南京寧博淺談紫外-可見吸收光譜法及其應(yīng)用
摘要：本文主要介紹了紫外-可見吸收光譜的原理及應(yīng)用，并對紫外-可見分光光度計(jì)進(jìn)行了介紹和展望。
關(guān)鍵詞：紫外-可見吸收光譜法；原理；紫外-可見分光光度計(jì)；
引言
分子的紫外-可見吸收光譜法是基于分子內(nèi)電子躍遷產(chǎn)生的吸收光譜進(jìn)行分析的一種常用的光譜分析法。分子在紫外-可見區(qū)的吸收與其電子結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。紫外光譜的研究對象大多是具有共軛雙鍵結(jié)構(gòu)的分子。
紫外-可見光區(qū)一般用波長(nm)表示。其研究對象大多在 200 nm—380 nm 的近紫外光區(qū)和 380 nm—780 nm 的可見光區(qū)有吸收。紫外-可見吸收測定的靈敏度取決于產(chǎn)生光吸收分子的摩爾吸光系數(shù)。該法儀器設(shè)備簡單，應(yīng)用十分廣泛。如醫(yī)院的常規(guī)化驗(yàn)中，95%的定量分析都用紫外-可見分光光度法。在化學(xué)研究中，如平衡常數(shù)的測定、求算主-客體結(jié)合常數(shù)等都離不開紫外-可見吸收光譜。
2. 原理
紫外-可見吸收光譜是分子內(nèi)電子躍遷的結(jié)果，它反映了分子中價(jià)電子躍遷時(shí)的能量變化與化合物所含發(fā)色基團(tuán)之間的關(guān)系。不同的化合物由于分子結(jié)構(gòu)不同，電子躍遷的類型就不同，所以紫外-可見吸收光譜會(huì)具有不同特征的吸收峰，其吸收峰的波長和強(qiáng)度與分子中價(jià)電子的類型有關(guān)。
2.1 分子中電子躍遷和吸收譜帶的類型
在紫外-可見區(qū)域內(nèi)，有機(jī)化合物吸收一定能量的輻射時(shí)，引起的電子躍遷主要有σ→σ*、n→σ*、π→π*、n→π*這 4 種類型。σ、π分別表示σ、π鍵電子，n 表示未成鍵的孤對電子，* 表示反鍵狀態(tài)。價(jià)電子在吸收一定的能量后，將躍遷至分子中能量較高的反鍵軌道，各種電子躍遷所需能量大小為：σ→σ*> n→σ*>π→π*> n→π。
2.1.1σ→σ* 躍遷
由單鍵構(gòu)成的化合物如飽和碳?xì)浠衔镏挥?sigma;電子，只能發(fā)生σ→σ* 躍遷，其吸收發(fā)生在遠(yuǎn)紫外區(qū)，波長小于 210 nm。大氣中的氧在遠(yuǎn)紫外區(qū)會(huì)有強(qiáng)烈吸收，所以飽和烴必須在真空條件下操作，才能測得它們的吸收光譜，因此，遠(yuǎn)紫外又稱真空紫外。
2.1.2．n→σ* 躍遷
含有雜原子的飽和化合物都可能發(fā)生n→σ* 躍遷。n→σ* 躍遷比σ→σ*躍遷所引起的吸收峰波長略長，大多是接近或在近紫外區(qū)。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*躍遷產(chǎn)生的吸收峰多為弱吸收峰，它們的摩爾吸光系數(shù)(ε max)一般在 100～300 范圍內(nèi)，因而在紫外區(qū)有時(shí)不易觀察到。
2.1.3π→π躍遷(K帶)
含共軛雙鍵的分子均可發(fā)生π→π*躍遷。實(shí)現(xiàn)π→π*躍遷比實(shí)現(xiàn)σ→σ*躍遷所需的能量小，其吸收峰大多出現(xiàn)在 200 nm 附近。發(fā)生在共軛非封閉體系中的π→π *躍遷大多是強(qiáng)吸收峰(K帶)。
如果芳香族化合物的紫外吸收光譜中同時(shí)出現(xiàn) K帶、B 帶和 R 帶，則R 帶波長zui長，B帶次之，K帶zui短，但吸收強(qiáng)度的順序正好相反。
2.1.4 n→π*躍遷(R帶)
化合物分子中同時(shí)存在雜原子和雙鍵時(shí)，就可發(fā)生 n→π*躍遷。例如－CO、－ NN－、－NO等基團(tuán)。
2.2 吸收光譜圖
物質(zhì)對光的吸收強(qiáng)度(吸光度)隨波長變化的關(guān)系曲線稱為吸收光譜曲線或吸收光譜。吸收光譜描述了該化合物對不同波長光的吸收能力，因此，不同結(jié)構(gòu)的化合物應(yīng)具有不同的吸收光譜(不同的吸收波長和吸光度)。
以不同波長的光透過某一濃度的被測樣品溶液，測出不同波長時(shí)溶液的吸光度，然后以波長為橫坐標(biāo)，以吸光度為縱坐標(biāo)作圖，即可得到被測樣品的吸收光譜。
2.3 紫外-可見分析常用術(shù)語
(1) 摩爾吸光系數(shù)ε：表示純物質(zhì)的濃度 1 mol·L-1、液層厚度為 1 cm時(shí)，在一定波長下溶液的吸光度。
(2) 紅移：吸收帶的zui大吸收峰λ max 向長波方向移動(dòng)。
(3) 藍(lán)移：吸收帶的zui大吸收峰λ max 向短波方向移動(dòng)。
(4) 發(fā)色團(tuán)：發(fā)色團(tuán)并非有顏色，所指的是分子中產(chǎn)生特征吸收峰的基團(tuán)。例如羰基、硝基、苯環(huán)等，發(fā)色團(tuán)對應(yīng)的躍遷類型是π→π*和 n→π*躍遷。
(5) 助色團(tuán)：使發(fā)色團(tuán)所產(chǎn)生的吸收峰產(chǎn)生紅移的、帶有雜原子的飽和基團(tuán)。例如－OH、－NH2、－X等，對應(yīng)的躍遷類型是 n→∗σ躍遷。
(6) 等吸收點(diǎn)：兩個(gè)或兩個(gè)以上化合物吸光度相同的波長。
3 紫外-可見吸收光譜法的應(yīng)用
3.1定性分析
紫外吸收光譜在化合物定性鑒定方面的應(yīng)用主要有以下幾方面。
(1) 把樣品光譜圖與被測物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)光譜圖進(jìn)行比較，判別是否為同一化合物。
(2) 確定混合物中某一特定的組分是否存在或鑒定一個(gè)純樣品中是否含有其他雜質(zhì)。
(3) 推斷化合物的骨架結(jié)構(gòu)。
(4) 判別順反異構(gòu)體、互變異構(gòu)體.。
3.2定量分析
與定性鑒定相比，紫外光譜法在定量分析領(lǐng)域有著更為重要和廣泛的用途，其定量分析的依據(jù)是朗伯-比爾定律。含芳環(huán)的化合物以及帶有共軛雙鍵的化合物在紫外可見區(qū)有較強(qiáng)吸收，并且吸光度與化合物的濃度成正比，因而可用來進(jìn)行定量分析。對于在紫外或可見區(qū)本身無吸收的化合物，可采用適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng)，使其轉(zhuǎn)化為在紫外或可見區(qū)有吸收的化合物進(jìn)行測定。紫外光譜分析對純樣品或含有其他不影響被測物分析的成分都有效，常用的分析測定方法有工作曲線法、標(biāo)準(zhǔn)對照法等。
4 紫外-可見分光光度計(jì)
分光光度計(jì)是杜包斯克(Duboscq)和奈斯勒(Nessler)等人在1854年將朗伯比爾定律應(yīng)用于定量分析化學(xué)領(lǐng)域，并且設(shè)計(jì)了*臺比色計(jì)。到1918年，美國國家
標(biāo)準(zhǔn)局制成了*臺紫外可見分光光度計(jì)。此后，紫外可見分光光度計(jì)經(jīng)不斷改進(jìn)，又出現(xiàn)自動(dòng)記錄、自動(dòng)打印、數(shù)字顯示、微機(jī)控制等各種類型的儀器，使
光度法的靈敏度和準(zhǔn)確度也不斷提高，其應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大。紫外可見分光光度法從問世以來，在應(yīng)用方面有了很大的發(fā)展，尤其是在相關(guān)學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)
上，促使分光光度計(jì)儀器的不斷創(chuàng)新，功能更加齊全，使得光度法的應(yīng)用更拓寬了范圍[11-13]。
4.1 主要部件的性能與作用
一般地，紫外可見分光光度計(jì)主要由光源系統(tǒng)、單色器系統(tǒng)、樣品室、檢測系統(tǒng)組成。
分光光度計(jì)的主要部件。
光源：發(fā)出所需波長范圍內(nèi)的連續(xù)光譜，有足夠的光強(qiáng)度，穩(wěn)定?？梢姽?/span>單色器：將光源發(fā)出的連續(xù)光譜分解為單色光的裝置。
棱鏡：依據(jù)不同波長光通過棱鏡時(shí)折射率不同。
光柵：在鍍鋁的玻璃表面刻有數(shù)量很大的等寬度等間距條痕(600、1200、2400條/mm)。利用光通過光柵時(shí)發(fā)生衍射和干涉現(xiàn)象而分光。
吸收池：用于盛待測及參比溶液?？梢姽鈪^(qū)：光學(xué)玻璃池；紫外區(qū)：石英池。
檢測器：利用光電效應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)換成電流訊號。
光電池，光電管，光電倍增管。檢流計(jì)(指示器)：刻度顯示或數(shù)字顯示、自動(dòng)掃描記錄。
5 紫外-可見分光光度計(jì)的發(fā)展
分光光度法在分析領(lǐng)域中的應(yīng)用已經(jīng)有數(shù)十年的歷史,至今仍是應(yīng)用zui廣泛的分析方法之一。隨著分光元器件及分光技術(shù)、檢測器件與檢測技術(shù)、大規(guī)模集成制造技術(shù)等的發(fā)展,以及單片機(jī)、微處理器、計(jì)算機(jī)和DSP技術(shù)的廣泛應(yīng)用,分光光度計(jì)的性能指標(biāo)不斷提高,并向自動(dòng)化、智能化、高速化和小型化等方向發(fā)展。
在分光元器件方面,經(jīng)歷了棱鏡、機(jī)刻光柵和全息光柵的過程,商品化的全息閃耀光柵已迅速取代一般刻劃光柵。在儀器控制方面,隨著單片機(jī)、微處理器的出以及軟硬件技術(shù)的結(jié)合,從早期的人工控制進(jìn)步到了自動(dòng)控制。在顯示、記錄與繪圖方面,早期采用表頭(電位計(jì))指示、繪圖儀繪圖,后來用數(shù)字電壓表數(shù)字顯示,如今更多地采用液晶屏幕或計(jì)算機(jī)屏幕顯示。陣列型檢測器和凹面光柵的聯(lián)合應(yīng)用,使儀器的測量速度發(fā)生了質(zhì)的飛躍,且性能更加穩(wěn)定可靠,受到儀器用戶的青睞,有代表性的當(dāng)數(shù)安捷倫的HP8452/8453[17]。
6 結(jié)論
紫外－可見吸收光譜法歷史較久遠(yuǎn)，應(yīng)用十分廣泛，與其它各種儀器分析方法相比，紫外－可見吸收光譜法所用的儀器簡單、價(jià)廉，分析操作也比較簡單，而且分析速率較快。在有機(jī)化合物的定性、結(jié)構(gòu)分析、定量分析方面有著廣泛的應(yīng)用。
紫外－可見吸收光譜法歷史較久遠(yuǎn)，應(yīng)用十分廣泛，與其它各種儀器分析方法相比，紫外－可見吸收光譜法所用的儀器簡單、價(jià)廉，分析操作也比較簡單，而且分析速率較快。在有機(jī)化合物的定性、定量分析方面，例如化合物的鑒定、結(jié)構(gòu)分析和純度檢查以及在藥物、天然產(chǎn)物化學(xué)中應(yīng)用較多。
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