紫外可见光吸收光谱法

紫外可见光吸收光谱法知识总结，包括方法概述、基本原理、紫外可见光分光光度计、定量分析条件的选择、朗伯比尔定律的偏离、其他定量分析方法等内容。

紫外可见光吸收光谱法===

• 方法概述
  • 吸收光谱：处于基态和低激发态的原子或分子吸收了具有连续分布的某些波长的光而跃迁到各激发态,形成了按波长排列的暗线或暗带组成的光谱。
  • 紫外-可见吸收光谱法( UV - Vis )：是分子光谱法，利用分子中的某些价电子可吸收一定波长的光,由低能级(基态)向高能级(激发态)跃迁
  • UV - Vis 涉及分子外层电子的能级跃迁;光谱区在200~800 nm
  • 物质对一定波长的光有选择地吸收,不同物质对光的吸收不同,吸收光谱图(波长为横坐标,透光率或吸光度为纵坐标记录的曲线图形)不同。
  • UV - Vis 主要用于分子的定量分析,也可作许多化合物特别是有机化合物的定性分析。
  • 可见光波长在380~780 nm之间，物质呈现都颜色是它吸收颜色的互补色，即透过光的颜色
  • 吸光度：一定波长的光通过待测样品前后，待测样品对光的吸收程度
  • 紫外-可见吸收光谱法流程图
• 基本原理
  • 分子能量：E=Ee(电子能量)+Ev(振动能量)+Er(转动能量)
  • 分子光谱是带状光谱
    • 分子能吸收的能量
    • ΔEe>ΔEv>ΔEr
    • 电子能级决定光谱带的位置,光谱带中相邻谱线的间隔由转动能级间隔决定
  • UV - Vis光谱类型
    • 有机物
      • σ→σ*跃迁引起的吸收谱带（饱和烃类能量大，吸收光谱为远紫外区，难用UV - Vis光谱分析）
      • n→σ*跃迁引起的吸收谱带（含有未共用电子对杂原子N,O,S,X,所需能量150-200nm）
      • n→π*跃迁引起的吸收谱带(带孤对电子的杂原子和π键共轭 ，吸收峰200~400nm,共轭体系中，吸收波长增长，吸收强度增加)
      • π→π*跃迁引起的吸收谱带（不饱和烃类，吸收峰200~700nm，波长增长，吸收强度增加）
      • 荷移光谱
      • 主要
    • 无机物
      • 电荷转移光谱( p - d )引起的吸收谱带即荷移光谱（无机配合物，谱带宽，吸收强度大）
      • 配位体场跃迁( d → d*, f → f*)引起的吸收谱带（过渡金属配合物）
    • 形成轨道类型：σ，π成键分子轨道，σ*，π*反键分子轨道，n非键分子轨道
    • 各轨道能级高低顺序：σ<π<n<π*<σ*
    • σ→σ*>σ→π*>π→σ*>n→σ*>π→π*>n→π*(σ→π*和π→σ*为禁阻跃迁)
  • 常用术语
    • B 带:苯环的π→π*跃迁产生的吸收带。特点:吸收峰的范围:230-270nm,重心在258nm左右,ε约为220。
    • E 带:苯环中烯键π电子的π→π*跃迁产生的吸收带。包括E1和E2吸收带。特点:(1) E 吸收带出现在184nm,强吸收。(2)吸收带出现在204nm,中等强度吸收。
    • R 带: n→π*跃迁产生的吸收带。特点:处于较长波长范围(250-500nm),吸收强度很弱
    • K 带:共轭双键π→π*跃迁产生的吸收带。特点:吸收峰范围:210-250nm,吸收强度大
    • 生色团：分子中含有一个或一个以上的某些不饱和基团(非键轨道或元键轨道的电子体系),能吸收外来辐射时并引起 n→σ*和π→π*跃迁,此类物质往往有颜色
    • 助色团：本身无颜色,但含有孤对电子,可使生色团吸收峰向长波方向移动并提高吸收强度的一些官能团
    • 红移和蓝(紫)移：由于化合物的结构改变(如引入助色团或发生共轭作用)或改变溶剂等而引起的吸收峰向长波方向移动的现象称为红移,反之称为蓝移。
    • 增色和减色效应：由于化合物的结构改变或其它原因而引起的吸收强度增强的现象称为增色效应,反之称为减色效应。
  • 影响UV - Vis光谱的因素
    • 共轭效应:使共轭体系形成大π键,吸收波长红移,吸收强度增加
    • 立体化学效应:因空间位阻、构象、跨环共轭等因素导致吸收波长红移或蓝移,吸收强度增色或减色。
    • pH 的影响: pH 不同,其解离情况不同,使物质结构发生变化。
    • 溶剂的影响:溶剂的性质可能影响吸收峰位置、形状和强度。溶剂的极性增大往往使化合物π→π*跃迁红移,n→π*跃迁蓝移。
      • C=C从非极性溶液到极性溶液，π→π*跃迁红移，λ↑，ε↓；C=O从非极性溶液到极性溶液，n→π*跃迁蓝移，λ↓，ε↑
• 紫外可见光分光光度计
  • 紫外可见光分光光度计结构
    • 若同时用紫外可见光：氙灯
  • 吸光度的测量
  • 将不同波长的光透过某一固定浓度和厚度的有色溶液,测量每一波长下有色溶液对光的吸收程度(即吸光度 A ),然后以波长为横坐标,以吸光度为纵坐标作图,可得一曲线。这曲线描述了物质对不同波长的吸收能力,称吸收曲线或吸收光谱
  • 吸收曲线特点
    • 同一有色溶液,浓度愈大,吸光度也愈大
    • 同一浓度的有色溶液对不同波长的光有不同的吸光度
    • 对于同一物质,不论浓度大小如何,最大吸收峰所对应的波长(最大吸收波长 max )不变,且曲线的形状也完全相同。
• 定量分析
  • 光吸收基本定律：朗伯比尔定律
    • 公式
      • 光为平行单色光
    • 加和性：多组分的测定
  • 朗伯比尔定律的偏离
    • Beer定律适用性
    • 样品性质影响
      • 溶液浓度影响：只适合稀浓度溶液，c<0.1mol/L
      • 化学平衡，pH和其他
    • 仪器因素
      • 入射波长和干扰波长相等时，符合beer定律。反之则偏离
  • 定量方法
    • 标准加入法
    • 标准曲线法
    • 工作曲线：以浓度为横坐标,以吸光度为纵坐标作图
    • 比较法
      • 比较法又称单对照法。根据两个液层厚度相同而浓度不同的同一种有色溶液,它们的浓度与吸光度成正比:采用比较法时, C 标与 C试 必须相近,结果才可靠
  • 显色反应
    • 过程：试液+显色剂+其他试剂 →有色溶液
    • 反应类型：配位反应、氧化还原反应、增加生色基团的衍生化反应等
    • 选择原则
      • 选择灵敏度高(ε高)的反应
      • 生成物组成恒定、稳定性好
      • 显色剂在测定波长处无明显吸收。显色剂吸收波长与有色化合物最大吸收波长相差大
  • 定量分析条件的选择
    • 测量条件选择
      • 选择合适的入射光波长：选择溶液吸收度最大的波长
      • 出射狭缝宽度选择：出射狭缝宽度影响测定的灵敏度和标准曲线的线性范围。出射狭缝宽度增大,入射光的单色性降低,会使灵敏度降低,校正曲线偏离 L - B 定律。中低档仪器的出射狭缝宽度是固定的,若可以调节时,应在确保一定入射光强度时,选择较小的狭缝宽度。
      • 控制适当的吸光度范围：用光度计测量吸光度,都存在着误差。当测量 A <0.15或 A >1.0吸光度时,误差会迅速增加。为了使测量范围落在0.15~1.0之间,可以采取以下措施:
        • 改变待测溶液浓度,来控制吸光度范围。控制试样的称取量,对于组分含量高的试样,可减少称取量,或是稀释（其他组分浓度不变）;对于含量低的溶液可增加称样量或浓缩的方法来提高浓度。
        • 如果试样已经显色,可通过改变比色皿厚度来控制 A 值
    • 光度计测量误差
    • 显色条件选择
      • 显色剂用量：显色剂浓度控制
      • 显色反应酸度
        • 由于显色剂大多是有机弱酸,酸度影响显色剂的离解,因而影响显色剂反应的完全程度
        • 许多显色剂本身就是酸碱指示剂,配位反应后的颜色必须与显色剂本身的颜色有显著的不同
        • 酸度影响配合物的组成。如Fe3+与磺基水杨酸的反应
      • 显色温度及时间
    • 参比溶液选择
      • 溶剂参比:试样组成简单、共存组份少(基体干扰少)、显色剂不吸收时,直接采用溶剂(多为蒸馏水)为参比
      • 试剂参比:当显色剂或其它试剂在测定波长处有吸收时,采用试剂作参比(即不加待测物的空白溶液);
      • 试样参比:如试样基体在测定波长处有吸收,但不与显色剂反应时,可以试样作参比(不能加显色剂)。
      • 平行操作参比:用不含被测组分的试样,在相同的条件下与被测试样同时进行处理,得到平行操作参比溶液
      • 通过参比皿的光强度作为入射光强度。参比溶液的作用:用它来抵消比色皿及试剂对入射光的反射和吸收,也可以抵消一些有色干扰离子的影响
    • 干扰及消除办法
      • 加入配位剂掩蔽干扰离子
      • 调节溶液酸度
      • 根据配合物的稳定性不同实现分离
      • 选择合适的测定波长：若显色物质存在多个吸收峰且在入 max 处存在干扰时,可选择吸收次强的峰以避开干扰,但测定灵敏度会降低
      • 分离：考虑采用预先分离的方法,如沉淀、萃取、离子交换、蒸发和蒸馏以及色谱分离等
  • 其他定量分析方法
    • 示差光度法
      • 用于高含量组分的测定。普通的分光光度法采用不含已显色被测组分的参比溶液,当待测组分含量较高时,将产生较大的误差。需采用示差法。示差光度法使用浓度比试样溶液稍低的标准溶液在同样条件下显色,用作参比溶液来调节T=100%。
      • 原理：
      • 标尺扩展原理
        • 特点：准确度提高，使读数落入误差最小区域；光强要足够强
    • 多组分混合物分析
      • 吸收光谱不重叠
      • 吸收光谱重叠：由吸光度加和性联立方程求解
• ε是光能力量度的重要指标,可作为定性分析的参考,可表示定量分析方法的灵敏度。ε是由物质本性决定的。