《紫外可见光光谱》PPT课件.ppt

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1、紫外可见光光谱,UV/Visible Spectroscopy,从现实入手,防晒霜,Source: wikipedia.org,防晒霜,sunblock lotion (spray) sun protection factor (SPF) sunburn UV absorption,UV 紫外线,UVC:100290nm的短波紫外线 UVB: 290320nm的中波紫外线 UVA: 320400nm的长波紫外线,光谱(Spectrum),X-ray,Far UV,紫外UV 200-400 nm,可见Visible 400-800 nm,红外IR 2.5-15mm,Far IR,MW,RF,Bo

2、nd breakage 化学键破裂,Electron transition 电子跃迁,Vibrational Transition 振动跃迁,Rotational Transition 转动跃迁,Nuclear Spin 核自转,Electron Spin 电子自转,核磁NMR 1-5m,波长Wavelength l,频率Frequency n or 能量energy E,物质对UV的吸收,臭氧和氧气（ozone and oxygen) 吸收290nm以下的紫外线 空气和石英 (air and quartz) 吸收200nm以下的紫外线 玻璃 (glass) 吸收350nm以下的紫外线,防晒霜

3、的原理,物理防晒 利用防晒粒子，在肌肤表面形成防护层，反射紫外线 化学防晒 它是通过某些化学物质和细胞相结合，在细胞受损之前，先将紫外线中可能对肌肤产生伤害的部分吸收掉 生物防晒 通过某些可以深入渗透至肌肤细胞核，保护细胞DNA的原理,化学防晒霜成分,对氨基苯甲酸Para Amino Benzoic Acid PABA： 吸收UVB,Phenylbenzimidazole sulfonic acid苯基苯并咪唑磺酸 吸收UVB,Oxybenzone: 羟苯并唑 吸收UVB and short UVA,Bisdisulizole disodium: UVA 苯基二苯并咪唑四磺酸酯二钠,化学防晒霜

4、成分特点,苯环 不饱和键多 杂原子化合物 不饱和键越多，吸收往UVA移,为什么？,防晒霜的使用,该涂抹多少？或是防晒霜的浓度多高才有效？,紫外线为什么会伤害？- 能量,紫外光 近紫外： 200 400 nm, 3 6 eV 真空紫外：100 200 nm, 6 12 eV 可见光 波长: 400 800 nm，1.5 3 eV,一般的电子跃迁能量变化在1 20 eV。,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。,物质对光的选择性吸收,物质吸收光之后 基态变到激发态 M + hn M* 因为能级的量子化

5、，光的吸收只能是选择性的； 分子结构的复杂性决定了每一种物质对于光的吸收程度都不同； 用不同波长的单色光照射，测量光度-吸收曲线与最大吸收波长。,M + heat,M + hn2,典型光谱图(spectrum),带状光谱：电子跃迁的同时，伴随着振动转动能级的跃迁。,吸收曲线(absorption curve),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 不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似，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。,吸收曲线(absorption c

6、urve),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。,光的吸收定律,Lambert-Beer Law,I0,I,A = -lg(I/I0) = -lgT = eLC,A: 吸光度， absorbance T: 透光度， transmittance C: 浓度，concentration e: 吸光系数，absorptivity, mostly used as molar absorptivity L: 样品在光穿

7、透方向的长度,path length of sample,吸光系数(absorptivity),吸光系数是有色化合物的重要特性。愈大，表示该物质对某波长的光吸收能力愈强，因而光度测定的灵敏度就越高。 的值，不能直接取1mol/L 这样高浓度的有色溶液来测量，而只能通过计算求得。由于溶液中吸光物质的浓度常因离解、聚合等因素而改变。因此，计算时，必须知道溶液中吸光物质的真正浓度。 但通常在实际工作中，多以被测物质的总浓度计算，这样计算出的值称为表观吸光系数。文献中所报道的值就是表观吸光系数值。,标准曲线,分光光度法,以物质对光的选择性吸收为基础的分析方法。根据物质所吸收光的波长范围不同，分光光度分

8、析法又有紫外、可见及红外分光光度。 Based on the characteristic absorption to light for different materials.,仪器方法特点(Features),灵敏度高(good sensitivity): 1-10-5%, 微量分析(micro-assay) 简单易用，仪器方便，应用广泛 widely used due to easy operation and low cost,多成分的吸收,假设个成分之间无相互作用，那么多成分的吸收可以叠加: Atotal=A1+A2+An=e1LC1+e2LC2+enLCn,偏离LB定律 (dev

9、iation from LB law),以浓度为横坐标，吸光度为纵坐标作图，应得到一通过原点的直线，称为标准曲线或工作曲线。但是，在实际工作中，当有色溶液的浓度较高时，往往不成直线,positive,negative,偏离LB定律的原因,入射光不是单色光 LB定律只适合于单色光。但实际上单波长的光不可能得到。 单色光纯度越差，吸光物质的浓度越高，偏离的越严重。 Single wavelength light cannot be obtained.,偏离LB定律的原因（2）,介质的不均匀性(inhomogeneity) 当被测溶液是胶体溶液、悬浊液或乳浊液时，入射光通过溶液后除一部分被吸收外，还

10、有一部分因溶液中存在微粒的散射作用（scattering）而损失，并使透光度减小。而当胶体或其他微粒凝聚沉淀时，又会使溶液吸光度下降。,偏离LB定律的原因（3）,溶液中的化学变化(chemical composition change) 溶液中的化学变化如缔合(combination)、离解(dissociation)、溶剂化(solvation)、形成新的化合物(reaction)、互变异构(tautomerism)等，使吸光度不随溶液浓度而成正比地改变，而导致偏离朗伯比耳定律。,HIn H+ + In-,偏离LB定律的可能比色皿,Ce（IV）离子的吸收光谱 A：使用玻璃比色皿 B：使用石英

11、比色皿 虚假峰的出现（虚假吸收）,LB定律应用的要求,单色光 (monochromatic) 低浓度 (low concentration) 无荧光发生 (not fluorescent) 溶液均一 (homogeneous) 光照下稳定 (no photochemical reaction) 溶质和溶剂之间作用的稳定性 (no variable associations between solute and solvent),仪器和测量方法,Instruments and Measuring Methods,仪器（1）,仪器（2）,Double beam in space,Double be

12、am in time,仪器（3）,多通道光谱仪-阵列检测,灯源(light source),钨灯,1200 nm maximum,Tungsten lamp,可见和红外区域,灯源（2）,氘灯,Deuterium lamp,225 nm maximum,紫外区域,测量方法1标准曲线法,配制一系列已知的具有不同浓度的标准溶液，分别在选定波长处测其吸光度A，然后以标准溶液的浓度c为横坐标，以相应的吸光度A为纵坐标，绘制出Ac关系曲线。如果符合光的吸收定律，则可获得一条直线，称为标准曲线或称工作曲线。 在相同条件下测量样品溶液的吸光度，就可以从标准曲线上查出样品的浓度。,A,c,标准工作曲线,测量方法

13、2加入标准法,所谓的加入标准法，即在一定浓度的试样溶液测定吸光度A0后，加入合适浓度的标准溶液，再测吸光度A1，或再加几次标准溶液，得A2, A3吸光度，计算或作图外推求试样浓度的方法。即： A0=kC样；A1=k(C样C标） 设试样体积为V0;加入的标准溶液体积为V标，则：A1=k(C样V0+ C标V标)/(V0+V标），联解方程可求出C样。或用A对C标作图，外推求出C样。,二元组分的测定,数据处理 - deconvolution,数据处理 - baseline,三点校正方式 Three-point correction,数据处理 baseline (2),基线扣除后的吸收谱,误差 erro

14、r,1. 光源导致的误差 (light source)； 2. 检测器的误差 (detector)； 3. 散射光的误差(stray light); 4. 综合误差 (total error): 最小误差大致在吸收度为0.7 左右，minimum at A = 0.7,紫外可见光谱和分子轨道的跃迁,Electronic Transitions of organic compounds etc.,概要,紫外可见光谱研究的主要对象是有机分子 (Organic compounds represent the majority of the studies made in UV/Vis.) 光谱的来源

15、主要是在这些有机分子中s、p和n轨道上的电子的跃迁。(The observed transitions involve electrons engaged in s or p or non-bonding n electron orbitals. 跃迁类型有s s*, n s*, n p*, p p*, d d,分子轨道(molecular orbitals),Single bond: molecular orbital. Double bond: an molecular orbitals,分子轨道的形成,O + O O2,1s,2s,2p,O: 1s22s22p4,分子中的电子(elect

16、ron types),Example: HCHO (formaldehyde),s s* 跃迁,这一类型的跃迁需要比较高的能量（真空紫外部分，吸收波长小于200 nm） 饱和碳氢化合物 甲烷： 125 nm， 乙烷： 135 nm 水也是如此，因为只有s s*, n s* 的跃迁 对溶剂的要求：饱和脂肪烃。 不适于对极性大的物质的检测，因为没有相应的溶剂,n s* 跃迁,含有杂原子（O、N、S和Cl）的饱和有机物质：如饱和醇 苯胺的吸收 （220nm） 吸光系数：100 3000 醇：180nm，醚和卤素取代物：190nm。 甲醇：183nm，乙醚：190nm， 乙胺：210 nm，1-氯丁烷

17、：179nm,n p* 跃迁,比较弱，消光系数在10 100 之间 认识比较多的是羰基的吸收，对应在270 295 nm之间 比如乙醛最大吸收在293 nm，但是摩尔吸光系数只有12.（溶剂为乙醇）,p p* 跃迁,对应于不饱和碳碳键，如C=C 吸光系数很大，1000-15000 主要吸收，比较适于定量分析 单个非共轭的C=C吸收大致在170nm左右 乙烯的最大吸收在165 nm,dd 跃迁,很多金属络合物，其中金属具有没有完全填满的d轨道 主要在可见光部分 例如Cu(H2O)62+和Ti(H2O)63+为蓝色，高锰酸钾为紫色,生色团和助色团,生色团 (chromophores) 有机化合物中

18、具有紫外可见吸收的功能团 如不饱和键，胺基等 助色团 (auxochoromophores) 该功能团本身没有紫外可见吸收 但是它们的存在对生色团的吸收造成了影响 如醇基，醚基等,共轭效应,共轭效应,隔一个的不饱和键 许多p 轨道的相互作用，同样许多p *轨道的相互作用 吸收往长波长方向移动 同时出现许多精细结构,芳香烃的三个吸收带,红移和蓝移,外在原因使得某一类结构的分子吸收往短波长方向移动，称为蓝移现象(blue shift or hypsochromic effect); 反方向则为红移现象 (red shift or bathochromic effect) 主要的外在原因为溶剂的极性

19、大小 溶液的pH同样可能造成蓝移或红移,例子,判断下面三种物质的吸收波长高低,a,b,c,最大吸收波长: bca 吸收强度同样: cab,溶剂效应,苯甲酮在环己烷（虚线）和乙醇（实线）中的紫外吸收谱,溶剂效应,红移,蓝移,pH的影响,酚酞 phenolphthalein,取代基和吸收位置,取代基作为助色团，影响了吸收最大波长的位置 定性上可以参考前面的那些效应 定量上则有经验原则 Fieser-Woodward rules Scott rules,应用例子,推测化合物中所含有的功能团 如果没有紫外可见光吸收，则可能不含双键或环状共轭体系，可能是饱和有机化合物 如果在200-250 nm有强吸收

20、峰，则可能是含有两个双键的共轭体系 如果在260-350 nm有强吸收峰，则至少有3-5个共轭发色团和助色团 如果在270-350 nm有弱吸收峰并且无其他的强吸收峰时，则可能是含有n电子的无共轭的发色团（-C=O, -NO2, -N=N-),因为弱峰是由n p*引起的。 如果在260 nm处有吸收且具备一定的精细结构，则可能含有芳香环结构,应用例子,判别有机化合物的同分异构体 乙酰乙酸乙酯的互变异构体,酮式,烯醇式,206 nm，中吸收,245 nm， 强吸收,应用例子,判断有机化合物的顺反异构体 1,2-二苯乙烯 反式吸收在295 nm，吸光系数27000 顺式吸收再280 nm，吸光系数14000,反式,顺式,应用例子,分析样品，测定维生素A,