第二章 紫外-可见分光光度法.ppt.ppt
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1、第2章 紫外-可见分光光度法,基本要求1.了解分子能级与电磁波谱、光谱法的分类、影响比尔定律的因素、透光率的测量误差,紫外-可见分光光度计各部件的作用,光度法显色反应的条件,定性鉴别方法。2.掌握紫外-可见分光光度法的定量依据,朗伯-比尔定律的表达形式、物理意义,摩尔吸收系数和比吸收系数的物理意义及有关计算。3.掌握测定波长的选择,紫外-可见吸收光谱的产生,电子跃迁类型;吸收带、生色团、助色团、蓝移、红移、增色效应和减色效应、溶剂效应等基本概念。,第2章 紫外-可见分光光度法,2.1 电磁辐射与电磁波谱2.2 基本原理2.3 紫外-可见分光光度计2.4 定性与定量分析方法2.5 紫外吸收光谱与
2、有机化合物分子结构的关系,2.1.1 电磁辐射和电磁波谱,1.电磁辐射 在真空中以光速c(c=2.998108 ms-1)进行传播的光子流,是一种能量,又称电磁波。电磁辐射具有波粒二向性。,电磁辐射波动性,电磁辐射的波动性可以用正弦波进行描述,通常用波长()、频率()、波数()进行表征。参数之间的关系为,2.1电磁辐射和电磁波谱,电磁辐射的微粒性,电磁辐射与物质作用时,吸收、发射和光电效应等都是微粒性的表现,这时电磁辐射的能量不是均匀连续分布在它传播的空间,而是集中在辐射产生的光子微粒上,是量子化的。电磁辐射能量与频率之间的关系为,式中h 为普朗克常数(6.62610-34Js),2.1.1
3、电磁辐射和电磁波谱,2.电磁波谱 将电磁辐射按波长大小顺序排列,2.1.2 光谱法的分类,光谱法的分类 按物质与辐射能的转换方向(能级跃迁方向)不同,可分为吸收光谱法和发射光谱法。,吸收光谱分析法:原子或分子选择吸收电磁辐射源中具有适宜能量的光子,使相应波长位置出现吸收线或吸收带构成的光谱即为吸收光谱。发射光谱分析法:原子或分子受辐射激发跃迁到激发态,再由激发态回到基态,以辐射的方式释放能量产生的光谱为发射光谱。,2.2 基本原理,紫外-可见分光光度法(UV-Vis)是指根据物质分子选择性吸收特定频率的紫外或可见光建立起来的分析方法。波长范围:200760nm 产生原因:分子中价电子的跃迁 特
4、点:适用于微量和痕量组分分析,灵敏度达10-7gL-1,为什么上述溶液呈现不同的颜色?,由于溶液对光的选择性吸收引起的,溶液呈现的是被物质吸收颜色的互补色。,单色光,复色光,互补光,原 因,单色光、复合光、光的互补,单色光,复合光,光的互补,单一波长的光,由不同波长的光组合而成的光,若两种不同颜色的单色光按一定的强度比例混合得到白光,那么就称这两种单色光为互补色光,这种现象称为光的互补。,2.2.1 朗伯-比尔(Lamber-Beer)定律,描述物质对单色光吸收强弱与吸光物质厚度和物浓度的关系,是吸光光度法的基本定律。,Lamber定律:说明吸光与物质厚度l的关系Beer定律:说明吸光与物质浓
5、度c的关系,假设一束平行单色光通过一个吸光物体,取物体中一极薄层,式中E是比例常数,又称为吸收系数。朗伯-比尔定律是吸收光谱法定量分析的基础。,即为朗伯-比尔定律的数学表达式,1.Lamber-Beer定律的适用条件:入射光为单色光;溶液是稀溶液2.该定律适用于固体、液体和气体样品,讨论,朗伯-比尔定律说明,透光率T与物质浓度c或厚度l之间是指数函数的关系,吸光度A与物质浓度c或厚度l之间是正比关系。,在同一波长下,彼此间无相互作用的多组分体系的总吸光度是各物质吸光度的总和:A=A1+A2+An=E1lc1+E2lc2+Enlcn,吸光度的加和性,吸光度A、透光率T与浓度c的关系,T=0.0%
6、,A=,T=100.0%,A=0.0,2.2.2 吸光系数和吸收光谱,1.吸光系数吸光系数的物理意义:单位浓度、单位厚度的吸光度,1)当单色光波长、组分性质、温度和溶剂一定时,E一定;2)不同物质在同一波长下E可能不同(选择性吸收),但同一物质在不同波长下E一定不同;3)E越大,物质对光吸收能力越强,测定灵敏度越高。4)E是定性、定量分析的依据。,吸光系数的两种表示方式,1)摩尔吸光系数:单位浓度及单位厚度时的吸光度,用或EM标记。2)百分吸光系数/比吸光系数:是指在一定下,c=1g/100mL,l=1cm时的吸光度,用E1cm1%标记。两者之间的关系,摩尔吸收系数值通常在104105之间为强
7、吸收,为高灵敏度;小于102为弱吸收,为低灵敏度;介于两者之间为中强吸收。,2.紫外-可见吸收光谱,又称吸收曲线,即以波长为横坐标,吸光程度为纵坐标作图,所得的 A曲线。,1-吸收峰 最大吸收波长max2-谷 最小吸收波长mix 3-肩峰4-末端吸收,吸收光谱反映了物质分子的特征吸收:,(1)同一物质对不同波长光的吸收程度不同,如KMnO4对紫色和红色光吸收吸收很弱,而对525nm附近的绿色光吸收最强。吸光度A最大处的波长称为最大吸收波长,用max 表示。在处测得的摩尔吸收系数为Emax。(2)同一物质浓度不同时,在同一波长处吸光度不同,c愈大,A愈大,这是吸光光度法对物质进行定量分析的依据。
8、(3)同一物质分子运动的形式相同,结构相同,吸收曲线的形状相同,且max位置不变;但不同物质的max和吸收曲线的形状互不相同,据此可对物质进行定性分析。,(4)若选择在max处测量A,则灵敏度高;(5)从吸收光谱曲线得出结论:c愈大,颜色愈深,吸收愈强。即 c增大,则A增加,T减小,但max和max不变。(6)吸收光谱反映了分子的电子结构特征,可为物质结构的研究提供重要信息。,2.紫外-可见吸收光谱,3.吸光度的测量 溶剂和容器 紫外光区-石英吸收池 可见光区玻璃吸收池 空白对比 空白:与试样完全相同的溶液和容器但不含被测物质。以空白作参比,调节A=0(T=100%),2.2.3 偏离Beer
9、定律的因素,依据Beer定律,A与c关系应为经过原点的直线,但往往偏离。,主要有以下因素:光学和化学因素,偏离的原因主要是仪器或溶液的实际条件与朗伯-比尔定律所要求的理想条件不一致。,a)由于分子间的相互作用。高浓度时,吸收质点靠得很近,会互相影响对方的电荷分布,使吸收质点对某一给定波长光的吸收能力改变,从而偏离比尔定律。b)吸光物质因浓度改变而有解离、缔合、溶剂化及配合物组成改变等现象。,溶液浓度高时偏离比尔定律,原因是:,1.化学因素的影响,1.化学因素的影响,例如 苯甲酸在水溶液中,发生电离反应 C6H5COOH+H2O C6H5COO-+H3O+max(nm)273 268max(L/
10、molcm)970 560,稀释溶液或改变溶液pH值时,会产生对比尔定律的偏离。,例如 重铬酸根溶液 Cr2O72-+H2O 2 HCrO4-2 CrO42-+2H+,2.仪器因素的影响,(1)非单色光的影响,朗伯-比尔定律只适用于单色光,但目前的光度计得到的入射光实际上仍是具有一定波长范围的复合光,此范围称为谱带宽度。由于物质对不同波长的光的吸收程度不同,从而导致对朗伯-比尔定律的偏离(或正或负)。谱带宽度愈大,单色光的纯度愈差,吸光物质的浓度愈高,偏离朗伯-比耳定律的程度愈严重。,讨论,故入射光的谱带宽度严重影响吸收系数和吸收光谱形状,采取措施使用较好的单色器(,单色性)选max作为测定波
11、长(E,S且线性好),(2)杂散光的影响 杂散光是指从单色器得到的入射光中,那些波长不在谱带宽度范围内,与所选波长相距较远的光。杂散光来源:仪器本身缺陷;光学元件污染造成。杂散光可使吸收光谱变形,吸光度变化。,(3)散射光和反射光的影响 散射光和反射光均是入射光谱带宽度内的光,直接对T产生影响,散射和反射使T,A,吸收光谱变形。注:一般可用空白溶液对比校正消除,(4)非平行光的影响 使光程,A,吸收光谱变形。,2.2.4 透光率测量误差,透光率测量误差T是随机误差,来自仪器的噪音:暗噪音:与光信号大小无关 散粒噪音:随光信号强弱而变化,分析结果(浓度)的相对误差与透光率测量误差的关系为:,微分
12、后再除以上式,得,表明测定结果的相对误差取决于 T和T的大小。,与检测器和放大电路的不确切性有关,与光信号大小无关,可视为常数。,1.暗噪声,设T0.005,计算不同T值与c/c的关系,可得到下图:,T 过大或过小时,浓度测量的相对误差都较大。在实际测定时,一般控制,T=65 15%或 A=0.2 0.8 此时,Er4%,吸光度A:0.20.8,减少测量误差,吸光度测量的误差,减小浓度稀释改变吸收池厚度,令,得,此时测量误差最小,2.信号散粒噪声-讯号噪音,是指光敏元件受光照射时单位时间内电子迁移的数量不相等,形成测量光强时的不确定性。信号噪声与被测光强的方根成正比。,图3-15虚线表明,测量
13、误差较小的范围,一直可延至较高吸光度区,对测定是个有利因素。,2.3 紫外-可见分光光度计,光源,单色器,吸收池,检测器,讯号处理及显示器,作用:发出连续光谱,作用:将复合光分散成单色光,作用:盛放试液,作用:将光信号转换为电信号,并放大测量,表头、记录仪、屏幕、数字显示,2.3.1 分光光度计的主要部件,1.光源,发出所需波长范围内的连续光谱,要求有足够的光强度,且稳定。可见光区:钨灯,卤钨灯(3501000nm)紫外区:氢灯,氘灯(150400nm),2.单色器,将光源发出的连续光谱分解为单色光的装置,包括包括狭缝、准直镜、色散元件等。常用的色散元件有棱镜和光栅。,狭缝:狭缝过宽单色光不纯
14、,太窄光通量小,灵敏度低;减小狭缝宽度试样A值不再改变时的宽度为合适狭缝。准直镜:使入射光成为平行光束,包括透镜或反射镜,3吸收池 玻璃吸收池能吸收紫外光,仅适用于可见光区 石英吸收池不吸收紫外光,适用于紫外和可见光区,4.检测器 利用光电效应将透过吸收池的光信号转变成电信号。有光电池、光电管、光电倍增管、光二极管等。,5讯号显示装置,信号处理:放大和数学运算等元件显示器:显示结果,如检流计、数字显示仪、打印机、扫描仪等,2.3.2.分光光度计类型,(1)单光束分光光度计,仪器结构简单,只有一束单色光,对光源发光强度要求较高。,(2)双光束分光光度计,可以减免因光源强度不稳而引入的误差,对光源
15、要求不高;可以自动扫描绘制吸收光谱。,(3)双波长分光光度计,有两个单色器;无需参比溶液,1,2,2.3.3 分光光度计的光学性能及校正,性能指标,波长范围:200800nm;波长准确度:0.5nm;波长重复性:变动值1/2波长准确度;狭缝或谱带宽:0-5nm测光准确度:T0.5%;测光重现性:测光准确度误差的二分之一;分辨率:260nm处为0.3nm;杂散光:220nm处,溴化钠溶液为T0.5%,2.4.1 化合物的鉴别,定性鉴定的依据:吸收光谱曲线的形状、吸收峰的数目、肩峰、max 和max、吸光度比等,其中max 及max是主要参数。,1.比较光谱的一致性,用未知纯试样与已知标准品或标准
16、谱图比较。若两个化合物相同,则其吸收光谱应完全一致。,2.4 定性与定量分析方法,相同浓度、相同溶剂,2.对比吸收光谱特征数据的一致性,紫外吸收光谱相同的两种化合物有时不一定相同,但是它们的吸收系数是有差别的。所以在比较max的同时,还要比较max(或E1cm1%)。max相同,则比较E1cm1%例如结构相似的甲基睾丸酮及丙酸睾丸素,它们在无水乙醇中的max都为240 nm,但在该波长处的E1cm1%数值,前者为540,后者为460。,比较max 及max(或E1cm1%),例如:2005版药典规定维生素B12鉴定:,3.对比吸光度比值的一致性,吸收峰较多时,可利用几个吸收峰处A或吸光系数的比
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