3.1　基本原理

3.1.1　紫外-可見吸收光譜

（1）紫外-可見吸收光譜的產生

分子運動有不同的類型，如分子內各種電子的運動、分子作為整體的平動、分子圍繞其重心所做的轉動以及分子內的原子在其平衡位置附近所做的振動等。每種運動狀態都屬于一定的能級，因此分子有電子能級、平動、轉動和振動能級等。一個分子的總能量（E）由內能（E內）、平動能（E平）、振動能（E振）、轉動能（E轉）及外層價電子躍遷能（E電子）之和決定，如圖3-1所示，即

E=E內+E平+E振+E轉+E電子　　 （3-1）

E內是分子固有的內能，E平是連續變化的，不具有量子化特征，因而它們的改變不會產生光譜。所以當分子吸收了輻射能之后，其能量變化（ΔE）僅是振動能、轉動能和價電子躍遷能之總和，即

ΔE=ΔE振+ΔE轉+ΔE電子　　 （3-2）

式（3-2）中ΔE電子最大，一般為1～20eV，相應的波長范圍為1250～60nm。因此，由分子的外層電子（價電子）躍遷而產生的光譜位于紫外-可見光區，稱為紫外-可見吸收光譜。由圖3-1可以看出，由于分子內部運動所涉及的能級變化較復雜，價電子的躍遷還伴隨著振動、轉動能級的躍遷，所以紫外-可見吸收光譜也就比較復雜，形成帶狀光譜。

（2）電子躍遷的類型

紫外吸收光譜是由于分子中價電子的躍遷而產生的。按分子軌道理論，在有機化合物中主要有三種類型的價電子：形成單鍵的σ電子；形成雙鍵或三鍵的π電子及未成鍵的n電子（亦稱p電子）。根據分子軌道理論，分子中這三種電子的成鍵和反鍵分子軌道能級高低順序是：

σ<π<n<π*<σ*

σ、π表示成鍵分子軌道，n表示未成鍵分子軌道（亦稱非鍵軌道），σ*、π*表示反鍵分子軌道。分子中不同軌道的價電子具有不同的能量，處于較低能級的價電子吸收一定的能量后，可以躍遷到較高能級。在紫外-可見光區內，有機化合物的吸收光譜主要由σ→σ*、π→π*、n→σ*及n→π*躍遷產生。圖3-2定性地表示了各種不同類型的電子躍遷所需能量及所處波段的差異。

①σ→σ*躍遷　處于成鍵軌道上的σ電子吸收光能后躍遷到σ*反鍵軌道，稱為σ→σ*躍遷。分子中σ鍵較為牢固，躍遷所需的能量最大，因而所吸收的輻射波長最短，吸收峰在遠紫外區。飽和烴類分子中只含有σ鍵，因此只能產生σ→σ*躍遷，吸收峰位一般都小于150nm。

②π→π*躍遷　處于成鍵軌道上的π電子躍遷到π*反鍵軌道上，稱為π→π*躍遷。一般孤立的π→π*躍遷，吸收峰的波長在200nm附近，其特征是吸收強度大（ε>104）。不飽和有機化合物，如具有CC或、CN等基團的有機化合物都會產生π→π*躍遷。分子中若具有共軛雙鍵，可使π→π*躍遷λmax增加，使其大于210nm。

③n→π*躍遷　含有雜原子的不飽和基團，如含CO、CS、NN等的化合物，其未成鍵軌道中的n電子吸收能量后，向π*反鍵軌道躍遷，稱為n→π*躍遷。這種躍遷所需能量最小，吸收峰位通常都處于近紫外光區，甚至在可見光區，其特征是吸收強度弱（ε在10～100之間）。如丙酮的λmax=279nm，即由此種躍遷產生，ε為10～30。

④n→σ*躍遷　如含—OH、—NH2、—X、—S等基團的化合物，其雜原子中的n電子吸收能量后向σ*反鍵軌道躍遷，這種躍遷所需的能量也較低，吸收峰位一般在200nm附近，處于末端吸收區。

（3）常用名詞術語

①發色團　發色團是指能在紫外-可見光波長范圍內產生吸收的原子團，如CC、CO、—CS、—NO2、—NN—等，該原子團的特點是有機化合物分子結構中含有π→π*或n→π*躍遷的基團。

②助色團　助色團是指本身不能吸收波長大于200nm的輻射，但與發色團相連時，可使發色團所產生的吸收峰向長波長方向移動并使吸收強度增加的原子或原子團，如—OH、—OR、—NH2、—SH、—X等。例如，苯的λmax在256nm處，而苯胺的λmax移至280nm處。

③藍移和紅移　因化合物的結構改變或溶劑效應等引起的吸收峰向短波方向移動的現象稱藍移（或紫移），亦稱短移。因化合物的結構改變或溶劑效應等引起的吸收峰向長波方向移動的現象稱紅移，亦稱長移。

④濃色效應和淡色效應　因某些原因使化合物吸收強度增加的效應稱為濃色效應，亦稱增色效應；使吸收強度減弱的效應稱為淡色效應，亦稱減色效應。

⑤吸收光譜　又稱吸收曲線，是以波長λ（nm）為橫坐標，以吸光度A為縱坐標所繪制的曲線，如圖3-3所示。吸收光譜的特征可用以下光譜術語加以描述。

a.吸收峰　吸收曲線上的峰稱為吸收峰，所對應的波長稱為最大吸收波長（λmax）。

b.吸收谷　吸收曲線上的谷稱為吸收谷，所對應的波長稱為最小吸收波長（λmin）。

c.肩峰　吸收峰上的曲折處稱為肩峰（shoulder peak），通常用λsh表示。

d.末端吸收　在吸收曲線的200nm波長附近只呈現強吸收而不呈峰形的部分稱為末端吸收（end absorption）。

⑥吸收帶　紫外-可見光譜為帶狀光譜，故將紫外-可見光譜中的吸收峰稱為吸收帶。吸收帶與化合物的結構密切相關。通常將紫外-可見光區的吸收帶（absorption band）分為四類：

a. R帶　從德文radikal（基團）得名，是由n→π*躍遷引起的吸收帶。R帶是雜原子的不飽和基團，如CO、—NO、—NO2、—NN—等這一類發色團的特征。其特點是吸收峰處于較長波長范圍（250～500nm），吸收強度弱（ε<100）。當有強吸收峰在其附近時，R帶有時紅移，有時被掩蓋。

b. K帶　從德文konjugation（共軛作用）得名，是由共軛雙鍵中π→π*躍遷引起的吸收帶。吸收峰出現在200nm以上，吸收強度大（ε>104）。隨著共軛雙鍵的增加，K帶吸收峰紅移，吸收強度有所增加。

c. B帶　從benzenoid（苯）得名，是由苯等芳香族化合物的骨架伸縮振動與苯環狀共軛系統疊加的π→π*躍遷所引起的吸收帶之一，是芳香族（包括雜芳香族）化合物的特征吸收帶。苯蒸氣B帶的吸收光譜在230～270nm處出現精細結構，亦稱苯的多重吸收帶，是由于在蒸氣狀態下分子間相互作用弱，反映了孤立分子振動、轉動能級的躍遷，如圖3-4（a）所示。在苯的己烷溶液（非極性溶液）中，因分子間相互作用增強，轉動躍遷消失，B帶僅出現部分振動躍遷，所以譜帶變寬，如圖3-4（b）所示。在極性溶劑中，溶質與溶劑間的相互作用更大，振動躍遷消失，使得苯的精細結構消失而成一寬峰，其中心在256nm附近，ε=220，如圖3-4（c）所示。

d. E帶　芳香族化合物的特征吸收帶，可細分為E1及E2兩個吸收帶。E1帶為苯環上孤立乙烯基的π→π*躍遷，E2帶為苯環上共軛二烯基的π→π*躍遷。E1帶的吸收峰約在180nm（ε≈6×104，遠紫外區）；E2帶的吸收峰在200nm（ε≈8×103）以上，均屬于強帶吸收。當苯環上有發色團取代并與苯環產生共軛時，E2帶便與K帶合并使吸收帶紅移，同時也使B帶發生紅移。當苯環上有助色團取代時，E2帶也產生紅移，但通常吸收帶的波長不超過210nm。

部分化合物的電子結構、躍遷類型和可能出現的波長范圍及吸收帶的關系如表3-1所示。

需要指出的是：上述吸收帶的位置并不是固定不變的，而是易受分子中結構因素和測定條件等多種因素的影響，在較寬的波長范圍內變動。其中分子結構的影響因素包括位阻效應和跨環效應，其核心是對分子中電子共軛結構的影響；測定條件的影響因素包括溶劑的極性和體系的pH值。

3.1.2　Lambert-Beer定律

當一束平行的單色光照射到有色溶液時，光的一部分將被溶液吸收，一部分透過溶液，還有一部分被器皿表面所反射。

由于在實際測量時，都是采用同樣質料及寬度的比色皿，因而反射光的強度基本不變，故其影響可以不予考慮。在吸收光譜中有兩個重要的參數，即透光率與吸光度。當一束光強為I0的入射光照射到吸光物質上后，光強度由I0減弱為It，如圖3-5所示，則透光率T、百分透光率T%、吸光度A分別表示如下：

　　Lambert-Beer定律是物質對光吸收的基本定律，是分光光度分析法的定量依據和基礎。Lambert定律說明了物質對光的吸光度與吸光物質的液層厚度成正比，Beer定律說明了物質對光的吸光度與吸光物質的濃度成正比。二者合起來稱為Lambert-Beer定律，簡稱吸收定律。

A=Elc　　 （3-3）

式（3-3）是Lambert-Beer定律的數學表達式，它的物理意義是：當一束平行單色光通過均勻溶液時，溶液的吸光度A與液層厚度l和吸光物質的濃度c成正比關系。

在含有多組分的體系中，各組分對同一波長的光可能都有吸收。這時，溶液總的吸光度等于各組分的吸光度之和：

A=A1+A2+A3+…+An （3-4）

這就是吸光度的加和性。據此，常可以在同一溶液中進行多組分的測定。

式（3-3）中E值為吸收系數，其物理意義為吸光物質在單位濃度及單位液層厚度時的吸光度。在給定單色光、溶劑和溫度等條件下，吸收系數是物質的特性常數，表明物質對某一特定波長光的吸收能力。不同物質對同一波長的單色光，可有不同的吸收系數，吸收系數愈大，表明該物質的吸光能力愈強，靈敏度愈高，所以吸收系數可以作為吸光物質定性分析的依據和定量分析靈敏度的估量。吸收系數隨濃度所取單位不同而不同，常用的有摩爾吸收系數和百分吸收系數，分別用表示。

①摩爾吸收系數　如果濃度c以物質的量濃度（mol/L）表示，則式（3-3）可以寫成

A=εlc　　 （3-5）

式中，ε為摩爾吸收系數，單位為L/（mol·cm）。

其物理意義為溶液濃度為1mol/L、液層厚度為1cm時的吸光度。物質的摩爾吸收系數一般不超過105數量級，通常大于104為強吸收，小于103為弱吸收，介于兩者之間的為中強吸收。

②百分吸收系數　如果濃度c以質量百分濃度（g/100mL）表示，則式（3-3）可以寫成

　　（3-6）

式中，稱為百分吸收系數，單位為100mL/（g·cm）。

其物理意義為當溶液濃度為1%（即1g/100mL）、液層厚度為1cm時的吸光度。百分吸收系數在藥物定量分析中應用廣泛，我國現行版藥典均采用百分吸收系數，尤其適用于摩爾質量（M）不清的待測組分。

兩種吸收系數表示方式之間的關系是：

　　（3-7）