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1、一、电磁辐射和电磁波谱1电磁辐射（电磁波，光）：以巨大速度通过空间传播的一种能量 2电磁辐射的性质：具有波、粒二象性波动性：粒子性：C为光速，在真空中c=3108m/sh为普朗克常数第1页/共118页 射线x射线紫外光红外光微波无线电波10-2 nm 10 nm 102 nm 104 nm 0.1 cm 10cm 103 cm 105 cm可 见 光3电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列。第2页/共118页4.分子运动能级分子运动：平动、振动、转动、核外电子运动等量子化的（能量变化不连续）平动：分子整体的平移运动。平动不会产生光谱。振动：分子中原子离开其平衡位置所做的运动。转动：分子围绕它的重心所
2、做的运动。电子运动：电子具有动能和位能。第5页/共118页分子能级示意图 E电子电子 E振振 E转转第6页/共118页 当用光照射分子时，分子就要选择性的吸收某些波长（频率）的光而由较低的能级E1跃迁到较高能级E2上，所吸收的光的能量就等于两能级的能量之差：E=E1-E2第7页/共118页 分子中的这三种运动状态都对应有一定的能级。即在分子中存在着电子能级、振动能级和转动能级。其中电子能级的间距最大,振动能级次之，转动能级的间距最小。如果用 E电子电子，E振振以及 E转转表示各能级差，则：E电子电子 E振振 E转转第8页/共118页 由图可见，在每一个电子能级上有许多间距较小的振动能级，在每一
3、个振动能级上又有许多间距更小的转动能级。由于这个原因，处在同一电子能级的分子，可能因振动能量不同而处于不同的能级上。同理，处于同一电子能级和同一振动能级上的分子，由于转动能量不同而处于不同的能级上。第9页/共118页 用电磁波照射有机分子时，分子便会吸收那些与分子内的能级差相当的电磁波，引起分子振动、转动或电子运动能级跃迁，即分子可选择性地吸收电磁波使分子内能提高。用仪器记录分子对不同波长的电磁波的吸收情况，就可得到吸收光谱。EEE2(激发态)E1(基态)A光谱仪第10页/共118页 电子的跃迁吸收光的波长主要在真空紫外到可见光区，对应形成的吸收光谱，称为电子光谱或紫外-可见吸收光谱。分子的振
4、动能级差一般需吸收红外光才能产生跃迁。故分子振动产生的吸收光谱又称红外光谱。第11页/共118页200nm400nm800nm2.5mm25mm紫外及可见光红外光微波、电视波无线电波X射线60MHz600MHz200800nm:引起电子运动能级跃迁，得到紫外及可见光谱；2.5-25m:引起分子振、转能级跃迁，得到红外光谱；60-600MHz:核在外加磁场中自旋能级跃迁，得到核磁共振谱。第12页/共118页第13页/共118页二、光学分析法及其分类（一）光学分析法 基于电磁辐射能量与待测物质相互作用后所产生的辐射信号与物质组成及结构关系所建立起来的分析方法；相互作用方式：发射、吸收、反射、折射、
5、散射、干涉、衍射、偏振等第14页/共118页（二）分类：1光谱法：利用物质与电磁辐射作用时，物质内部发生量子化能级跃迁而产生的吸收、发射或散射等电磁辐射的强度随波长变化的定性、定量分析方法。第15页/共118页光谱法分类按照产生光谱的方式吸收光谱法发射光谱法按照产生光谱的物质类型原子光谱分子光谱按照光谱的性质和形状线光谱带光谱第16页/共118页吸收光谱法：利用物质吸收光后所产生的吸收光谱来进行分析的方法。第17页/共118页波谱法定义（P1）物质在光（电磁波）的照射下，引起分子内部某种运动，从而吸收或散射某种波长的光，将入射光与出射光强度变化或散射光的信号记录下来，得到一张信号强度与光的波长
6、、波数（频率）或散射角度的关系图，用于物质结构、组成及化学变化的分析，称为波谱法。散射光第18页/共118页波谱法主要内容红外光谱紫外-可见光谱核磁共振质谱前三个都属于吸收光谱第19页/共118页波谱法的发展 波谱解析作为一门较新学科，近年来得到快速的发展，但早在19世纪50年代，人们就开始应用目视比色法，不久Beer发现了以其名字命名的Beer定律。19世纪末就已经开始了IR和UV-Vis测定，进入20世纪，随着科学技术的发展，仪器性能改进，实验方法革新特别是计算机的应用，使波谱法得到突飞猛进的发展。第20页/共118页波谱法种类越来越多，应用范围也越来越广。核磁共振、质谱、X射线衍射法等的
7、应用为化合物结构解析、组成及含量分析带来的革命性的变化。例如吗啡从鸦片中提出来到最后确定其结构大约用了150年的时间。若使用现代的波谱分析手段可能几天，甚至几小时即可完成。第21页/共118页发射光谱法：物质中的粒子用一定的能量（如光、电、热等）激发到高能级后，当跃迁回低能级时，便产生出特征的发射光谱，利用此发射光谱进行的分析的方法 第22页/共118页原子光谱主要是由于核外电子能级发生变化而产生的辐射或吸收而产生的光谱。（线光谱）原子光谱图原子光谱图原子光谱和分子光谱：第23页/共118页分子光谱则是由于分子中电子能级及分子的振动、分子的转动能级的变化而产生的光谱。（带光谱）分子光谱图分子光
8、谱图第24页/共118页光谱分析法吸收光谱法发射光谱法原子光谱法分子光谱法原子发射原子吸收原子荧光X射线荧光原子吸收紫外可见红外核磁共振紫外可见红外分子荧光分子磷光核磁共振化学发光原子发射原子荧光分子荧光分子磷光X射线荧光化学发光电磁辐射的电磁辐射的本质本质电磁辐射的电磁辐射的传递方式传递方式(线状光谱线状光谱)(带状光谱带状光谱)第25页/共118页2非光谱法：利用物质与电磁辐射的相互作用测定电磁辐射的反射、折射、干涉、衍射和偏振等基本性质变化的分析方法。分类：折射法、旋光法、比浊法、射线衍射法3光谱法与非光谱法的区别：光谱法：内部能级发生变化光谱法：内部能级发生变化原子吸收原子吸收/发射光
9、谱法：原子外层电子能级跃迁发射光谱法：原子外层电子能级跃迁 分子吸收分子吸收/发射光谱法：分子外层电子能级跃迁发射光谱法：分子外层电子能级跃迁非光谱法：内部能级不发生变化非光谱法：内部能级不发生变化仅测定电磁辐射仅测定电磁辐射性质改变性质改变 第26页/共118页光学分析法分类type of optical analysis 光分析法光分析法光谱分析法原子光谱分析法原子光谱分析法分子光谱分析法分子光谱分析法原子吸收光谱原子发射光谱原子荧光光谱X射线荧光光谱折射法圆二色性法X射线衍射法干涉法旋光法紫外光谱法红外光谱法分子荧光光谱法分子磷光光谱法核磁共振波谱法非光谱分析法第27页/共118页三、光
10、谱法仪器分光光度计主要特点：五个单元组成光源光源光源光源单色器单色器单色器单色器样品池样品池样品池样品池检测器检测器检测器检测器记录装置记录装置记录装置记录装置第28页/共118页分子吸收紫外-可见光区200 800 nm的电磁波而产生的吸收光谱称紫外-可见吸收光谱（ultraviolet-visible spectroscopy,UV-Vis）。利用紫外-可见吸收光谱来确定物质的组成、含量，推测物质结构的分析方法。又称为紫外-可见分光光度法。它属于分子吸收光谱法。第二章 紫外-可见吸收光谱法第29页/共118页2.1 紫外光谱的基本原理紫外-可见光可分为3个区域：远紫外区 10 190 nm
11、紫外区 190 400 nm可见区 400 800 nm第30页/共118页由于氧气、二氧化碳、水等在真空紫外区均有吸收，因此在测定这一范围的光谱时，必须将光学系统抽成真空，然后充以一些惰性气体，如氦、氖、氩等。鉴于真空紫外吸收光谱的研究需要昂贵的真空紫外分光光度计，故在实际应用中受到一定的限制。我们通常所说的紫外可见分光光度法，实际上是指近紫外、可见分光光度法（200 800 nm）。第31页/共118页一、紫外-可见吸收光谱的产生二、紫外-可见吸收光谱的电子跃迁类型 三、相关的基本概念第32页/共118页一、紫外-可见吸收光谱的产生1分子吸收光谱的产生由能级间的跃迁引起能级：电子能级、振动
12、能级、转动能级跃迁：电子受激发，从低能级转移到高能级的过程若用一连续的电磁辐射照射样品分子，将照射前后的若用一连续的电磁辐射照射样品分子，将照射前后的光强度变化转变为电信号并记录下来，就可得到光强光强度变化转变为电信号并记录下来，就可得到光强度变化对波长的关系曲线，即为度变化对波长的关系曲线，即为分子吸收光谱分子吸收光谱第33页/共118页续前续前 2分子吸收光谱的分类：分子内运动涉及三种跃迁能级，所需能量大小顺序 3紫外-可见吸收光谱的产生 由于分子吸收紫外-可见光区的电磁辐射，分子中 价电子（或外层电子）的能级跃迁而产生 （吸收能量=两个跃迁能级之差）第34页/共118页二、紫外-可见吸收
13、光谱的电子跃迁类型预备知识：价电子：价电子：电子电子 饱和的饱和的 键（单键）键（单键）电子电子 不饱和的不饱和的 键键（双键）（双键）n n电子电子氧、氮、硫、卤素等含有未成键的孤对电子轨道：轨道：电子围绕原子或分子运动的几率电子围绕原子或分子运动的几率轨道不同，电子所具有能量不同轨道不同，电子所具有能量不同 基态与激发态：基态与激发态：电子吸收能量，由基态电子吸收能量，由基态激发态激发态 成键轨道与反键轨道：成键轨道与反键轨道：nn*电子跃迁类型：电子跃迁类型：第37页/共118页1.*跃迁：饱和烃（甲烷，乙烷）E很高，105 强带 min103 弱带第47页/共118页四、紫外吸收带及其
14、特征四、紫外吸收带及其特征(1)R(1)R带带 来自德文来自德文Radikalartin(Radikalartin(基团基团)起源：由起源：由n-n-跃迁引起。或者说，由带孤对跃迁引起。或者说，由带孤对电电 子的发色团产生。例如：子的发色团产生。例如：特点特点：max270nm，max100；第48页/共118页R R带举例：带举例：第49页/共118页(2)K(2)K带带 来自德文来自德文Konjugierte(Konjugierte(共轭共轭)起源起源：由-跃迁引起。特指共轭体系的-跃跃迁。K带是最重要的UV吸收带之一，共轭双烯、,不饱和醛、酮，芳香族醛、酮以及被发色团取代的苯（如苯乙烯）
15、等，都有K带吸收。例如：特点特点：max 210270nm，max10000；第50页/共118页(3)B(3)B带和带和E E带带 起起源源：均由苯环的-跃迁引起。是苯环的UV特征吸收。特点特点：B带 为 宽 峰，有 精 细 结 构 (苯 的 B带 在 230270nm)max偏低：2003000 (苯的为250)；E1带特强，(max 10000)；E2带中等强度，(2000max 10000)苯环上引入取代基时，E2红移，但一般不超过210nm。如果E2带红移超过210nm，将衍变为K带。B德文Benzenoid(苯型)E德文Ethylenic(乙烯型)第51页/共118页第52页/共1
16、18页识别上述几种吸收带，对推导有机化合物的结构将会有很大的帮助。各种吸收带举例各种吸收带举例：第53页/共118页2.2 Lamber-Beer定律一、Lamber-Beer定律 二、吸光系数和吸收光谱 三、偏离Beer定律的因素第65页/共118页一、Lamber-Beer定律：吸收光谱法基本定律描述物质对单色光吸收强弱与液层厚度和待测物浓度的关系假设一束平行单色光通过一个吸光物体 第66页/共118页续前讨论：1Lamber-Beer定律的适用条件（前提）入射光为单色光 溶液是稀溶液2在同一波长下，各组分吸光度具有加和性 应用：多组分测定第67页/共118页二、吸光系数和吸收光谱1吸光系
17、数的物理意义：单位浓度、单位厚度的吸光度 讨论：1）E=f（组分性质，温度，溶剂，）当组分性质、温度和溶剂一定，E=f（）2）不同物质在同一波长下E可能不同（选择性吸收）同一物质在不同波长下E一定不同 3）E，物质对光吸收能力,定量测定灵敏度 定性、定量依据第68页/共118页续前2吸光系数两种表示法：1）摩尔吸光系数摩尔吸光系数：在一定下，C=1mol/L，L=1cm时的吸光度 2）百分含量吸光系数百分含量吸光系数/比吸光系数比吸光系数：在一定下，C=1g/100ml，L=1cm时的吸光度 3）两者关系3吸收光谱（吸收曲线）：A最大吸收最大吸收最小吸收最小吸收 特征值特征值定性依据定性依据肩
18、峰肩峰末端吸收末端吸收第69页/共118页三、偏离Lamber-Beer定律的因素依据定律，依据定律，A A与与C C关系应为关系应为 经过原点的直线经过原点的直线偏离偏离BeerBeer定律的主要因素表现定律的主要因素表现为以下两个方面为以下两个方面:（一）光学因素（二）化学因素 第70页/共118页（一）光学因素 1.非单色光的影响：定律应用的重要前提入射光为单色光 照射物质的光经单色器分光后照射物质的光经单色器分光后 并非真正单色光并非真正单色光为了保证透过光对检测器的响为了保证透过光对检测器的响 应，必须保证一定的狭缝宽度应，必须保证一定的狭缝宽度这就使分离出来的光具一定的这就使分离出
19、来的光具一定的 谱带宽度谱带宽度第71页/共118页续前2杂散光的影响：杂散光是指从单色器分出的光不在入射光谱带宽度 范围内，与所选波长相距较远杂散光来源：仪器本身缺陷；光学元件污染造成杂散光可使吸收光谱变形，吸光度变化第72页/共118页3反射光和散色光的影响：反射光和散色光均是入射光谱带宽度内的光 直接对T产生影响散射和反射使T，A，吸收光谱变形注：一般可用空白对比校正消除4非平行光的影响：使光程，A，吸收光谱变形第73页/共118页（二）化学因素定律适用的另一个前提：稀溶液(小于0.01MOL/L)浓度过高会使C与A关系偏离定律第74页/共118页续前四、吸光度测量的条件选择1.测量波长
20、的选择：入射光并非真正的单色光，在max附近，曲线比较平坦，吸光系数变化不大，避免偏离定律。第75页/共118页2.吸光度读数范围的选择：3.参比溶液(空白溶液)的选择：注：采用空白对比消除因溶剂和容器的吸收、光的散射和 界面反射等因素对透光率的干扰选选A=0.20.7A=0.20.7第76页/共118页常用的光源有两类：热辐射光源和气体放电光源1光源热辐射光源用于可见光区，如钨灯卤钨灯；气体放电光源用于紫外光区，如氢灯氘灯。钨灯（波长范围为3252500nm）氢灯（氢弧灯 165375nm）2.3 紫外-可见分光光度计 第77页/共118页单色器的主要组成：入射狭缝、出射狭缝、色散元件和准直
21、镜等部分。2单色器单色器质量的优劣，主要决定于色散元件的质量。色散元件常用棱镜和光栅。第78页/共118页吸收池又称比色皿或比色杯，按材料可分为玻璃吸收池和石英吸收池，前者不能用于紫外区。3吸收池吸收池的种类很多，其光径可在0.110cm之间，其中以1cm光径吸收池最为常用。第79页/共118页4检测器检测器的作用是检测光信号，并将光信号转变为电信号。现今使用的分光光度计大多采用光电管或光电倍增管作为检测器。5信号显示系统常用的信号显示装置有直读检流计，电位调节指零装置，以及自动记录和数字显示装置等。第80页/共118页二、紫外-可见分光光度计的类型按其光学系统可分为单波长分光光度计和双波长分
22、光光度计。第81页/共118页1.单波长单光束分光光度计目前国内广泛采用721型分光光度计。具有结构简单、价格低廉、操作方便、维修也比较容易，适用于常规分析。单波长单光束分光光度计还有国产751型、XG-125型、英国SP500型和伯克曼DU-8型等。第82页/共118页单光束分光光度计：特点：特点：使用时来回拉动吸收池使用时来回拉动吸收池 移动误差移动误差对光源要求高对光源要求高比色池配对比色池配对第83页/共118页2.单波长双光束分光光度计单波长双光束分光光度计有国产710型、730型、740型、日立UV-340型等就属于这种类型。第84页/共118页双光束分光光度计：特点：特点：不用拉
23、动吸收池，可以减小移动误差不用拉动吸收池，可以减小移动误差对对光光源源要要求求不不高高,消消除除光光源源、电电子子测测量量系系统统不不稳稳定引起的误差，测量的精确度提高定引起的误差，测量的精确度提高可以自动扫描吸收光谱可以自动扫描吸收光谱 第85页/共118页3.双波长分光光度计双波长分光光度计的优点：是可以在有背景干忧或共存组分吸收干忧的情况下对某组分进行定量测定。国产WFZ800-5型、岛津UV-260型、UV-265型等。第86页/共118页双波长分光光度计 特点：利用吸光度差值定量消除干扰和吸收池不匹配引起的误差第87页/共118页2.4 2.4 定性和定量分析一、定性分析二、定量分析
24、 第88页/共118页一、定性分析（一）定性鉴别 定性鉴别的依据吸收光谱的特征吸收光谱的形状吸收峰的数目吸收峰的位置（波长）吸收峰的强度相应的吸光系数第89页/共118页第93页/共118页二、定量分析（一）单组分的定量方法1吸光系数法 2标准曲线法 3对照法：外标一点法第96页/共118页续前1吸光系数法（绝对法）第97页/共118页练习例：维生素B12 的水溶液在361nm处的百分吸光系数为207，用1cm比色池测得某维生素B12溶液的吸光度是0.414，求该溶液的浓度解：第98页/共118页练习例：精密称取B12样品25.0mg，用水溶液配成100ml。精密吸取10.00ml，又置100
25、ml容量瓶中，加水至刻度。取此溶液在1cm的吸收池中，于361nm处测定吸光度为0.507，维生素B12 的水溶液在361nm处的百分吸光系数为207,求B12的百分含量。解：第99页/共118页练习例：解：第100页/共118页续前续前2标准曲线法第101页/共118页一般常用的标准曲线法步骤如下：1.先先将将待待测测样样品品组组分分的的标标准准样样配配成成一一定定浓浓度度的的溶溶液液，做做紫紫外可见光谱（外可见光谱（A），找出），找出max。2.将波长固定在max处。测定一系列不同浓度待测样品组分的标准样溶液的吸光值。以溶液浓度c为横坐标，吸光值A为纵坐标，作标准工作曲线。第102页/共1
26、18页3.未未知知样样品品用用相相同同溶溶剂剂配配成成合合适适浓浓度度的的溶溶液液，在在max处测定其吸光值处测定其吸光值A未未。4.在标准工作曲线上找出对应A未的浓度，再计算未知样品中待测组分的含量。第103页/共118页示例 芦丁含量测定0.710mg/25mL0.710mg/25mL第104页/共118页续前3对照法：外标一点法注：当样品溶液与标准品溶液的注：当样品溶液与标准品溶液的 稀释倍数相同时稀释倍数相同时第105页/共118页例：精密吸取B12注射液2.50mL，加水稀释至10.00mL；另配制对照液，精密称定对照品25.00mg，加水稀释至1000mL。在361nm处，用1cm
27、吸收池，分别测定吸光度为0.508和0.518，求B12注射液的浓度以及标示量的百分含量（该B12注射液的标示量为100g/mL）解：第106页/共118页紫外-可见分光光度法的特点：1与其它光谱分析方法相比，其仪器设备和操作都比较简单，费用少，分析速度快;2灵敏度高;3选择性好;4 精密度和准确度较高;5用途广泛。第108页/共118页在一定波长处，用2.0cm吸收池测得某试液的百分透光度为71%，若改用3.0cm吸收池时，该试液的吸光度A为（）A.0.10 B.0.22C.0.45B练习第109页/共118页第110页/共118页某化合物浓度为c1，在波长1处，用1cm的比色皿测量，求得摩
28、尔吸光系数为1，浓度为3c1，在波长1处，用3cm的比色皿测量，求得摩尔吸光系数为2，则它们的关系是（）A.1=2B.2=31C.2 1A第111页/共118页E=f（组分性质，温度，溶剂，）当组分性质、温度和溶剂一定，E=f（）第112页/共118页在254nm时，若溶液的百分透光度为10%，在此波长时的吸光度为（）A.1.0B.0.1C.-1.0A第113页/共118页物质的紫外-可见吸收光谱的产生是由于()(1)分子的振动 (2)分子的转动(3)原子核外层电子的跃迁 (4)原子核内层电子的跃迁(3)第114页/共118页电子能级间隔越小,跃迁时吸收光子的 ()(1)能量越大 (2)波长越长 (3)波数越大 (4)频率越高(2)第115页/共118页感谢您的观看！第118页/共118页