信号S：

调节放大器，选取和，使之满足

得到系数倍率K为

差示信号S与待测组分B的浓度C B成正比，与干扰组分A无关，即消除了A的干扰。

4. 导数分光光度计法

采用不同的实验方法可以获得各种导数光谱曲线。不同的实验方法包括双波长法、电子微分法和数值微分法。

将对波长λ求导:

在整个波长范围I0内可控制在恒定值，d I0/dλ=0，则

上式表明，第一，导数分光光度法的一阶导数信号与浓度成正比例，不需要通过对数转换为吸光度；第二，测定灵敏度决定于摩尔吸光系数在特定波长处的变化率dε/dλ，在吸收曲线的拐点波长处dε/dλ最大，灵敏度最高。如图所示。

对于二阶导数光谱：

只有当一阶导数dε/dλ=0时，二阶导数信号才与浓度成正比例。测定波长选择在吸收峰处，其曲率d2ε/dλ2最大，灵敏度就高。

三阶导数光谱：

当一阶导数dε/dλ=0时，三阶导数信号与浓度成比例，测定波长在曲率半径小的肩峰处d3ε/dλ3最大，可获得高的灵敏度。

在一定条件下，导数信号与被测组分的浓度成比例。测量导数光谱曲线的峰值方法有基线法、峰谷法，如图13.24所示。

基线法又称切线法在相邻两峰的极大或极小处画一公切线，在由峰谷引一条平行于纵坐标的直线相交于a点，然后测量距离他t的大小的。

峰谷法测量相邻两峰的极大和极小之间的距离p，这是较常用的方法。

峰零法测量峰至基线的垂直距离z。该法只适用与导数光谱曲线对称于横坐标的高阶导数光谱。

导数分光光度法对吸收强度随波长的变化非常敏感，灵敏度高。对重叠谱带及平坦谱带的分辩率高，噪声低。导数分光光度法对痕量分析、稀土元素、药物、氨基酸、蛋白质的测定，以及废气或空气中污染气体的测定非常有用。

5. 其它分析方法：

简单介绍动力学分光光度法及胶束分光光度法

动力学分光光度法一般的分光光度法是在溶液中发生的化学反应达到平衡后测量吸光度，然后根据吸收定律算出待测物资的含量。而动力学分光光度法则是利用反应速率与反应物、产物或催化剂的浓度之间的定量关系，通过测量与反应速率成正比例关系的吸光度，从而计算待测物质的浓度。根据催化剂的存在与否，动力学分光光度法可分为非催化和催化分光光度法。当利用酶这种特殊的催化剂时，则称为酶催化分光光度法。由反应速度方程式及吸收定律方程式可以推导出动力学分光光度法的基本关系为

A=KC c

式中K为常数，C c为催化剂的浓度。测定C c的方法常有:①.固定时间法；②.固定浓度法；③.斜率法三种。

优点：灵敏度高，选择性好(有时是特效的)、应用范围广(快速、慢速反应，有副反应，高、低浓度均可)。

缺点：影响因素较多，测量条件不易控制，误差经常较大。

胶束增溶分光光度法胶束强度分光光度法是利用表面活性剂的增强、增敏、增稳、褪色、析向等作用，以提高显色反应的灵敏度、对比度或选择性，改善显色反应条件，并在水向中直接进行光度测量的分光光度法。

表面活性剂(有阳离子型、阴离子型、非离子型之分)在水相中有生成胶体的倾向，随其浓度的增大，体系由真溶液转变为胶体溶液，形成极细小的胶束，体系的性质随之发生明显的变化。体系由真溶液转变为胶束溶液时，表面活性剂的浓度称为临界胶束浓度，常用cmc表示。由于形成胶束而使显色产物溶解度较大的现象，称为胶束增容效应。由于胶束与显色产物的相互作用，结合成胶束化合物，增大了显色分子的有效吸光截面，增强其吸光截面，增强其吸光能力，使ε增大，提高显色反应的灵敏度，称为胶束的增敏效应。胶束增溶分光光度法比普通分光光度法的灵敏度由显著的提高，ε可达106(L·mol－1·cm)。近年来，这种方法得到很广泛的应用。这种方法得到很广泛的应用。