知其然，更要知其所以然——紫外-可见吸收光谱深度解读

紫外吸收光谱和可见吸收光谱都属于分子光谱，它们都是基于物质分子吸收紫外辐射或者可见光，其外层电子跃迁而成，又称分子的电子跃迁光谱。紫外-可见光区的划分可以分为：可见光部分（360-760 nm），近紫外区（200-360 nm），远紫外区（10-200 nm），由于远紫外的吸收测量必须在真空条件下进行，使用范围受限，通常紫外可见光区域指的是200-800 nm的范围。

一、紫外-可见吸收光谱的基本原理

1. 吸收带的类型

σ→σ*跃迁，能量很高，在远紫外区测定，电子以单键存在，如饱和碳氢化合物，一般在波长> 220 nm时无强的紫外吸收；

n→σ*跃迁，能量相对较高，化合物种含有非键合的O,N,S,或X^-的电子，在紫外区短波长端至远紫外区有强吸收；

π→π*跃迁，芳香环的双键吸收，共轭多烯的吸收，芳香环、芳香杂环合物的吸收，具有精细结构；

n→π*跃迁，同时存在杂原子和双键π电子。

只有π→π* n→π*两种跃迁能量小，相应波长出现在近紫外区甚至可见光区，且对光的吸收强烈，也就是说紫外光谱只适合用于分析分子中具有不饱和结构的化合物。

2. 吸收特点

带状吸收特点

由于分子中的每个电子能级上都耦合有许多振-转能级，所以，紫外-可见吸收光谱具有“带状吸收”的特点。

当稀薄气态分子吸收紫外辐射后，电子从基态跃迁到激发态，其同时伴随有振动能级的跃迁和转动能级的跃迁，所以围绕I, II, III，有一系列分立的转动能级跃迁谱线，如图1a；

图1

当浓度增大时，转动能级受限制，则形成连续曲线，如图1b；在低极性溶剂中测定紫外吸收，还能保留一些紫外吸收的精细结构如图1c；在高极性溶剂中作图，精细结构则完全消失，如图1d。

λmax：紫外-可见光谱中最大吸收峰对应的波长，用来描述某种有机物分子在紫外可见光谱中的特征吸收。

3. 基本术语

生色团：产生紫外或可见吸收的不饱和基团，如C=C、C=O、NO₂等。

助色团：其本身是饱和基团（常含杂原子），连到生色团时，能使后者吸收波长变长或吸收强度增加（或同时两者兼有），如OH、NH₂、Cl等。

深色位移：由于基团取代或溶剂效应，最大吸收波长变长，深色位移也称为红移。

浅色位移：由于基团取代或溶剂效应，最大吸收波长变短，深色位移也称为蓝移。

增色效应：使吸收强度增加的效应。

减色效应：使吸收强度减小的效应。

末端吸收：在仪器检测限处测出的吸收。

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他峰。

二、各类化合物的紫外吸收

1. 简单分子

a. 饱和的碳氢化合物；如甲烷、乙烷等唯一可发生的跃迁为σ→σ*，属于远紫外范围；

b. 含杂原子的饱和化合物；如硫醚、而硫化物、硫醇、胺、溴化物、碘化物等有n→σ*跃迁，但在近紫外的吸收很弱；

c. 含非共轭烯、炔基团的化合物，可以发生π→π*跃迁，如乙烯吸收在165 nm，乙炔在175nm，在近紫外区仍无吸收；

d. 含不饱和杂原子的化合物，由于存在n→π*跃迁，尽管吸收强度低，但是其吸收位置佳，易于检测，在紫外鉴定中有不可忽视的作用。

图1. 含不饱和杂原子基团的紫外吸收

2. 含有共轭体系的分子

共轭体系的形成使吸收向长波方向，如乙烯到共轭丁二烯，原烯基的两个能级各自分裂为两个新的能级，在原有π→π*跃迁的长波方向出现新的吸收。

图2. 乙烯和共轭丁二烯的π→π*跃迁

图3.共轭紫外吸收位置计算规则（以乙醇为溶剂）

计算举例：

图4. 每个取代基位移增量

计算举例

3. 溶剂的影响

图5. 溶剂极性对跃迁能量的影响

溶剂极性增大导致π→π*跃迁能量减少，吸收带红移；n→π*跃迁能量增大，吸收带蓝移。

三、紫外光谱应用

1. 结构分析

将分析样品和标准样品以相同浓度配制在同一溶剂中，在同一条件下分别测定紫外可见吸收光谱。若两者是同一物质，则两者的光谱图应完全一致。如果没有标样，也可以和现成的标准谱图对照进行比较。这种方法要求仪器准确，精密度高，且测定条件要相同。

2. 氢键强度的测定

不同的极性溶剂产生氢键的强度也不同，这可以利用紫外光谱来判断化合物在不同溶剂中氢键强度，以确定选择哪一种溶剂。

3. 纯度检验

紫外吸收光谱能测定化合物中含有微量的具有紫外吸收的杂质。如果化合物的紫外可见光区没有明显的吸收峰，而它的杂质在紫外区内有较强的吸收峰，就可以检测出化合物中的杂质。例如：要鉴定甲醇和乙醇中的杂质苯，可利用苯在254nm处的B吸收带，而甲醇或乙醇在此波长范围内几乎没有吸收；四氯化碳中有无二硫化碳杂质，只要观察在318nm处有无二硫化碳的吸收峰即可。

4. 反应动力学研究

借助于分光光度法可以得出一些化学反应速度常数，并从两个或两个以上温度条件下得到的速度数据，得出反应活化能。

四、紫外及可见分光光度计

1. Lambert-Beer定律——吸收光谱法的基本定律，描述了物质对单色光吸收强弱与液层厚度和待测物浓度的关系。

假设一束平行单色光通过一个均匀的、非散射的吸光物体，取物体中一极薄层，则

吸光度A=-lgT= kbc，k：吸光系数，当c浓度以g/L表示时，以a表示；当c以mol/L表示时，以摩尔吸光系数ε表示。

Lambert-Beer定律适用条件：入射光为单色光，均匀非散射的稀溶液。

Lambert-Beer定律测量条件：测量波长选最大吸收波长；吸光度读数范围选择A= 0.15-1.00。

图1. 透射率示意图

2. 偏离L-B定律的因素

样品吸光度A与光程b总是成正比，但当b一定时，A与c并不总是成正比，即偏离L-B定律，这种偏离由样品性质和仪器决定。

样品性质：

a. 待测物高浓度导致吸收质点间隔变小，质点间相互作用改变，导致对特定辐射的吸收能力发生变化，即ε变化；

b. 试液中各组分的相互作用，如缔合、离解、光化反应、异构化、配体数目改变等，都会引起待测组分吸收曲线的变化；

c. 溶剂的影响：对待测物生色团吸收峰强度及位置产生影响；

d. 胶体、乳状液或悬浮液对光的散射损失。

3. 反应条件选择

a. 显色剂的选择：使配合物吸收系数最大，选择性好、组成恒定、配合物稳定、显色剂吸收波长与配合物吸收波长相差大；

b. 显色剂用量：配位数与显色剂用量有关，在形成逐级配合物时，其用量要严格控制；

c. 溶液酸度：配位数及水解与pH有关；

d. 显色时间、温度、放置时间。

4. 参比液选择

a. 溶剂参比：式样组成简单、共存组分少，显色剂不吸收时，直接采溶剂为参比（多为蒸馏水）；

b. 试剂参比：当显色剂或其他试剂在测定波长处有吸收时，采用试剂作参比（不加待测物）；

c. 试样参比：如果试样基体在测定波长处有吸收，但不与显色剂反应时，可用试样做参比（不加显色剂）；

5. 干扰消除

a. 控制pH值

配合物稳定性与pH有关，控制酸度提高反应的选择性，使副反应减少。

b. 选择掩蔽剂

c. 干扰物分离

d. 倒数光谱及双波长技术

6. 标准曲线法

配制浓度梯度的标准溶液，测量其在最大吸收波长处的吸光度，求出吸收系数，然后又L-B定律求出c_x。

图2. 纳氏试剂滴定铵根离子标准曲线

参考文献

[1] 朱明华，胡坪, 仪器分析, 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，夏德强，光谱分析，中国石化出版社 2012.

[4] 张正行，有机光谱分析，人民卫生出版社 2009.

本文由春春供稿。

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