第二章分子吸光分析法

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1、第二章第二章 分子吸光分析法分子吸光分析法 第一节第一节 紫外可见吸收光谱法紫外可见吸收光谱法 第二节第二节 红外吸收光谱法红外吸收光谱法第一节第一节紫外紫外-可见分子吸收光谱法可见分子吸收光谱法一一 概述概述(一一)、分子吸收光谱分析的发展概况、分子吸收光谱分析的发展概况紫外紫外-可见可见-红外红外目视比色目视比色-光电比色光电比色-分光光度分光光度光声光谱光声光谱-长光程吸收光谱长光程吸收光谱-传感器传感器(二二)、分子吸收光谱的分类和特征、分子吸收光谱的分类和特征紫外紫外-可见可见电子光谱电子光谱 Ee=1-20 eV红外红外振动光谱振动光谱 0.05-1远红外远红外转动光谱转动光谱 0

2、.005-0.05a b cRoRoRoVoV1EoE1E电子能级V振动能级R转动能级A/nmHCN NN NCH对称四嗪水中环己烷中蒸汽中500555分子的电子光谱的特点：在波长范围内按一定强度分布的谱带带光谱 波长位于紫外-可见区p可进行分子的定性和定量分析p可用于一些物理化学常数的测定（如平衡常数等）p仪器结构简单、价格便宜p应用范围广泛（无机离子、有机化合物、生物大分子分析等）3、分子吸收光谱的特点(一一)、吸收光谱与分子结构、吸收光谱与分子结构1、有机化合物的吸收光谱、有机化合物的吸收光谱根据分子轨道理论，分子中的电子轨道有根据分子轨道理论，分子中的电子轨道有 n、和和 三种三种 *

3、n二二 紫外紫外-可见分子吸收光谱的理论基础可见分子吸收光谱的理论基础反键轨道非键轨道成键轨道 *跃迁跃迁 能量很大能量很大 吸收光谱在真空紫外区吸收光谱在真空紫外区 多为饱和烃多为饱和烃甲烷甲烷125 nm乙烷乙烷135 nmn *跃迁跃迁 所需能量小于所需能量小于 *跃迁（跃迁（150-250 nm）含有未共用电子对（含有未共用电子对（n电子）原子的饱和化合物都可发生电子）原子的饱和化合物都可发生跃迁的摩尔吸光系数比较小，一般在跃迁的摩尔吸光系数比较小，一般在100-3000 L/mol cm化合物化合物 max maxH2O1671480CH3OH184150CH3Cl173200(CH

4、3)2O1842520 *和和 n *跃迁跃迁 *和和 n *跃迁能量低（跃迁能量低（200 nm）含有不饱和键的有机分子易发生这类跃迁含有不饱和键的有机分子易发生这类跃迁 C=C C=C ;N=N ;C=O 有机化合物的紫外有机化合物的紫外-可见吸收光谱分析多以这两类可见吸收光谱分析多以这两类跃迁为基础跃迁为基础 *比比 n *跃迁几率大跃迁几率大 100-1000 倍倍 *跃迁吸收强，跃迁吸收强，104 n *跃迁吸收弱，跃迁吸收弱，500生色团生色团 含有含有 键不饱和官能团键不饱和官能团助色团助色团 基团本身无色，但能增强生色团颜色基团本身无色，但能增强生色团颜色 为含有为含有n电子，

5、且能与电子，且能与 电子作用，电子作用，产生产生n 共轭共轭184204254270苯（*）苯酚（OH为助色团）A/nm生生色色团团 max(nm)max(l/moL.cm)跃跃迁迁类类型型1758000 *1909000 *280190160202000n *n *20441 n *20550 n *500240109000 n *34024010n *n *CCCCCOCOOH COORCSNN2、无机化合物的吸收光谱、无机化合物的吸收光谱d-d 电子跃迁电子跃迁绝大多数过渡金属离子都具有未充满的绝大多数过渡金属离子都具有未充满的 d 轨道，轨道，按照晶体场理论，当它们在溶液中与水或其它配

6、体生成按照晶体场理论，当它们在溶液中与水或其它配体生成配合物时，受配体配位场的影响，原来能量相同的配合物时，受配体配位场的影响，原来能量相同的 d轨轨道发生能级分裂，产生道发生能级分裂，产生 d-d 电子跃迁。电子跃迁。配体配位场越强，配体配位场越强，d 轨道分裂能越大，吸收波长越轨道分裂能越大，吸收波长越短。短。（f-f 跃迁与此类似）跃迁与此类似）没有配位场没有配位场八面体配位场八面体配位场dxy dxx dyzdx2 dx2-y2 E例如：例如：H2O 配位场配位场 NH3 配位场配位场Cu 2+水合离子水合离子 794 nm浅蓝色浅蓝色Cu 2+氨合离子氨合离子663 nm深蓝色深蓝色

7、电荷转移跃迁电荷转移跃迁电子接受体电子接受体电子给予体电子给予体配合物中一方电子向主要属于另一方的轨道跃迁配合物中一方电子向主要属于另一方的轨道跃迁电荷转移跃迁的摩尔吸光系数都很大（电荷转移跃迁的摩尔吸光系数都很大（10000以以上），因此利用配合物可建立灵敏的分析方法。例如上），因此利用配合物可建立灵敏的分析方法。例如Fe（III）-SCN 配合物配合物金属离子影响下的配体金属离子影响下的配体 *跃迁跃迁金属离子与有机物配合后使配体的共轭结构发生变金属离子与有机物配合后使配体的共轭结构发生变化，导致吸收光谱蓝移或红移。化，导致吸收光谱蓝移或红移。偶氮氯瞵偶氮氯瞵III偶氮氯瞵偶氮氯瞵IIIU

8、（VI）配合物）配合物500 600 700/nmA小结：小结：分子结构分子结构光谱特征光谱特征定性分析定性分析n不同结构的分子由于共轭程度不同，分子吸收的特征不同；n相同共轭结构的分子骨架，因助色团的加入或改变，导致光谱位移和吸收系数变化；n相同配体，因过渡金属离子不同，导致配位场的变化或电荷转移跃迁，或配体共轭结构的变化，光谱发生变化IoIbSdx(二二)、吸收定律（定量分析的基础）、吸收定律（定量分析的基础）IxdIxdIxIx吸收光强入射光强吸收率任一截面的吸收率adnds=adn截面为S的区域内俘获光的有效面积从分子吸收的角度考虑SadnSdSSadnSdSIxdIx因此俘获光的几率

9、应为：因此俘获光的几率应为：a1dn1dn2dn3a3a2ds=a1dn1+a2dn2+a3dn3miiidnaSIxdIx11 nmjiiIIodnaSIxdIx011miiinaSIIo11lnmiiinaSIIoA14343.0lg)(bVS NVnCiimiiiNVcaVbIIoA14343.0lgmiiibcNa14343.0miicib1令 i=0.4343NaiAi=i b ci 如果吸光介质内只有一种吸光分子mmAAAbiiciA 211A=b c定量分析的依据(三三)、吸收定律的适用性与限制、吸收定律的适用性与限制1、吸收定律具有加和性，即、吸收定律具有加和性，即mmAAAb

10、iiciA 211 1 2 A1A2A2、吸收定律只适合单色光、吸收定律只适合单色光22221111lglgIIbcAIIbcAoo设设AIIIIbcobco2221111010bcobcoooIIII211010lg21212121lgIIIIoobcIIIIAbcoooo10)(lg2121当1=2=cA12当当时，出现偏离时，出现偏离AC011+2iIiIAo lgiiIAo lg特别是存在非吸收线(或吸收很小,杂散光)和浓度较大时，I变的 很小，I3000 饱和 200很强=75-200强=25-75中=5-25弱 5很弱（3）检测器热检测器热电偶等光检测器InSb、InAs、PbSe

11、等半导体材料受光照射后导电性变化而产生信号光检测器的灵敏度比热检测器高几倍，但需要液氮冷却。（4）吸收池（A）固体样品通常采用压片法，将KBr与样品充分研磨，混匀，压片后进行测定。也可采用调糊法，将研细的样品用氟化煤油或重烃油调糊，夹在两盐片间测定。（B）气体和液体吸收池因玻璃有红外吸收，因此吸收池通常采用盐类的单晶，如KBr、LiF等。这些材料易吸潮，故操作环境应干燥（C）光声光谱强吸收、高分散、不透明的样品，如煤等；常规难制样的样品，如橡胶、高聚物等；可采用光声光谱法。二、傅立叶变换红外光谱仪二、傅立叶变换红外光谱仪Fourier Transform Infrared Spectromet

12、er(FTIR)70年代出现，是一种非色散型红外吸收光谱仪，其光学系统的主体是迈克尔逊（Michelson）干涉仪。测量步骤：1、测得一组包含原辐射全部光谱信息的干涉图；2、经计算机进行傅立叶变换，获得红外吸收光谱图。光源检测器 样品动镜定镜O扫描距离2-18cm速度0.05-4cm/s1）当O点到动镜和定镜的距离相等无光程差相长干涉2）O点到两镜距离（表示）相差/4的偶数倍相长干涉相差/4的奇数倍相消干涉发生在上述两种位移之间，亦部分为相消干涉。若令 I 为两光束干涉后的强度，则 I（）=0.5 I()Cos2/或 I（）=0.5I()Cos2以上讨论的是单色光的干涉，若同时有多个频率的光，

13、则任意频率的光强随两镜距离之差为：Ii()=0.5Ii(i)Cos2i 总光强为I()=Ii()=0.5 Ii(i)Cos2i+-I()=0.5I()Cos2d若光的波长连续分布以上讨论的是Michelson干涉仪移动时两镜相差任意时的光强I()，而我们更关心光强随波长的变化 I（）而不是光强随两镜距离差的变化I()+-I()=0.5I()Cos2d+-I()=I()Cos2d傅立叶变换傅立叶变换（时域谱）（频域谱）4000.03000200015001000450.0cm-1A I()傅立叶变换的优点：1、FTIR不需要分光，因此检测器接收到的光通量较色散型仪器大得多，因此提高了信噪比和灵敏

14、度，有利于弱光谱的检测；2、FTIR的扫描速度极快，能在很短的时间里（0因此，越小，分子对称性越高通过测量拉曼谱线的去偏振度可以确定分子的对称性CN（CH3）2N（CH3）2CI-（CH3）2 NCN（CH3）2N（CH3）2（CH3）2 N+测得：0故为对称结构结晶紫去偏振度测量=II/入射光拉曼散射偏振器5.拉曼光谱的强度I=K(0-)4 I0()ddr(三)、拉曼光谱仪光源单色器检测器样品室1、光源通常采用激光光源（1）He-Ne激光器主要波长632.8 nm（2）氩离子激光器 主要波长514.5 nm488.0 nm与Rayleigh散射一样，拉曼散射的强度反比于波长的四次方，因此使用

15、较短波长的激光可以获得较大的散射强度荧光干扰拉曼光谱的测定，因此当样品或杂质有荧光时，使用较短波长的激光也获得较大的荧光干扰2、样品室样品池的设计可用于测不仅液体、固体、也可气体可进行变温、变压实验为防止样品在强光照射下分解，可设置旋转池3、单色器色散型：色散性好且降低杂散光影响常采用双光栅分光非色散型：采用傅立叶变换型仪器(四)、检测器早期采用摄谱仪现采用光电倍增管和CCD显微拉曼分析仪器CCDUnfilteredFiltered without R6G210-11M R6G210-11M R6G210-10M R6G210-9M R6G(五)、高灵敏度拉曼光谱分析的应用传统上认为，拉曼光谱

16、的主要缺点是灵敏度低，其强度较荧光若10-12-10-14数量级，因此应用受到限制。为了提高灵敏度，近年来发展了一些新的技术：1、共振拉曼光谱当激光的频率接近或等于样品分子中某些官能团（生色团）的电子跃迁吸收频率时，由于电子跃迁和振动跃迁的耦合，产生共振拉曼效应。拉曼谱线强度提高104-106倍。2、表面增强拉曼散射效应Surface-enhance Raman Scattering（SERS）拉曼谱线强度提高1012-1014倍INRS(s)=NI(l)SfreeRaman 普通Raman表面增强Raman机理示意图SERSAg ISERS(s)=NI(l)|A(l)|2|A(s)|2Sad

17、s SERS基质 金属 Ag,Au,Cu Ni,Al,Li,Na,K,Pt 半导体 CdS,Fe2O3,TiO2 SERS活性物质 先决条件：能吸附在金属基体表面 吡啶等杂环化合物 苯甲酸衍生物 氰基衍生物 一些染料，金属络合物，生物分子，无机分子1984年年,J.Phys.Chem 上上Peter Hildebrandt等首先研等首先研究了究了R6G在在Ag胶表面胶表面SERS光谱，发现两种不同机理造成光谱，发现两种不同机理造成的增强，聚集的纳米银粒子有更强的的增强，聚集的纳米银粒子有更强的Raman增强。增强。1997年，年，Science上，上，Shuming Nie 和和StevenR.Emory利用利用Ag和和R6G进行了单分子、单纳米粒子检测。他们发现进行了单分子、单纳米粒子检测。他们发现在一些单个纳米在一些单个纳米Ag粒子表面，粒子表面，SERS增强因子可达增强因子可达1014-15.1999年年11月，月，Journal of American Chemical Society，Michaels A.M等对同样体系进行了等对同样体系进行了Rayleigh散射研究，对散射研究，对比比SERS,建立了一个新的模型。建立了一个新的模型。SERS免疫分析