南京寧博淺談紫外-可見吸收光譜法及其應用
摘要：本文主要介紹了紫外-可見吸收光譜的原理及應用，并對紫外-可見分光光度計進行了介紹和展望。
關鍵詞：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電子躍遷產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-可見區的吸收與其電子結構緊密相關。紫外光譜的研究對象大多是具有共軛雙鍵結構的分子。
紫外-可見光區一般用波長(nm)表示。其研究對象大多在 200 nm—380 nm 的近紫外光區和 380 nm—780 nm 的可見光區有吸收。紫外-可見吸收測定的靈敏度取決于產生光吸收分子的摩爾吸光系數。該法儀器設備簡單，應用十分廣泛。如醫院的常規化驗中，95%的定量分析都用紫外-可見分光光度法。在化學研究中，如平衡常數的測定、求算主-客體結合常數等都離不開紫外-可見吸收光譜。
2. 原理
紫外-可見吸收光譜是分子內電子躍遷的結果，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色基團之間的關系。不同的化合物由于分子結構不同，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。
2.1 分子中電子躍遷和吸收譜帶的類型
在紫外-可見區域內，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。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
由單鍵構成的化合物如飽和碳氫化合物只有σ電子，只能發生σ→σ* 躍遷，其吸收發生在遠紫外區，波長小于 210 nm。大氣中的氧在遠紫外區會有強烈吸收，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。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*躍遷產生的吸收峰多為弱吸收峰，它們的摩爾吸光系數(ε max)一般在 100～300 范圍內，因而在紫外區有時不易觀察到。
2.1.3π→π躍遷(K帶)
含共軛雙鍵的分子均可發生π→π*躍遷。實現π→π*躍遷比實現σ→σ*躍遷所需的能量小，其吸收峰大多出現在 200 nm 附近。發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 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，就可發生 n→π*躍遷。例如－CO、－ NN－、－NO等基團。
2.2 吸收光譜圖
物質對光的吸收強度(吸光度)隨波長變化的關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，不同結構的化合物應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-可見分析常用術語
(1) 摩爾吸光系數ε：表示純物質的濃度 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) 發色團：發色團并非有顏色，所指的是分子中產生特征吸收峰的基團。例如羰基、硝基、苯環等，發色團對應的躍遷類型是π→π*和 n→π*躍遷。
(5) 助色團：使發色團所產生的吸收峰產生紅移的、帶有雜原子的飽和基團。例如－OH、－NH2、－X等，對應的躍遷類型是 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用主要有以下幾方面。
(1) 把樣品光譜圖與被測物質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。
(3) 推斷化合物的骨架結構。
(4) 判別順反異構體、互變異構體.。
3.2定量分析
與定性鑒定相比，紫外光譜法在定量分析領域有著更為重要和廣泛的用途，其定量分析的依據是朗伯-比爾定律。含芳環的化合物以及帶有共軛雙鍵的化合物在紫外可見區有較強吸收，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本身無吸收的化合物，可采用適當的化學反應，使其轉化為在紫外或可見區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用于定量分析化學領域，并且設計了*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不斷改進，又出現自動記錄、自動打印、數字顯示、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，其應用范圍也不斷擴大。紫外可見分光光度法從問世以來，在應用方面有了很大的發展，尤其是在相關學科發展的基礎
上，促使分光光度計儀器的不斷創新，功能更加齊全，使得光度法的應用更拓寬了范圍[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、單色器系統、樣品室、檢測系統組成。
分光光度計的主要部件。
光源：發出所需波長范圍內的連續光譜，有足夠的光強度，穩定。可見光單色器：將光源發出的連續光譜分解為單色光的裝置。
棱鏡：依據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生衍射和干涉現象而分光。
吸收池：用于盛待測及參比溶液。可見光區：光學玻璃池；紫外區：石英池。
檢測器：利用光電效應，將光能轉換成電流訊號。
光電池，光電管，光電倍增管。檢流計(指示器)：刻度顯示或數字顯示、自動掃描記錄。
5 紫外-可見分光光度計的發展
分光光度法在分析領域中的應用已經有數十年的歷史,至今仍是應用zui廣泛的分析方法之一。隨著分光元器件及分光技術、檢測器件與檢測技術、大規模集成制造技術等的發展,以及單片機、微處理器、計算機和DSP技術的廣泛應用,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展。
在分光元器件方面,經歷了棱鏡、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的結合,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,后來用數字電壓表數字顯示,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合應用,使儀器的測量速度發生了質的飛躍,且性能更加穩定可靠,受到儀器用戶的青睞,有代表性的當數安捷倫的HP8452/8453[17]。
6 結論
紫外－可見吸收光譜法歷史較久遠，應用十分廣泛，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、結構分析、定量分析方面有著廣泛的應用。
紫外－可見吸收光譜法歷史較久遠，應用十分廣泛，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、結構分析和純度檢查以及在藥物、天然產物化學中應用較多。
