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-可見分光光度計進行了介紹和展望。
關(guān)鍵詞：紫外-可見吸收光譜法；原理；紫外-可見分光光度計；
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，它反映了分子中價電子躍遷時的能量變化與化合物所含發(fā)色基團之間的關(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-可見吸收光譜會具有不同特征的吸收峰，其吸收峰的波長和強度與分子中價電子的類型有關(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)，有機化合物吸收一定能量的輻射時，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氫化合物只有σ電子，只能發(fā)生σ→σ* 躍遷，其吸收發(fā)生在遠紫外區(qū)，波長小于 210 nm。大氣中的氧在遠紫外區(qū)會有強烈吸收，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。實現(xiàn)π→π*躍遷比實現(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 *躍遷大多是強吸收峰(K帶)。
如果芳香族化合物的紫外吸收光譜中同時出現(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)
化合物分子中同時存在雜原子和雙鍵時，就可發(fā)生 n→π*躍遷。例如－CO、－ NN－、－NO等基團。
2.2 吸收光譜圖
物質(zhì)對光的吸收強度(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，測出不同波長時溶液的吸光度，然后以波長為橫坐標，以吸光度為縱坐標作圖，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，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。
(3) 藍移：吸收帶的zui大吸收峰λ max 向短波方向移動。
(4) 發(fā)色團：發(fā)色團并非有顏色，所指的是分子中產(chǎn)生特征吸收峰的基團。例如羰基、硝基、苯環(huán)等，發(fā)色團對應(yīng)的躍遷類型是π→π*和 n→π*躍遷。
(5) 助色團：使發(fā)色團所產(chǎn)生的吸收峰產(chǎn)生紅移的、帶有雜原子的飽和基團。例如－OH、－NH2、－X等，對應(yīng)的躍遷類型是 n→∗σ躍遷。
(6) 等吸收點：兩個或兩個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)的標準光譜圖進行比較，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)有較強吸收，并且吸光度與化合物的濃度成正比，因而可用來進行定量分析。對于在紫外或可見區(qū)本身無吸收的化合物，可采用適當?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、標準對照法等。
4 紫外-可見分光光度計
分光光度計是杜包斯克(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)計了*臺比色計。到1918年，美國國家
標準局制成了*臺紫外可見分光光度計。此后，紫外可見分光光度計經(jīng)不斷改進，又出現(xiàn)自動記錄、自動打印、數(shù)字顯示、微機控制等各種類型的儀器，使
光度法的靈敏度和準確度也不斷提高，其應(yīng)用范圍也不斷擴大。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，有足夠的光強度，穩(wěn)定。可見光單色器：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。可見光區(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(指示器)：刻度顯示或數(shù)字顯示、自動掃描記錄。
5 紫外-可見分光光度計的發(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、微處理器、計算機和DSP技術(shù)的廣泛應(yīng)用,分光光度計的性能指標不斷提高,并向自動化、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、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步到了自動控制。在顯示、記錄與繪圖方面,早期采用表頭(電位計)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算機屏幕顯示。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，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、價廉，分析操作也比較簡單，而且分析速率較快。在有機化合物的定性、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，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、價廉，分析操作也比較簡單，而且分析速率較快。在有機化合物的定性、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。
