南京宁博浅谈紫外-可见吸收光谱法及其应用
时间：2012-02-01 阅读：5204
南京宁博浅谈紫外-可见吸收光谱法及其应用
摘要：本文主要介绍了紫外-可见吸收光谱的原理及应用，并对紫外-可见分光光度计进行了介绍和展望。
关键词：紫外-可见吸收光谱法；原理；紫外-可见分光光度计；
引言
分子的紫外-可见吸收光谱法是基于分子内电子跃迁产生的吸收光谱进行分析的一种常用的光谱分析法。分子在紫外-可见区的吸收与其电子结构紧密相关。紫外光谱的研究对象大多是具有共轭双键结构的分子。
紫外-可见光区一般用波长(nm)表示。其研究对象大多在 200 nm—380 nm 的近紫外光区和 380 nm—780 nm 的可见光区有吸收。紫外-可见吸收测定的灵敏度取决于产生光吸收分子的摩尔吸光系数。该法仪器设备简单，应用十分广泛。如医院的常规化验中，95%的定量分析都用紫外-可见分光光度法。在化学研究中，如平衡常数的测定、求算主-客体结合常数等都离不开紫外-可见吸收光谱。
2. 原理
紫外-可见吸收光谱是分子内电子跃迁的结果，它反映了分子中价电子跃迁时的能量变化与化合物所含发色基团之间的关系。不同的化合物由于分子结构不同，电子跃迁的类型就不同，所以紫外-可见吸收光谱会具有不同特征的吸收峰，其吸收峰的波长和强度与分子中价电子的类型有关。
2.1 分子中电子跃迁和吸收谱带的类型
在紫外-可见区域内，有机化合物吸收一定能量的辐射时，引起的电子跃迁主要有σ→σ*、n→σ*、π→π*、n→π*这 4 种类型。σ、π分别表示σ、π键电子，n 表示未成键的孤对电子，* 表示反键状态。价电子在吸收一定的能量后，将跃迁至分子中能量较高的反键轨道，各种电子跃迁所需能量大小为：σ→σ*> n→σ*>π→π*> n→π。
2.1.1σ→σ* 跃迁
由单键构成的化合物如饱和碳氢化合物只有σ电子，只能发生σ→σ* 跃迁，其吸收发生在远紫外区，波长小于 210 nm。大气中的氧在远紫外区会有强烈吸收，所以饱和烃必须在真空条件下操作，才能测得它们的吸收光谱，因此，远紫外又称真空紫外。
2.1.2．n→σ* 跃迁
含有杂原子的饱和化合物都可能发生n→σ* 跃迁。n→σ* 跃迁比σ→σ*跃迁所引起的吸收峰波长略长，大多是接近或在近紫外区。例如甲烷吸收峰在 125 nm，而一氯甲烷的吸收峰在 173 nm，。由 n→σ*跃迁产生的吸收峰多为弱吸收峰，它们的摩尔吸光系数(ε max)一般在 100～300 范围内，因而在紫外区有时不易观察到。
2.1.3π→π跃迁(K带)
含共轭双键的分子均可发生π→π*跃迁。实现π→π*跃迁比实现σ→σ*跃迁所需的能量小，其吸收峰大多出现在 200 nm 附近。发生在共轭非封闭体系中的π→π *跃迁大多是强吸收峰(K带)。
如果芳香族化合物的紫外吸收光谱中同时出现 K带、B 带和 R 带，则R 带波长zui长，B带次之，K带zui短，但吸收强度的顺序正好相反。
2.1.4 n→π*跃迁(R带)
化合物分子中同时存在杂原子和双键时，就可发生 n→π*跃迁。例如－CO、－ NN－、－NO等基团。
2.2 吸收光谱图
物质对光的吸收强度(吸光度)随波长变化的关系曲线称为吸收光谱曲线或吸收光谱。吸收光谱描述了该化合物对不同波长光的吸收能力，因此，不同结构的化合物应具有不同的吸收光谱(不同的吸收波长和吸光度)。
以不同波长的光透过某一浓度的被测样品溶液，测出不同波长时溶液的吸光度，然后以波长为横坐标，以吸光度为纵坐标作图，即可得到被测样品的吸收光谱。
2.3 紫外-可见分析常用术语
(1) 摩尔吸光系数ε：表示纯物质的浓度 1 mol·L-1、液层厚度为 1 cm时，在一定波长下溶液的吸光度。
(2) 红移：吸收带的zui大吸收峰λ max 向长波方向移动。
(3) 蓝移：吸收带的zui大吸收峰λ max 向短波方向移动。
(4) 发色团：发色团并非有颜色，所指的是分子中产生特征吸收峰的基团。例如羰基、硝基、苯环等，发色团对应的跃迁类型是π→π*和 n→π*跃迁。
(5) 助色团：使发色团所产生的吸收峰产生红移的、带有杂原子的饱和基团。例如－OH、－NH2、－X等，对应的跃迁类型是 n→∗σ跃迁。
(6) 等吸收点：两个或两个以上化合物吸光度相同的波长。
3 紫外-可见吸收光谱法的应用
3.1定性分析
紫外吸收光谱在化合物定性鉴定方面的应用主要有以下几方面。
(1) 把样品光谱图与被测物质的标准光谱图进行比较，判别是否为同一化合物。
(2) 确定混合物中某一特定的组分是否存在或鉴定一个纯样品中是否含有其他杂质。
(3) 推断化合物的骨架结构。
(4) 判别顺反异构体、互变异构体.。
3.2定量分析
与定性鉴定相比，紫外光谱法在定量分析领域有着更为重要和广泛的用途，其定量分析的依据是朗伯-比尔定律。含芳环的化合物以及带有共轭双键的化合物在紫外可见区有较强吸收，并且吸光度与化合物的浓度成正比，因而可用来进行定量分析。对于在紫外或可见区本身无吸收的化合物，可采用适当的化学反应，使其转化为在紫外或可见区有吸收的化合物进行测定。紫外光谱分析对纯样品或含有其他不影响被测物分析的成分都有效，常用的分析测定方法有工作曲线法、标准对照法等。
4 紫外-可见分光光度计
分光光度计是杜包斯克(Duboscq)和奈斯勒(Nessler)等人在1854年将朗伯比尔定律应用于定量分析化学领域，并且设计了*台比色计。到1918年，美国国家
标准局制成了*台紫外可见分光光度计。此后，紫外可见分光光度计经不断改进，又出现自动记录、自动打印、数字显示、微机控制等各种类型的仪器，使
光度法的灵敏度和准确度也不断提高，其应用范围也不断扩大。紫外可见分光光度法从问世以来，在应用方面有了很大的发展，尤其是在相关学科发展的基础
上，促使分光光度计仪器的不断创新，功能更加齐全，使得光度法的应用更拓宽了范围[11-13]。
4.1 主要部件的性能与作用
一般地，紫外可见分光光度计主要由光源系统、单色器系统、样品室、检测系统组成。
分光光度计的主要部件。
光源：发出所需波长范围内的连续光谱，有足够的光强度，稳定。可见光单色器：将光源发出的连续光谱分解为单色光的装置。
棱镜：依据不同波长光通过棱镜时折射率不同。
光栅：在镀铝的玻璃表面刻有数量很大的等宽度等间距条痕(600、1200、2400条/mm)。利用光通过光栅时发生衍射和干涉现象而分光。
吸收池：用于盛待测及参比溶液。可见光区：光学玻璃池；紫外区：石英池。
检测器：利用光电效应，将光能转换成电流讯号。
光电池，光电管，光电倍增管。检流计(指示器)：刻度显示或数字显示、自动扫描记录。
5 紫外-可见分光光度计的发展
分光光度法在分析领域中的应用已经有数十年的历史,至今仍是应用zui广泛的分析方法之一。随着分光元器件及分光技术、检测器件与检测技术、大规模集成制造技术等的发展,以及单片机、微处理器、计算机和DSP技术的广泛应用,分光光度计的性能指标不断提高,并向自动化、智能化、高速化和小型化等方向发展。
在分光元器件方面,经历了棱镜、机刻光栅和全息光栅的过程,商品化的全息闪耀光栅已迅速取代一般刻划光栅。在仪器控制方面,随着单片机、微处理器的出以及软硬件技术的结合,从早期的人工控制进步到了自动控制。在显示、记录与绘图方面,早期采用表头(电位计)指示、绘图仪绘图,后来用数字电压表数字显示,如今更多地采用液晶屏幕或计算机屏幕显示。阵列型检测器和凹面光栅的联合应用,使仪器的测量速度发生了质的飞跃,且性能更加稳定可靠,受到仪器用户的青睐,有代表性的当数安捷伦的HP8452/8453[17]。
6 结论
紫外－可见吸收光谱法历史较久远，应用十分广泛，与其它各种仪器分析方法相比，紫外－可见吸收光谱法所用的仪器简单、价廉，分析操作也比较简单，而且分析速率较快。在有机化合物的定性、结构分析、定量分析方面有着广泛的应用。
紫外－可见吸收光谱法历史较久远，应用十分广泛，与其它各种仪器分析方法相比，紫外－可见吸收光谱法所用的仪器简单、价廉，分析操作也比较简单，而且分析速率较快。在有机化合物的定性、定量分析方面，例如化合物的鉴定、结构分析和纯度检查以及在药物、天然产物化学中应用较多。