2.2　紫外-可見吸收光譜的原理

紫外-可見吸收光譜產生于分子中電子能級的變化，各種化合物的紫外-可見吸收光譜的特征也反映了分子中電子在各種能級間躍遷的內在規律。依據某化合物的特征紫外-可見吸收光譜，可以對其進行定量分析，尤其對一些有機化合物結構的認識提供了一定的支持。

2.2.1　朗伯-比爾定律

2.2.1.1　朗伯-比爾吸收定律

為研究物質對光吸收的定量關系，早在1729年，布格（Bouguer）建立了吸光度與吸收介質厚度之間的關系。1760年，朗伯（Lamber）用更準確的數學方法表達了這一關系。1852年，比爾（Beer）確定了吸光度與溶液濃度及液層厚度之間的關系，建立了光吸收的基本定律。習慣上稱這一定律為朗伯-比爾吸收定律（朗伯-比爾定律）。

當一束平行的單色光照射到一定濃度的均勻溶液時，入射光被溶液吸收的程度與溶液厚度的關系為：

　　（2-1）

式中　I——透射光強度；

I₀——入射光的強度；

b——樣品溶液厚度；

k——吸光系數。

當入射光通過不同濃度的同一溶液時，入射光強度與溶液濃度的關系為：

　　（2-2）

式中，c為溶液濃度；k'為常數。這就是比爾（Beer）定律。

當溶液厚度和濃度都可改變時，就要考慮兩者同時對透射光的影響，則有：

　　（2-3）

式中，為吸光度A；為透光度T。

式（2-3）可寫為：

A=-lgT=kbc　　（2-4）

式中　c——濃度，g/L；

b——樣品溶液厚度，cm；

k——吸光系數，L/（g·cm）。

式（2-4）就是朗伯-比爾光吸收定律（Lambert-Beer定律）的數學表達式。

吸光度A的物理學意義是物質吸收單色入射光的程度。

k為吸光系數，表示物質分子對某波長單色光的吸收能力，與吸光物質的性質、入射光波長及溫度等因素有關。k值隨b和c單位的不同而不同。

2.2.1.2　摩爾吸光系數

當c的單位為mol/L、b的單位為cm時，式（2-4）中的吸光系數k用ε表示，稱為摩爾吸光系數，其單位為L/（mol·cm）。這樣光吸收基本定律就是：

A=εbc　　（2-5）

式中，摩爾吸光系數ε表示吸光物質的濃度為1mol/L，介質厚度為1cm時物質對指定頻率光的吸收能力。ε值越大，表示吸光物質對某波長光的吸收能力越強，則吸光光度法定量測定的靈敏度越高。因此，ε是吸光物質特性的重要參數，也是衡量吸光光度法分析靈敏度的重要指標。

在吸光光度法分析的實際工作中，ε值也與吸光光度計有關。對某一特定的物質來說，在固定條件下測量時，ε值主要與入射單色光的波長有關。摩爾吸光系數通常不能直接移取1mol/L這樣高濃度的樣品來測定，而是在適宜的低濃度下測量吸光度A，然后通過計算求出ε值。注意，這種測定ε值的前提是被測組分應該全部轉變為有色配合物。

事實上，溶液中配合物的濃度常因解離、締合等作用而有所改變，故在計算其摩爾吸光系數時，必須知道有色配合物的真實濃度，即實際測得的是表觀摩爾吸光系數。由于摩爾吸光系數ε與吸收波長有關，也與儀器的測量精度有關，在書寫時應標明波長并注意有效數字。

就定量分析而言，通常認為ε>10⁴是靈敏的，而ε<10³則是不靈敏的，ε>10⁵為高靈敏度。

2.2.1.3　偏離朗伯-比爾定律的因素

根據朗伯-比爾定律，吸光度與溶液濃度應是通過原點的線性關系（溶液厚度一定），但在實際工作中吸光度與濃度之間的關系有時是非線性的（不通過原點），這種現象稱為偏離朗伯-比爾定律。產生偏離的主要因素有：

（1）樣品溶液因素　朗伯-比爾定律是在稀溶液時才能成立，而在實際測定中隨著溶液濃度增大，微觀吸光質點間距離縮小，彼此間相互影響和相互作用加強，因此破壞了吸光度與濃度之間的線性關系。

（2）儀器因素　朗伯-比爾定律僅適用于單色光，但經儀器狹縫投射到被測溶液中的光，并不能保證理論意義上的單色光，這也是造成偏離朗伯-比爾定律的一個重要因素。

2.2.2　有機化合物的紫外-可見吸收光譜

紫外-可見吸收光譜起源于分子中電子能級的變化，各種化合物的紫外-可見吸收光譜的特征也就是分子中電子在各種能級間躍遷的內在規律的體現。據此，可以對許多化合物進行定量分析，深入認識有機化合物的結構。

2.2.2.1　有機化合物各種類型的電子躍遷

有機化合物的紫外-可見吸收光譜取決于有機化合物分子的結構。基于分子軌道理論，認識與紫外-可見吸收光譜有關的電子躍遷，如n→σ^*，n→π^*和π→π^*。圖2-1定性地表示了各種類型的電子躍遷所需能量和吸收光波長之間的關系。

（1）n→σ^*躍遷　實現n→σ^*躍遷所需要的能量較大，躍遷的吸收光譜出現在遠紫外區和近紫外區。尤其是雜原子O、N、S等都含有非鍵n電子，如C—N，C—OH等都能發生n→σ^*躍遷。該躍遷的能量主要與含有未成鍵電子的雜原子的電負性和非成鍵軌道是否重疊有關，而與分子結構的關系較小。如含雜原子O、Cl的有機化合物，吸收帶λ_max小于200nm；而含N、S、Br、I的有機化合物，吸收帶λ_max大于200nm；再如（CH₃）₂S的n→σ^*躍遷λ=229nm，而（CH₃）₂O的n→σ^*躍遷λ=184nm。說明S原子的電負性弱于O原子，對n電子的束縛較弱，激發時的能量較小，所以λ就較大。

（2）π→π^*躍遷　π→π^*躍遷是雙鍵中的π電子由π成鍵軌道向π^*反鍵軌道的躍遷。這類躍遷能量介于n→σ^*躍遷和n→π^*躍遷，這類躍遷需要的能量較小，因此吸收峰一般處于近紫外區。在200nm左右，其特征是ε值較大，一般最大吸收波長處的摩爾吸光系數ε_max>10⁴，為強吸收帶。

（3）n→π^*躍遷　n→π^*躍遷一般出現在波長大于200nm的近紫外區和可見光區，吸光系數較小，得到的是弱帶，普通的紫外-可見光譜儀一般觀察不到這類躍遷。當分子中同時存在雜原子和雙鍵π電子時就有可能發生n→π^*躍遷，如CO、NN、NO、CS等基團，都能發生雜原子上的非鍵n電子向反鍵π^*軌道的躍遷。該躍遷產生的光吸收波長范圍較寬，為200～700nm，但這種躍遷的摩爾吸光系數ε值一般都很小。

2.2.2.2　紫外-可見吸收光譜的術語

（1）生色團　生色團是使化合物呈現顏色（吸收可見光）的一些基團。在紫外光譜中生色團的含義被擴展，指能使化合物在紫外區產生吸收的基團，不論是否呈現出顏色。最有用的紫外光譜是由π→π^*躍遷和n→π^*躍遷產生的，這兩種躍遷均要求有機物分子中含有不飽和基團，如雙鍵或三鍵體系、羰基、亞硝基、偶氮基（—NN—）等。一些常見生色團的吸收特性見表2-1。

（2）助色團　助色團是指本身不能生色，但與生色團相連時可改變生色團吸收特性的基團。助色團通常是帶有非鍵電子對的基團，如—OH、—OR、—NHR、—SH、—Cl、—Br、—I等。助色團會使生色團的吸收譜帶向長波方向移動，并增加其吸收強度。

（3）紅移和藍移　在有機化合物中，常因取代基的變更或溶劑的改變，使其吸收譜帶的最大吸收波長λ_max發生移動，向長波方向移動稱為紅移，向短波方向移動稱為藍移（或紫移）。

（4）增色效應與減色效應　由于結構改變或其他原因，吸收強度增加稱為增色效應，吸收強度減弱稱為減色效應。

2.2.3　無機化合物的紫外-可見吸收光譜

2.2.3.1　電荷轉移吸收帶

電荷轉移吸收帶是指外來輻射照射到某些無機或有機化合物時，可能使電子從給予體外層軌道躍遷到接受體的軌道，從而產生的光的吸收譜帶。這種由于電子轉移產生的吸收光譜，稱為電荷轉移光譜。電荷轉移的過程可用下式表示：

許多無機化合物及水合無機離子都能發生這種轉移。例如：

Fe³⁺—SCN^-Fe²⁺—SCN

通常，配合物中的中心離子是電子接受體，配位體是電子給予體。若中心離子的氧化能力（或配位體的還原能力）越強，或中心離子的還原能力（或配位體的氧化能力）越強，產生電荷轉移躍遷需要的能量就越小，吸收波長紅移。電荷轉移吸收帶的特點是吸收強度大，ε_max>10L/（mol·cm），利用它進行定量分析，有利于靈敏度的提高。

2.2.3.2　配位體場吸收帶

配位體場吸收帶包括d-d和f-f躍遷產生的吸收帶，這兩種躍遷必須在配位體的配位場作用下才有可能發生。配位體場吸收帶主要用于配合物結構的研究。

d-d電子躍遷吸收帶是由于d電子層未填滿的第一、第二過渡金屬離子的d電子，在配位體場的作用下，分裂出不同能量的d軌道之間的躍遷而產生的。這種吸收帶在可見光區，強度較弱，ε_max為0.1～100L/（mol·cm）。

f-f電子躍遷吸收帶在紫外-可見光區，它是由鑭系和錒系元素的4f和5f電子躍遷產生的。因f軌道被已填滿的外層軌道屏蔽，不易受溶劑和配位體的影響，所以吸收帶較窄。