紫外吸收光谱仪

紫外吸收光谱仪

切正-仁怀市第一中学

2023年2月19日发(作者：马说教案)

紫外吸收光谱分析

一概述

紫外可见吸收光谱法是利用某些物质的分子吸收10～800nm光谱区的辐射来进行

分析测定的方法，这种分子吸收光谱产生于价电子和分子轨道上的电子在电子能级间的跃

迁，广泛用于有机和无机物质的定性和定量测定。该方法具有灵敏度高、准确度好、选择性

优操作简便、分析速度好等特点。

分子的紫外可见吸收光谱法是基于分子内电子跃迁产生的吸收光谱进行分析的一种

常用的光谱分析法。分子在紫外-可见区的吸收与其电子结构紧密相关。紫外光谱的研究对

象大多是具有共轭双键结构的分子。如（图4.3），胆甾酮（a）与异亚丙基丙酮（b）分子结

构差异很大，但两者具有相似的紫外吸收峰。两分子中相同的O=C-C=C共轭结构是产生紫

外吸收的关键基团。

紫外-可见以及近红外光谱区域的详细划分如图4.4所示。紫外-可见光区一般用波

长（nm）表示。其研究对象大多在200-380nm的近紫外光区和/或380-780nm的可见光区

有吸收。紫外-可见吸收测定的灵敏度取决于产生光吸收分子的摩尔吸光系数。该法仪器设

备简单,应用十分广泛。如医院的常规化验中，95%的定量分析都用紫外-可见分光光度法。

在化学研究中，如平衡常数的测定、求算主-客体结合常数等都离不开紫外-可见

二基本原理

紫外可见吸收光谱的基本原理是利用在光的照射下待测样品内部的电子跃迁，电子跃迁

类型有：

（1）σ→σ*跃迁指处于成键轨道上的σ电子吸收光子后被激发跃迁到σ*反键轨

道

（2）n→σ*跃迁指分子中处于非键轨道上的n电子吸收能量后向σ*反键轨道的跃

迁

（3）π→π*跃迁指不饱和键中的π电子吸收光波能量后跃迁到π*反键轨道。

（4）n→π*跃迁指分子中处于非键轨道上的n电子吸收能量后向π*反键轨道的跃

迁。

电子跃迁类型不同，实际跃迁需要的能量不同：

σ→σ*～150nm

n→σ*～200nm

π→π*～200nm

n→π*～300nm

吸收能量的次序为：σ→σ*＞n→σ*≥π→π*＞n→π*

特殊的结构就会有特殊的电子跃迁，对应着不同的能量（波长），反反映在紫外可见吸

收光谱图上就有一定位置一定强度的吸收峰，根据吸收峰的位置和强度就可以推知待测样品

的结构信息

三特点

1、紫外可见吸收光谱所对应的电磁波长较短，能量大，它反映了分子中价电子能级跃

迁情况。主要应用于共轭体系（共轭烯烃和不饱和羰基化合物）及芳香族化合物的分析。

2、由于电子能级改变的同时，往往伴随有振动能级的跃迁，所以电子光谱图比较简单，

但峰形较宽。一般来说，利用紫外吸收光谱进行定性分析信号较少。

3、紫外可见吸收光谱常用于共轭体系的定量分析，灵敏度高，检出限低。

四仪器组成

紫外可见吸收光谱仪由光源、单色器、吸收池、检测器以及数据处理及记录（计算机）

等部分组成

普通紫外可见光谱仪，主要由光源、单色器、样品池(吸光池)、检测器、记录装置组

成．为得到全波长范围(200～800-nm)的光，使用分立的双光源，其中氘灯的波长为185～

395nm，钨灯的为350～800nm．绝大多数仪器都通过一个动镜实现光源之间的平滑切换，

可以平滑地在全光谱范围扫描．光源发出的光通过光孔调制成光束，然后进入单色器；单色

器由色散棱镜或衍射光栅组成，光束从单色器的色散原件发出后成为多组分不同波长的单色

光，通过光栅的转动分别将不同波长的单色光经狭缝送入样品池，然后进入检测器(检测器

通常为光电管或光电倍增管)，最后由电子放大电路放大，从微安表或数字电压表读取吸光

度，或驱动记录设备，得到光谱图。

紫外、可见光谱仪设计一般都尽量避免在光路中使用透镜，主要使用反射镜，以防

止由仪器带来的吸收误差．当光路中不能避免使用透明元件时，应选择对紫外、可见光均透

明的材料(如样品池和参考池均选用石英玻璃)．

仪器的发展主要集中在光电倍增管、检测器和光栅的改进上，提高仪器的分辨率、

准确性和扫描速度，最大限度地降低杂散光干扰．目前，大多数仪器都配置微机操作，软件

界面更贴近我们所要完成的分析工作．

五应用

物质的紫外吸收光谱基本上是其分子中生色团及助色团的特征，而不是整个分子的

特征。如果物质组成的变化不影响生色团和助色团，就不会显著地影响其吸收光谱，如甲苯

和乙苯具有相同的紫外吸收光谱。另外，外界因素如溶剂的改变也会影响吸收光谱，在极性

溶剂中某些化合物吸收光谱的精细结构会消失，成为一个宽带。所以，只根据紫外光谱是不

能完全确定物质的分子结构，还必须与红外吸收光谱、核磁共振波谱、质谱以及其他化学、

物理方法共同配合才能得出可靠的结论。

1、化合物的鉴定

利用紫外光谱可以推导有机化合物的分子骨架中是否含有共轭结构体系，如C＝C

－C＝C、C＝C－C＝O、苯环等。利用紫外光谱鉴定有机化合物远不如利用红外光谱有效，

因为很多化合物在紫外没有吸收或者只有微弱的吸收，并且紫外光谱一般比较简单，特征性

不强。利用紫外光谱可以用来检验一些具有大的共轭体系或发色官能团的化合物，可以作为

其他鉴定方法的补充。

（1）如果一个化合物在紫外区是透明的，则说明分子中不存在共轭体系，不含有醛

基、酮基或溴和碘。可能是脂肪族碳氢化合物、胺、腈、醇等不含双键或环状共轭体系的化

合物。

（2）如果在210～250nm有强吸收，表示有K吸收带，则可能含有两个双键的共轭

体系，如共轭二烯或α，β-不饱和酮等。同样在260，300，330nm处有高强度K吸收带，

在表示有三个、四个和五个共轭体系存在。

（3）如果在260～300nm有中强吸收（ε＝200～1000），则表示有B带吸收，体

系中可能有苯环存在。如果苯环上有共轭的生色基团存在时，则ε可以大于10000。

（4）如果在250～300nm有弱吸收带（R吸收带），则可能含有简单的非共轭并含

有n电子的生色基团，如羰基等。

2、纯度检查

如果有机化合物在紫外可见光区没有明显的吸收峰，而杂质在紫外区有较强的吸

收，则可利用紫外光谱检验化合物的纯度。如果有机化合物在紫外可见光区没有明显的吸收

峰，而杂质在紫外区有较强的吸收，则可利用紫外光谱检验化合物的纯度。

3、异构体的确定

对于异构体的确定，可以通过经验规则计算出λmax值，与实测值比较，即可证

实化合物是哪种异构体。如:乙酰乙酸乙酯的酮-烯醇式互变异构

4、位阻作用的测定

由于位阻作用会影响共轭体系的共平面性质，当组成共轭体系的生色基团近似处于

同一平面，两个生色基团具有较大的共振作用时，λmax不改变，εmax略为降低，空间

位阻作用较小；当两个生色基团具有部分共振作用，两共振体系部分偏离共平面时，λmax

和εmax略有降低；当连接两生色基团的单键或双键被扭曲得很厉害，以致两生色基团基

本未共轭，或具有极小共振作用或无共振作用，剧烈影响其UV光谱特征时，情况较为复杂

化。在多数情况下，该化合物的紫外光谱特征近似等于它所含孤立生色基团光谱的“加合”。

5、氢键强度的测定

溶剂分子与溶质分子缔合生成氢键时，对溶质分子的UV光谱有较大的影响。对于

羰基化合物，根据在极性溶剂和非极性溶剂中R带的差别，可以近似测定氢键的强度。溶

剂分子与溶质分子缔合生成氢键时，对溶质分子的UV光谱有较大的影响。对于羰基化合物，

根据在极性溶剂和非极性溶剂中R带的差别，可以近似测定氢键的强度。

6、定量分析

朗伯-比尔定律是紫外-可见吸收光谱法进行定量分析的理论基础，它的数学表达

式为:A=εbc

六影响因素

影响紫外吸收光谱的因素有：1、共轭效应；2,超共轭效应；3、溶剂效应；4、溶

剂pH值。

各种因素对吸收谱带的影响表现为谱带位移、谱带强度的变化、谱带精细结构的

出现或消失等。谱带位移包括蓝移（或紫移，hypsochromicshiftorblueshift))和红移

(bathochromicshiftorredshift)。蓝移（或紫移）指吸收峰向短波长移动，红移指吸收峰向

长波长移动。吸收峰强度变化包括增色效应(hyperchromiceffect)和减色效应(hypochromic

effect)。前者指吸收强度增加，后者指吸收强度减小。各种因素对吸收谱带的影响结果总结

于图4.8中。

七定性、定量分析详解

1定性分析

max：化合物特性参数，可作为定性依据；

有机化合物紫外吸收光谱：反映结构中生色团和助色团的特性，不完全反映分子

特性；

计算吸收峰波长，确定共扼体系等

甲苯与乙苯：谱图基本相同；

结构确定的辅助工具；

max，max都相同，可能是一个化合物；

标准谱图库：46000种化合物紫外光谱的标准谱图

2.定量分析

依据：朗伯-比耳定律

吸光度：A=bc

透光度：-lgT=bc

灵敏度高：

max：104～105L·mol-1·cm-1；（比红外大）

测量误差与吸光度读数有关：

A=0.434，读数相对误差最小；

八有机化合物结构辅助解析

1.可获得的结构信息

（1）200-400nm无吸收峰。饱和化合物，单烯。

（2）270-350nm有吸收峰（ε=10-100）醛酮n→π*跃迁产生的R带。

（3）250-300nm有中等强度的吸收峰（ε=200-2000），芳环的特征吸收（具

有精细解构的B带）。

（4）200-250nm有强吸收峰（ε104），表明含有一个共轭体系（K）带。共

轭二烯：K230nmK230nm，R310-330nm

260nm,300nm,330nm有强吸收峰，3,4,5个双键的共轭体系。

2光谱解析注意事项

(1)max，并算出㏒ε，初步估计属于何种吸收带；

(2)观察主要吸收带的范围，判断属于何种共轭体系；

(3)乙酰化位移

B带：262nm(ε302)274nm(ε2040)261nm(ε300)

(4)pH值的影响

加NaOH红移→酚类化合物，烯醇。

加HCl蓝移→苯胺类化合物。

3分子不饱和度的计算

定义：不饱和度是指分子结构中达到饱和所缺一价元素的“对”数。

如：乙烯变成饱和烷烃需要两个氢原子，不饱和度为1。

计算：若分子中仅含一，二，三，四价元素(H，O，N，C)，则可按下式进行不饱和

度的计算：

=（2+2n4+n3–n1）/2

n4，n3，n1分别为分子中四价，三价，一价元素数目。

作用：由分子的不饱和度可以推断分子中含有双键，三键，环，芳环的数目，验证谱图

解析的正确性。

例：C9H8O2

=（2+29–8）/2=6

4解析示例

有一化合物C10H16max=231nm

（ε9000），此化合物加氢只能吸收2克分子H2，，确定其结构

=3；两个双键；共轭？加一分子氢

max=231nm，

CH

3

CH

3

OH

CH

3

OCOCH

3

③可能的结构

max

max：232273268268

max=非稠环二烯（a,b）+2×烷基取代+环外双键

=217+2×5+5=232（231）

吸收波长计算

立体结构和互变结构的确定

顺式：λmax=280nm；εmax=10500

反式：λmax=295.5nm；εmax=29000

共平面产生最大共轭效应，εmax大

互变异构：

酮式：λmax=204nm；无共轭

烯醇式：λmax=243nm

A

B

CD

CC

H

H

CC

H

H

H

3

CC

H

2

C

COEt

OO

H

3

CC

H

C

COEt

OHO

取代苯吸收波长计算

课后习题及答案

1试简述产生吸收光谱的原因

解：分子具有不同的特征能级，当分子从外界吸收能量后，就会发生相应的能级跃迁．同原

子一样，分子吸收能量具有量子化特征．记录分子对电磁辐射的吸收程度与波长的关系就可

以得到吸收光谱．

2电子跃迁有哪几种类型？这些类型的跃迁各处于什么波长范围？

解：从化学键的性质考虑，与有机化合物分子的紫外－可见吸收光谱有关的电子为：形成单

键的s电子，形成双键的p电子以及未共享的或称为非键的n电子．电子跃迁发生在电子基

态分子轨道和反键轨道之间或基态原子的非键轨道和反键轨道之间．处于基态的电子吸收了

一定的能量的光子之后，可分别发生s→s*,s→p*,p→s*,n→s*,p→p*,n→p*等跃迁类

型．p→p*,n→p*所需能量较小，吸收波长大多落在紫外和可见光区，是紫外－可见吸收

光谱的主要跃迁类型．四种主要跃迁类型所需能量DE大小顺序为：n→p*

s*

一般s→s*跃迁波长处于远紫外区，＜200nm,p→p*,n→s*跃迁位于远紫外到近紫外区，

波长大致在150－250nm之间，n→p*跃迁波长近紫外区及可见光区，波长位于250nm－

800nm之间．

3何谓助色团及生色团？试举例说明．

解：能够使化合物分子的吸收峰波长向长波长方向移动的杂原子基团称为助色团，例如CH4

的吸收峰波长位于远紫外区，小于150nm但是当分子中引入-OH后，甲醇的正己烷溶液吸

收波长位移至177nm，-OH起到助色团的作用．

当在饱和碳氢化合物中引入含有p键的不饱和基团时，会使这些化合物的最大吸收波长位移

至紫外及可见光区，这种不饱和基团成为生色团．例如，CH2CH2的最大吸收波长位于171nm

处，而乙烷则位于远紫外区．

4有机化合物的紫外吸收光谱中有哪几种类型的吸收带？它们产生

的原因是什么？有什么特点？

解：首先有机化合物吸收光谱中，如果存在饱和基团，则有s→s*跃迁吸收带，这是由于饱

和基团存在基态和激发态的s电子，这类跃迁的吸收带位于远紫外区．如果还存在杂原子

基团，则有n→s*跃迁，这是由于电子由非键的n轨道向反键s轨道跃迁的结果，这类跃迁

位于远紫外到近紫外区，而且跃迁峰强度比较低．如果存在不饱和C=C双键，则有p→p*,n

→p*跃迁，这类跃迁位于近紫外区，而且强度较高．如果分子中存在两个以上的双键共轭体

系，则会有强的K吸收带存在，吸收峰位置位于近紫外到可见光区．

对于芳香族化合物，一般在185nm,204nm左右有两个强吸收带，分别成为E1,E2吸收带，

如果存在生色团取代基与苯环共轭，则E2吸收带与生色团的K带合并，并且发生红移，而

且会在230-270nm处出现较弱的精细吸收带（B带）．这些都是芳香族化合物的特征吸收带．

5在有机化合物的鉴定及结构推测上，紫外吸收光谱所提供的信息

具有什么特点？

解：紫外吸收光谱提供的信息基本上是关于分子中生色团和助色团的信息，而不能提供整个

分子的信息，即紫外光谱可以提供一些官能团的重要信息，所以只凭紫外光谱数据尚不能完

全确定物质的分子结构，还必须与其它方法配合起来．

6距离说明紫外吸收光谱在分析上有哪些应用．

解：（１）紫外光谱可以用于有机化合物的定性分析，通过测定物质的最大吸收波长和吸光

系数，或者将未知化合物的紫外吸收光谱与标准谱图对照，可以确定化合物的存在．

（２）可以用来推断有机化合物的结构，例如确定1,2-二苯乙烯的顺反异构体．

（３）进行化合物纯度的检查，例如可利用甲醇溶液吸收光谱中在256nm处

是否存在苯的B吸收带来确定是否含有微量杂质苯．

（４）进行有机化合物、配合物或部分无机化合物的定量测定，这是紫外吸收光谱的最重要

的用途之一。其原理为利用物质的吸光度与浓度之间的线性关系来进行定量测定。

7异丙叉丙酮有两种异构体：CH3-C(CH3)=CH-CO-CH3及

CH2=C(CH3)-CH2-CO-CH3．它们的紫外吸收光谱为:(a)最大吸收波

长在235nm处，emax=-1;(b)220nm以后没有强吸

收．如何根据这两个光谱来判断上述异构体？试说明理由．

解：(a)为a,b-不饱和酮，即第一种异构体，因为该分子中存在两个双键的pp共轭体系，

吸收峰波长较长，而(b)在220nm以后无强吸收，说明分子中无K吸收带．故为第二中异构

体．

8下列两对异构体，能否用紫外光谱加以区别？

（1）（2）

解；可以，（１）中第一个化合物含有三个共轭双键，最大吸收波长比第二种化合物要长，

强度也较高．同理（２）中第二个化合物含有三个共轭双键．

9试估计下列化合物中哪一种化合物的lmax最大，哪一种化合物的

lmax最小，为什么？.

C

H

C

H

C

H

C

H

trans-

max=295nm

max=27000

cis-

max=280nm

max=10500

CH=CHCOCH

3

CH=CHCOCH

3

O

OH

O

CH

3

O

CH

3

(a)

(b)

(c)

解：（b)>(a)>(c)

(b)中有两个共轭双键，存在K吸收带，(a)中有两个双键，而(c)中只有一个双键．

10紫外及可见分光光度计与可见分光光度计比较，有什么不同之

处？为什么？

解：首先光源不同，紫外用氢灯或氘灯，而可见用钨灯，因为二者发出的光的波长范围不同．

从单色器来说，如果用棱镜做单色器，则紫外必须使用石英棱镜，可见则石英棱镜或玻璃棱

镜均可使用，而光栅则二者均可使用，这主要是由于玻璃能吸收紫外光的缘故．

从吸收池来看，紫外只能使用石英吸收池，而可见则玻璃、石英均可使用，原因同上。

从检测器来看，可见区一般使用氧化铯光电管，它适用的波长范围为625-1000nm，紫外用

锑铯光电管，其波长范围为200-625nm.

参考文献

1《环境科学》1993年第03期作者：宇振东评价《紫外吸收光谱法及其应用》

2《广西科学院学报》2010年第03期作者：吕晓惠，吴雄志，张富

3《分析仪器》2006年第01期作者：朱霞石，朱小红，赵亮，张亚琴，陆晓琴

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5周名成，俞汝勤.紫外与可见分光光度分析法.北京：化学工业出版社，1986.

6陈耀祖.有机分析.北京：高等教育出版社，1981.

7苏克曼，潘铁英，张玉兰.波谱解析法.上海：华东理工大学出版社，2002.

8黄量，于德泉.紫外光谱在有机化学中的应用.上册.北京：科学出版社，1988.

9徐光宪.物质结构.下册.北京：人民教育出版社，1978.

10陈国珍等.紫外-可见分光光度法.北京：原子能出版社，1983.