1、紫外可見光光譜,UV/Visible Spectroscopy,從現實入手,防曬霜,Source: ,防曬霜,sunblock lotion (spray) sun protection factor (SPF) sunburn UV absorption,UV 紫外線,UVC:100290nm的短波紫外線 UVB: 290320nm的中波紫外線 UVA: 320400nm的長波紫外線,光譜(Spectrum),X-ray,Far UV,紫外UV 200-400 nm,可見Visible 400-800 nm,紅外IR 2.5-15mm,Far IR,MW,RF,Bo

2、nd breakage 化學鍵破裂,Electron transition 電子躍遷,Vibrational Transition 振動躍遷,Rotational Transition 轉動躍遷,Nuclear Spin 核自轉,Electron Spin 電子自轉,核磁NMR 1-5m,波長Wavelength l,頻率Frequency n or 能量energy E,物質對UV的吸收,臭氧和氧氣（ozone and oxygen) 吸收290nm以下的紫外線 空氣和石英 (air and quartz) 吸收200nm以下的紫外線 玻璃 (glass) 吸收350nm以下的紫外線,防曬霜

3、的原理,物理防曬 利用防曬粒子，在肌膚表面形成防護層，反射紫外線 化學防曬 它是通過某些化學物質和細胞相結合，在細胞受損之前，先將紫外線中可能對肌膚產生傷害的部分吸收掉 生物防曬 通過某些可以深入滲透至肌膚細胞核，保護細胞DNA的原理,化學防曬霜成分,對氨基苯甲酸Para Amino Benzoic Acid PABA： 吸收UVB,Phenylbenzimidazole sulfonic acid苯基苯并咪唑磺酸 吸收UVB,Oxybenzone: 羥苯并唑 吸收UVB and short UVA,Bisdisulizole disodium: UVA 苯基二苯并咪唑四磺酸酯二鈉,化學防曬霜

4、成分特點,苯環(huán) 不飽和鍵多 雜原子化合物 不飽和鍵越多，吸收往UVA移,為什么？,防曬霜的使用,該涂抹多少？或是防曬霜的濃度多高才有效？,紫外線為什么會傷害？- 能量,紫外光 近紫外： 200 400 nm, 3 6 eV 真空紫外：100 200 nm, 6 12 eV 可見光 波長: 400 800 nm，1.5 3 eV,一般的電子躍遷能量變化在1 20 eV。,能級躍遷,電子能級間躍遷的同時，總伴隨有振動和轉動能級間的躍遷。即電子光譜中總包含有振動能級和轉動能級間躍遷產生的若干譜線而呈現寬譜帶。,物質對光的選擇性吸收,物質吸收光之后 基態(tài)變到激發(fā)態(tài) M + hn M* 因為能級的量子化

5、，光的吸收只能是選擇性的； 分子結構的復雜性決定了每一種物質對于光的吸收程度都不同； 用不同波長的單色光照射，測量光度-吸收曲線與最大吸收波長。,M + heat,M + hn2,典型光譜圖(spectrum),帶狀光譜：電子躍遷的同時，伴隨著振動轉動能級的躍遷。,吸收曲線(absorption curve),同一種物質對不同波長光的吸光度不同。吸光度最大處對應的波長稱為最大吸收波長-max 不同濃度的同一種物質，其吸收曲線形狀相似，max不變。而對于不同物質，它們的吸收曲線形狀和max則不同。,吸收曲線可以提供物質的結構信息，并作為物質定性分析的依據之一。,吸收曲線(absorption c

6、urve),不同濃度的同一種物質，在某一定波長下吸光度 A 有差異，在max處吸光度A 的差異最大。此特性可作作為物質定量分析的依據。 在max處吸光度隨濃度變化的幅度最大，所以測定最靈敏。吸收曲線是定量分析中選擇入射光波長的重要依據。,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: 濃度，concentration e: 吸光系數，absorptivity, mostly used as molar absorptivity L: 樣品在光穿

7、透方向的長度,path length of sample,吸光系數(absorptivity),吸光系數是有色化合物的重要特性。愈大，表示該物質對某波長的光吸收能力愈強，因而光度測定的靈敏度就越高。 的值，不能直接取1mol/L 這樣高濃度的有色溶液來測量，而只能通過計算求得。由于溶液中吸光物質的濃度常因離解、聚合等因素而改變。因此，計算時，必須知道溶液中吸光物質的真正濃度。 但通常在實際工作中，多以被測物質的總濃度計算，這樣計算出的值稱為表觀吸光系數。文獻中所報道的值就是表觀吸光系數值。,標準曲線,分光光度法,以物質對光的選擇性吸收為基礎的分析方法。根據物質所吸收光的波長范圍不同，分光光度分

8、析法又有紫外、可見及紅外分光光度。 Based on the characteristic absorption to light for different materials.,儀器方法特點(Features),靈敏度高(good sensitivity): 1-10-5%, 微量分析(micro-assay) 簡單易用，儀器方便，應用廣泛 widely used due to easy operation and low cost,多成分的吸收,假設個成分之間無相互作用，那么多成分的吸收可以疊加: Atotal=A1+A2+An=e1LC1+e2LC2+enLCn,偏離LB定律 (dev

9、iation from LB law),以濃度為橫坐標，吸光度為縱坐標作圖，應得到一通過原點的直線，稱為標準曲線或工作曲線。但是，在實際工作中，當有色溶液的濃度較高時，往往不成直線,positive,negative,偏離LB定律的原因,入射光不是單色光 LB定律只適合于單色光。但實際上單波長的光不可能得到。 單色光純度越差，吸光物質的濃度越高，偏離的越嚴重。 Single wavelength light cannot be obtained.,偏離LB定律的原因（2）,介質的不均勻性(inhomogeneity) 當被測溶液是膠體溶液、懸濁液或乳濁液時，入射光通過溶液后除一部分被吸收外，還

10、有一部分因溶液中存在微粒的散射作用（scattering）而損失，并使透光度減小。而當膠體或其他微粒凝聚沉淀時，又會使溶液吸光度下降。,偏離LB定律的原因（3）,溶液中的化學變化(chemical composition change) 溶液中的化學變化如締合(combination)、離解(dissociation)、溶劑化(solvation)、形成新的化合物(reaction)、互變異構(tautomerism)等，使吸光度不隨溶液濃度而成正比地改變，而導致偏離朗伯比耳定律。,HIn H+ + In-,偏離LB定律的可能比色皿,Ce（IV）離子的吸收光譜 A：使用玻璃比色皿 B：使用石英

11、比色皿 虛假峰的出現（虛假吸收）,LB定律應用的要求,單色光 (monochromatic) 低濃度 (low concentration) 無熒光發(fā)生 (not fluorescent) 溶液均一 (homogeneous) 光照下穩(wěn)定 (no photochemical reaction) 溶質和溶劑之間作用的穩(wěn)定性 (no variable associations between solute and solvent),儀器和測量方法,Instruments and Measuring Methods,儀器（1）,儀器（2）,Double beam in space,Double be

12、am in time,儀器（3）,多通道光譜儀-陣列檢測,燈源(light source),鎢燈,1200 nm maximum,Tungsten lamp,可見和紅外區(qū)域,燈源（2）,氘燈,Deuterium lamp,225 nm maximum,紫外區(qū)域,測量方法1標準曲線法,配制一系列已知的具有不同濃度的標準溶液，分別在選定波長處測其吸光度A，然后以標準溶液的濃度c為橫坐標，以相應的吸光度A為縱坐標，繪制出Ac關系曲線。如果符合光的吸收定律，則可獲得一條直線，稱為標準曲線或稱工作曲線。 在相同條件下測量樣品溶液的吸光度，就可以從標準曲線上查出樣品的濃度。,A,c,標準工作曲線,測量方法

13、2加入標準法,所謂的加入標準法，即在一定濃度的試樣溶液測定吸光度A0后，加入合適濃度的標準溶液，再測吸光度A1，或再加幾次標準溶液，得A2, A3吸光度，計算或作圖外推求試樣濃度的方法。即： A0=kC樣；A1=k(C樣C標） 設試樣體積為V0;加入的標準溶液體積為V標，則：A1=k(C樣V0+ C標V標)/(V0+V標），聯解方程可求出C樣?；蛴肁對C標作圖，外推求出C樣。,二元組分的測定,數據處理 - deconvolution,數據處理 - baseline,三點校正方式 Three-point correction,數據處理 baseline (2),基線扣除后的吸收譜,誤差 erro

14、r,1. 光源導致的誤差 (light source)； 2. 檢測器的誤差 (detector)； 3. 散射光的誤差(stray light); 4. 綜合誤差 (total error): 最小誤差大致在吸收度為0.7 左右，minimum at A = 0.7,紫外可見光譜和分子軌道的躍遷,Electronic Transitions of organic compounds etc.,概要,紫外可見光譜研究的主要對象是有機分子 (Organic compounds represent the majority of the studies made in UV/Vis.) 光譜的來源

15、主要是在這些有機分子中s、p和n軌道上的電子的躍遷。(The observed transitions involve electrons engaged in s or p or non-bonding n electron orbitals. 躍遷類型有s s*, n s*, n p*, p p*, d d,分子軌道(molecular orbitals),Single bond: molecular orbital. Double bond: an molecular orbitals,分子軌道的形成,O + O O2,1s,2s,2p,O: 1s22s22p4,分子中的電子(elect

16、ron types),Example: HCHO (formaldehyde),s s* 躍遷,這一類型的躍遷需要比較高的能量（真空紫外部分，吸收波長小于200 nm） 飽和碳氫化合物 甲烷： 125 nm， 乙烷： 135 nm 水也是如此，因為只有s s*, n s* 的躍遷 對溶劑的要求：飽和脂肪烴。 不適于對極性大的物質的檢測，因為沒有相應的溶劑,n s* 躍遷,含有雜原子（O、N、S和Cl）的飽和有機物質：如飽和醇 苯胺的吸收 （220nm） 吸光系數：100 3000 醇：180nm，醚和鹵素取代物：190nm。 甲醇：183nm，乙醚：190nm， 乙胺：210 nm，1-氯丁烷

17、：179nm,n p* 躍遷,比較弱，消光系數在10 100 之間 認識比較多的是羰基的吸收，對應在270 295 nm之間 比如乙醛最大吸收在293 nm，但是摩爾吸光系數只有12.（溶劑為乙醇）,p p* 躍遷,對應于不飽和碳碳鍵，如C=C 吸光系數很大，1000-15000 主要吸收，比較適于定量分析 單個非共軛的C=C吸收大致在170nm左右 乙烯的最大吸收在165 nm,dd 躍遷,很多金屬絡合物，其中金屬具有沒有完全填滿的d軌道 主要在可見光部分 例如Cu(H2O)62+和Ti(H2O)63+為藍色，高錳酸鉀為紫色,生色團和助色團,生色團 (chromophores) 有機化合物中

18、具有紫外可見吸收的功能團 如不飽和鍵，胺基等 助色團 (auxochoromophores) 該功能團本身沒有紫外可見吸收 但是它們的存在對生色團的吸收造成了影響 如醇基，醚基等,共軛效應,共軛效應,隔一個的不飽和鍵 許多p 軌道的相互作用，同樣許多p *軌道的相互作用 吸收往長波長方向移動 同時出現許多精細結構,芳香烴的三個吸收帶,紅移和藍移,外在原因使得某一類結構的分子吸收往短波長方向移動，稱為藍移現象(blue shift or hypsochromic effect); 反方向則為紅移現象 (red shift or bathochromic effect) 主要的外在原因為溶劑的極性大小 溶液的pH同樣可能造成藍移或紅移,例子,判斷下面