第十章紫外可见分光光度法.ppt

紫外-可见分光光度法,Ultraviolet Light (200380nm),+,Visible Light (380800nm),Ultraviolet & Visible Spectrophotometry (UV-Vis),紫外-可见分光光度法,四大光谱之一 灵敏度较高(10-6g/ml) 应用广泛 定量分析(定性鉴别, 结构鉴定),对乙酰氨基酚 阿替洛尔 青蒿素 鱼肝油 维生素A、维生素B2、维生素B12 ,“In many applications, other techniques could be employed but none rival UV-Vis spectrophotometry for its simplicity, versatility, speed, accuracy and cost-effectiveness”.,Principles of Instrumental Analysis,What is UV-Vis spectrophotometry? Basic principles of UV-Vis? How UV-Vis is applied in quantitative analysis?,What is UV-Vis spectrophotometry? Basic principles of UV-Vis? How UV-Vis is applied in quantitative analysis?,样 品,I,I0,透光率(transmittance, T),I,I0,样 品,吸光度(absorbance, A),I,I0,A = -lgT = -lg,I,I0,吸收光谱 (absorption spectrum),1,(nm),吸 光 度 (A),1 2 3 4 5 6 n,1 2 3 4 5 6 n,1 2 3 4 5 6 n,末端吸收 (end absorption),肩峰(shoulder peak),吸收峰(peak),谷(valley),What is UV-Vis spectrophotometry? Basic principles of UV-Vis? How UV-Vis is applied in quantitative analysis?,样 品,I,I0,?,Absorption,Incoming photon is absorbed by the atom, orbital *orbital, orbital * orbital,n (p) electron,Electronic transitions,* n* * n*,E,跃迁类型 峰位 强弱 分子基团 举例,* 150nm 弱 饱和烃类 CH3-CH3,(max=135nm),n* -200nm 较强 含-OH, -NH2 CH3Cl,-X,-S等,(max=215nm =140),* -200nm 强 含不饱和键 CH2=CH2,分子,(max=165nm =10-4),n* 200-400nm 较弱 含有杂原子 丙酮,不饱和基团,(max=279nm =10-30),常用术语,生色团(chromophore) ：有机化合物分子结构中含有*或n*跃迁的基团，能在紫外可见光范围内产生吸收的原子团。(如C=C),助色团(auxochrome) ：含有非键电子的杂原子饱和基团，当它们与生色团或饱和烃相连时，能使该生色团或饱和烃的吸收峰向长波方向移动，并使吸收强度增加的基团。 (如OH, X),红移(red shift)：亦称长移，由于化合物的结构改变，如发生共轭作用，引入助色团以及溶剂改变等，使吸收峰向长波方向移动。,蓝(紫)移(blue shift)：亦称短移，当化合物的结构改变或受溶剂影响使吸收峰向短波方向移动。,增色效应和减色效应：由于化合物结构改变或其它原因，使吸收强度增加称增色效应；使吸收强度减弱称减色效应。,强带和弱带(strong band & weak band)：摩尔吸光系数值大于104的吸收峰称为强带；小于102的吸收峰称为弱带。,1.R带 由n*跃迁所产生的吸收带，是杂原子的不饱和基团，如C=O、-NO2、-N=N-等发色团的特征。 特点： 处于长波长区(-300nm)，弱吸收。 溶剂极性增强，max短移。 附近有强吸收峰时，R带长移或被掩盖。,吸收带(absorption band) 及其与分子结构的关系,2.K带 由共轭双键*跃迁所产生的吸收带。 特点： 一般出现在较短波长区，210250nm。 为强吸收，max104 共轭双键增加，吸收峰长移，强度增加。,3.B带 是芳香族(包括杂芳香族)化合物的特征吸收带。,4.E带 也是芳香族的特征吸收峰，由苯环中三个乙烯组成的环状共轭系统引起的*跃迁所产生,分为E1带(180nm)和E2带(200nm)，均属强吸收。,5.电荷转移吸收带：是许多无机物和某些有机物混合而得的分子配合物，在外来辐射激发下强烈地吸收紫外可见光，从而获得可见或紫外吸收带。,6.配位体场吸收带：是过渡金属水合离子和显色剂所形成的配合物，吸收适当波长的可见光(或紫外光)，从而获得的吸收带。,R带,K带,影响吸收带的因素,1.位阻影响,顺式二苯乙烯 max 280nm (10500),反式二苯乙烯 max 295.5nm (29000),二苯乙烯顺反异构体的紫外吸收光谱,2.跨环效应,3. 溶剂效应 4. pH的影响,What is UV-Vis spectrophotometry? Basic principles of UV-Vis? How UV-Vis is applied in quantitative analysis?,分光光度法的基本定律 朗伯-比尔定律,朗伯-比尔定律,描述物质对单色光的吸收(absorbance, A)与它的浓度(concentration)和厚度(thickness)间关系的定律。,A,Lambert-Beer Law,Lamberts Law (A vs. thickness) Beers Law (A vs. concentration),A ECl,浓度,厚度,吸光系数,吸光系数(absorptivity, E),吸光物质在单位浓度及单位厚度时的吸光度,1. 摩尔吸光系数：是指在一定波长时，溶液浓度为1mol/L，厚度为1cm的吸光度，用表示。 2. 百分吸光系数：是指在一定波长时，溶液浓度为1(W/V)，厚度为1cm的吸光度，用 表示。,(单组分)样品的定量方法,(一) 吸光系数法 (二) 标准曲线法 (三) 对照法,(一)吸光系数法,A= ECl,例 维生素B12的水溶液在361nm处的 值是207，盛于1cm吸收池中，测得溶液的吸光度为0.414，则溶液浓度为：,(二) 标准曲线法,Cx,Ax,A,0,Concentration,要 求 1. r 0.999 2. n = 5-7 3.待测浓度尽量在标准曲线中间位置,标准曲线 (A=aC+b,r),(三)对照法,待测样品 (Unknown sample),标准样品 (Reference sample),要求-标准溶液的浓度应尽量接近样品浓度,(多组分)样品的定量方法,同单组分定量法,Cb=(A-Aa)/Eb,计算分光光度法,计算分光光度法,计算分光光度法是运用数学、统计学与计算机科学的方法，通过试验设计与数据的变换和解析，对物质进行定性定量的方法，属于化学计量学(Chemometrics)的范畴。,计算分光光度法,数值计算法,信号处理法-卡尔曼滤波法,主成分分析法,(一) 数值计算法,1、解线性方程组法,2、双波长法,a(待测),b(干扰),M(混合),3、系数倍率法,KAy2=Ay1 则 KA2=K(Ax2 +Ay2) A1=Ax1+Ay1 A =KA2A1=K(Ax2+Ay2)(Ax1+Ay1) =KAx2Ax1(KEx2Ex1)·Cx=KCx,4、偏最小二乘法 （Partial Least Squares Method，PLS）,偏最小二乘法充分考虑混合物校正矩阵Y和浓度矩阵C的相互关系，在分解Y的同时将C也进行正交分解，然后将T*对R*作线性回归，继而可进一步求出待测体系的浓度值。具有计算误差小、准确度高、运算速度快等优点。,Y=USVt=U*S*Vt* +EY=T*Vt*+EY C=PGQt=P*G*Qt*+EC=R*Qt*+EC,5、卡尔曼滤波法 （Kalman Filtering Method，KF）,卡尔曼滤波法是通讯与现代控制论中的一种有效方法。其基本思想为有效地利用已经得到的结果和最新的观察值来进行计算，递推算法是Kalman滤波方法的一个重要特点，目的是从获得的信号里尽可能地滤除干扰成分，分离出所需要的信号。,(二) 数学变换法 1、导数光谱法,零阶,一阶,二阶,三阶,四阶,导数光谱的定量方法 p.峰谷法 d.正切法 z.峰-零法,导数光谱法检定乙醇中痕量苯 空白醇(1)，醇中含苯0.0001%(2)与0.001%(3)的吸收光谱含苯0.0001%醇液的二阶(4)与四阶(5)导数光谱,2、褶合光谱法(Convolution Spectrometry),I 通过数学变换，把被掩盖的信息提取出来、构造 新的独立光谱体系； II 以新的光谱体系为基础建立定性定量方法； III 改造现有的分光光度计，向分光光度计智能化、自动化及多功能化发展。,Convolution trasformation,Original spectrum,Convolution spectra,褶合光谱与吸收光谱一样 具有定性定量特征,吸收光谱：A = ECl 褶合光谱：Q = QijCl,(一) 化学因素 溶液中溶质可因浓度改变而有离解、缔合与溶剂间的作用等原因,而发生偏离Beer定律的现象。对此可控制溶液浓度、pH等条件而设法减免。,偏离Beer定律的因素,亚甲蓝阳离子水溶液的吸收光谱 (a)亚甲蓝阳离子溶液(6.36×10-6 mol/L） (b)亚甲蓝阳离子溶液(1.27×10-4 mol/L) (c)亚甲蓝阳离子溶液(5.97×10-4 mol/L),(二) 光学因素,非单色光 为了保证透过光的强度对检测器有明显的响应，狭缝就必须有一定的宽度，这就使分离出来的光，同时包含了所需波长的光和附近波长的光，即是具有一定波长范围的光。这一宽度称为谱带宽度。,是采用峰值测定的原因。,杂散光 从分光器得到的单色光中，还有一些不在谱带宽度范围内的与所需波长相隔较远的光，称为杂散光(stray light)。,是不用末端吸收的原因。,散射光和反射光 吸光质点对入射光有散射作用，入射光在吸收池内外界面之间通过时又有反射作用。散射光和反射光，都是入射光谱带宽度内的光，对透射光强度有直接影响。,是空白对比补偿的原因。,非平行光 通过吸收池的光，一般都不是真正的平行光，倾斜光通过吸收池的实际光程将比垂直照射的平行光的光程长。,这种测量时实际厚度的变异也是同一物质用不同仪器测定吸光系数时，产生差异的主要原因之一。,(三) 透光率测量误差,1、暗噪音(dark noise),暗噪音是光电检测器或热检测器与放大电路等各部件的不确定性引起的，与光讯号无关，可视为一个常量。其在A为0.20.7范围内，造成相对误差较小，为测量最适宜范围。(图10-11),有一化合物在醇溶液中的max为240nm, 其为1.7104 ，分子量为314.47。试问配制什么样浓度(g/100ml)测定含量最为合适。,(3.70×10-41.29×10-3),2、讯号噪音,讯号噪音亦称讯号散粒噪音。光敏元件受光照射时的电子迁移，每一单位时间中电子迁移数量是不相等的，而是在某一均值周围的随机数，形成测量光强时的不确定性。随机数变动的幅度随光照增强而增大，与光的波长及光敏元件的品质有关。,How UV-Vis is applied in quantitative analysis? How UV-Vis is applied in qualitative analysis? UV Spectrophotometer,一、定性鉴别,（一）对比吸收光谱特征数据,1.吸收峰 2.谷 3.肩峰 4.末端吸收,(二) 对比吸光度(吸光系数)的比值,举例：UV-Vis法鉴别VB12注射液,【鉴别】 取含量测定项下的溶液、照紫外可见光光度法（附录 A）测定，在351nm与550nm的波长处有最大吸收361nm波长处的吸光度与550nm波长处的吸光度的比值应为3.153.45。,(三) 对比吸收光谱的一致性,将试样与已知标准品配制成相同浓度的溶液，在同一条件下分别描绘吸收光谱，核对其一致性。两个化合物若是相同的，其吸收光谱应完全一致。也可利用文献所载的标准图谱进行核对。,定性原则： 对比结果相同，可能是同一物质。 对比结果不同，肯定不是同一物质。,丙酸倍氯米松-倍他米松紫外光谱图,褶合 变换,褶合变换,丙酸倍氯米松-倍他米松褶合光谱差谱图 (差谱比率83.31%),二、纯度检查,(一)杂质检查,例：乙醇和环己烷中苯的检查,空白醇(1)，醇中含苯0.0001%(2)与0.001%(3)的吸收光谱含苯0.0001%醇液的二阶(4)与四阶(5)导数光谱,(二)杂质限量检查,1.以某个波长的吸光度值表示,2.以峰、谷吸光度的比值表示,例 碘磷定max 294nm处，杂质几乎没有吸收；但在min 262nm处有一些吸收。 (已知碘磷定A294/A262=3.39),A294/A2623.39 ?,紫外可见分光光度法在结构分析中的应用,（一）从吸收光谱中初步推断官能团 （二）异构体的确定 1.结构异构体 2.顺反异构体 （三）化合物骨架的确定,How UV-Vis is applied in quantitative analysis?(multi-component samples) How UV-Vis is applied in qualitative analysis? UV Spectrophotometer,紫外可见分光光度计,在紫外-可见光区可任意选择不同波长的光测定吸光度的仪器。,(一) 主要部件,光 源,要求：能发射强度足够而且稳定的连续光谱，寿命长。,1.钨灯或卤钨灯：适用波长范围是3501000 nm，必须使用稳压电源。 2.氢灯或氘灯：适用波长范围是150400nm，必须使用稳流电源。,单 色 器,作用：将光源发出的复色光按波长顺序分离成单色光。,组成：狭缝、准直镜、色散元件(棱镜、光栅)。,吸 收 池,也称比色杯。 玻璃吸收池只可以在可见光区使用，石英吸收池可在紫外-可见区使用。 盛放参比溶液与盛放样品溶液的吸收池需互相匹配。,检 测 器,1、光电池 2、光电管 3、光电倍增管 4、光二极管阵列检测器 (Diode Array Detector, DAD),讯号处理及显示系统,放大器,表头显示,荧屏显示,数字显示,Varian Cary 100 UV-Visible Spectrophotometer,(二) 分光光度计的类型与光学性能,(1) 单光束分光光度计 (2) 双光束分光光度计,1、分光光度计的类型,单光束分光光度计,双光束分光光度计,波长范围 波长准确度 波长重现性 吸光度(透光率)测量范围 光度准确度 光度重复性 分辨率 杂散光,2、分光光度计的光学性能,3、分光光度计的校正,(1) 波长校正 (2) 吸光度校正 (3) 吸收池校正,紫外可见分光光度计的发展趋势,小型化 智能化 在线化 网络化,美国海洋光学的光纤光谱仪(USB-4000型),什么是比色法？,对于能吸收可见光的有色溶液的测定方法。 许多不吸收可见光的无色物质可以用显色反应变成有色物质，使之能用比色法测定。 也称为可见分光光度法。,显色反应的条件 1、被测物质与所生成的有色物质之间，必须有确定的定量关系。 2、反应产物必须有足够的稳定性。 3、显色剂在测定波长处无明显吸收。 4、反应产物的摩尔吸收系数足够大(103105)，以保证灵敏度。 5、显色反应须有较好的选择性，才能减免干扰因素。,影响因素 1.试剂与溶剂 2.酸碱度 3.时间 4.温度及其它,为使反应能进行完全，常需有过量的显色试剂，但试剂的用量，可影响产物的组成。 溶剂的性质可影响物质对光的吸收，使之呈现不同的颜色。,1.试剂与溶剂,2.酸碱度,许多有色物质的颜色，随溶液中的氢离子浓度而改变，同时显色反应的历程也多与溶液的酸碱度有关。有些反应甚至须用缓冲溶液来保持溶液的pH值。,3.时间,由于反应速度不同，完成反应所需时间常有较大差异。有色产物也会在放置过程中发生变化。对于一个显色反应中各个步骤所需时间和颜色能稳定地保持多久，常须通过实验确定。,