Chap 4

Ultraviolet and Visible Spectrometry

Chap 4

光譜學基本原理

光是一種電磁輻射（電磁波）以光速傳播。

光可形容為波動也可形容為粒子。

光波由相互垂直之振動的電場與磁場所組成。

所有電磁波的速度都相等，為光速（C =3 x 10

cm/sec）

波長（wavelength； v ）為兩個波峰之間的距離。

頻率（frequency；Hz）為波動每秒鐘的振動數。

頻率的單位為秒的倒數，s

。

每秒鐘產生一次振動也稱為 1 赫茲（hertz；Hz）。

P.389

圖 17-1

P.389

平面極化電磁輻射的波長為 λ，沿著 x 軸方向進行。電場在 xy 平 面振動，磁場在 xz 平面振動。通常未極化的光其電場與磁場會存在 於所有平面。

光譜學基本原理

光譜學基本原理

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λ: Wavelength (cm)

ν: Frequency (sec-1 or Hz) 所以C＝ λ‧ν

λ＝ C / ν or ν＝ C / λ λ 與ν 成反比

光的粒子性質

光本身具有粒子特性（光子），其傳播不用介質 Light energy comes in packets called photons Amount of energy depends on frequency

Photoelectric Effect

光可想像成稱為光子（photon）的粒子。

光子的能量 E（以 joule，J 為測量單位）與頻率成正比 電磁波的能量為頻率乘以浦郎克常數，頻率越高能量越大

h : Planck’s contant (6.63x10^-34 J.sec)

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光譜學基本原理

h = Planck’s Constant

其中 （＝1/λ）稱為波數（wavenumber）。

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光譜學基本原理

Regions of Electromagnetic radiation

http://kevine.wordpress.com/ http://www.shs.edu.tw/works/essay/2008/03/2008033122404708.pdf

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光譜學基本原理

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發射光譜與吸收光譜

Emission and Absorption Spectrum

自然界的物質是由各種不同的原子或分子所組成的。

量子論告訴我們，每一個原子或分子皆有其特定的能 階，而原子或分子內的電子只能存在這些特定的能階 中。

當一個光子與一個原子或分子相遇，而這個光子的能 量剛好等於此一原子或分子某兩個能階間的能量差時，

低能階的電子可能吸收這個光子而躍上高能階，在這 種情況下入射光的能量被吸收了。

但另一方面，高能階的電子也會釋放一個與入射光子 能量相同的光子，而躍下低能階。

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光譜學的原理

吸收光譜 發射光譜

以光源對分（原）子照射 使激發，偵測其對此光源 吸收之強度

分（原）子先被激發，偵測 其回至某能階狀態所放射之 光強度

分子光譜 UV/Vis, IR Fluorescence , Phosphorescence

原子光譜 AA ICP-AES, AE, Fluorescence

電磁光譜（electromagnetic spectrum）的區 域如。眼睛可偵測的可見光僅占電磁光譜 的一小部分。

原子或分子的最低能階狀態稱為基態

（ground state）。

當分子吸收光子，分子的能量會增加，這

就是分子被激發至激發態（excited state）。

P.390-391

圖 17-4

P.391

吸收光會增加分子的能量。放出光則會減少分子的能量。

圖 17-4

P.390

電磁光譜，顯示每個區域中的輻射被吸收時發生之代表性分子過程。可見光 譜的波長範圍為 380 至 780 奈米（1 nm = 10^－9 m）。

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λ_max (nm) (logε) : 242(4.37)

logε = log A/bC

可見光∕紫外光分光 光譜儀

益弘儀器股份有限公司

實驗原理

 依據光電效應當物質遭受到光線的照射時，不同的光線能量會造成不 同的電子躍遷，而若吸收的光線在紫外光/可見光的範圍，即形成 UV/VIS 光譜。

 由於不同官能基，會有不同的吸收波長，因此藉由分析物質之UV/VIS 光譜，可以對物質之含有的官能基進行檢測

電子能量躍遷路徑

σ：單鍵鍵結 n：雙鍵以上的鍵結 π：

孤立電子對

 右圖是有機分子受到能量刺激時，分子 間電子發生躍遷的可能路徑‧

 大部份有機分子之電子在躍遷時主要以 n-> π*及π-> π*兩者路徑為主，其 吸收光譜範圍正落於UV/VIS之範圍 (200-700nm)

Spectrophotometer

單光束/雙光束光譜儀

single beam

double beam

圖 17-11

雙光束掃描分光光度計。入射光束藉由旋轉的光束分割器交替穿過 樣品槽與參考槽。

UV/VIS 儀器構造

圖 17-11

P.408

(a) Varian Cary 3E 紫外-可見光分 光光度計。(b) 光 學陣列的示意圖。

A: 光源 B: 偵測器 C: 容器平台

UV/VIS 儀器構造

 通常使用玻璃材質或石英材質，

由於玻璃材質在紫外光區域會有 吸收，所以測量大部分的有機物 質皆用石英材質。

 容器基本有兩種形式，一種為兩 面透光，另一種是四面透光，後 者主要是用於螢光的測量，其他 也有因應特殊規格的設計。

Cell

• 利用鎢燈(400-780nm)、氘燈(160-400nm)產生全光譜光源，

經過透鏡聚焦經過待測樣品後經過光柵分光而進入光電二 極體偵测器。

光源

圖 17-13

Lamp source( 190-900nm) 1.D₂ Lamp: 190-340 nm Guaranteed Time: 350 hr

Guaranteed Period : 6 months

2.WI Lamp : 340-900 nm Guaranteed Time: 1000 hr Guaranteed Period : 6 months

• 真空管光電管(Pototube)：最早期的設計

• 光電二極體(Photodiodes)：比真空管靈敏但比光電倍增管不靈敏。

(190-1100 nm)

• 光電倍增管(Photomultiplier Tube , PMT)：時下最常採用，穩定性高，

靈敏性強。(190-900 nm)

• 二極體陣列偵測器(Diode-Array Detector)： 為用於多波長式的分光光 度計，但靈敏度較差，持續照明會有輸出電流下降的狀況。

偵測器

當偵測器被光子撞擊時會產生電訊號。

顯示偵測器的響應與入射光子波長間的 關係。

光電倍增管（photomultiplier tube為 一非常靈敏的偵測器。

P.410

偵測器

圖 17-15

P.410

左：具有 9 個增益電極的光電倍增管示意圖。訊號放大 發生於增益電極上，其電位較前一個增益電極正約 90 伏 特。右：光電倍增管。

快速光譜的核心就在光序列二極體（photodiode array）。

光序列二極體分光光度計中，白光（含所有的波長）

經過樣品。

然後光束進入多光器（polychromator），將光線分散 出個別的組成波長並導引光線前往光序列二極體。

光序列二極體分光光度計

圖 17-16

光序列二極體具有 1024 個元件，每個元件為 25 μm 寬 與 2.5 mm 高。整個晶片有 5 cm 長。

圖 17-17

光序列二極體分光光度計

P.411

Diode-array spectrophotometer

D.R. Palleros, Experimental Organic Chemistry, p. 716.

儀器校正

依英國藥典(B.P.) 吸光度校正--重鉻酸 鉀

波長校正--過氯酸鈥(5% holmium

perchlorate)

應 用

(1) 在有機物質的測定上，最主要用於 具有芳香環結構及含有共軛雙鍵的化合 物

(2) 可進行化合物的鑑定結構分析,化合

物純度的檢驗等的定性及定量分析

UV 的應用

定量分析 比較法 檢量線法

定性分析

與標準品做比對 純度檢驗

結構分析

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Molecular Transitions for UV-Visible Absorptions

Sample吸收UV，引起價電子由基態 (ground state) 跳到激態 (excite state)。即σ，π，n (bonding orbital) → σ*或π* (antibonding orbital，反鍵結軌域) 。電子雲重新分配

UV-Visible Absorption Chromophores

官能基的鑑定

(1) σ→σ*:能量在遠紫外光區吸收，故飽和碳氫化合物在 紫外光區與可見光區不吸收，因此可作為UV分析中的溶劑，

例:乙醇<150 nm

(2) n →σ*:吸收峰一般位於150~250nm，此類吸收又稱為末 端吸收(end absorption) ，氧、氫、硫或鹵素原子均含有未 鍵結電子(n)，則有此類型的吸收。

含Br、I、S、N者，n → σ* λ> 200 nm 含F、Cl、O者，n →σ* λ< 200 nm

UV 光譜通常僅考慮與討論π→ π* 和n → π*:

(3) π→ π* : ε值都很大，屬於強吸收，其吸收峰 在紫外光區範圍內，不飽和分子皆有此吸收。 100 1st 24

(4) n → π*: 所須能量最小，其吸收峰在紫外光 區範圍內，其ε值不大，常在100以下，例如-C=O、- C=N等類分子。

UV中常用術語

發色團 (Chromophore): 含有π鍵的基團 (如:C=C，C=O 與NO₂)。

助色團 (Auxochrome): 具有未鍵結電子 (n電子) 的飽 和原子團 (如-OH，-NH₂，-Cl) ，與發色團連結後會使 其吸收波長及強度改變。

紅增色 ; 紅位移 (Bathochromic shift; red shift ) : 由於取代或溶劑的影響使吸收向較長的波長位移

紫增色 ; 藍位移 (Hypsochromic shift ; blue

shift) : 由於取代或溶劑的影響使吸收向較短的波長位 移^{100 1st 21}

Hyperchromic Shift: increase in absorption intensity

Hypochromic Shift: decrease in absorption

intensity

吸收帶

1. R 吸收帶 : n → π*, ex. C=O , N=N , C=S, 能量小, 波長較長, 吸收強度 弱, ε

值一般小於100

2. K 吸收帶 : 共軛π系統之π→π*, ex.

C=C C=C-, C=C--C=O λ

比R帶短，

ε

> 10

, 共軛体系的數目增加,K帶生紅位移

孤立π鍵之π→ π*不屬於K 吸收帶，且位於遠

紫外光區

LUMO : lower unoccupied molecular orbital HOMO : higher occupied molecular orbital

B 及E 吸收帶 :屬於芳香族及雜環芳 香族化合物的特性吸收帶

ex. P.83 fig.4.8)

下列二種化合物,可以利用紫外線吸收 光譜來區別

化合物 (I) 的兩個羰基不共軛,其吸 收光譜應為二個單羰基吸收光譜的相 加 (與丙酮相似),在270 nm 有一個 弱峰吸收帶,係由 n→π* 躍遷所產 生的,但莫耳吸光係數約為丙酮的二 倍.

化合物(II)的兩個羰基共軛,除在300 nm左右產生一個n→π* 躍遷之吸收 帶外,在400 nm左右還產生一個

n→π* 躍遷之吸收帶

H₃C

O

CH₃

O

H₃C

CH₃ O

O

I

II

影響吸收帶波長位置的因素

(1) 共軛效應

(2) 空間障礙效應 (3) 溶劑效應

(4) pH 效應

共軛效應

(a) 共軛雙鍵數加大的基團,其K帶,E2帶,B帶均產生紅位移, 因為π*軌域能階降低

ex. 丁二烯 C=C-C=C λ_max = 217 nm K 己三烯 C=C-C=C-C=C λ_max = 258 nm K P.78

(b)助色團加在發色團上使得R帶向短波移動

O

ex. CH3—C—H λ_max = 270 nm ε_max= 10

O

CH3—C—OH λ_max= 204 nm ε_max= 41

β-Carotene is perceived as red-orange, the complementary color of blue-green

Below is a rough table of wavelengths, colors and complementary colors^.

Wavelength (nm)

Color Complementary Color

400-424 Violet Green-yellow 424-491 Blue Yellow 491-570 Green Violet 570-585 Yellow Blue 585-647 Orange Cyan-Blue 647-700 Red Cyan

This can only be used as a very rough guide

For example beta-carotene has maximum absorption at 454 nm (blue light), consequently what visible light remains appears orange.

共軛增加 非增加助色團

空間效應

發色團與助色團處於同一平面上時, 共軛 效應最強, λ

,ε

值最大.

當立體障礙大時,共軛效應減弱,則λ

與ε

值均降低.

空間效應

CH₃

λ_max = 246 nm ε_max = 2x10⁴ λ_max = 228 nm ε_max= 6000

COOH

COOH

λ_max = 295 nm ε= 27000 λ_max = 280 nm ε= 13500

溶劑效應

溶劑極性增大

(a) R 帶 → 藍位移,因為含n電子之分子往 往與極性溶劑產生氫鍵

(b) K帶 → 紅位移,因為π*極性 >π極性, 極性溶劑使π→π*能階減少

(c) 吸收光譜中的精細結構 (fine

structure)消失. 溶劑極性增大,使得分子的

振動與轉動受到牽制

pH 效應

對酸鹼物質有明顯影響,因此改變溶劑pH並觀察 吸收帶的改變有助於結構的判斷

吸光係數大

λ_max ε_max λ_max ε_max 230 nm 8600 203 nm 7500 ^{100 1st 21} 280 nm 1430 254 nm 160

NH₂ + H⁺ NH⁺₃

aniline

basic ^acidic

λ_max ε_max λ_max ε_max 210 nm 6200 235 nm 9400 270 nm 1450 287 nm 2600

OH O ^- + H⁺

. .

phenol

basic

acidic

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圖 17-4

單光源光譜實驗示意圖。

穿透度（transmittance；T）為入射光穿透樣品的分率。

在化學分析上最常用的測量量為吸收度（absorbance；

A），其定義為

穿透度、吸收度與比爾定律

吸收度與樣品中光吸收分子的濃度成正比。

比爾定律（Beer’s law）：

ε 稱為莫耳吸收率（molar absorptivity）。

P0

A logT log bc P 

   

Beer’s 定律

單波長光源的吸收值正比於測定樣品的濃度與光徑 光徑固定時，樣品濃度與吸光值成正比

Po P

光徑 =b

樣品濃度 = c

A = abc

a = ^吸收係數

c A

Calibration curve for the analysis of nitrite. The  of 543 nm and b (the pathlength of the cell) are kept constant

定量分析的 作法

Beer 定律的限制

對於低濃度樣品(<0.01M)，可以完全符合，但在高濃度狀 況下，分子間距離縮小互相干擾情形下會造成線性關係的 偏差

當樣品溶液中有高濃度的其他成份或鹽類亦會造成干擾 當樣品在溶液中會進行結合、解離、水解與反應時

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