最新第六章紫外光谱和荧光光谱.课件PPT.ppt 69页

'第六章紫外光谱和荧光光谱. 6.1紫外光谱的基本原理13.6nm200nm380nm780nm远紫外区（真空紫外区）近紫外区可见光区紫外吸收光谱(UV)是由于分子中价电子的跃迁而产生的。分子中价电子经紫外或可见光照射时，电子从低能级跃迁到高能级，此时电子就吸收了相应波长的光，这样产生的吸收光谱叫紫外光谱（吸收光谱）.通常说的紫外光谱的波长范围是200-380nm,常用的紫外光谱仪的测试范围可扩展到可见光区域,包括400-780nm的波长区域.低于200nm的吸收光谱属真空紫外光谱 当紫外光照射分子时，分子吸收光子能量后受激发而从一个能级跃迁到另一个能级，由于分子的能量是量子化的，所以只能吸收等于分子内两个能级差的光子。△E=E2-E1=hγ=hc/λE2,E1-始态和终态的能量h-普朗克常数γ-频率c-光速λ-波长 (2)n→σ*含O,N,S和卤素等杂原子的饱和烃衍生物可发生此类跃迁,所需能量也较大,吸收波长为150-250nm的光子.C-OH和C-Cl等基团的吸收在真空紫外区域内.C-Br,C-I和C-NH2等基团的吸收在紫外区域内，其吸收峰的吸收系数ε较低，一般ε＜300. (3)π→π*不饱和烃,共轭烯烃和芳香烃类可发生此类跃迁,吸收波长大多在紫外区(其中孤立双键的λmax小于200nm),吸收峰的吸收系数ε很高.(4)n→π*在分子中含有孤对电子的原子和π键同时存在时,会发生n→π*跃迁,所需能量小,吸收波长＞200nm,但吸收系数ε很小，一般为10-100.不同分子结构具有不同电子跃迁方式,有的基团可有几种跃迁方式。在紫外光谱中主要研究的跃迁是在紫外区域有吸收的π→π*和n→π*两种。 除上述4种电子跃迁方式外，在紫外和可见光区还有两种较持殊的跃迁方式，即众d-d跃迁和电荷转移跃迁.(5)d-d跃迁在过渡金属络合物溶液中容易产生这种跃迁,其吸收波长一般在可见光区域,有机物和高分子的过渡金属络合物都会发生这种跃迁。 (6)电荷转移跃迁电荷转移可以是离子间,离子与分子间,以及分子内的转移,条件是同时具备电子给体(donor)和电子受体(acceptor).电荷转移吸收谱带的强度大,吸收系数一般大于10,000.这种跃迁在聚合物的研究中相当重要。 吸收带:R吸收带:化合物中n→π＊跃迁产生的吸收带,一般λmax在270nm以上,跃迁几率小,强度弱（ε<100）.K吸收带:由共轭体系中π→π＊跃迁产生的吸收带,其波长比R带短,一般跃迁几率大,吸收峰强度大(ε>104).K带是共轭分子的特征，随共轭体系增长,K带向长波方向移动(红移).B吸收带:苯环本身振动及闭合环状共轭双键π→π＊跃迁产生的,是芳香族的主要结构,特点是在230-270nm呈现宽峰,且具有精细结构,吸收弱（ε在200左右）,在极性溶剂中精细结构消失.E吸收带:也是芳香族化合物的特征吸收,可以认为是苯环内三个乙烯基共轭发生的π→π＊跃迁所发生的.分为E1和E2二个,E1大约在180nm处,E2大约在200nm处,都是强吸收.当苯环上有发色基团且与苯环共轭时,E2带常与K带合并,吸收峰红移. 6.1.4紫外光谱表示法1.紫外吸收带的强度吸收强度标志着相应电子能级跃迁的几率，遵从Lamder-Beer定律A:吸光度,:消光系数,c:溶液的摩尔浓度，l:样品池长度I0、I分别为入射光、透射光的强度A=㏒（I0/I）=cl 横坐标表示吸收光的波长,用nm为单位。纵坐标表示吸收光的吸收强度，可以用A(吸光度),T(透射比或透光率或透过率),1-T(吸收率)、ε(吸收系数)中的任何一个来表示。紫外光谱可以图表示：2.紫外光谱的表示法 对甲苯乙酮的紫外光谱图以数据表示法:以谱带的最大吸收波长λmax和εmax（㏒εmax）值表示。如：CH3Iλmax258nm（ε387） 吸收曲线的特点：1.同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长λmax2.同一种物质不同浓度的吸收曲线形状相似，λmax不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和λmax则不同。3.吸收曲线可以提供物质的结构信息，并作为物质定性分析的依据之一。 4.不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度A有差异，在λmax处吸光度A的差异最大。此特性可作作为物质定量分析的依据。5.在λmax处吸光度随浓度变化的幅度最大，所以测定最灵敏。吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。 3.UV常用术语生色基：能在某一段光波内产生吸收的基团，称为这一段波长的生色团或生色基。（C=C、C≡C、C=O、COOH、COOR、COR、CONH2、NO2、－N=N－）助色基：当具有非键电子的原子或基团连在双键或共轭体系上时，会形成非键电子与电子的共轭(p-共轭)，从而使电子的活动范围增大，吸收向长波方向位移，颜色加深，这种效应称为助色效应。能产生助色效应的原子或原子团称为助色基。（－OH、－Cl） 红移现象：由于取代基或溶剂的影响使最大吸收峰向长波方向移动的现象称为红移现象。蓝移现象：由于取代基或溶剂的影响使最大吸收峰向短波方向移动的现象称为蓝移现象。增色效应：使值增加的效应称为增色效应。减色效应：使值减少的效应称为减色效应。末端吸收：在仪器极限处测出的吸收。肩峰：吸收曲线在下降或上升处有停顿，或吸收稍微增加或降低的峰，是由于主峰内隐藏有其它峰。 非极性极性n△n△p△n<△p非极性极性△n△p△n>△pn→*跃迁：兰移；→*跃迁：红移；max(正己烷)max(氯仿)max(甲醇)max(水)230238237243n329315309305溶剂的影响 相关解释：由于n，*，的极性是逐渐减小的，它们受溶剂化作用不同，轨道极性越大，受溶剂影响越大，极易与溶剂形成氢键，轨道能量下降最多。对于→*跃迁，由于*比轨道能量下降的更多，因而极性溶剂中下降的能量△p小于非极性溶剂中所需的能量△n，从而使吸收峰红移。对n→*，n轨道受溶剂影响比*大，因而n轨道的能量比*下降的多，所以，此时n→*跃迁在极性溶剂中所需的能量△p大于在非极性溶剂中跃迁所需能量△n。 1：乙醚2：水12250300苯酰丙酮极性溶剂使精细结构消失；非极性→极性n→*跃迁：兰移；；→*跃迁：红移；； 极性溶剂中，分子的振动和转动因溶剂化作用而受到限制，精细结构消失，选择溶剂应考虑：1溶剂应很好的溶解试样，溶剂对溶质要是惰性的；2在溶解度范围内尽量选择极性小的溶剂；3溶剂在样品的吸收光谱区应无明显吸收。 6.2仪器简介 光源单色器样品室检测器显示器1.光源(提供能量激发被测物质分子,使之产生电子光谱)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180～400nm的连续光谱。 2.单色器将光源发射的复合光分解成波段较窄的单色光的光学系统。①入射狭缝：光源的光由此进入单色器,限制杂散光进入单色器内；②准光装置：透镜或返射镜使入射光成为平行光束；③色散元件：将复合光分解成单色光；棱镜或光栅；④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；⑤出射狭缝。 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。4.检测器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。5.结果显示记录系统检流计、数字显示、微机进行仪器自动控制和结果处理 6.3非共轭有机化合物的紫外吸收6.3.1饱和化合物含饱和杂原子的化合物：σ*、n*，吸收弱只有部分有机化合物（如C-Br、C-I、C-NH2）的n*跃迁有紫外吸收。饱和烷烃：σ*，能级差很大，紫外吸收的波长很短，属远紫外范围。例如：甲烷125nm，乙烷135nm 同一碳原子上杂原子数目愈多，λmax愈向长波移动。例如：CH3Cl173nm，CH2Cl2220nm，CHCl3237nm，CCl4257nm小结：一般的饱和有机化合物在近紫外区无吸收，不能将紫外吸收用于鉴定;反之,它们在近紫外区对紫外线是透明的,所以可用作紫外测定的良好溶剂。 6.3.2烯、炔及其衍生物非共轭*跃迁，λmax位于190nm以下的远紫外区。例如：乙烯165nm（ε15000），乙炔173nmC＝C与杂原子O、N、S、Cl相连，由于杂原子的助色效应，λmax红移。 6.3.3含杂原子的双键化合物1.含不饱和杂原子基团的紫外吸收σ*、n*、ππ*属于远紫外吸收nπ*跃迁为禁戒跃迁，弱吸收带－－R带2.取代基对羰基化合物的影响当醛、酮被羟基、胺基等取代变成酸、酯、酰胺时，由于共轭效应和诱导效应影响羰基，λmax蓝移。3.硫羰基化合物R2C=S较R2C=O同系物中nπ*跃迁λmax红移。 6.4共轭有机化合物的紫外吸收6.4.1共轭烯烃及其衍生物共轭烯烃的ππ*跃迁均为强吸收带，≥10000，称为K带。共轭体系越长，其最大吸收越移往长波方向，且出现多条谱带。 Woodward-Fieser规则：取代基对共轭双烯λmax的影响具有加和性。max=基+niI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=217nm异环（稠环）二烯母体：max=214nm同环（非稠环或稠环）二烯母体：max=253nmni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：酰基（-OCOR）0卤素（-Cl，-Br）+5烷基（-R）+5烷氧基（-OR）+6 应用范围：非环共轭双烯、环共轭双烯、多烯、共轭烯酮、多烯酮注意:①选择较长共轭体系作为母体；②交叉共轭体系只能选取一个共轭键，分叉上的双键不算延长双键；③某环烷基位置为两个双键所共有，应计算两次。 计算举例： 6.4.2α，β－不饱和醛、酮K带红移：165250nmR带红移:290310nm 非极性溶剂中测试值与计算值比较，需加上溶剂校正值，计算举例： 6.4.3α，β－不饱和酸、酯、酰胺α，β－不饱和酸、酯、酰胺λmax较相应α，β－不饱和醛、酮蓝移。α，β不饱和酰胺、α，β不饱和腈的λmax值低于相应的酸 6.5芳香族化合物的紫外吸收6.5.1苯及其衍生物的紫外吸收1.苯苯环显示三个吸收带,都是起源于ππ*跃迁.max=184nm(=60000）E1带max=204nm(=7900）E2带max=255nm(=250）B带 2.单取代苯烷基取代苯：烷基无孤电子对，对苯环电子结构产生很小的影响。由于有超共轭效应，一般导致B带、E2带红移。助色团取代苯：助色团含有孤电子对，它能与苯环π电子共轭。使B带、E带均移向长波方向。不同助色团的红移顺序为：N（CH3)2﹥NHCOCH3﹥O－，SH﹥NH2﹥OCH3﹥OH﹥Br﹥Cl﹥CH3﹥NH3+ 生色团取代的苯：含有π键的生色团与苯环相连时，产生更大的ππ*共轭体系，使B带E带产生较大的红移。不同生色团的红移顺序为：NO2>Ph>CHO>COCH3>COOH>COO－>CN>SO2NH2(>NH3+)应用实例：酚酞指示剂 3.双取代苯对位取代两个取代基属于同类型时，λmax红移值近似为两者单取代时的最长波长。两个取代基类型不同时，λmax的红移值远大于两者单取代时的红移值之和。（共轭效应）2）邻位或间位取代两个基团产生的λmax的红移值近似等于它们单取代时产生的红移值之和。 max（nm）max苯254200甲苯261300间二甲苯2633001,3,5-三甲苯266305六甲苯272300苯：E1带180184nm；=47000E2带200204nm=7000苯环上三个共扼双键的→*跃迁特征吸收带；B带230-270nm=200→*与苯环振动引起；含取代基时，B带简化，红移 4.稠环芳烃稠环芳烃较苯形成更大的共轭体系，紫外吸收比苯更移向长波方向，吸收强度增大，精细结构更加明显。6.5.2杂芳环化合物五员杂芳环按照呋喃、吡咯、噻吩的顺序增强芳香性，其紫外吸收也按此顺序逐渐接近苯的吸收。呋喃204nm（ε6500）吡咯211nm（ε15000）噻吩231nm（ε7400） 6.6空间结构对紫外光谱的影响6.6.1空间位阻的影响直立键λmax﹥平伏键λmax 6.6.2顺反异构双键或环上取代基在空间排列不同而形成的异构体。反式λmax﹥顺式λmax 6.6.3跨环效应指非共轭基团之间的相互作用。使共轭范围有所扩大，λmax发生红移。 2.7.1.紫外谱图提供的结构信息（1）化合物在220-800nm内无紫外吸收，说明该化合物是脂肪烃、脂环烃或它们的简单衍生物（氯化物、醇、醚、羧酸等），甚至可能是非共轭的烯。（2）220-250nm内显示强的吸收（近10000或更大），这表明K带的存在，即存在共轭的两个不饱和键（共轭二烯或、不饱和醛、酮）（3）250-290nm内显示中等强度吸收，且常显示不同程度的精细结构，说明苯环或某些杂芳环的存在。2.7紫外光谱的解析及应用 （4）250-350nm内显示中、低强度的吸收，说明羰基或共轭羰基的存在。（5）300nm以上的高强度的吸收，说明该化合物具有较大的的共轭体系。若高强度吸收具有明显的精细结构，说明稠环芳烃、稠环杂芳烃或其衍生物的存在。2.7.2与标准谱图比较 2.7.3应用1.推断官能团如果一个化合物在紫外区有强的吸收，表明它可能存在共轭体系，吸收波长越长，共轭体系越大。2.判断异构体不同的异构体可能具有不同的紫外光谱，以此来判断属哪个异构体。3.推断分子结构(可结合Woodward规则的计算结果) 4、分子量的测定5、定量分析的应用－－反应速度的测定朗伯-比尔定律6、医药研究抗癌药物对DNA变性影响的研究人血清与癌细胞关系的研究 6.8荧光光谱由分子结构理论，讨论荧光的产生机理。1.分子能级与跃迁分子能级比原子能级复杂；在每个电子能级上，都存在振动、转动能级；基态(S0)→激发态(S1、S2、激发态振动能级)：吸收特定频率的辐射；量子化；跃迁一次到位；激发态→基态：多种途径和方式(见能级图)；速度最快、激发态寿命最短的途径占优势；第一、第二、…电子激发单重态S1、S2…；第一、第二、…电子激发三重态T1、T2…； 电子激发态的多重度：M=2S+1S为电子自旋量子数的代数和(电子成对S=0，电子自旋相反M=1,单重态；S=1，电子自旋平行；M=3三重态)平行自旋比成对自旋稳定(洪特规则)，三重态能级比相应单重态能级低；大多数有机分子的基态处于单重态;根据光谱选律，S0→T1禁阻跃迁；2.电子激发态的多重度 3.激发态→基态的能量传递途径电子处于激发态是不稳定状态，返回基态时，通过辐射跃迁(发光)和无辐射跃迁等方式失去能量；传递途径辐射跃迁荧光延迟荧光磷光内转移外转移系间跨越振动弛豫无辐射跃迁激发态停留时间短、返回速度快的途径，发生的几率大，发光强度相对大；荧光：10-7～10-9s,第一激发单重态的最低振动能级→基态；磷光：10-4～10s；第一激发三重态的最低振动能级→基态； 分子产生荧光必须具备的条件（1）具有合适的结构（具有大π键结构，供电子取代基的刚性平面结构）；（2）具有一定的荧光量子产率（）----发射荧光的分子数与总的激发态分子数之比。荧光量子效率与激发态能量释放各过程的速率常数有关，如外转换过程速度快，不出现荧光发射； 6.8.2仪器简介测量荧光的仪器主要由四个部分组成：激发光源（氙灯）、样品池、单色器系统（两个）、检测器。特点:光源、液槽和检测器不在一条直线上。 6.8.3结构因素对分子荧光的影响（1）跃迁类型：*→的荧光效率高，系间跨越过程的速率常数小，有利于荧光的产生；（2）共轭效应：提高共轭度有利于增加荧光效率并产生红移（3）刚性平面结构：可降低分子振动，减少与溶剂的相互作用，故具有很强的荧光。如荧光素和酚酞有相似结构，荧光素有很强的荧光，酚酞却没有。（4）取代基效应：芳环上有供电基，使荧光增强。 6.8.4环境因素对分子荧光的影响影响荧光强度的外部因素1.溶剂的影响除一般溶剂效应外（溶剂介电常数和折射率等因素的影响），溶剂的极性、氢键、配位键的形成都将使化合物的荧光发生变化；一般地，增大溶剂极性，荧光波长红移。2.温度的影响荧光强度对温度变化敏感，温度增加，外转换去活的几率增加，强度减弱。3.溶液pH对酸碱化合物，溶液pH的影响较大，需要严格控制； 荧光分析方法与应用特点（1）灵敏度高比紫外-可见分光光度法高2～4个数量级；检测下限：0.1～0.001g/cm-3（2）选择性强既可依据特征发射光谱，又可根据特征吸收光谱；可检测60多种元素。（3）试样量少缺点：应用范围小。 定量依据荧光强度If正比于吸收的光强度Ia和荧光量子效率：If=Ia由朗伯-比耳定律：Ia=I0(1-10-lc)If=I0(1-10-lc)=I0(1-e-2.3lc)浓度很低时，将括号项近似处理后：If=2.3I0lc=Kc该式表明：浓度很低时（高浓度时，由于自催淬灭和自吸的影响，不成线性关系），荧光强度与物质的浓度成正比（定量分析的依据）。 渗透探伤工艺规程编写的基本要求1、同族组要求：渗透液、乳化剂、溶剂去除剂、显象剂等渗透探伤剂必须同族组。2、工艺限制要求：水洗型渗透探伤剂体系不推荐使用干粉显像剂和水溶性显像剂，水洗型渗透探伤剂体系应采用非水湿（溶剂悬浮）显像剂。自显像工艺应经过批准，使用专用的自显像渗透液；黑光幅照度应不低于3000μw/cm2。关键重要零件不推荐使用着色渗透探伤剂体系。涡轮发动机关键零件的维修及检修仅允许采用：亲水后乳化型荧光渗透探伤剂体系，且检验灵敏度应为高级及超高级。允许使用高灵敏度等级的渗透液代替较低等级的渗透液；反之，不行。 3、检测灵敏度、分辨力的要求：①首先必须在满足检测灵敏度、分辨力；②然后应同时考虑零件的受检状况（批量、表面粗糙度、几何形状）；光滑表面－后乳化型，粗糙表面－水洗型，大工件局部－溶剂去除型③检验场所状态（水源、气源、电源）；④经济性要求等。关于检测灵敏度、分辨力的比较：在各类渗透探伤剂体系中，从渗透剂考虑，荧光渗透探伤剂体系灵敏度高于着色渗透探伤剂体系灵敏度；后乳化型荧光渗透探伤剂体系灵敏度最高。在各类渗透探伤剂体系中，从湿式显像剂考虑，溶剂悬浮湿式显像剂的显像灵敏度较高，水悬浮显像剂次之，水溶性最低。干式显像剂的显像分辨力较高。4、荧光渗透探伤剂体系选用举例：①浅缺陷、宽而浅的缺陷；深度10微米以下细微缺，可选如下体系：后乳化型荧光渗透液＋水基湿式、非水基湿式显象剂；后乳化型荧光渗透液＋干式显象剂（注：缺陷长度几毫米以上）。 ②缺陷靠近或集聚，需要观察缺陷表面形貌，可选用如下体系：水洗型荧光渗透液＋干式显象剂。后乳化型荧光渗透液＋干式显象剂。③连续探伤小批量零件，可选用如下体系：水洗型荧光渗透液＋非水基湿式显象剂、干式显象剂。后乳化型荧光渗透液＋湿式、干式显象剂。④磨削、抛光加工面，可选用如下体系：后乳化型荧光渗透液＋湿式、干式显象剂。5、着色渗透探伤剂体系选用举例：①检验场所无暗室，可选用如下体系：水洗型着色渗透液＋非水基湿式显象剂。溶剂去除型着色渗透液＋水基湿式、非水基湿式显象剂。②检验场所无水源、电源，可选用如下体系：溶剂去除型着色渗透液＋非水基湿式显象剂。③高空作业，可选用如下体系：溶剂去除型着色渗透液＋非水基湿式显象剂。 6、可水洗型渗透探伤剂体系选用举例：①螺钉及键槽等类似零件，可选用如下体系：水洗性渗透液＋非水基湿式显象剂；水洗性荧光渗透液＋干式显象剂。②表面粗糙的铸锻件，可选用如下体系：水洗性渗透液＋非水基湿式显象剂；水洗性荧光渗透液＋干式显象剂。③车削、刨削加工面，可选用如下体系：水洗性渗透液＋非水基湿式显象剂；水洗性荧光渗透液＋干式显象剂。 7、后乳化型渗透探伤剂体系选用举例：①浅缺陷、宽而浅缺陷；深度10微米以下细微缺，可选用如下体系：后乳化型荧光渗透液＋水基湿式、非水基湿式显象剂；后乳化型荧光渗透液＋干式显象剂（注：缺陷长度几毫米以上）。②缺陷靠近或集聚，需要观察缺陷表面形貌，可选用如下体系：后乳化型荧光渗透液＋干式显象剂。③连续探伤小批量零件，可选用如下体系：后乳化型荧光渗透液＋湿式、干式显象剂。④磨削、抛光加工面，选用如下体系：后乳化型荧光渗透液＋湿式、干式显象剂。8、溶剂性去除型渗透探伤剂体系选用举例：①间隙、不定期探伤少量零件，可选用如下体系：溶剂性去除型渗透液＋非水基湿式显象剂； ②探伤大型部件、结构件的局部位置，可选用如下体系：溶剂性去除型渗透液＋非水基湿式显象剂；③车削、刨削加工面，可选用如下体系：溶剂性去除型渗透液＋水基湿式、非水基湿式显象剂；溶剂性去除型荧光渗透液＋干式显象剂。④焊缝及带有缓慢起伏的凸凹面的零件的检查，可选用如下体系：溶剂性去除型渗透液＋水基湿式、非水基湿式显象剂；溶剂性去除型荧光渗透液＋干式显象剂。⑤检验场所无暗室，可选用如下体系：溶剂去除着色渗透液＋水基湿式、非水基湿式显象剂。⑥检验场所型无水源、电源，可选用如下体系：溶剂去除型着色渗透液＋非水基湿式显象剂。⑦高空作业，可选用如下体系：溶剂去除型着色渗透液＋非水基湿式显象剂。'