1、2.1 Introduction of spectroscopic analysis 電磁輻射（光）與被測物質(zhì)間的相互作用 電輻射的基本性質(zhì) 波粒二象性 E = hv = hc/l ( h = 6.625610-34 J s) (光子的能量單位： l eV = 1.60210-19 J, 表示一個電子通過一個伏特電壓降所獲得的能量) 光譜區(qū)域 電磁波譜(electromagnetric spectrum): 電磁輻射按波長順序排列 可分為幾個區(qū)域，如無線電波、微波、紫外-可見等,Chapter2 UV-Vis absorption spectroscopy,電磁輻射與物質(zhì)相互作用的方式: 發(fā)射

2、、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振等,光學(xué)分析法: 光譜法和非光譜法兩大類。 光譜法: 基于物質(zhì)與輻射能作用時，測量由物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生量子化的能級之間的躍遷而產(chǎn)生的發(fā)射、吸收或散射輻射的波長和強度進行分析的方法 光譜法可分為原子光譜法和分子光譜法:,原子光譜法是由原子外層或內(nèi)層電子 能級的變化產(chǎn)生的，它的表現(xiàn)形式為線光譜. 有原子發(fā)射光譜法（AES, atomic emission spectrometry） 原子吸收光譜法（AAS, atomic absorption spectrometry） 原子熒光光譜法（AFS, atomic fluorescence spectrometry）

3、 X射線熒光光譜法（XFS, X-ray fluorescence spectrometry ）,分子光譜是由 分子中電子能級、振動和轉(zhuǎn)動能級 的變化產(chǎn)生的，表現(xiàn)形式為帶光譜. 有紫外-可見分光光度法（UV-Vis） 紅外光譜法（IR, infrared spectrometry） 分子熒光光譜法（MFS, molecular fluorescence spectrometry ） 分子磷光光譜法（MPS, molecular phosphorescence spectrometry),非光譜法: 物質(zhì)與輻射相互作用時，測量輻射的某些性質(zhì)，如折射、散射、干涉、衍射、偏振等變化的分析方法。 非光

4、譜法不涉及物質(zhì)內(nèi)部能級的躍遷，電磁輻射只改變了傳播方向、速度或某些物理性質(zhì)。 屬于這類分析方法的有折射法、偏振法、光散射法、干涉法、衍射法、旋光法和圓二向色性法等,2.2 Principles of molecular absorption spectroscopy 分子吸收現(xiàn)象 CuSO4溶液為藍(lán)色，KMnO4呈紫紅色 物質(zhì)的分子對白色光具有選擇性的吸收, 其顏色為透過光的顏色,CuSO4溶液吸收黃色光,其溶液呈現(xiàn)出藍(lán)色；KMnO4分子強烈地吸收黃綠色光，溶液呈紫紅色 互補色光：如果兩種顏色的光按適當(dāng)?shù)膹姸缺壤旌虾蠼M成白光,Lambert-Beers Law 當(dāng)一束平行的單色光通過吸光物質(zhì)

5、后，光的吸收程度與吸光物質(zhì)微粒的數(shù)目（溶液的濃度）成正比，與溶液液層厚度成正比 A = -log I0/I = e b c c is the concentration of the compound in solution, mol L-1 b is the path length of the sample, cm e is the molar absorptivity , cm-1 mol-1 L 摩爾吸光系數(shù): 物質(zhì)的性質(zhì)、入射光波長，溫度有關(guān) 重要的參數(shù)，常被用作為定量分析方法的靈敏度,e 越大: 吸光物質(zhì)對某一波長的吸光能力越強，方法的靈敏度越高 105 超高靈敏 = (610)1

6、04 高靈敏 2104 不靈敏 在環(huán)境、材料及生命等學(xué)科中要求對含量極低的痕量組分進行定量分析 如何尋找到一個e 大的方法或者體系是光度法的一個重要任務(wù),比爾定律的推廣: 適用各類吸光光度法定量測定 溶液，均勻的氣體, 固體狀態(tài)的吸光物質(zhì) 分子或原子吸光,Why do molecules absorb light? 任何物質(zhì)的分子都處于運動狀態(tài)，分子內(nèi)部的運動有三種形式： 電子繞分子軌道高速旋轉(zhuǎn) 原子在平衡位置附近的振動 分子繞著其重心的轉(zhuǎn)動 因此，分子的能量由分子的電子能量、分子的振動能量及分子的轉(zhuǎn)動能量所組成 E分子 = E電子 + E振動 + E轉(zhuǎn)動,分子中價電子能級間的能級差一般在 1

7、20 eV，恰好是可見光和紫外光的能量 分子中原子的振動能級差為 0.05l eV，相當(dāng)于紅外光的能量 轉(zhuǎn)動能級差更小，一般在10-40.05 eV，相當(dāng)于遠(yuǎn)紅外光及微波的能量,分子內(nèi)部各種能級的能量改變都是量子化的 各能級差的大小與分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān),M（ground state） + hv M（excited state） 測出的入射光譜和被吸收后的透過光譜，其差譜為該分子吸收光的光譜，即分子吸收光譜 紫外-可見吸收光譜: 分子吸收光譜 (Molecular absorption spectroscopy) 電子光譜 (electronic absorption spectroscopy)

8、 分子中的價電子的躍遷而產(chǎn)生的,大量的實驗發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)對光的吸收是有選擇性的: Different molecules absorb radiation of different wavelengths 選擇性定律: hv = DE = E1 E0 hv = DE電子 + DE振動 + DE轉(zhuǎn)動,只有當(dāng)入射光子的能量與吸光物質(zhì)的基態(tài)和激發(fā)態(tài)的能量差相差時， 它們才發(fā)生共振，光子才能被吸收,物質(zhì)對光的選擇性吸收的規(guī)律對化學(xué)家來說非常有用: 能通過測定吸收光譜，推測物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，從而進行結(jié)構(gòu)分析。Why?,不同物質(zhì)由于結(jié)構(gòu)上的差異導(dǎo)致其能級差不同，躍遷所需的 能量也不同，對光的吸收不同，出現(xiàn)的

9、吸收光譜的形狀就不同。,有機化合物的紫外-可見吸收光譜的產(chǎn)生 由于物質(zhì)對可見-紫外光的吸收一般都涉及到價電子的激發(fā)，將吸收峰的波長與所研究物質(zhì)中存在的鍵型建立起相應(yīng)的對應(yīng)關(guān)系，找到規(guī)律，就可利用吸收光譜來達到鑒定分子中官能團的目的（定性分析），也可用它來定量測定含有吸收官能團的化合物（定量分析）,各種躍遷所需要的能量不同，因而吸收波長范圍也不相同。,Electronic transitions 有機化合物的價電子包括成鍵s電子，成鍵p電子和非鍵n電子 如 CH3-CH=CH2，CH3-CH2-H 分子的空軌道包括反鍵 p* 軌道和反鍵 s* 軌道，因此可能產(chǎn)生的躍遷有,s s* Transit

10、ions : The required energy is large. Its absorption maximum is shorter than 200 nm. It is not seen in a typical UV-Vis. spectrum (200-700 nm).,n s* Transitions: Saturated compounds containing atoms with lone electron pairs are capable of these transitions. These transitions usually need less energy

11、than ss* transitions. Its absorption maximum is about 150 250 nm.,n p and p p* Transition Most absorption spectroscopy of organic compounds is based on these two types of transitions. These transitions need an unsaturated group in the molecule to provide the p electrons.,e for n p* transitions : 10

12、100 L mol-1 cm-1 p p* transitions: 1000 and 10,000 L mol-1 cm-1,大氣的氧吸收,紅移和紫移(red shift and blue shift) 因取代基的變更或溶劑的改變，使其最長吸收波長發(fā)生移動， 向長波方向移動稱為紅移，反之則為紫移,常用術(shù)語 生色團(chromophore) 指分子中可以吸收光子而產(chǎn)生電子躍遷的原子基團。 助色團(auxochrome) 指帶有非鍵電子對的基團，如：-OH, -NR3, -SH, -Cl, -Br, -I 它們本身不能吸收波長大于200nm的光，但當(dāng)它們與生色團相連時， 會使其吸收帶的最大吸收波

13、長lmax發(fā)生移動，并能增加其吸收強度,根據(jù)分子吸收光譜可以判斷物質(zhì)能否用紫外-可見分光光度法進行定量測定 如 RCHNH2COOH 不宜用分子吸收光譜法測定,類胡蘿卜素,血紅素,金屬配合物的紫外-可見吸收光譜,金屬配合物的顏色一般不同于游離金屬離子和配位體本身的顏色 金屬配合物生色機理的主要類型：, 配位體微擾的金屬離子d - d電子躍遷和 f - f 電子躍遷 摩爾吸收系數(shù)很小，對定量分析意義不大。 金屬離子微擾的配位體內(nèi)電子躍遷 金屬離子的微擾，將引起配位體吸收波長和強度的變化。變化與成鍵性質(zhì)有關(guān)，若靜電引力結(jié)合，變化一般很小。若共價鍵和配位鍵結(jié)合，則變化非常明顯。 電荷轉(zhuǎn)移 在分光光度

14、法中具有重要意義,電荷轉(zhuǎn)移吸收光譜,定義： 當(dāng)吸收紫外可見輻射后，分子中原定域在金屬M軌道上電荷的轉(zhuǎn)移到配位體L的軌道，或按相反方向轉(zhuǎn)移，這種躍遷稱為電荷轉(zhuǎn)移躍遷，所產(chǎn)生的吸收光譜稱為荷移光譜。 呈現(xiàn)荷移光譜的必要條件： 構(gòu)成分子的二組分，一個為電子給予體，另一個應(yīng)為電子接受體。,電荷轉(zhuǎn)移吸收光譜的特點,之一：電荷轉(zhuǎn)移躍遷在躍遷選律上屬于允許躍遷，其摩爾吸光系數(shù)一般都較大(10 4左右)，適宜于痕量金屬的檢出和測定。 之二：電荷轉(zhuǎn)移躍遷在紫外區(qū)或可見光呈現(xiàn)荷移光譜，荷移光譜的最大吸收波長及吸收強度與電荷轉(zhuǎn)移的難易程度有關(guān)。 例：Fe3與SCN形成血紅色配合物，在490nm處有強吸收峰,2.3

15、Instrumentation 部件及性能 任何一種光學(xué)分析測試儀器，都由5個部分組成，只是依據(jù)分析原理不同其排列方式有所不同,光 源 線光源與連續(xù)光源 吸光光度法: 使用連續(xù)光源 在紫外光區(qū)，常采用氘燈，波長范圍為180375nm 在可見光區(qū)，采用鎢燈或碘鎢燈，波長范圍為3202500nm,對光源的要求：強度大、分布均勻，穩(wěn)定性好 碘鎢燈的光強受電壓的影響大，使用穩(wěn)壓器來提供穩(wěn)定的電壓,單色器 作用是將光源發(fā)生的連續(xù)光譜分解為單色光 為什么要將連續(xù)光譜分解成單色光以后，再進行樣品的分析測定呢？,兩個理由 定量方面 比爾定律只有當(dāng)入射光為單色光時才成立 定性方面 一個物質(zhì)若含有生色基團，它就會

16、產(chǎn)生紫外和可見吸收，反過來根據(jù)紫外-可見吸收光譜便可判斷某些官能團的存在，即進行官能團的鑒別，但整張紫外-可見吸收光譜的獲得是建立在測定出物質(zhì)對不同波長光（單色光）吸收的基礎(chǔ)上的,單色器: 色散元件,入射狹縫、出射狹縫和準(zhǔn)直透鏡 色散元件: 棱鏡和光柵,棱鏡的分辯能力R與其底邊的長度（b）成正比 ： R = b dn/dl 故要提高棱鏡的分辯能力唯一的辦法: 采用大棱鏡 現(xiàn)代光學(xué)儀器一般采用光柵作為色散元件 光柵的分辯能力與其刻痕條數(shù)有關(guān) 制作方法：在真空中將金屬鋁蒸發(fā)鍍在玻璃平面上，再用金剛石在鋁層上壓出許多等間隔、等寬度的平行刻紋而成。刻紋光柵制作麻煩，價格高 現(xiàn)在使用復(fù)制光柵:將可塑性材

17、料澆鑄在原始光柵上，將其剝離后再固定在剛性支架上即成。 光柵分光的優(yōu)點： 適用波長范圍寬，色散均勻，分辯率高，儀器可小型化,吸收池 (比色皿) 作用：用來盛放樣品 要求：透明性,操作要求： 位置、清潔、 免受玷污和磨損,可見光區(qū)：玻璃吸收池，價廉 紫外光區(qū)：石英吸收池,檢測系統(tǒng) 作用：將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐子跍y量的電流信號 種類：,讀數(shù)指示器 作用：信號的放大和讀出 方式：記錄儀、數(shù)字顯示器,光電倍增管,分光光度計的類型,最適和環(huán)境和過程監(jiān)測，不太穩(wěn)定的樣品分析,2.4 定量分析 定量分析基礎(chǔ) 如何進行 誤差來源 減少誤差的方法 紫外可見分光光度法: 測定低含量和痕量組分的一種常見方法 單組分的測定

18、 多組分的同時測定,分析依據(jù)比爾定律 比爾定律 A = ebc 標(biāo)準(zhǔn)工作曲線法： 配標(biāo)液：c1、c2、c3 cn， 在選定的最大吸收波長和最佳操作條件下，測 吸光度 A1、A2、A3、An 作 Ac 圖, 得一直線 再在完全相同的條件下，測試樣液的A，再從標(biāo)準(zhǔn)曲線上查到相應(yīng)的濃度,如：抗菌素 cefazolin 藥片中西發(fā)單靈含量的測定 西發(fā)單靈對照品（標(biāo)樣）,實際樣品多為多組分體系: 若各種吸光物質(zhì)之間沒有相互作用，且服從比爾定律，那么在某個波長下總的吸光度應(yīng)等于各組分吸光度之和，即,吸光度 A 的性質(zhì)加合性,A = A1 + A2 + + An = e1bc1 + e2bc2 + + en

19、bcn,A = -lg T = lgI0 lg I 要準(zhǔn)確測出入射光強和透射光強非常困難,如黃光通過透明比色皿因反射約損失8.5%,如何測定吸光度A,在實際測量中，采用同一比色皿或等同的比色皿中放入純?nèi)軇┡c被分析溶液的透射強度進行比較： A = lg(I溶劑/I溶液） lg I0/I,A = A溶液 - A參比,單光束分光光度計,光催化劑UV-Vis反射曲線,以MgO為空白 以BaSO4為空白,誤差來源 偏離比爾定律、儀器本身的測量誤差 偏離比耳定律的原因 比爾定律本身的局限性 比爾定律只適用于稀溶液: 假設(shè)吸光粒子之間無相互作用,非單色入射光引起的偏離 比爾定律僅在入射光為單色光時才成立 單

20、色器很難將光源的連續(xù)光色散成其正的單色光 而是復(fù)合光，光通量為0.015 nm,由于被測物質(zhì)在溶液中發(fā)生締合、離解、互變異構(gòu)，生成逐級配合物等化學(xué)原因造成,溶液的化學(xué)偏離,任何一臺光度計都有一定的儀器測量誤差，來源于： 入射光源不穩(wěn)定 吸收池 檢測器 誤差的總和表現(xiàn)為透光度讀數(shù)誤差T，從而導(dǎo)致C,被測試樣濃度的相對誤差：,微分,d(lg T) = 0.434 dT/T = -e b dc,A = - lg T = e b c, lg T = -e b c,儀器測量誤差及測量條件的選擇,當(dāng)A = 0.434時 Dc/c有最小值，誤差最小,問題：如何減少因讀數(shù)而造成的測量誤差呢？, 稀釋 改變比色

21、皿的b 儀器制造商 T 選擇合適的參比溶液,例：分析高濃度組分時，可用一種比待測樣品溶液濃度稍低的溶液 為參比，調(diào)其透光率為100%，再測樣品溶液的吸光度,差示吸光度,差示分光光度法： 測定各種試樣中的高含量金屬元素和有機物質(zhì) 如Hiskey等用該法測定溶解在苯中的蒽： 用0.03 mg/mL蒽標(biāo)液作參比，359nm處長蒽的線性范圍為0.030.4 mg/mL,差示分光光度法的定量依據(jù),2.5 顯色反應(yīng)與顯色條件的選擇 直接測定：在紫外-可見光區(qū)有強烈吸收的有機化合物（生物大分子和 含有共軛電子的有機化合物）,不吸收紫外可見光的無機陽離子：Na+、K+、Ca2+、Mg2+等 摩爾吸光系數(shù)非常小

22、金屬陽離子： Fe2+、Co2+、Ni2+等 如何利用紫外-可見吸光光度法來測定這些無機陽離子的含量呢？,顯色反應(yīng) M(無色) + R(有色) MR 顯色劑 （配合劑）,較高的靈敏度，保證低含量時仍能被測出 ，顯色反應(yīng)靈敏度 選擇性強 R不與其他共存離子發(fā)生反應(yīng) 有色結(jié)合物的組成恒定、穩(wěn)定 R與MR色差明顯 顯色條件易于控制: 顯色劑濃度、溫度、pH,顯色反應(yīng)的要求,2.6 具體應(yīng)用示例 無機陰、陽離子的測定 利用高靈敏、高選擇性的有機顯色劑，與被測無機離子發(fā)生配合或氧化還原反應(yīng)，可測定周期表中絕大多數(shù)元素,有機化合物的定量分析 直接法 含有雙鍵或芳環(huán)的有機化合物,間接法 被測組分不吸光或 很小或共存組分對測定有嚴(yán)重干擾時，可通過適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng)，改變被測組分的生色團，測定產(chǎn)物的A來計算待測組分的含量 （1）氧化反應(yīng) 常用于藥物分析中 在5mol L-1H2SO4介質(zhì)中，用0.1ml L-1K2Cr2O7氧化聯(lián)苯羥胺為二苯酮，其lmax為257nm,（2）縮合反應(yīng) 如微量氨基酸的測定 氨基酸的吸收波長在280nm左右，且 較小,低含量的氨基酸很難用直接法準(zhǔn)確測定?？捎密崛c各種氨基酸反應(yīng)，生成無色還原型茚三酮，過量的茚三酮又與還原型茚三酮和氨縮合生成紫藍(lán)色產(chǎn)物，稱為Ruhemann紫，lmax=570nm，利用此反應(yīng)