材料方法第6章紫外与荧光光谱 20 10

第6章（三) 紫外-可见光谱 （Ultraviolet and Visible Spectroscopy, UV-VIS）,Ultraviolet: 190400nm Violet: 400 - 420 nm Indigo: 420 - 440 nm Blue: 440 - 490 nm Green: 490 - 570 nm Yellow: 570 - 585 nm Orange: 585 - 620 nm Red: 620 - 780 nm,紫外-可见吸收光谱法是利用某些物质的分子吸收200800nm光谱区的辐射来进行分析测定的方法。这种分子吸收光谱产生于价电子和分子轨道上的电子在电子能级间的跃迁，广泛用于有机和无机物质的定性和定量测定。,Hitachi（日立）紫外可见光谱仪,一、基本概念,1、电子跃迁及其类型,成键轨道 、 ； 反键轨道 *、* 非键轨道 n 例如 H2CO分子的轨道：,UV/VIS,Vacuum UV or Far UV (190 nm ),（1） - *跃迁：位于成键轨道上的电子 向*反键轨道跃迁。比如甲烷分子，只 有C-H键，因此只能产生- *跃迁，在 紫外光谱图上在125nm处有最大吸收。 （2） -*跃迁：位于成键轨道上的电子 向*反键轨道跃迁。分子中含有不饱和 基团。,（3） n -*跃迁：位于n轨道上的电子向 *反键轨道跃迁。分子 中含有不饱和基团。 （4） n - *跃迁：位于n轨道上的电子向 * 反键轨道跃迁。含 有孤对电子的饱和化合 物，可以产生n -*跃 迁，吸收波长位于150- 250nm。,pp*,电子在不同能级间跃迁类型的比较,2、发色团：分子中能吸收紫外光或可见光的结 构系统叫做发色团或色基，比如 C=C、C=O、CC等都是发色团。发色 团的结构不同，电子跃迁类型也不 同。 3、助色团：本身不能吸收波长大于200nm的光 波，但它与一定的发色团相连时，则 可使发色团所产生的吸收峰向长波长 方向移动。并使吸收强度增加，这样 的原子或基团叫做助色团。,4、红移和蓝移 红移： 某些有机化合物因反应引入含有 （red shift） 未共享电子对的基团使吸收峰向 长波长移动的现象。 短移或蓝移： 使吸收峰向短波长移动的现象。（blue shift） 浓色效应或增色效应 使吸收强度增加的现象。 （hyperchromic effect） 淡色效应： 使吸收强度降低的现象。 （hypochromic effect） 。,紫外光谱的横坐标表示波长，纵坐标可用吸收强度A（或用、lg）、透射率T表示。,苯的紫外吸收光谱（异辛烷）,芳香族化合物的特征吸 收带,乙烯型谱带,5、吸收带,R带：n* 跃迁产生的吸收带，其特点是吸收 强度很弱，max100，吸收波长270nm。 K带：共轭谱带，由共轭体系的* 跃迁 产生的吸收带，其特点是：跃迁所需要的 能量较R吸收带大，摩尔吸收系数max 104。K吸收带是共轭分子的特征吸收带， 因此用于判断化合物的共轭结构。,B带：苯型谱带，它是芳香族化合物的特征吸 收带，是由苯环振动及* 重叠引起 的。在230270nm之间出现精细结构吸 收。 E-带：乙烯型谱带，它也是芳香族化合物的特征 吸收之一。E带可分为E1及E2两个吸收带， 二者可以分别看成是苯环中的乙烯键和共 轭乙烯键所引起的，也属* 跃迁。,乙酰苯紫外光谱图,羰基双键与苯环共扼： K带强240nm =13000 ；苯的E2带与K带合并，红移。 B带：278nm，1100 取代基使B带简化； R带，319nm； =50,6、光吸收定律Lambert-Beer定律：,描述物质对单色光吸收强弱与液层厚度和待测物浓度的关系。 布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)先后于1729年和1760年阐明了光的吸收程度和吸收层厚度的关系。1852年比尔(Beer)又提出了光的吸收程度和吸收物浓度之间也具有类似的关系。,: 摩尔吸光系数 (L · mol-1 · cm-1) l: 样品路径长度（cm) c : 溶液样品浓度（ mol· L-1）,透过率,I0,I,l,外标和校正曲线,二、基本原理,分子价电子能级跃迁，电子跃迁的同时，伴随着振动转动能级的跃迁。 波长范围：4-800 nm. (1) 远紫外光区: 100-200nm (2) 近紫外光区: 200-400nm (3) 可见光区:400-800nm,紫外可见吸收光谱以波长（nm）为横坐标，以吸光度A或吸收系数为纵坐标。,三、紫外光谱法的特点,1、反映了分子中价电子能级跃迁情况。主要应 用于共轭体系（共轭烯烃和不饱和羰基化合物）及芳香族化合物的分析。 2、由于电子能级改变的同时，往往伴随有振动能级的跃迁，所以电子光谱图比较简单，但峰形较宽，呈带状。一般来说，利用紫外吸收光谱进行定性分析信号较少。 3、紫外吸收光谱常用于共轭体系的定量分析，灵敏度高，检出限低。,四、影响紫外吸收光谱的因素,1、 共轭效应,1，3丁二烯分子轨道能级示意图,共轭体系的形成使max红移，并且共轭体系越长，紫外光谱的最大吸收越移向长波方向。,2、溶剂效应,（1）n *跃迁所产生的吸收峰随溶剂极性的增加而向短波长方向移动。因为具有孤对电子对的分子能与极性溶剂发生氢键缔合，其作用强度以极性较强的基态大于极性较弱的激发态，致使基态能级的能量下降较大，而激发态能级的能量下降较小，故两个能级间的能量差值增加。实现n*跃迁需要的能量也相应增加，故使吸收峰向短波长方向位移。,苯酚钠的紫外吸收光谱,苯酚的紫外吸收光谱,3、 溶剂pH值对光谱的影响,pH的改变可能引起共轭体系的延长或缩短，从而引起吸收峰位置的改变，对一些不饱和酸、烯醇、酚、及苯胺类化合物的紫外光谱影响很大。如果化合物溶液从中性变为碱性时，吸收峰发生红移，表明该化合物为酸性物质；如果化合物溶液从中性变为酸性时，吸收峰发生蓝移，表明化合物可能为芳胺。,五、紫外-可见分光光度计,1 紫外-可见分光光度计的基本结构 紫外-可见分光光度计由光源、单色器、吸收池、检测器以及数据处理及记录（计算机）等部分组成。,双光束分光光度计的原理图,六、紫外吸收光谱的应用,物质的紫外吸收光谱基本上是其分子中生色团及助色团的特征，而不是整个分子的特征。 只根据紫外光谱是不能完全确定物质的分子结构，还必须与红外吸收光谱、核磁共振波谱、质谱以及其他化学、物理方法共同配合才能得出可靠的结论。,1、化合物的鉴定 利用紫外光谱可以推导有机化合物的分子骨架中是否含有共轭结构体系，如CCCC、CCCO、苯环等。 2、 纯度检查 如果有机化合物在紫外可见光区没有明显的吸收峰，而杂质在紫外区有较强的吸收，则可利用紫外光谱检验化合物的纯度。,3、 异构体的确定,对于异构体的确定，可以通过经验规则计算出max值，与实测值比较，即可证实化合物是哪种异构体。 如: 乙酰乙酸乙酯的酮-烯醇式互变异构,溶剂：1. 己烷； 2. 乙醇； 3. 水 乙酰乙酸乙酯的紫外吸收曲线,4、定量分析,(1) 朗伯-比尔定律（Lambe-Beer Law) 朗伯-比尔定律是紫外-可见吸收光谱法进行定量分析的理论基础，它的数学表达式为: A = l c,（2）比较法,在相同条件下配制样品溶液和标准溶液， 在最佳波长最佳处测得二者的吸光度A样和A标，进行比较，按上式计算样品溶液中被测组分的浓度,（3）标准曲线法,配制一系列不同浓度的标准溶液，在最佳处分别测定标准溶液的吸光度A，然后以浓度为横坐标，以相应的吸光度为纵坐标绘制出标准曲线，在完全相同的条件下测定试液的吸光度，并从标准曲线上求得试液的浓度。该法适用于大批量样品的测定。,一、基本概念,1、单重态： 一个所有电子自旋都配对的分子的电子状态。大多数有机物分子的基态是单重态。当基态一对电子中的一个被激发到较高能级，其自旋方向不会立刻改变，分子仍处于单重态。 2、 三重态： 有两个电子的自旋不配对而平行的状态。激发三重态能量较激发单重态低。,第6章（四) 荧光光谱,激发态分子的失活: 激发态分子不稳定，它要以辐射或无辐射跃迁的方式回到基态。,无辐射跃迁 振动弛豫：激发态分子由同一电子能级中的较高振动能级转至较低振动能级的过程，其效率较高。 内转换：相同多重态的两个电子能级间，电子由高能级回到低能级的分子内过程。 系间窜越： 激发态分子的电子自旋发生倒转而使分子的多重态发生变化的过程。 外转换：激发态分子与溶剂或其他溶质相互作用、能量转换而使荧光 （或磷光）减弱甚至消失的过程。荧光强度的减弱或消失，称为荧光熄灭（或猝灭）。,辐射跃迁 荧光：受光激发的分子从第一激发单重态的最低振动能级回到基态所发出的辐射。寿命为10-8 10 -11s。由于是相同多重态之间的跃迁，几率较大，速度大，速率常数kf为106109s-1。 磷光： 从第一激发三重态的最低振动能级回到基态所发出的辐射。由于磷光的产生伴随自旋多重态的改变，辐射速度远小于荧光，磷光寿命为10-4 10s。,二、荧光与结构的关系 1、电子跃迁：*跃迁比*n跃迁更常见。 2、共轭效应：芳香族化合物的荧光最常见且最强，大多数未取代芳烃在溶液中发荧光，随着环的数目和稠合程度增加，荧光峰红移，。简单杂环化合物不发荧光，但具有稠环结构的杂环化合物都发荧光。 3、平面刚性结构效应：有刚性结构的分子容易发荧光，刚性和共平面性的增加有利于荧光发射。,CH2,联苯 =0.2,芴 =1,刚性平面结构,4、取代基的影响： 芳环上有羧基、羰基或亚硝基等吸电子基团取代时，荧光减弱；给电子取代基如-OH、-NH2、-CN、-OCH3等会使荧光强度增加。 重原子效应：含有重原子的分子中，系间窜跃的几率大,使荧光减弱，磷光增强。,卤素取代的“重原子效应”,不同取代基对芳烃荧光的影响,三、激发光谱和荧光光谱,任何荧光化合物都具有两种特征光谱： 1、荧光激发光谱（吸收光谱）：固定某一发射波长，测定该波长下的荧光发射强度随激发波长变化所得的光谱。 2、荧光发射光谱（荧光光谱）：固定某一激发波长，测定荧光发射强度随发射波长变化得到的光谱。,四. 由荧光光谱可获悉的信息 1、定性鉴定： 利用激发光谱和荧光光谱可进行样品的鉴定及推测杂质的存在与否。 2、定量分析： 不发生浓度猝灭的稀溶液，其荧光强度和物质的浓度成比例。 3、解析分子间相互作用： 从荧光光谱中求出的荧光发射峰的波长、荧光强度(量子产率)、荧光寿命，可推测所吸收的光能经过的途径，并且通过考察这些结果与试样浓度的关系及共存物质的影响，可解析分子间的相互作用。,光谱解析,硫酸奎宁的荧光光谱 (a)365nm激发(Hg线) (b)313nm激发(Hg线) (c)254nm激发(Hg线),五、荧光光谱的特点 1、斯托克斯位移（Stokes shift)：与激发光谱相比，荧光光谱的波长总是出现在更长的波长处。 2、荧光光谱与激发波长无关：无论用=250和350nm作激发光源，所得荧光光谱形状和峰的位置都是相同。 3、吸收光谱与发射光谱大致成镜像对称。,六、电子光谱在材料分析中的应用,1、 材料中微量元素或添加剂含量的测定 2、电子光谱研究聚合反应动力学,典型的类酶催化反应分子动态谱图 （a）反相胶束中Hb-OPDA-H2O催化显色反应的时间分辨差谱 （b）在AOT/octane/H2O反相胶束中，上述反应中间体和产物的光谱动力学,双-2-乙基己基硫代琥珀酸钠(AOT),在胶束和反相胶束中的类酶催化荧光光谱 （A）TritonX-100:0.04%；（B）AOT/n-octane/H2O为相对含水量；最大激发波长和发射波长处，光谱峰按时间顺序由下至上，扫描间隔：1.5min，OPDA = 10-3mol/L，Hb