紫外吸收光谱法及分子荧光光谱.ppt

紫外吸收光谱法,Ultraviolet Absorption Spectroscopy(UV),概 述,紫外吸收光谱是由于分子吸收紫外辐射能后引起价电子跃迁所产生的，可用于无机和有机物的定性和定量分析。紫外吸收光谱：分子价电子能级跃迁产生的。紫外可见波长范围：100-800 nm.(1)远紫外光区(真空紫外区):100-200nm(2)近紫外光区:200-400nm(3)可见光区:400-800nm电子跃迁的同时，伴随着振动转动能级的跃迁;带状光谱。紫外光谱、可见光谱和红外光谱一起统称为分子光谱。,概 述,物质对光的选择性吸收及吸收曲线,E=E2-E1=h 量子化；选择性吸收。吸收曲线用吸光度A与吸收波长 表示。用不同波长的单色光照射，测吸光度;,概 述,吸收曲线的特点：,同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长max同一种物质不同浓度的吸收曲线形状相似，max不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和max则不同。吸收曲线可以提供物质的结构信息，并作为物质定性分析的依据之一。,不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度 A 有差异，在max处吸光度A 的差异最大。此特性可作作为物质定量分析的依据。在max处吸光度随浓度变化的幅度最大，所以测定最灵敏。吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。,概 述,物质分子内部三种运动形式：（1）电子相对于原子核的运动；（2）原子核在其平衡位置附近的振动；（3）分子本身绕其重心的转动。分子具有三种不同能级：电子能级、振动能级和转动能级 三种能级都是量子化的，且各自具有相应的能量。分子的内能E：电子能量Ee、振动能量Ev、转动能量Er 即:EEe+Ev+Er evr,分子吸收光谱的产生,分子吸收光谱的产生,能级跃迁,电子能级间跃迁的同时，总伴随有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产生的若干谱线而呈现宽谱带。,（1）转动能级间的能量差r：0.0050.050eV，跃迁产生吸收光谱位于远红外区。远红外光谱或分子转动光谱；（2）振动能级的能量差v约为：0.05eV，跃迁产生的吸收光谱位于红外区，红外光谱或分子振动光谱；（3）电子能级的能量差e较大120eV。电子跃迁产生的吸收光谱在紫外可见光区，紫外-可见光谱或分子的电子光谱；,分子吸收光谱的产生,（4）吸收光谱的波长分布是由产生谱带跃迁能级间的能量差所决定，反映了分子内部能级分布状况，是物质定性的依据；（5）吸收谱带的强度与分子偶极矩变化、跃迁几率有关，也提供分子结构的信息。通常将在最大吸收波长处测得的摩尔吸光系数max也作为定性的依据。不同物质的max有时可能相同，但max不一定相同；（6）吸收谱带强度与该物质分子吸收的光子数成正比，定量分析的依据。,分子吸收光谱的产生,谱带系，谱带和谱线,通常情况下，分子处于基态振动能级上，当有入射光照射的时候，一个分子可以从一定的电子能级和振动、转动能级激发到某一激发态的电子能级。电子光谱含有若干谱带系，每个谱带系由若干谱带和谱线组成。谱带系：由同一电子能级跃迁形成的。一个谱带系含有若干个谱带。谱带：同一电子能级内不同振动能级之间的跃迁形成的。同一谱带内含有许多谱线。谱线：同一电子能级内转动能级间跃迁而形成的。,分子吸收光谱的产生,吸收光谱的表示方法,一般吸收光谱以光强为纵坐标对吸收波长为横坐标作图，得到一吸收曲线。光强表示方法：,透光率T（%）T=（I/I0）100%吸光度A A=（I0/I）=-T 吸收率A（%）A（%）=1-T（%）吸光系数=A/cL 单位：L mol-1 cm-1 c（mol/L);L（cm）104 强吸收，103-104 较强吸收 102-103 较弱吸收,102 弱吸收,有机物吸收光谱与电子跃迁,紫外-可见吸收光谱是三种电子跃迁的结果：电子、电子、n电子。,当外层电子吸收紫外或可见辐射后，从基态向激发态(反键轨道)跃迁。主要有四种跃迁所需能量大小顺序为：n n,吸收带:R 吸收带:化合物中n跃迁产生的吸收带,一般max在270nm以上,跃迁几率小,强度弱（104).K带是共轭分子的特征，随共轭体系增长,K带向长波方向移动(红移).B 吸收带:苯环本身振动及闭合环状共轭双键 跃迁产生的,是芳香族的主要结构,特点是在230-270nm呈现宽峰,且具有精细结构,吸收弱（在200左右）,在极性溶剂中精细结构消失.E 吸收带:也是芳香族化合物的特征吸收,可以认为是苯环内三个乙烯基共轭发生的跃迁所发生的.分为E1和E2二个,E1大约在180nm处,E2大约在200nm处,都是强吸收.当苯环上有发色基团且与苯环共轭时,E2带常与K带合并,吸收峰红移.,有机物吸收光谱与电子跃迁,有机物吸收光谱与电子跃迁,1跃迁,所需能量最大；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200 nm；例：甲烷的max为125nm,乙烷max为135nm。只能被真空紫外分光光度计检测到；作为溶剂使用；,有机物吸收光谱与电子跃迁,2n跃迁,所需能量较大。吸收波长为150250nm，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*跃迁。,有机物吸收光谱与电子跃迁,3 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，max一般在104 Lmol1cm1以上，属于强吸收。（1）不饱和烃*跃迁乙烯*跃迁的max为162 nm，max为:1104 Lmol-1cm1 C=C 发色基团，但*200nm。,max=162nm 助色基团取代*（K带)发生红移。,有机物吸收光谱与电子跃迁,（2）共轭烯烃中的*,共轭烯烃（不多于四个双键）*跃迁吸收峰位置可由伍德沃德菲泽 规则估算。max=基+nii,基-是由非环或六环共轭二烯母体决定的基准值；无环、非稠环二烯母体：max=217 nm,异环（稠环）二烯母体：max=214 nm同环（非稠环或稠环）二烯母体：max=253 nmniI:由双键上取代基种类和个数决定的校正项(1)每增加一个共轭双键+30(2)环外双键+5(3)双键上取代基：酰基（-OCOR）0 卤素（-Cl，-Br）+5烷基（-R）+5 烷氧基（-OR）+6,有机物吸收光谱与电子跃迁,有机物吸收光谱与电子跃迁,（3）羰基化合物共轭烯烃中的*,Y=H,R n*180-190nm*150-160nm n*275-295nmY=-NH2,-OH,-OR 等助色基团,K 带红移，R 带兰移；R带max=205nm；10-100,不饱和醛酮 K带红移：165250nm R 带红移:290310nm,有机物吸收光谱与电子跃迁,（4）芳香烃及其杂环化合物,苯：E1带180184nm；=47000E2带200204 nm=7000苯环上三个共扼双键的*跃迁特征吸收带；B带230-270 nm=200*与苯环振动引起；含取代基时，B带简化，红移,有机物吸收光谱与电子跃迁,乙酰苯紫外光谱图,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，跃迁禁阻，弱；,苯环上助色基团对吸收带的影响,苯环上发色基团对吸收带的影响,顺式：max=280nm；max=10500反式：max=295.5 nm；max=29000,酮式：max=204 nm烯醇式：max=243 nm,立体结构和互变结构的影响,n*跃迁：兰移；,*跃迁：红移；,溶剂的影响,溶剂的影响,相关解释：这是由于溶剂的极性对轨道的溶剂化作用引起的，由于n，*，的极性是逐渐减小的，它们受溶剂化作用不同，轨道极性越大，受溶剂影响越大，极易与溶剂形成氢键而被溶剂化稳定，轨道能量下降最多。对于*跃迁，由于*比 轨道能量下降的更多，因而 极性溶剂中下降的能量 p小于非极性溶剂中所需的能量 n，从而使吸收峰红移。对n*，n轨道受溶剂影响比*大，因而n轨道的能量比*下降的多，所以，此时n*跃迁在极性溶剂中所需的能量 p大于在非极性溶剂中跃迁所需能量 n。,极性溶剂使精细结构消失；,非极性 极性n*跃迁：兰移；*跃迁：红移；,溶剂的影响,溶剂的影响,极性溶剂中，分子的振动和转动因溶剂化作用而受到限制，精细结构消失，选择溶剂应考虑：1 溶剂应很好的溶解试样，溶剂对溶质要是惰性的；2 在溶解度范围内尽量选择极性小的溶剂；3 溶剂在样品的吸收光谱区应无明显吸收。,生色团与助色团,生色团：最有用的紫外-可见光谱是由和n跃迁产生的。这两种跃迁均要求有机物分子中含有不饱和基团。这类含有键的不饱和基团称为生色团。简单的生色团由双键或叁键体系组成，如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基-NN-、乙炔基、腈基-CN等。助色团：有一些含有n电子的基团(如-OH、-OR、-NH、-NHR、-X等)，它们本身没有生色功能(不能吸收200nm的光)，但当它们与生色团相连时，就会发生n共轭作用，增强生色团的生色能力(吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加)，这样的基团称为助色团。,红移与蓝移,有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长max和吸收强度发生变化:max向长波方向移动称为红移，向短波方向移动称为蓝移(或紫移)。吸收强度即摩尔吸光系数增大或减小的现象分别称为增色效应或减色效应，如图所示。,仪 器,一、基本组成 general process,光源,单色器,样品室,检测器,显示器,1.光源(提供能量激发被测物质分子,使之产生电子光谱)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。可见光区：钨灯作为光源，其辐射波长范围在3202500 nm。紫外区：氢、氘灯。发射180400 nm的连续光谱。,2.单色器,将光源发射的复合光分解成波段较窄的单色光的光学系统。入射狭缝：光源的光由此进入单色器,限制杂散光进入单色器内；准光装置：透镜或返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；聚焦装置：透镜或凹面反射镜，将分光后所得单色光聚焦至出射狭缝；出射狭缝。,3.样品室,样品室放置各种类型的吸收池（比色皿）和相应的池架附件。吸收池主要有石英池和玻璃池两种。在紫外区须采用石英池，可见区一般用玻璃池。4.检测器 利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号，常用的有光电池、光电管或光电倍增管。,5.结果显示记录系统 检流计、数字显示、微机进行仪器自动控制和结果处理,分光光度计的类型 types of spectrometer,1.单光束 简单，价廉，适于在给定波长处测量吸光度或透光度，一般不能作全波段光谱扫描，要求光源和检测器具有很高的稳定性。国产751，722，724 以及Beckman DU-8型都是单光束。特点；价格便宜，光源波动性较大，主要用作定量分析，不适于定性分析,分光光度计的类型 types of spectrometer,2.双光束 将通过单色器的光一分为二，一束通过参比溶液，一束通过试样，仪器在不同时刻记载参比信号和样品信号。通过一次测量可测得溶液的吸光度。可消除光源不稳定、检测器灵敏度变化等因素的影响。仪器复杂，价格较高。国产710，730和740型都是双光束。,3.双波长 将不同波长的两束单色光(1、2)快束交替通过同一吸收池而后到达检测器。测出吸光度差A。特点：无需参比池。只用一个待测试样，完全扣除背景，提高了准确度。A=（1-2）cL 优点：不用测量参比溶液，完全扣除了背景，准确度高无需联立方程。,紫外吸收光谱的应用applications of UV,一、定性、定量分析 qualitative and quantitative analysis,1.定性分析 max：化合物特性参数，可作为定性依据；有机化合物紫外吸收光谱是简单而宽的吸收带,没有精细结构,标志性差。反映结构中生色团和助色团的特性，不完全反映分子特性；用紫外光谱推测分子结构很困难。标准谱图库：46000种化合物紫外光谱的标准谱图 The sadtler standard spectra,Ultraviolet,二、有机化合物结构辅助解析 structure determination of organic compounds,1.1 可获得的结构信息（1）200-400nm 无吸收峰。饱和化合物，单烯。（2）270-350 nm有吸收峰（=10-100）醛酮 n*跃迁产生的R 带。（3）250-300 nm 有中等强度的吸收峰（=200-2000），芳环的特征 吸收（具有精细解构的B带）。（4）200-250 nm有强吸收峰（104），表明含有一个共轭体系（K带)。共轭二烯：K带（230 nm）；不饱和醛酮：K带230 nm，R带310-330 nm260nm,300 nm,330 nm有强吸收峰，3,4,5个双键的共轭体系,1.2 光谱解析注意事项,(1)确认max，并算出，初步估计属于何种吸收带；(2)观察主要吸收带的范围，判断属于何种共轭体系；(3)pH值的影响 加NaOH红移酚类化合物，烯醇。加HCl兰移苯胺类化合物。,1.3 分子不饱和度的计算,定义：不饱和度是指分子结构中达到饱和所缺一价元素的“对”数。如：乙烯变成饱和烷烃需要两个氢原子，不饱和度为1。计算：若分子中仅含一，二，三，四价元素(H，O，N，C)，则可按下式进行不饱和度的计算：=（2+2n4+n3 n1）/2 n4，n3，n1 分别为分子中四价，三价，一价元素数目。作用：由分子的不饱和度可以推断分子中含有双键，三键，环，芳环的数目，验证谱图解析的正确性。例：C9H8O2=（2+29 8）/2=6,1.4 解析示例,有一化合物C10H16由红外光谱证明有双键和异丙基存在，其紫外光谱 max=231 nm（9000），此化合物加氢只能吸收2mol H2，确定其结构。,解：计算不饱和度=3；两个 双键；max=231 nm，可能的结构 计算 max,max：232 273 268 268,max=非稠环二烯+2 烷基取代+环外双键=217+25+5=232（231）,2.定量分析,（一）一般定量分析法单一组分的测定多组分的测定 A 各组分吸收曲线不重叠 B 各组分吸收重叠吸光度加和性,（二）双波长分光光度法（课本P137）,干扰组分在选定的两个波长处的吸光度要相同 被测组分在该两波长处的吸光度差值要足够大。,（二）双波长分光光度法,试样中含有A和B两组分,组分B干扰A的测定,采用双波长法可不分离B而直接测定A的含量.,A2=AA2+AB2 A1=AA1+AB1A=A2-A1 A=(AA2+AB2)-(AA1+AB1)AB2=AB1 A=AA2-AA1=(A2-A1)bc,该式表明所测得的A 与干扰组分无关,(三)光度滴定法通过测量滴定过程中吸光度的变化来确定滴定分析终点的分析方法.在选定的波长处连续测定溶液的吸光度值,以吸光度值对加入的滴定剂体积作图,得到光度滴定曲线,这条曲线由两条斜率不同的直线组成,将两直线外推得到一交点就是滴定终点.几种典型的吸收曲线见课本 P141,分子荧光光谱法简介,Brief Introduction of Molecular Fluorescence,基本原理,由分子结构理论，讨论荧光的产生机理。1.分子能级与跃迁 分子能级比原子能级复杂；在每个电子能级上，都存在振动、转动能级；基态(S0)激发态(S1、S2、激发态振动能级)：吸收特定频率的辐射；量子化；跃迁一次到位；激发态基态：多种途径和方式(见能级图)；速度最快、激发态寿命最短的途径占优势；第一、第二、电子激发单重态 S1、S2；第一、第二、电子激发三重态 T1、T2；,电子激发态的多重度：M=2S+1S为电子自旋量子数的代数和(电子成对S=0，电子自旋相反M=1,单重态；S=1，电子自旋平行；M=3 三重态)平行自旋比成对自旋稳定(洪特规则)，三重态能级比相应单重态能级低；大多数有机分子的基态处于单重态;,根据光谱选律，S0T1 禁阻跃迁；,2.电子激发态的多重度,2.激发态基态的能量传递途径,电子处于激发态是不稳定状态，返回基态时，通过辐射跃迁(发光)和无辐射跃迁等方式失去能量；,激发态停留时间短、返回速度快的途径，发生的几率大，发光强度相对大；荧光：10-710-9 s,第一激发单重态的最低振动能级基态；磷光：10-410s；第一激发三重态的最低振动能级基态；,非辐射能量传递过程,振动弛豫：同一电子能级内以热能量交换形式由高振动能级至低相邻振动能级间的跃迁。发生振动弛豫的时间10-12 s。内转换：同多重度电子能级中,等能级间的无辐射能级交换。通过内转换和振动弛豫，高激发单重态的电子跃回第一激发单重态的最低振动能级。时间约为10-12 s外转换：激发分子与溶剂或其他分子之间产生相互作用而转移能量的非辐射跃迁；外转换使荧光或磷光减弱或“猝灭”。系间跨越：不同多重态,有重叠的转动能级间的非辐射跃迁。改变电子自旋，禁阻跃迁，通过自旋轨道耦合进行。,辐射能量传递过程,荧光发射：电子由第一激发单重态的最低振动能级基态（多为 S1 S0跃迁），发射波长为 2的荧光；10-710-9 s。由图可见，发射荧光的能量比分子吸收的能量小，波长长；2 2 1；磷光发射：电子由第一激发三重态的最低振动能级基态（T1 S0跃迁）；电子由S0进入T1的可能过程：（S0 T1禁阻跃迁）S0 激发振动弛豫内转移系间跨越振动弛豫 T1 发光速度很慢：10-4100 s。光照停止后，可持续一段时间。,荧光光谱的特征,a.Stokes位移激发光谱与发射光谱之间的波长差值。发射光谱的波长比激发光谱的长，振动弛豫消耗了能量。b.发射光谱的形状与激发波长无关用不同波长的激发光激发荧光分子，可以观察到形状相同的荧光发射光谱。这是由于无论分子被激发到哪一个激发态，处于激发态的分子经过振动弛豫及内转换最终回到第一激发态的最低能级。然后再跃迁回到基态，产生波长一定的荧光。c.镜像规则通常荧光发射光谱与它的吸收光谱成镜像对称关系。,镜像规则的解释,吸收光谱反映的是第一激发态的能级分布，荧光光谱反映的是基态能级分布情况，而基态上的各振动能级分布与第一激发态上的各振动能级分布类似；所以荧光光谱与吸收光谱形状相似。基态上的最低振动能级与第一激发态各振动能级显示的吸收峰中，第一激发态的振动能级越高，二者能级差越大，吸收峰波长越短；与此相反，在相应于第一激发态最低振动能级降落到基态的各振动能级而显示的荧光峰中，基态的振动能级越高，两个能级差距越小，荧光波长越长。所以，二者不但形状相似，而且互为镜像。,镜像规则的解释,荧光的产生与分子结构的关系,1.分子产生荧光必须具备的条件（1）具有合适的结构（具有大 键结构，供电子取代基的刚性平面结构）；（2）具有一定的荧光量子产率（）-发射荧光的分子数与总的激发态分子数之比。,荧光量子效率与激发态能量释放各过程的速率常数有关，如外转换过程速度快，不出现荧光发射；,化合物的结构与荧光,（1）跃迁类型：*的荧光效率高，系间跨越过程的速率常数小，有利于荧光的产生；（2）共轭效应：提高共轭度有利于增加荧光效率并产生红移（3）刚性平面结构：可降低分子振动，减少与溶剂的相互作用，故具有很强的荧光。如荧光素和酚酞有相似结构，荧光素有很强的荧光，酚酞却没有。（4）取代基效应：芳环上有供电基，使荧光增强。,影响荧光强度的因素,影响荧光强度的外部因素1.溶剂的影响 除一般溶剂效应外（溶剂介电常数和折射率等因素的影响），溶剂的极性、氢键、配位键的形成都将使化合物的荧光发生变化；一般地，增大溶剂极性，荧光波长红移。2.温度的影响 荧光强度对温度变化敏感，温度增加，外转换去活的几率增加，强度减弱。3.溶液pH 对酸碱化合物，溶液pH的影响较大，需要严格控制；,仪 器,测量荧光的仪器主要由四个部分组成：激发光源（氙灯）、样品池、单色器系统、检测器。特点:光源、液槽和检测器不在一条直线上。,荧光分析方法与应用,1.特点（1）灵敏度高 比紫外-可见分光光度法高24个数量级；检测下限：0.10.001g/cm-3（2）选择性强 既可依据特征发射光谱，又可根据特征吸收光谱；可检测60多种元素。（3）试样量少 缺点：应用范围小。,定量依据与方法,(1)定量依据 荧光强度 If正比于吸收的光强度Ia和荧光量子效率：If=Ia 由朗伯-比耳定律：Ia=I0(1-10-l c)If=I0(1-10-l c)=I0(1-e-2.3 l c)浓度很低时，将括号项近似处理后：If=2.3 I0 l c=Kc该式表明：浓度很低时（高浓度时，由于自催淬灭和自吸的影响，不成线性关系），荧光强度与物质的浓度成正比（定量分析的依据）。,