 | 紫外、可見及紅外光譜儀 |
http://www.chemedu.ch.ntu.edu.tw/lecture1/UV-Vis.htm台大化學系方俊民教授八十八學年度高中化學課程系列講座
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一、原理
電磁波光譜 (electromagnetic spectra)
平常所謂的光 (可見光) 只是電磁波中很小的一部份，X光、紫外光、紅外光、乃至核磁共振儀所用到的無線電波也都是電磁波的一部份。根據量子力學，電磁波是有波和粒子的雙重特性，而波的特性可用波長 l (以奈米nm為單位) 或頻率 u (以赫茲Hz，記每秒之週期數) 測量。
光速 c ＝ l u = 3 x 108 m/sec波數(cm-1) ＝ 1 / l能量 E ＝ N h u = 2.86 x 104 (kcal nm mol–1) / l (nm)(亞佛加厥常數 N ＝6 x 1023, 浦朗克常數 h ＝ 6.6 x 10-34 J/sec)紫外、可見、紅外光譜都屬於吸收光譜。互補色：溶液吸收某區域的可見光，而呈現顏色。其吸收強度A和溶液的吸收係數e ，溶液的濃度c和光徑 b成正比。Beer-Lambert Law：A ＝ e b c
吸收光區： 紅 橙 黃 綠 藍 紫 呈色： 綠 藍 紫 紅 橙 黃
Quiz 衣服增白劑的原理
紫外、可見光譜
紫外、可見光譜所相對應的物理變化是分子中的電子吸收，這些能量，可以由基本態能階躍遷到第一激發態能階，一般所測得到的是 p 電子及s電子(即未共用的電子對)的激發記錄。s電子需要更多能量才能激發，而這時s 鍵可能也斷裂了。紫外、可見光譜最主要的功能在顯示不飽和鍵間的共軛關係。不飽和鍵如碳碳雙鍵、三鍵、苯、碳氧雙鍵等，相互形成共軛的程度越大，則 p 或s電子躍遷所需的能量越小，主要的吸收就漸漸由紫外光區移入可見光區。
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l max 217 nm
| l max 219 nm | l max 274 nm |
(e = 21,000)
| l max 324 nm | (e = 50,000) |
Quiz 預測胡蘿蔔素(b -carotene)會吸收什麼光區?
Quiz 由比色法(colorimetry)測量溶液中金屬離子的濃度 。
可與Co3+，Ni2+，Zn2+，Cd2+，Cu2+，UO22+ 等錯合。 e = 105
Quiz 為什麼酚太(phenolphthalein) 在酸溶液中無色，而在鹼性溶液中呈現紅色?
3. 紅外光譜
紅外光譜所顯示的物理現象是分子的振動且產生偶極距變化的現象。分子是一直都在振動的，其中的化學鍵或伸張，或收縮，或彎曲，或復原，其吸收的能量正好在紅外光區。每個分子的振動態的能階不同，因而產生不同的紅外光譜，尤其在1500-700 cm-1 的分子指紋區，每種分子的吸收情形都不一樣。我們常用彈簧模型來描述化學鍵伸縮的頻率關係：(1) 連結的原子質量較輕者，振動頻率較大。(2) 較短較硬的鍵振動頻率較大。紅外光譜也常用來辨認分子構造中的官能基。
，疊烯
Quiz 一氧化碳會與血紅素連結而阻礙其攜帶氧氣的功能。化合物Fe(CO)5的紅外光譜顯示在2022和2000 cm-1的吸收帶。你能推論CO的鍵數嗎？為什麼有兩種吸收帶？
二、儀器設計
一般光譜儀的組成部分有(一)光源，(二)分光器，(三)樣品槽，(四)偵測器。其包含光學、電子、電氣和機械元件，新近的儀器都配合微電腦數據整理。儀器的類型分為單光束型和雙光束型(如圖)，紫外、可見、紅外光譜儀通常是使用連續光源，如電激低壓的氫氣可以產生紫外光區，鎢絲燈或電加熱稀土金屬氧化物可以產生可見光與紅外光，而雷射也可應用為光源。當連續光通過濾光鏡、稜鏡或光柵都可以達到分光(色散)的目的，因此能夠選擇單一波長的光(單色光)通過狹縫或樣品槽。樣品槽必須使用可透過該光區的材料製造，所以紫外、可見光譜要使用石英材質的樣品槽，而紅外光譜常用氯化鈉做容槽窗口。紫外、可見光譜的偵測器大多是轉變成電訊，而紅外光譜常利用熱偶極的溫度變化來偵測。
準備試樣檢測紫外、可見光譜時要留意溶液性質，溶液pH值，溫度都會影響吸收率，一般準備10-4 M的試樣濃度較適合(莫耳吸收度 e 約104)。 要檢測紅外光譜時，根據試樣的種類(氣體、純液體、溶液、固體)會有不同的處理方法。純液體常在(氯化鈉)鹽片塗上一層薄膜來檢測，固體常與溴化鉀混合磨細並壓成薄片來檢測。
Quiz 阿司匹靈(乙醯水楊酸)是常用於鎮痛、退燒、抗風寒的藥物，根據 ┌中華藥典┘ 的鑑別是按照紅外光譜與標準品比對。你能預測阿司匹靈和其原料水楊酸及醋酸酐的紅外光譜有何不同的吸收帶？
三、用途
(一) 決定化合物的構造
(二)醫學檢測
(三)農工產品材料檢驗
(四)環境偵測
例一、 生物體中的氧化還原反應
常可配合輔NAD / NADH 或NADP / NADPH 的變化來檢測。NAD是菸鹼醯腺嘌呤二核酸，其吸收峰lmax 260 nm (e = 106)，而其還原態NADH的吸收峰lmax 340 nm (e= 106)。
例二、 視覺
我們的視網膜上辨識明亮的細胞含有視紫質(rhodopsin) lmax 340 nm，由視蛋白(opsin)和11-順式視醛(11-cis retinal)，用亞胺鍵組成。當視紫質照光時，11-順式視醛轉變成11-反式視醛 (lmax 387 nm) 而與視蛋白分離。從紫外、可見光譜能夠檢測這兩種的變化，從消去紅外光譜能夠獲取視蛋白的變化，因此，我們可以對視覺現象提供生物化學的基礎解釋。
例三、偵測二氧化碳或Freon-12 的含量
我們可利用紅外光譜來偵測二氧化碳 (nmax = 2353 cm-1) 或Freon-12 (CCl2F2，nmax = 1099 cm-1) 的含量。當然在實驗操作時，CO2 或CCl2F2 的含量一定不高。那麼儀器的設計就要夠精良，如樣品槽可能要有一公尺的光徑，樣品要能不斷循環，傅氏轉換，微電腦等等都會需要。
例四Fourier 轉換紅外光譜
當兩波的相位差0度、360 度、或360度的整數倍時，形成最大的建設性干涉。當兩波的相位差為180度時或 (180 + 360 n) 度時，形成最大的破壞性干涉。任何重疊的波動無論多複雜，都可轉換成正弦與餘弦式子的總和，稱為Fourier 轉換，這必須倚靠計算機才能快速解析這數學方程式。目前Fourier轉換紅外光譜儀最常用Michelson干涉儀。傳統的光譜儀是以波的頻率為函數記錄，其信號雜訊比 (S/N) 是與量測次數 (n) 的平方根成比例，對較弱的信號需要長時間測量多次才能得到好的光譜圖。從500到5000 cm-1的紅外光譜，如果選用3 cm-1的解析度，而每一個解析單元需時0.5秒，則測量一次紅外光譜需 (5000-500) /3 x 0.5 = 750秒 = 12.5分鐘。若要改進信號雜訊比4倍，則需量測16次 (S/N = n1/2= 4)，即需200分鐘。使用Fourier 轉換光譜在不同點同時量測，則在750秒內可以記錄1500次 (750 / 0.5)，即信號雜訊比為 15001/2= 39倍，也就是說在較短的12.5分鐘內使用Fourier轉換光譜儀能獲得的信號靈敏度遠優於使用傳統光譜儀在200分鐘內所量測。
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