紫外可见光谱分析1.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,紫外可见光谱,(UV-Vis),Ultravoilet,Visible Spectroscopy,紫外光谱,UltraVoilet,Spectroscopy,紫外光谱的产生是由于有机分子在入射光的作用下，发生了价电子的跃迁，使分子中的价电子由基态,E,0,跃迁到激发态,E,1,。,分子的结构不同，跃迁电子的,能级差不同,，从而分子,UV,吸收的,max,不同；另外，发生各种电子,跃迁的机率,也不同，反映在紫外吸收上为,max,不同。,因而可根据,max,和,max,了解一些分子结构的信息。,真空紫外区,波长范围在,200nm,以下的区域。,真空紫外区对普通有机物的结构分析的用处不大。,普通紫外区,波长范围在,200nm,400nm,之间的区域。,普通紫外区对有机物结构分析的用处最大。共轭体系以及芳香族化合物在此区域内有吸收，是紫外光谱讨论的主要对象。,可见光区,波长范围在,400nm,800nm,之间的区域。,可见光区与普通紫外区基本上没有太大的差别，只是光源不同，普通紫外区用氢灯，可见光区用钨丝灯。,(1),紫外光谱图,横坐标,波长,，以,nm,表示。,纵坐标,吸收强度，以,A,（,吸光度）或,（,mol,吸光系数）表示。,当电子发生跃迁时，不可避免地要伴随着分子振、转能级的改变，加之溶剂的作用，一般,UV,谱图不会呈现尖锐的吸收峰，而是一些胖胖的平滑的峰包。在识别谱图时，以峰顶对应的最大吸收波长,max,和最大摩尔吸收系数,max,为准。,有机化合物,UV,吸收的,max,和,max,在不同溶剂中略有差异。因此，有机物的,UV,吸收谱图应标明所使用的溶剂。,(2)UV,基本原理,(,甲,),UV,光谱的产生,(,乙,),UV,术语,(,丙,),UV,吸收带及其特征,(,i,),R,带,来自德文,Radikalartig,(,基团,),(ii),K,带,来自德文,Konjugierte,(,共轭,),B,带,来自德文,Benzienoid,(,苯系,),E,带,来自德文,Ethylenic,(,乙烯型,),UV,基本原理,(1)UV,光谱的产生,根据分子轨道理论，有机分子的分子轨道按能级不同，分为成键、非键和反键轨道；成键轨道或反键轨道又有,键和,键之分。各级轨道能级如图所示：,通常有机分子处于基态，电子填入成键或非键轨道。但有机分子吸收,UV,后，则受激变为激发态，电子进入反键轨道。,可能的电子跃迁有,6,种。但实际上，由跃迁能级差和跃迁选律所决定，几乎所有的,UV,吸收光谱都是由,-,跃迁或,n-,跃迁所产生的，且,n-,跃迁一般都是弱吸收（,100),。,（,1,）,rotation:,r,：,0.005,0.050eV,，,248-25,m,（,2,）,vibration:,v,：,0.05,eV,，,25-1.2,m,（,3,）,electron:,E,e:1,20eV,1200,62 nm,Transmittance T Absorbance A,(2)UV,术语,(a),发色团,(,Chromophore,):,引起电子跃迁的不饱和基团。一般为,带有,电子,的基团,例如,:,由于不同的有机分子所含有的发色团不同，组成它们的分子轨道不同，能级不同，发生价电子跃迁的能量不同，故,max,是,UV,用于结构分析的主要依据。,(b),助色团,(,Auxochrome,),：,本身并无近紫外吸收，但与发色团相连时，常常要影响,max,和,max,的基团。例如：,特点,：助色团一般是带有孤对电子的基团。例如：,(c),红移与蓝移,红移,(red shift):,由取代基或溶剂效应引起的,max,向,长波方向移动,的现象。,蓝移,(blue shift):,由取代基或溶剂效应引起的,max,向,短波方向移动,的现象。,(d),增色效应与减色效应,增色效应,(,hyperchromic,effect):,使最大吸收强度,(,max,),升高的效应。,减色效应,(,hypochromic,effect):,使最大吸收强度,(max),降低的效应。,(3)UV,吸收带及其特征,(,i,),R,带,来自德文,Radikalartig,(,基团,),起源,由,n-,跃迁引起。由带孤对电子的发色团产生。例如：,特点：,max,270nm,，,max,100,；,溶剂极性时，,max,发生蓝移。,R,带举例：,(ii)K,带,来自德文,Konjugierte,(,共轭,),起源,：由,-,跃迁引起。特指共轭体系的,-,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）等，都有,K,带吸收。例如：,特点,：,max 210,270nm,，,max,10000,；,溶剂极性时，,max,不变,(,双烯,),或发生红移,(,烯酮,),。,(iii)B,带和,E,带,起源,：均由苯环的,跃迁引起。是苯环,UV,特征吸收。,特点,：,B,带为宽峰，有精细结构,(,苯的,B,带在,230,270nm),max,偏低：,200,3000 (,苯的,为,215),；,E,1,带特强，,(max,10000),；,E,2,带中等强度，,(2000,max,10000),苯环上引入取代基时，,E,2,红移，但一般不超过,210nm,。,如果,E,2,带红移超过,210nm,，,将衍变为,K,带。,B:,德文,Benzienoid,(,苯系,),E:,德文,Ethylenic,(,乙烯型,),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,：,(3)UV,图谱的解析,UV,与,IR,、,NMR,不同，它不能用来鉴别具体的官能团，而主要是,通过考察孤对电子及,电子的跃迁,来提示分子中是否存在共轭体系。,UV,主要反映共轭体系和芳香族化合物的结构特征。往往两个化合物分子中相同的共轭结构，而分子的其它部分截然不同，却可以得到十分相似的紫外谱图。,例如，,雄甾,-4-,烯,-3-,酮,(a),和,4-,甲基,-3-,戊烯,-2-,酮,(b),的紫外光谱,。,max,：,化合物特性参数，可作为定性依据；,有机化合物紫外吸收光谱：反映结构中生色团和助色团的特性，不完全反映分子特性；,计算吸收峰波长，确定共扼体系等,结构确定的辅助工具；,max,，,max,都相同，可能是一个化合物；,标准谱图库：,46000,种化合物紫外光谱的标准谱图,The,S,adtler,standard spectra,Ultraviolet,1.,定性分析,紫外,-,可见吸收光谱的应用,紫外,-,可见吸收光谱的应用,判断异构体：,紫外吸收光谱的重要应用在于测定共轭分子。共轭体系越大，吸收强度越大，波长红移。,乙酰乙酸乙酯烯醇式结构中有共轭双键，烯醇式结构的摩尔吸光系数要远大于酮式。,酮 式,:,max=272 nm,=16;,烯醇式,:,max=243 nm,=18,000,不同溶剂中乙酰乙酸乙酯的烯醇式的含量（,18,）,溶剂,烯醇式含量,%,溶剂,烯醇式含量,%,水,50%,甲醇,氯仿,乙醇,乙酸乙酯,0.4,0.25,8.2,10.52,12.9,戊醇,苯,乙醚,二硫化碳,己烷,15.33,16.2,27.1,32.4,46.4,当溶剂为水时，体积中几乎不含丙烯醇式。这是因为水分子中的,OH,基团能与酮式中的碳氧双键形成氢键，使其稳定性大大增加，平衡向左移动。在非极性溶剂中，烯醇式因能形成分子内氢键而稳定，相对含量较高。,乙酰乙酸乙酯的紫外吸收光谱,酮式异构体只有两个孤立的碳氧双键，它的,*,跃迁和 跃迁能产生两个,R,吸收带,吸收波长分别为,204nm,和,272 nm,，而烯醇式存在双键与羰基的共轭，,*,跃迁吸收带红移到,243,nm(,=1.810,4,),。,分别用水、乙醇和正己烷作溶剂测定乙酰乙酸乙酯，得到不同的紫外光谱。,乙酰乙酸乙酯在不同溶剂中的紫外吸收光谱。,1,，正己烷；,2,，乙醇；,3,，水,紫外,-,可见吸收光谱的应用,判断共轭状态：,可以判断共轭生色团的所有原子是否共平面等。,如二苯乙烯顺式比反式不易共平面，因此反式结构的最大吸收波长及摩尔吸光系数要大于顺式。,已知化合物的验证：,与标准谱图比对，紫外,-,可见吸收光谱可以作为有机化合物结构测定的一种辅助手段。,*,in Conjugated,alkene,(,共轭烯烃,),共轭双键：丁二烯,*,跃迁的,max,为,217nm,，,max,为,:2.110,4,Lmol,-1,cm,-1,。,共轭烯烃,(,不多于四个双键,),*,跃迁吸收峰可由,伍德沃德,菲泽,规则,(Woodward-,Fieser,rule),估算。,max,=,基,+,n,i,i,有机化合物紫外吸收最大吸收峰的计算,基,-,是由非环或六环共轭二烯母体决定的基准值；,无环、非稠环二烯母体：,max,=217,nm,异环（稠环）二烯母体：,max,=217 nm,同环（非稠环或稠环）二烯母体：,max,=253 nm,n,i,I,:,由双键上取代基种类和个数决定的校正项,(1),每增加一个共轭双键,+30,(2),环外双键,+5,(3),双键上取代基：,乙酰基（,-O-COR,）,0,卤素（,-,Cl,，,-Br,）,+5,-S-R +30,烷基（,-R,）,+5,烷氧基（,-OR,）,+6,-NR,2,+60,溶剂极性改变引起吸收带位移的原因是极性溶剂对,，,n,和,*,轨道的溶剂化作用不同所引起的。由于,，,n,和,*,轨道三者本身的极性不 同，,n,轨道最大，,*,轨道次之，而,轨道最小，因此它们受溶剂的溶剂化作用也不相同。,n,轨道最易受溶剂极性影响，因而在极性溶剂中,n,轨道的能量降低较多，而,*,轨道受溶剂化作用能量降低程度不多，从而两个轨道的能量差增大，相应的吸收峰紫移。同理也可解释,*,跃迁产生的吸收带则发生红移的原因。,为消除 不同溶剂中紫外吸收测量中波长的移动问题，引入了溶剂波长修正值,:,溶剂,水,氯仿,乙醚,环已烷,二氧六环,己烷,甲,(,乙,),醇,波长修正值,+8,-1,-7,-11,-5,-11,0,，,-,不饱和醛酮,*,的最大吸收波长,(Woodward-,Fieser,规则）,(nm),、,-,不饱和,醛酮,母体,(,无环、六元环或更大的环酮）,、,键在五元环内,、,-,不饱和醛,当,X,为,HO,或,RO,时,每增加一个共轭双键,同环二烯化合物,增值（,每增加下面一个基团则最大吸收波长加相应数值,）,环外双键,每个取代烷基,或更高,基数,215,-13,-6,-22,30,39,5,10,12,18,，,-,不饱和醛酮,Woodward-,Fieser,规则）,(nm),-OH,或更高,-,OAc,-OR,（或更高）,-SR ,-NR,2,-,Cl,-Br,35,30,50,6,35,30,17,31,85,95,15,12,25,30,例 题,母体,:217 nm,烷基取代,(45)20 nm,环外双键,(25)10 nm,247 nm,2.,分子不饱和度的计算,:,定义：,不饱和度是指分子结构中达到饱和所缺一价元素的“对”数。如：乙烯变成饱和烷烃需要两个氢原子，不饱和度为,1,。,计算：,若分子中仅含一，二，三，四价元素,(H;O;N;C),，,则可按下式进行不饱和度的计算：,=,（,2+2 n,4,+n3,n,1,）,/2,n,4,，,n,3,，,n,1,分别为分子中四价，三价，一价元素数目。,作用：,分子的不饱和度可以推断分子中含有双键，三键，环，芳环的数目，验证谱图解析的正确性。,=(2+2n,4,+n,3,n,1,)/2,例：,C,4,H,10,=(2+2410)/2=0,例：,C,6,H,10,=(2+2610)/2=2,例：,C,9,H,8,O,2,=(2+298)/2=6,=(2+2,n,4,+n,3,n,1,)/2,3.,解析示例,有一化合物,C,10,H,16,由红外光谱证明有双键和异丙基存在，其紫外光谱,max,=231nm(=9000),，每摩尔此化合物加氢只能吸收,2摩尔,H,2,，,确定其结构。,解：不饱和度,=,3,；,两个双键,(,共轭,),，一个环。,max,=231 nm,，,K,带,3.,解析示例,可能的结构,max,：,232,273 268 268,max,=,非稠环二烯,(a,b)+2,烷基取代,+,环外双键,=217+2,5+5=232,（,231,）,计算,max,structure determination of organic compounds,（1）200,nm,以上无吸收峰。饱和化合物，单烯。,（,2,）,2,1,0-250,nm,有强吸收峰,(,10,4,),，一个共轭体系,(K),带。共轭二烯：,K,带,(,230nm),；,-,不饱和醛酮：,K,带,230 nm,，,R,带,310-330nm,（2）,270-350,nm,有弱吸收峰，,=10-100,，,醛酮,n,*,跃迁，,R,带。,（3）,250-300,nm,有中等强度的吸收峰,(=200-2000),，芳环的特征 吸收,(,具有精细结构的,B,带,),。,可获得的结构信息,2.,定量分析,依据：朗伯,-,比耳,(Lambert-Beer),定律,吸光度：,A,=,l,c,透光率：,lg,T,=,l,c,灵敏度高：,max,：,10,4,10,5,L mol,-1,cm,-1,；,(,比红外大,),测量误差与吸光度读数有关：,读数相对误差最小；朗伯,-,比尔定律的适用性,朗伯,-,比尔定律成立条件是待测物为均一的稀溶液、气体等，无溶质、溶剂及悬浊物引起的散射；入射光为单色平行光。,下列情形下不成立或产生较大偏差：,1,、,在有化学因素影响时不成立。,2,、解离、缔合、生成络合物或溶剂化等产生偏离。,3,、有仪器因素影响时也不成立。,4,、非单色光对比尔定律产生偏离。,5,、杂散光,(,非吸收光,),会对定律产生影响。,6,、其他影响因素包括溶剂、光效应等也应考虑。,有机物定量分析：,单组分定量分析,紫外,-,可见吸收光谱是进行定量分析最广泛使用的、最有效的手段之一。尤其在医院的常规化验中，,95%,的定量分析都用此法。,其用于定量分析的优点是：,可用于无机及有机体系，一般可检测,10,-4,-10,-5,mol/L,的微量组分，通过某些特殊方法,(,如胶束增溶,),可检测,10,-6,-10,-7,mol/L,的组分。,准确度高，一般相对误差,1-3%,，有时可降至百分之一以下。,有机物定量分析：,一、单组分定量分析,分析条件的选择,1,、,溶剂的选择,2,、测定浓度的选择,3,、测定波长的选择,定量分析方法,1,、,标准曲线法,2,、标准加入法,有机物定量分析：,1,、,溶剂的选择,所选择的溶剂应易于溶解样品并不与样品作用，且在测定波长区间内吸收小，不易挥发。,表：常见溶剂可用于测定的最短波长,可用于测定的最短波长,nm),常见溶剂,200,蒸馏水，乙腈，环己烷,220,甲醇，乙醇，异丙醇，醚,250,二氧六环，氯仿，醋酸,270,N,N-,二甲基甲酰胺,(DMF),，乙酸乙酯，四氯化碳,(275),290,苯，甲苯，二甲苯,335,丙酮，甲乙酮，吡啶，二硫化碳,(380),有机物定量分析：,2,、,浓度的选择,吸光度,A=0.4343,时，吸光度测量误差最小。,误差函数曲线分析，将吸光度值控制在,0.2-0.8,之间，光度测量误差较小。因此，浓度的选择是根据吸光度值,(0.2-0.8),而定的。,3,、波长,的选择,一般选择最大吸收波长以获得高的灵敏度及测定精度。但所选择的测定波长下其他组分不应有吸收否则需选择其它吸收峰。,有机物定量分析：,定量分析方法,1,、,标准曲线法,配制不同浓度的标准溶液，由低浓度至高浓度依次测定其吸收光谱，作一定波长下浓度与吸光度的关系曲线，在一定范围内应得到通过原点的直线，即标准曲线。通过标准曲线可求得未知样品的浓度。,芦丁含量测定：取样品,3mg,稀释至,25mL,。,0.710 mg/25mL,样品的吸光度为,A=0.845,，由标准曲线查出此吸光度值相当于芦丁浓度为,0.710 mg/,mL,，所以样品中芦丁的含量为：,回归方程：,A=0.0105+1.162C,=0.9996,有机物定量分析：,定量分析方法,2,、,标准加入法,样品组成比较复杂时，难于制备组成匹配的标样时用标准加入法。,将待测试样分成若干等份，分别加入不同已知量,0,C,1,C,2,C,n,的待测组分配制溶液。由加入待测试样浓度由低至高依次测定上述溶液的吸收光谱，作一定波长下浓度与吸光度的关系曲线，得到一条直线。,若直线通过原点，则样品中不含待测组分；,若不通过原点，将直线在纵轴上的截距延长与横轴相交，交点离开原点的距离为样品中待测组分的浓度。,有机物定量分析：,定量分析方法,2,、,标准加入法,有机物定量分析：,三、,络合物的络合比测定,通过紫外,-,可见吸收光谱的测定，可以求得主客体络合物的结合比。,常用以下几种方法：,1,、,摩尔比法,2,、连续变换法或,Job,法有机物定量分析：,三、,络合物的络合比测定,1,、,摩尔比法,设有络合反应,mM,+,nY,=,MmYn,，固定一个组分,(,如,M),的浓度不变，改变另一组分,(,如,Y),的浓度，求得一系列,Y/M,比，在络合物,MmYn,的最大吸收波长处测定吸光度的变化。则开始时，随,Y/M,的增加，溶液吸光度线性增加，到达络合物的组成比后，继续增加,Y/M,，会有三种不同情况：,吸光度达到饱和，不再增加。说明试剂,Y,无吸收，吸光度的增加只是络合物的单独贡献。如,Fe(III,)-,钛铁试剂络合物。,吸光度出现一转折点后继续增加。说明试剂,Y,在络合物的,max,处稍有吸收。如,Zn-PAN,络合物PAN,：,1-(2-,吡啶基偶氮,)-2-,萘酚。,吸光度出现一转折点后呈直线下降。说明分步生成了摩尔吸光系数小于络合物,e,的高次络合物。如,Bi-,二甲酚橙络合物。,曲线转折点对应的摩尔浓度比,Y/M=,n:m,，即为该络合物的组成比。,有机物定量分析：,三、,络合物的络合比测定,2,、,连续变换法或,Job,法,保持金属离子,M,和络合剂,Y,的总摩尔数不变，连续改变两组分的比例，并逐一测定体系的吸光度,A,。以,A,对摩尔分数,f,Y,=Y/(M+Y),或,f,M,=M/(M+Y),作图，曲线拐点即为络合物的组成比。但此法对,n/m,4,的体系不适用。,紫外可见分光光度计,类型和组成,一、基本组成,光源,单色器,样品室,检测器,显示,1.,光源,对光源的要求：,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。,可见光区：钨灯作为光源，其辐射波长范围在,320,2500nm,。,紫外区：氢、氘灯。发射,185,400 nm,的连续光谱。,1.3,10,3,Pa,低压氢气或氘，低压氘灯,400V,直流电压启动，维持电压,40V,。,强度比氢等大,3-5,倍，寿命长。高压氢灯,2000-6000V,交流电压。,2.,单色器,作用：,将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出一任波长单色光的光学系统。,组成：,入射狭缝：光源的光由此进入单色器；,准光装置：透镜或反射镜使入射光成为平行光束,色散元件：将复合光分解成单色光；棱镜或光栅,聚焦装置：透镜或凹面反射镜，将分光后所得单色光聚焦至出射狭缝；,出射狭缝,。,单色器的作用,入射狭缝用于限制杂散光进入单色器，准直镜将入射光束变为平行光束后进入色散元件,(,反射光栅或棱镜,),。后者将复合光分解成单色光，然后通过物镜将出自色散元件的平行光聚焦于出口狭缝。出射狭缝用于限制通带宽度。,3.,样品室,样品室放置各种类型的吸收池,(,比色皿,),和相应的池架附件。吸收池主要有石英池和玻璃池两种。在紫外区须采用石英池，可见区一般用玻璃池。,利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号，常用的有光电池、光电管或光电倍增管。,4.,检测器,检测器的种类和作用,简易分光光度计上使用光电池或光电管作为检测器。目前最常见的检测器是光电倍增管，有的用二极管阵列作为检测器。,光电倍增管的特点是在紫外,-,可见区的灵敏度高，响应快。但强光照射会引起不可逆损害，因此高能量检测不宜，需避光。,一般单色器都有出口狭缝。经光栅分光后的光是一组以角度分布的,1,2,等的光线通过旋转光栅角度使某一波长的光经物镜聚焦到出口狭缝。二极管阵列检测器不使用出口狭缝,在其位置上放一系列二极管的线形阵列,则分光后不同波长的单色光同时被检测。二极管阵列检测器的特点是响应速度快。但灵敏度不如光电倍增管，因后者具有很高的放大倍数。,检流计提供信号、打印机打出,计算机进行仪器控制、数据采集和结果处理,打印输出或数据保存,5.,结果显示记录系统,分光光度计的类型,紫外,-,可见分光光度计，按其光学系统可分为,单波长与双波长分光光度计,单光束与双光束分光光度计。,单光束仪器和双光束仪器的区别,单光束仪器中，分光后的单色光直接透过吸收池，交互测定待测池和参比池。这种仪器结构简单，适用于测定特定波长的吸收，进行定量。,双光束仪器中，从光源发出的光经分光后再经扇形旋转镜分成两束，交替通过参比池和样品池，测得的是透过样品溶液和参比溶液的光信号强度之比。双光束仪器克服了单光束仪器由于光源不稳引起的误差，并且可以方便地对全波段进行扫描。,双光束紫外分光光度计光路图,分子荧光、磷光和化学发光,荧光、磷光和化学发光分析统称为发光分析,(luminescence),。荧光和磷光是分子吸光成为激发态分子，在返回基态时的发光现象，又称光致发光分析,(photoluminescence),。,发光分析具有如下特点：,灵敏度高。检测限比吸收光谱法低,1-3,个数量级。通常在,ppb,级。,发光参数多，可进行动力学分析。而吸收光谱法只能研究基态分子的反应。,分析线性范围比吸收光谱法宽许多。,选择性比吸收光谱法好。能产生紫外,-,可见吸收的分子不一定发射荧光或磷光。,由于能进行发光分析的体系有限，故应用范围不及吸收光谱法广。但采用探针技术可大大拓宽发光分析的应用范围。,荧光,磷光和化学发光,化学发光只是众多发光类型的一种，发光还包括电致发光,生物发光，光致发光，摩擦发光等等,发光机理各不相同，但都是其它形式的能量转化为光能，化学发光提供化学反应所产生的能量。,荧光、磷光都隶属于光致发光。,荧光是由,第一激发单线态,(,两个电子自旋方向相反,),至基态的辐射跃迁。,磷光是指电子从,第一激发三线态,(,两个电子自旋方向相同,),到基态释放的辐射跃迁,相对而言,荧光用得较多,.,Jablonski,能级图,分子荧光的发生过程,-,三线态和单线态,激发态的多重态是在强度适当的磁场影响下化合物的原子吸收和发射光谱中的,谱线的数目,。,激发态呈现,(2s+1),条谱线。,s,是体系内电子自旋量子数的代数和。自旋量子数可以是,+1/2,或,-1/2,。根据,Pauli,不相容原理，两个电子在同一个轨道里，必须是自旋配对的，也就是一个电子的自旋量子数是,+1/2(,用表示,),，另一个是,-1/2(,用表示,),。在分子轨道里所有电子都是配对的时候，则自旋量子数的代数和等于零。多重态,(2s+1),等于,1,，分子是在,单线态,，用符号,S(singlet,),表示之。,另外一种情况，分子轨道里有的电子不是配对，则自旋量子数的代数和等于,1,，多重态,(2s+1),等于,3,，体系是在,三线态,，用符号,T(triplet,),表示之。,如果把在基态是单线态的分子的一个电子激发到能级比较高的轨道上去，并且被激发的电子仍然保持其自旋方向不变，这时,s,之和仍然等于零，体系处于单线激发态。如果被激发的电子在激发后自旋方向发生了改变，则自旋量子数之和,s,等于,1,，表现状态的多重态,2s+1=3,，体系在三线激发态。,由于吸收同时自旋转变是禁阻的，因而，电子激发首先形成单线态。但是，在吸收之后，单线激发态可以通过两个电子中之一的自旋反转变成三线态。,基态、单线激发态和三线激发态,分子在基态时电子能量最低，单线态基态用,S0,表示。把一个电子从基态的最高占有分子轨道,(HOMO),激发到最低空轨道,(LUMO)吸收最少的能量，形成的激发态时第一激发态。单线第一激发态和三线第一激发态分别用,S1,和,T1,表示。,从,HOMO,把一个电子激发到比,LUMO,能级更高的轨道，产生比,S1,能级更高的激发态以相继形成比,T1,能量更高的激发态。对于这些激发态，依能级提高的顺序，分别用,S2,、,S3,、,S4,和,T2,、,T3,、,T4,表示。,最低激发单线态和最低激发三线态之间的区别是它们之间能级不同。激发单线态电子排斥力比较大，因而激发三线态比相应的激发单线态能级低。,改进的,Jablonski,图解,荧光和磷光的产生,激发态分子从最低激发态,S,1,或,T,1,经辐射回到基态的发光过程可表示如下荧光,荧光，又作“萤光”，是指一种光致发光的冷发光现象。当某种常温物质经某种波长的入射光（通常是紫外线或,X,射线）照射，吸收光能后进入激发态，并且立即退激发并发出比入射光的的波长长的出射光（通常波长在可见光波段）；而且一旦停止入射光，发光现象也随之立即消失。具有这种性质的出射光就被称之为荧光。,磷光,(Phosphorescence),：,不同多重度的状态间辐射跃迁的结果，如,T,1,S,0,；,T,n,S,0,则较少。由于该过程是自旋禁阻的，因此与荧光相比其速度常数要小的多。,激发光谱和发射光谱,大多数分子吸收光能后跃迁至,S,1,的高振动能级或更高能级的,S,2,，,S,3,，经碰撞失去多余能量回到激发态的最低振动能级。,荧光是从第一激发态,S,1,的最低振动能级返回基态,S,0,的各振动能级时的光辐射。因此，吸收光谱的各个谱带间隔与激发态的振动能级能量差对应，荧光的发射谱带间隔与基态的振动能级能量差相等。因此，激发态与基态的振动能级间隔类似时，吸收光谱与荧光光谱呈镜象对称。,固定某一发射波长，测定该波长下的荧光发射强度随激发波长变化的光谱，便得到荧光激发光谱。,固定某一激发波长，测定荧光发射强度随发射波长变化的光谱，得到荧光发射光谱，又称荧光光谱。,荧光光谱的特点：,斯托克斯位移,(stokes shift),：,与激发光谱相比，荧光光谱的波长总是出现在更长的波长处。这是由于荧光总是从最低激发单线态回到基态时所发射的辐射，而激发过程有可能将分子激发到高的振动能级或更高的电子能级上去。振动、热辐射等使分子失去能量。即激发与发射荧光间的能量损失是斯托克斯位移产生的主要原因。其他如溶剂效应、激发态分子的反应也会引起斯托克斯位移。,荧光发射光谱与激发波长无关。,激发光谱与发射波长无关。吸收光谱可以有几个吸收带，而荧光发射总是从,S,1,到,S,0,的过程，一般只有一个发射带，且与激发波长无关。同时发射的量子产率基本上与激发波长无关，故激发光谱与发射波长无关。,发光量子产率,发光量子产率为发光物质发射的光子数与吸收的激发光光子数之比。即：,f=,发射的光子数,/,吸收的光子数,f,在,0.1,至,1,之间有分析价值。,量子产率的实验测定方法可采用参比法。,比较待测发光体和已知量子产率的参比发光体在同样条件下测得的校正荧光,(,或磷光,),光谱的积分发光强度,F,及其在该激发波长下的吸光度,A,，可以求得待测发光体的量子产率,参比可采用,0.05M,硫酸,-,硫酸奎宁,(,fs,=0.55),等。,奎宁,(quinine),分子结构与荧光,分子中必须具有大的共轭,键结构。共轭度越大，发射波长红移，发光强度增加。,一般具有高度共轭稳定性的芳香族化合物有荧光。单个杂环芳烃无荧光，而其与苯环共轭就有荧光。,具有刚性平面性结构的分子荧光量子产率高。如芴的量子效率,(1.0),远大于联苯,(0.2),。,量子效率：发射荧光的激发态分子占总分子数的百分率。,络合剂与金属络合后，刚性增强，荧光也增强。荧光分子在固体基质表面的荧光强度高于溶液中，是由于被基质刚性化了之故。,荧光猝灭,分子间碰撞猝灭 温度升高，分子间碰撞几率增大，导致非辐射失活的外转换增加。因此大多数荧光分子温度升高时荧光强度减弱。溶剂粘度增加同样增大分子间碰撞几率，荧光强度降低。荧光分子的浓度增加到某一定值以上时通常引起荧光强度降低，称为浓度猝灭。主要有基态分子与激发态分子碰撞引起的动态猝灭、基态分子会合引起的静态猝灭等。,重原子猝灭重原子的存在增加了自旋,-,轨道耦合作用，提高了系间窜跃几率，通常导致荧光强度降低，磷光强度增大。,氧猝灭氧分子在基态时为顺磁性，可与激发态分子形成络合物,(encounter complex),，从而增加非辐射失活的几率：,1,A*+,3,O,2,(A+O,2,-,)*,3,A*+,3,O,2,氧猝灭尤其对无取代基的芳香族化合物的荧光影响严重，对有取代基的芳香族化合物、杂环芳烃的荧光影响甚微,。,荧光和磷光分析应用,痕量分析,荧光的激发,I,0,越大，,F,越大，灵敏度越高。通过使用激光光源，荧光定量分析的灵敏度甚至可达,10,-14,mol/L,。,使用激光光源的荧光分析法又称激光诱导荧光。,随着光源强度增加，同时会使溶剂的拉曼散射增加，应注意其与荧光峰的区别，即荧光发射峰不随激发波长而变，拉曼散射峰随激发波长而变化。,使用荧光探针，可以实现本身不发荧光的特定成分分析。根据待测组分的特性，除直接荧光法外，还可以采用荧光猝灭法进行痕量分析。对于多组分试样，可以经色谱分离后进行柱后衍生,-,在线荧光检测，或采用同步荧光等手段进行多组分同时定量。,第四章,：,红外吸收光谱,Infrared Absorption Spectrum,，,IR,（,一）红外吸收光谱分析概述,分子的振动、转动光谱,吸收能量较低，波长范围在红外区的电磁波,分子不产生电子能级的跃迁,只产生分子的振动和转动,原理：,当分子中某个基团的振动频率和红外光的频率一致时，分子就吸收红外光的能量，从原来的基态振动能级跃迁到能量较高的振动能级。物质对红外光的吸收曲线称为红外吸收光谱。,根据试样的红外吸收光谱进行定性、定量分析和确定分子结构等分析的方法，称为红外吸收光谱法。,1.,红外光谱区的分类,红外光谱区在可见光区与微波区之间，其波长范围一般为,700 nm1000m,。,红外光谱区的划分,名 称,/m /cm,-1,能级跃迁类型,近红外区,0.752.5 133334000 O-H,、,N-H,、,C-H,键的倍频吸收,中红外区,2.5,50,4000,2,00,分子中原子的,振动及分子转动,远红外区,501000 20010,分子转动,晶格振动,如果波长以,m,为单位而,1,m,10,-4,cm,，,波长与波数的关系为：,例如,50m,的红外光，用波数表示为：,波数是波长的倒数，常用单位是,cm,-1,，,它表示,1cm,的距离内光波的数目。,即在,1cm,的长度内，波长为,50m,的红外光波的数量为,200,个。,红外光谱产生的条件,分子吸收红外光必须满足如下,两个条件,：,红外光的能量应恰好能满足振动能级跃迁所需要的能量,，,当红外光的频率与分子中某基团的振动频率相同时，红外光的能量才能被吸收。,红外光与物质之间有耦合作用。,分子必须有偶极矩的变化。,只有能够引起偶极矩变化的振动，才能产生共振吸收。像,N,2,，,O,2,，,Cl,2,等对称分子，由于两原子核外电子云的密度相同，正、负电荷中心重合，等于,0,，故振动时没有偶极矩的变化，不吸收红外辐射，不能产生红外吸收光谱。,3.,红外光谱图,T,透过率,振动和转动光谱，谱带。,与,UV,比较，,IR,的特点：,IR,频率范围小、吸收峰数目多、吸收曲线复杂、吸收强度弱。,IR,峰出现的频率位置由振动能级差决定,吸收峰的个数与分子振动自由度的数目有关,吸收峰的强度则主要取决于振动过程中偶极矩变化的大小和能级跃迁的几率,C=O,、,Si,O,、,C,Cl,、,C,F,等基团极性较强，其吸收较强,C,N,，,C,H,等极性较弱的基团，吸收谱带的强度较弱,基频的定义：,振动能级由基态跃迁到第一激发态时产生的吸收峰,称为基频峰,，,相应的频率称为基频。,一般从基态跃迁到第一激发态的几率较大，所以基频吸收的强度也较大。,IR,谱带的强度用,s(strong,，,强,),、,m(middle,，,中等,),、,w(weak,，,弱,),、,vw(very,weak,，,极弱,),表示。,1.,双原子分子的振动,双原子分子可以看成是谐振子，根据胡克定律：,分子的振动形式,例,1,已知,C,H,键,(,看作双原子分子,),的力常数为,K,5N.cm,-1,，求,C,H,键的振动频率。,解：,C,原子和,H,原子的折合质量为：,答：,C,H,键的振动频率为,3030cm,-1,。,代入公式，得：,化学键的力常数,K,与基频吸收波长的换算：,例,2,已知醇分子中化学键,O,H,伸缩振动吸收峰位于,2.77m,，,计算,O,H,键的力常数,K,。,解：,O,H,伸缩根动吸收峰的波数为：,(10,4,/2.77)cm,-1,3610cm,-1,两原子的、折合质量为：,A,(161)/(16+1),0.941,代入公式：,答：,O,H,键的力常数,K,等于,7.21N.cm,-l,。,K7.21N.cm,-1,由于有机化合物的结构不同，化学键连接的两原子折合质量和化学键的力常数各不相同，就会出现不同的吸收频率，因此，不同的化合物各有其特征的红外光谱。,2.,多原子分子的振动,伸缩振动,v,弯曲振动,面内弯曲振动,弯曲振动,面外弯曲振动,分子振动形式与红外吸收,实际观察到的红外吸收峰的数目，往往少于振动形式的数目，减少的原因主要有：,(1),不产生偶极矩变化的振动没有红外吸收，不产生红外吸收峰。,(2),有的振动形式不同，但振动频率相同，吸收峰在红外光谱图中同一位置出现，只观察到一个吸收峰，这种现象称为简并。,(3),吸收峰太弱，仪器不能分辨，或者超过了仪器可以测定的波长范围。,基团频率,-CH,3,基团的化合物，总是在频率,2800cm,-1,3000cm,-1,附近出现吸收峰。,特征频率：,通常把这种能代表某种基团存在，并有较高吸收强度的吸收峰称作特征吸收峰，所对应的频率称为特征频率。,倍频峰：,由基态跃迁至第二、三振动能级所产生的吸收峰，称为倍频峰。,合频峰和差频峰：,合频是两种振动的基频之和，差频则为两者之差。,例如：基频为,v,1,和,v,2,的两个峰，合频峰为,v,1,+v,2,，,差频峰为,v,1,-v,2,。,倍频、合频和差频称统为泛频，,弱蜂,。,泛频峰的存在使光谱变得复杂，但同时也增加了红外光谱对分子结构的特征性。,例如，取代苯的泛频蜂出现在,2000cm,-1,1677cm,-1,，主要是由于苯环的面外弯曲振动的倍频峰等所构成的，特征性很强，可用于鉴别取代基在苯环上的取代位置。,红外光谱特点,1,）红外吸收只有振,-,转跃迁，能量低；,2,）应用范围广：除单原子分子及单核分子外，几乎所有有机物均有红外吸收；,3,）分子结构更为精细的表征：通过,IR,谱的波数位置、波峰数目及强度确定分子基团、分子结构；,4,）定量分析；,5,）固、液、气态样均可用，用量少、不破坏样品；,6,）分析速度快。,7,）与色谱等联用,（,GC-FTIR,）,具有强大的定性功能。,基团频率和特征吸收峰,1.,官能团区和指纹区（中红外区,）,官能团区,4000cm,-1,1500cm,-1,分为三个区域,伸缩振动吸收带,基团的特征吸收峰,XH,4000cm,-1,2500cm,-1,O，N，C,叁键和累积双键区,2500cm,-1,2000cm,-1,C=O、C=C、