清华大学化学系4.仪器分析-UV-VIS分析解析
仪器分析-UV-vis
《仪器分析》华中农业大学食品科技学院仪器分析教研室( 刘晓宇)仪器分析是食品科学与工程专业和食品安全专业的基础课程之一，是测定物质的化学组成、含量、状态和进行科学研究与质量监控的重要手段。
课程内容既有成分分析又有结构分析，既有无机分析又有有机分析。
它是从事化学、生物、地质、食品分析等学科工作人员的基础知识。
通过本课程的学习，使学生能基本掌握常用仪器分析方法，初步具有应用此类方法解决相应问题的能力。
常用仪器分析方法是：原子发射光谱法、原子吸收光谱法、紫外-可见吸收光谱法、红外吸收光谱法、核磁共振波谱法、、色谱法、质谱法等。
通过本课程的学习，学生对这些方法的原理、仪器结构及其应用要有基本的理解。
具体的要求可归纳为：1．理解各分析方法的原理。
如定性、定量分析的依据，有关的定律、公式及其应用。
2．知道有关仪器的结构。
如仪器由几部分组成，有哪些重要部件，简单工作过程。
3．了解各方法的特点、应用范围及局限性，能根据实际问题，选择合适的方法。
4．掌握各方法的分析步骤和数据处理。
了解各方法对样品的要求与样品的处理，实验条件的选择，基本数据的运用，分析数据的处理。
第一章绪论授课主要内容第一节仪器分析简介一、仪器分析和化学分析分析化学(a n a l y t i c a l c h e m i s t r y)是研究物质化学组成的测量和表征的科学。
主要任务是鉴定物质的化学组成、结构和测量有关组分的含量。
是研究物质及其变化的重要方法。
•化学分析：以物质的化学反应为基础的分析方法。
•仪器分析（物理物化分析）：以物质的物理和物理化学性质(光、电、热、磁等)为基础的分析方法这类分析方法一般要依靠仪器来完成，故习惯上称为仪器分析。
二、仪器分析方法的分类（一）光学分析法(spectroscopic analysis)以物质的光学性质（吸收，发射，散射，衍射）为基础的仪器分析方法。
包括原子吸收光谱法、原子发射光谱法、紫外-可见吸收光谱法、红外光谱法、核磁共振波谱法等。
紫外-可见吸收光谱法概述
紫外-可见吸收光谱法（UV-Vis）是一种常用的分析技术，用于研究物质在紫外光和可见光区域的吸收特性。
该技术基于物质分子在特定波长范围内吸收光能的原理，通过测量样品溶液在紫外-可见光谱范围内的吸光度来获取信息。
UV-Vis光谱法可用于定性分析和定量分析。
在定性分析中，通过比较样品的吸收光谱与已知物质的光谱图谱，可以确定样品中存在的化合物或功能基团。
在定量分析中，根据样品吸收的光强度与物质浓度之间的线性关系，可以确定样品中某种物质的浓度。
UV-Vis光谱仪通常由光源、单色器、样品室、光电探测器和数据处理系统组成。
工作原理是通过将光束分为可见光和紫外光两部分，然后透过样品溶液，测量透过样品的光强度和未经样品的光强度之间的差异。
样品吸收的光强度会被转换为吸光度或透射度，并绘制成光谱图。
UV-Vis光谱法在许多领域中得到广泛应用，包括化学、生物化学、环境科学、制药、食品科学等。
它可以用于分析物质的结构、浓度、纯度、反应动力学以及反应机理等方面的研究。
同时，UV-Vis光谱法操作简便、分析速度快，且样品准备相对简单，因此成为了一种常用的分析技术。
UV-Vis紫外吸收光谱分析共29页PPT资料
二.价电子跃迁类型
紫外吸收光谱是由分子中价电子的跃 迁而产生的。紫外吸收光谱决定于分 子中价电子的分布和结合情况。
HC O
n
s
Hp
A.σ→σ*：一般发生在远紫外线区，10 ~200nm
B. π→π*：发生在近紫外线区 ~200nm
C. n→σ*：发生在远、近紫外线区之间
150nm~250nm
D. n →π* ：发生在近紫外线区与可见光区之间，
❖ 吸光物质的特征常数，ε(λ)
❖ 在温度和介质条件一定时，ε 仅与吸光物质的结构与性质有关
❖ 不随浓度c 和光程长度b 的改变而改变：ε＝ b c / A。
❖ εmax越大表明该物质的吸光能力越强，测定的灵敏度越高。
3.吸光度的加合性
多组分混合体系中，如果各组分分子之间不存在离解、聚合、
化学反应等化学平衡时，其吸光度具有加合性，即：
图a)：X,Y 组份最大吸收波长不重迭，相互不干扰，可以按两个单一组份处理。
具体做法：以浓度为cs的标准溶液调T=100%或A=0（调零），所测得的试样吸 光度实际就是上式中的A，然后求出c，则试样中该组份的浓度为(cs+c)。
2、多组分定量方法
① 由于吸光度具有加合性，因此可以在同一试样中测定多个组份。 设试样中有两组份 X 和 Y，将其显色后，分别绘制吸收曲线，会出现如图所 示的三种情况：
5.最佳的吸光度测量范围
由L-B定律： AlgTbc
微分后得： dlgT0.43d4Tbdc
T
将上两式相比，并将 dT 和 dc 分别换为T 和 c，得
c 0.434T c TlgT
当相对误差 c/c 最小时，求得T=0.368 或 A=0.434。即当A=0.434 时，吸 光度读数误差最小！
化学分析UV
a
O
a
b
CH3
O C CH C
CH3 CH3
b
例1：
安宫黄体酮和炔诺酮因共轭体系部分的结构相同，
所以它们的lmax＝240nm，而E1%有差别分别为
408和571。
CH3
CO CH3 OCOCH3 CH3 H
CC CH3 OH H
HH O
光系数达1.1×104，反应灵敏，适用于微量铁的测定。 • 当铁为三价时，可用盐酸羟胺还原，反应式如下： • 2Fe3++2NH2OH·HCl→2Fe2++N2↑+4H++2H2O+2Cl• 反应在pH4.5～5的缓冲溶液中进行，含铁量在0.5～8
mg/L范围时，其浓度与吸光度符合Beer定律。
铁含量的测定
O CH3 C CH2 CH=CH-CH=CH2
• 下列化合物中，在近紫外光区中有两个 吸收带的物质是哪个？
• A．丙烯； B．丙烯醛； • C．1，3－丁二烯； D．丁烯
• 下面几个化合物中跃迁所需能量最大的 是（ ）
• A、1，4－戊二烯 • B、1，3－丁二烯 • C、1，3－环己二烯 • D、2，3－二甲基－1，3－丁二烯
一. 基本原理
CuSO4
KMnO4
Fe(SCN)3
（一）朗伯－比尔定律：
朗伯-比尔定律
透光度
（transmittance)
I0
I
T=I/I0
吸光度
(absorbance) A= -lgT
影响物质对光吸收程度的因素：
♪ 物质的本性 ♪ 入射光波长 ♪ 溶剂种类 ♪ 溶液温度 ♪ 溶液浓度 ♪ 光路长度
紫外可见分光光度计功能详述
紫外可见分光光度计功能详述紫外可见分光光度计（UV-Vis分光光度计）是一种用于研究物质的吸收、透射和反射光谱特性的仪器。
它由光源、光栅、样品室、检测器和数据处理单元等组成。
以下是对其功能进行详述。
1.宽波长范围：紫外可见分光光度计可以在紫外至可见光范围（190-1100nm）内进行光谱扫描。
这个范围涵盖了大部分无机和有机物质的吸收区域，因此可以用于许多领域的应用，例如化学、物理、生物和环境科学等。
2.定量分析：紫外可见分光光度计可以通过测量样品的吸光度来定量分析物质的浓度。
它根据比尔－朗伯定律，即吸光度与样品溶液浓度成正比关系，利用这个关系可以推导出样品的浓度。
3.质量控制：在工业生产中，紫外可见分光光度计可以用来监测原料、中间产品和最终产品中的成分变化。
通过测量样品吸光度的变化，可以及时探测到质量问题，并从而采取相应措施进行调整。
4.物质识别：每种物质都有其特有的光谱吸收特性。
紫外可见分光光度计可以根据物质的特征光谱图在样品中识别和鉴别物质。
这在犯罪现场分析、药物识别以及食品和饮料检测中具有重要意义。
5.动力学研究：紫外可见分光光度计可以配合温度控制装置，对吸收光谱在时间上的变化进行实时监测和分析。
这使得它在动力学研究中的应用非常广泛，例如反应动力学、酶动力学和酸碱滴定等。
6.样品稳定性研究：紫外可见分光光度计可以用来评估某个物质在不同环境条件下的稳定性，例如光照、温度和湿度等。
通过对光谱形状和吸光度的变化进行分析，可以判断物质的稳定性和降解机制。
7.溶液动力学研究：紫外可见分光光度计可以配合流动注射技术，对溶液中吸收光谱的变化进行测量。
这在药物溶解度、胶体稳定性和离子浓度测定等方面有广泛应用。
8.数据处理功能：紫外可见分光光度计通常配备有数据处理软件，可以进行光谱数据的处理、分析和报告生成。
这使得数据的处理更为方便和高效。
总之，紫外可见分光光度计作为一种重要的光谱分析仪器，具有广泛的应用领域和功能。
分析化学(仪器分析)第三章-仪器分析(UV)
1
第一节
概述
一、紫外-可见吸收光谱法
根据溶液中物质的分子或离子对紫外和可见光谱
区辐射能的吸收来研究物质的组成和结构的方法。
包括比色分析法和紫外-可见分光光度法。 紫外-可见吸收光谱的产生：分子价电子能级跃迁。 波长范围：10-800 nm.
(1) 远紫外光区: 10-200nm
(2) 近紫外光区: 200-400nm (3) 可见光区:400-800nm
结束结束结束25一基本部件二分光光度计的构造原理26紫外可见分光光27光源单色器样品室检测器显示光源在整个紫外光区或可见光谱区可以发射连续光谱具有足够的辐射强度较好的稳定性较长的使用寿命
第三章 紫外-可见吸收光谱法
第一节 概述
第二节 紫外-可见吸收光谱
第三节 紫外-可见分光光度计
第四节 紫外-可见吸收光谱法的应用
金属离子的影响，将引起配位体 吸收波长和强度的变化。变化与成键 性质有关，若共价键和配位键结合， 则变化非常明显。
23
3.电荷转移吸收光谱
电荷转移跃迁：辐射下，分子中原定域在金属
M轨道上的电荷转移到配位体L的轨道，或按相反
方向转移，所产生的吸收光谱称为荷移光谱。
Mn+—Lbh M(n-1) +—L(b-1) h [Fe2+SCN]2+ [Fe3+SCN-]2+ 电子接受体
34
2. 定量分析
依据：朗伯-比耳定律—分子吸收光谱定量分析 的基本定律，它指出：当一束单色光穿过透明介质 时，光强度的降低同入射光的强度、吸收介质的厚 度以及光路中吸光微粒的数目成正比。
吸光度： A= e b c 透光度：-lgT = e b c
35
紫外可见光谱法
紫外可见光谱法紫外可见光谱法紫外可见光谱法，也被称为UV-Vis光谱法，是一种广泛应用于化学、生物、医药等领域的分析技术。
它可以快速、准确地测试样品中的化合物的组成和结构，也可以用于质量控制和成份分析等方面。
本文将介绍紫外可见光谱法的原理、应用及优缺点。
一、原理紫外可见光谱法的原理基于样品分子在紫外和可见光区域吸收辐射的现象。
当样品中的化合物受到光的照射时，它会吸收自己所能吸收的波长的光，导致光强度的降低。
通过比较样品前后的光强度差异，就可以确定其所含有的化合物的量。
二、应用紫外可见光谱法在化学、生物、医药等领域中具有重要应用。
以下是一些常见的应用领域：1.化学领域：用于分析化合物的结构和组成、溶液的浓度等。
2.生物领域：用于测定生物分子的含量和结构，如核酸和蛋白质的含量测定。
3.医药领域：用于药品的质量控制，检测药品中残留的杂质等。
4.环境领域：用于测定空气、水、土壤等中的污染物质浓度。
5.食品领域：用于检测食品中的添加剂、色素等成分。
三、优缺点紫外可见光谱法有多种优点，如准确、快速、简单易操作等。
同时，它也有一些缺点：1.受样品的溶液色和浓度等因素的影响较大，会影响测试准确性。
2.无法检测未吸收光的区域，有些化合物可能不会在紫外或可见光谱范围内吸收辐射。
3.分析结构复杂的混合物时，可能需要使用其他检测方法作为辅助手段。
总之，紫外可见光谱法是化学、生物和医学等领域中一种广泛应用的分析技术。
虽然它有一些局限性，但其准确性和简单易操作性仍使其成为研究和应用领域中不可或缺的一部分。
UV-Vis原理及应用概述
§1 基本原理
UV-Vis的产生 电子跃迁主要类型 常用术语 吸收带
1. 紫外－可见吸收光谱的产生
B
电子能级
转动能级
振动能级
A 分子中电子能级、振动能级和转动能级示意图
吸收辐射能后： △E=△Ee+△Ev+△Er
UV-Vis光谱是由分子外层电子跃迁所产生
的，属于电子光谱。同时，还伴有分子内
5. 吸光度的测定-空白对比法
（1）采用光学性质相同、厚度相同的吸收池， 装入空白液作参比。
（2）调节仪器，使透过参比的透光率为100%。 （3）测定被测液的透光率或吸光度A。
6. 光度法的误差
主要由两方面引起： 一是实际情况偏离Beer定律； 二是测量误差。
根据A= κcl关系式，以浓度为横坐标，吸光度为纵坐 标作图，应得到一通过原点的直线，称为标准曲线或 工作曲线。
特点：① n→π*跃迁的能量最小，处于长波方
向，一般λmax>270nm ② 跃迁的几率小，吸收强度弱，ε<100
（CH3 ）2 -C=O λmax=280nm ε max=16
CH3NO2
λmax=280nm ε max=22
CH3(CH2)7CNO λmax=370nm ε max=55
4.2 K带
π上的研究。第一位提供严谨证法来
说明π是无理数。在Hermite证明e之
朗伯(Lambert)像
前，Lambert早已推测出e及π是超越 数了。Lambert使得双曲函数Hyper－
bolic Functions首度有系统的发展，而
且在物理学上对光和热的研究有许多
创新。因此可知Lambert在数学、物理、
Lambert-Beer定律的物理意义：当一束平行单 色光通过含有吸光物质的稀溶液时，溶液的吸光 度与吸光物质浓度、液层厚度乘积成正比。
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D2 灯
H2 灯 200 250 300
/nm
2、单色器 光栅——棱镜 与原子吸收要求类似
3、检测器 光电被增管 — CCD
4、样品室 石英 —— 玻璃
1 cm
5 cm
二、紫外-可见分光光度计 1、单光束仪器
H W
S2 S1
蓝
红
单光束仪器的缺点：
• 操作麻烦：
任一波长
空白——IO 样品——I
振动光谱 转动光谱
0.05-1 0.005-0.05
E1 E电子能级 V振动能级 R转动能级
Ro Ro Ro
V1 Vo
Eo
a
bLeabharlann c分子的电子光谱的特点：
• 在波长范围内按一定强度分布的谱带 —带光谱 • 波长位于紫外-可见区
分子在不同环境中的谱带形状
A
H 对称四嗪 N C N
N C H N
水中 环己烷中
第四章 紫外-可见分子吸收光谱法 (UV-VIS spectrometry)
第一节 概述
一、分子吸收光谱分析的发展概况
•可见-紫外-红外
•目视比色-光电比色-分光光度 •光声光谱-长光程吸收光谱-传感器
二、分子吸收光谱的分类和特征
• 紫外-可见 电子光谱 Ee =1 - 20 eV
• 红外 • 远红外
A1 A2
A
1 2
设
Io1 A1 1bc lg I1 Io 2 A2 2bc lg I2
I1 I o110 A
1bc 2 bc
I 2 I o 210
I o1 I o 2 lg I1 I 2
I o1 I o 2 lg 1bc 2bc I o110 I o 210
根据分子轨道理论，分子中的电子轨道有 n、和 三种 * * n 反键轨道 非键轨道 成键轨道
*跃迁
• 能量很大 • 吸收光谱在真空紫外区 • 多为饱和烃
甲烷
乙烷
125 nm
135 nm
n * 跃迁
• 所需能量小于 *跃迁（150-250 nm） • 含有未共用电子对（n电子）原子的饱和化合物都可发生 •跃迁的摩尔吸光系数比较小，一般在100-3000 L / mol cm 化合物 H2O CH3OH CH3Cl (CH3)2O max 167 184 173 184 max 1480 150 200 2520
则：A=A HB +AB-=HB[HB]+ B-[B-] C=[HB]+[B-]
(2)
A=HB[HB]+ B-(c-[HB]) = B-c+[HB] (HB- B-) [HB]=
B-c-A
B-- HB
(3)
同样由（2）得：
A=HB（c- [B-]) +B-[B-] = HBc+[B-] (B-- HB) [B-] = A -HB c
dS adn S S
dIx dS adn Ix S S
a2
a1 a3
dn1 dn2
ds = a1dn1+a2dn2+a3dn3
dn3
dIx 1 m aidni Ix S i 1
dIx 1 m aidni Ix 0 S j 1 Io
Io 1 m ln aini I S i 1
300
1
2
400
/nm
( 1 )消除光谱重叠干扰
A 1 = Aa 1 + Ai 1
A 2 = Aa 2 + Ai 2 Ai 1 = Ai 2
A = Aa - Aa =（a -a ）bCa
2 1 1 2
消除了共存组分的干扰
双波长仪器能否消除背景干扰？
如果吸光介质内只有一种吸光分子
m icib i 1 m
i = 0.4343Nai
Ai = i b ci
A=bc
定量分析的依据
二、吸收定律的适用性与限制 1、吸收定律具有加和性，即
A icib A1 A2 Am i 1
m
2、吸收定律只适合单色光
• 不能进行吸收光谱的自动扫描 •光源不稳定性影响测量精密度
2、双光束仪器
IO
I
双光束仪器的特点和不足： • 测量方便，不需要更换吸收池 • 补偿了仪器不稳定性的影响 • 实现了快速自动吸收光谱扫描 • 不能消除试液的背景成分吸收干扰
3、双波长仪器
1 2 切 光 器
A
待测成分
干扰成分
0
200
max
(l/moL.cm) 8000 9000 20 2000 41 50 10 9000 10
跃迁类型 n n n n n n n * * * * * * * * * *
C
C
C
COOH COOR
C
N N
S
影响紫外-可见光谱的因素
• 共轭效应：电子共轭体系增大，波长红移、 吸收增强；
• 取代基影响：能够引起电子永久性转移的取 代基使波长红移（助色团）； • 溶剂影响：一般情况下分子的激发态极性大于 基态，因此溶剂极性增大有利于激发态稳定， 能量降低，波长红移。
2、无机化合物的吸收光谱
d-d 电子跃迁 绝大多数过渡金属离子都具有未充满的 d 轨道， 按照晶体场理论，当它们在溶液中与水或其它配体生成 配合物时，受配体配位场的影响，原来能量相同的 d轨 道发生能级分裂，产生 d-d 电子跃迁。 配体配位场越强，d 轨道分裂能越大，吸收波长 越短。 dx2 dx2-y2
[CM]m[CR]n [CMmCRn]
=
(m C)m(n C)n (1- )C
mmnn m+n Cm+n-1 = 1-
=
A0 - A’ A0
二、酸碱离解常数的测定
HB Ka = H++B[H+] [B-] (1)
[HB]
pKa=pH+lg 设：b=1cm [HB] [B-]
A=A HB +AB-
Fe（III）- SCN 配合物
金属离子影响下的配体 * 跃迁 金属离子与有机物配合后使配体的共轭结构发生变 化，导致吸收光谱蓝移或红移。 A
偶氮氯瞵III— U（VI）配合物
偶氮氯瞵III
500
600
700 /nm
小结： 分子结构——光谱特征——定性分析
不同结构的分子由于共轭程度不同，分子吸收的特征不 同； 相同共轭结构的分子骨架，因助色团的加入或改变，导 致光谱位移和吸收系数变化；
当 1
= 2 =
I o1 I o 2 A lg bc bc ( I o1 I o 2 )10
Ac
当 2 1 时，出现偏离
A
1
1 + 2
0
C
特别是存在非吸收线(或吸收很小,杂散光) 和浓度较大时，I变的 很小， I<< i
Io i A lg I i
A1 = lg I0/ I1 = 1bC + Ab A2 = lg I0/ I2 = 2bC + Ab
式中 Ab 为背景吸收或干扰物质的吸收 若波长选择合适， 1和 2处 Ab相同
则 A = lg I1/ I2 =（ 1 - 2）bC 因此测量两波长 吸光度之差，就 消除了背景吸收 的干扰。
1 2
3
0 200 300 400
/nm
A1 = 11C1 + 12C2 + 13C3 A2 = 21C1 + 22C2 + 23C3 A3 = 31C1 + 32C2 + 33C3
ij为在波长i测定组分j的摩尔吸光系数 Ai 为在波长i测得该体系的总吸光度
解上联立方程可求出待测物浓度C1、C2、C3
第三节
紫外-可见分光光度计
一、基本结构
光源 单色器
狭 缝 样品室
检测器
讨论：与原子吸收光谱仪比较： • 光源的单色性
• 单色器
• 样品室 • 检测器
1、光源
• 钨丝灯
• 卤钨灯 相 对 辐 射 功 率
气灯 山
• 氢灯和氘灯
气灯 山
钨丝灯
100
400
800 1 4 8
10 m
相 对 辐 射 功 率
( 3 ) 进行导数光谱测定
A= bC d dA = bC d d （1）灵敏度取决于 d /d ，拐点d /d 最 大，灵敏度最高； （2） d /d = 0 为吸 A 收曲线极大值； （3）两个重叠度很大 的曲线的导数曲线有可 能区别开。
A
A
/nm
（4）多组分混合物中各组分分别测定 ——多波长分光光度法 A
500
蒸汽中 555
/nm
三、分子吸收光谱的特点
可进行分子的定性和定量分析
可用于一些物理化学常数的测定（如平 衡常数等）
仪器结构简单、价格便宜 应用范围广泛（无机离子、有机化合物、 生物大分子分析等）
第二节
紫外-可见分子吸收光谱的理论基础
一、吸收光谱与分子结构
1、有机化合物的吸收光谱
* 和 n * 跃迁
• * 和 n * 跃迁能量低（>200 nm）
• 含有不饱和键的有机分子易发生这类跃迁
C=C C=C ; N=N ; C=O
• 有机化合物的紫外-可见吸收光谱分析多以这两类 跃迁为基础 • * 比 n * 跃迁几率大 100-1000 倍 • *跃迁吸收强， ~ 104 • n * 跃迁吸收弱， 500
第四节
紫外-可见分光光度法的应用