知其然，更要知其所以然——紫外-可見吸收光譜深度解讀

紫外吸收光譜和可見吸收光譜都屬于分子光譜，它們都是基于物質分子吸收紫外輻射或者可見光，其外層電子躍遷而成，又稱分子的電子躍遷光譜。紫外-可見光區的劃分可以分為：可見光部分（360-760 nm），近紫外區（200-360?nm），遠紫外區（10-200 nm），由于遠紫外的吸收測量必須在真空條件下進行，使用范圍受限，通常紫外可見光區域指的是200-800 nm的范圍。

一、紫外-可見吸收光譜的基本原理

1. 吸收帶的類型

σ→σ*躍遷，能量很高，在遠紫外區測定，電子以單鍵存在，如飽和碳氫化合物，一般在波長> 220 nm時無強的紫外吸收；

n→σ*躍遷，能量相對較高，化合物種含有非鍵合的O,N,S,或X^-的電子，在紫外區短波長端至遠紫外區有強吸收；

π→π*躍遷，芳香環的雙鍵吸收，共軛多烯的吸收，芳香環、芳香雜環合物的吸收，具有精細結構；

n→π*躍遷，同時存在雜原子和雙鍵π電子。

只有π→π*?n→π*兩種躍遷能量小，相應波長出現在近紫外區甚至可見光區，且對光的吸收強烈，也就是說紫外光譜只適合用于分析分子中具有不飽和結構的化合物。

2. 吸收特點

帶狀吸收特點

由于分子中的每個電子能級上都耦合有許多振-轉能級，所以，紫外-可見吸收光譜具有“帶狀吸收”的特點。

當稀薄氣態分子吸收紫外輻射后，電子從基態躍遷到激發態，其同時伴隨有振動能級的躍遷和轉動能級的躍遷，所以圍繞I, II, III，有一系列分立的轉動能級躍遷譜線，如圖1a；

圖1

當濃度增大時，轉動能級受限制，則形成連續曲線，如圖1b；在低極性溶劑中測定紫外吸收，還能保留一些紫外吸收的精細結構如圖1c；在高極性溶劑中作圖，精細結構則完全消失，如圖1d。

λmax：紫外-可見光譜中最大吸收峰對應的波長，用來描述某種有機物分子在紫外可見光譜中的特征吸收。

3. 基本術語

生色團：產生紫外或可見吸收的不飽和基團，如C=C、C=O、NO₂等。

助色團：其本身是飽和基團（常含雜原子），連到生色團時，能使后者吸收波長變長或吸收強度增加（或同時兩者兼有），如OH、NH₂、Cl等。

深色位移：由于基團取代或溶劑效應，最大吸收波長變長，深色位移也稱為紅移。

淺色位移：由于基團取代或溶劑效應，最大吸收波長變短，深色位移也稱為藍移。

增色效應：使吸收強度增加的效應。

減色效應：使吸收強度減小的效應。

末端吸收：在儀器檢測限處測出的吸收。

肩峰，吸收曲線在下降或上升處有停頓，或吸收稍微增加或降低的峰，是由于主峰內隱藏有其他峰。

二、各類化合物的紫外吸收

1. 簡單分子

a. 飽和的碳氫化合物；如甲烷、乙烷等唯一可發生的躍遷為σ→σ*，屬于遠紫外范圍；

b. 含雜原子的飽和化合物；如硫醚、而硫化物、硫醇、胺、溴化物、碘化物等有n→σ*躍遷，但在近紫外的吸收很弱；

c. 含非共軛烯、炔基團的化合物，可以發生π→π*躍遷，如乙烯吸收在165 nm，乙炔在175nm，在近紫外區仍無吸收；

d. 含不飽和雜原子的化合物，由于存在n→π*躍遷，盡管吸收強度低，但是其吸收位置佳，易于檢測，在紫外鑒定中有不可忽視的作用。

圖1. 含不飽和雜原子基團的紫外吸收

2. ?含有共軛體系的分子

共軛體系的形成使吸收向長波方向，如乙烯到共軛丁二烯，原烯基的兩個能級各自分裂為兩個新的能級，在原有π→π*躍遷的長波方向出現新的吸收。

圖2. 乙烯和共軛丁二烯的π→π*躍遷

圖3.共軛紫外吸收位置計算規則（以乙醇為溶劑）

計算舉例：

圖4. 每個取代基位移增量

計算舉例

3. 溶劑的影響

圖5. 溶劑極性對躍遷能量的影響

溶劑極性增大導致π→π*躍遷能量減少，吸收帶紅移；n→π*躍遷能量增大，吸收帶藍移。

三、紫外光譜應用

1. 結構分析

將分析樣品和標準樣品以相同濃度配制在同一溶劑中，在同一條件下分別測定紫外可見吸收光譜。若兩者是同一物質，則兩者的光譜圖應完全一致。如果沒有標樣，也可以和現成的標準譜圖對照進行比較。這種方法要求儀器準確，精密度高，且測定條件要相同。

2. 氫鍵強度的測定

不同的極性溶劑產生氫鍵的強度也不同，這可以利用紫外光譜來判斷化合物在不同溶劑中氫鍵強度，以確定選擇哪一種溶劑。

3. 純度檢驗

紫外吸收光譜能測定化合物中含有微量的具有紫外吸收的雜質。如果化合物的紫外可見光區沒有明顯的吸收峰，而它的雜質在紫外區內有較強的吸收峰，就可以檢測出化合物中的雜質。例如：要鑒定甲醇和乙醇中的雜質苯，可利用苯在254nm處的B吸收帶，而甲醇或乙醇在此波長范圍內幾乎沒有吸收；四氯化碳中有無二硫化碳雜質，只要觀察在318nm處有無二硫化碳的吸收峰即可。

4. 反應動力學研究

借助于分光光度法可以得出一些化學反應速度常數，并從兩個或兩個以上溫度條件下得到的速度數據，得出反應活化能。

四、紫外及可見分光光度計

1. Lambert-Beer定律——吸收光譜法的基本定律，描述了物質對單色光吸收強弱與液層厚度和待測物濃度的關系。

假設一束平行單色光通過一個均勻的、非散射的吸光物體，取物體中一極薄層，則

吸光度A=-lgT= kbc，k：吸光系數，當c濃度以g/L表示時，以a表示；當c以mol/L表示時，以摩爾吸光系數ε表示。

Lambert-Beer定律適用條件：入射光為單色光，均勻非散射的稀溶液。

Lambert-Beer定律測量條件：測量波長選最大吸收波長；吸光度讀數范圍選擇A= 0.15-1.00。

圖1. 透射率示意圖

2. 偏離L-B定律的因素

樣品吸光度A與光程b總是成正比，但當b一定時，A與c并不總是成正比，即偏離L-B定律，這種偏離由樣品性質和儀器決定。

樣品性質：

a. 待測物高濃度導致吸收質點間隔變小，質點間相互作用改變，導致對特定輻射的吸收能力發生變化，即ε變化；

b. 試液中各組分的相互作用，如締合、離解、光化反應、異構化、配體數目改變等，都會引起待測組分吸收曲線的變化；

c. 溶劑的影響：對待測物生色團吸收峰強度及位置產生影響；

d. 膠體、乳狀液或懸浮液對光的散射損失。

3. 反應條件選擇

a. 顯色劑的選擇：使配合物吸收系數最大，選擇性好、組成恒定、配合物穩定、顯色劑吸收波長與配合物吸收波長相差大；

b. 顯色劑用量：配位數與顯色劑用量有關，在形成逐級配合物時，其用量要嚴格控制；

c. 溶液酸度：配位數及水解與pH有關；

d. 顯色時間、溫度、放置時間。

4. 參比液選擇

a. 溶劑參比：式樣組成簡單、共存組分少，顯色劑不吸收時，直接采溶劑為參比（多為蒸餾水）；

b. 試劑參比：當顯色劑或其他試劑在測定波長處有吸收時，采用試劑作參比（不加待測物）；

c. 試樣參比：如果試樣基體在測定波長處有吸收，但不與顯色劑反應時，可用試樣做參比（不加顯色劑）；

5. 干擾消除

a. 控制pH值

配合物穩定性與pH有關，控制酸度提高反應的選擇性，使副反應減少。

b. 選擇掩蔽劑

c. 干擾物分離

d. 倒數光譜及雙波長技術

6. 標準曲線法

配制濃度梯度的標準溶液，測量其在最大吸收波長處的吸光度，求出吸收系數，然后又L-B定律求出c_x。

圖2. 納氏試劑滴定銨根離子標準曲線

參考文獻

[1] 朱明華，胡坪, 儀器分析, 4 ed., 高等教育出版社2008.

[2] Li C, Fu Y, Wu Z, et al. Sandwich-like reduced graphene oxide/yolk-shell-structured Fe@ Fe₃O₄/carbonized paper as efficient freestanding electrode for electrochemical synthesis of ammonia directly from H₂O and N₂[J]. nanoscale, 2019.

[3]?邢梅霞，夏德強，光譜分析，中國石化出版社 2012.

[4] 張正行，有機光譜分析，人民衛生出版社 2009.

本文由春春供稿。

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