可見光紫外光分光光譜儀(UV/VIS Spectophotometer)

益弘儀器股份有限公司

光 譜 學 基 本 原 理

電 磁 幅 射 的 性 質

波長 (wavelength ， λ) ：由一波上的某一點到相鄰波之對應點的直線距離，單位 nm 。

頻率 (frequency ， ν) ：單位時間內所通過波的數目，單位 Hz 。

波數 (wavenumber) ：每公分長度所通過的波之數目，為波長的倒數。

電磁幅射區域的劃分

電磁輻射不同區域波長對物質的影響

電磁幅射區域 波長 (nm) 性質的影響 - 射線 5 x 10-14 ~ 0.14 原子核x – 射線吸收 0.01 ~ 10 內層電子真空 UV 吸收 10 ~ 180 鍵結電子UV/Vis 吸收 180 ~ 780 鍵結電子IR 吸收 780 ~ 3 x 105 分子旋轉震動微波吸收 7.5 x 105 ~ 3.75 x 106 分子旋轉無線電波 0.6 ~ 10 m 核子自旋

吸 收 光 譜 吸收 (absorption) 是指在透明介質中的化學物種選擇性的減弱某些頻率的電磁幅射的過程

原子吸收光譜原子吸收光譜：當一束紫外光或可見光照射一氣態原子樣品時，可得到許多狹窄的吸收譜線

分子吸收光譜 分子吸收光譜除了電子轉移的光譜外，還包含化學鍵結產生的振動及轉動能階光譜，因此比原子吸收光譜複雜許多

在溶液中，吸收樣品被溶液分子包圍，互相的碰撞使能量分散，因此產生平滑而連續的吸收峰

基態

C OH

H

=δ==n

甲醛之分子軌域 電子分子能階圖

能

量

*

*δ n

* n

δ

n

*

δ*

鍵結

鍵結未鍵結

反鍵結反鍵結

電子分子跳躍能階

<200 nm 150~250nm160~200nm >190nm

UV Absorption of Conjugated Alkenes

*

max 175 217 258

15,000 21,000 35,000

E

Increasing conjugation gives:• longer wavelength absorption• more intense absorption

帶色團：能在一分子中導致在 200 - 1000 nm 的光譜區內產生特性吸收帶的具有 不飽和鍵與共用電子對的官能基， 只要含有帶色基團在 200-1000nm 的 光譜區就有吸收。

助色團：僅含未共用電子對，本身不吸光， 但會增強帶色團分子的吸光強度。

分子基團的吸收

碳 /碳或碳氫單鍵中，為共價鍵的結合，要激發這些鍵結需要更高的能量，往往在波長 180 nm 以下，在這個波長以下石英液槽及空氣中成份皆會吸光 ，所以必須抽真空裝置及更換其他材質液槽。

含有機分子之雙鍵及參鍵中的電子結合較不緊密，所以不飽和鍵通常在 190 - 1000 nm 光譜區通常有吸光。

週期表第二列有色金屬在可見光區皆有吸收 如雜有氧、氮、硫或鹵素的飽和性有機化物，在 170 - 250 nm 有吸收 (n δ* ) 。

帶色基團：

助色基團：

Substituent Effects on Aromatic Absorption

255 nm band is sensitive to electron density of aromatic ring

OH OCH3

270 nm ( 1,450) 287 nm ( 2,600)

OC

O

CH3

258 nm ( 250)

PHENOL ANISOLE PHENYL ACETATE

Electron densityRed = highest Green = moderate

穿透率 (Transmittance) ：光穿透介質的比率，通常以百分比 T% 表示

吸收值 (Absorbance) ： - log10T

Po P

T = %PPo

A = logPoP

液槽

Beer 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

Beer’s Law

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 非單波長幅射 儀器不完美

A = log

log

pP

溶劑

溶液

PoP

紫外光可見光分光譜儀儀器簡介

物質因化學結構不同，在不同波長吸光的能力差異，使每一種物質都有自己的獨特吸收光譜圖，測量吸收光譜的儀器稱為分光光度計 (Spectrophotometer)

分光光度計特點：(1) 簡單、快速、方便(2) 高靈敏度：可偵測到 10 -7M(3) 準確性高：相對誤差只有零點幾%(4) 選擇性高：不需對樣品作太多的前處理(5) 應用廣泛：有機物、無機物及重金屬，非吸收 性物質亦可經衍生化反應轉變為可 偵測物質

(1) 光源

(2) 波長選擇器

(3) 樣品室

(4) 偵測器

(5) 訊號處理軟體

分光光度計的基本結構

(1)

(2)

(3) (4)

(5)

單光束儀器結構圖：

雙光束儀器結構圖 (1) ：

雙光束儀器結構圖 (2) ：

光 源

鎢絲燈：產生可見光及近紅外光，光源的能量與溫 度有關，可使用波長約 320 - 2500 nm。部 份產品燈內充填碘蒸器，用來增加光源強 度及效能。

H2及 D2燈：燈內充填H2或D2氣體，外部為石英材 質，發射的光源波長在 160 - 375 nm 為 主。D2燈比 H2燈有更強的能量，所以 較常被使用。其在可見光區所產生的特 性吸收波峰。常被用來做為胚波長較正 使用。

氘燈：波長範圍 250 - 600 nm

波長選擇器 為一連串反鏡射、狹縫及單光器所組成

所有的鏡片皆以石英或玻璃鍍膜材質為主

單色器 (Monochromators)

主要分為三稜鏡與光柵；在光線進入的前端有時會加入干涉或吸收濾光片，以加強效果減少干擾。

三稜鏡為較早期簡單的設計，許多低階的分光光度計仍採用此一設計。不同波長下擴散的狀況皆不同，越高波長分光越不足。

光柵為在透鏡上每 mm 刻蝕 300 - 2000 條溝痕，每條刻痕必須相同大小深度及平行。分光效果均勻且穩定。

兩 種 類 型 單 色 器

常見的單色器組合 (1)

Littrow 型式 Ebert-Fastie 型式

Czernry-Turnery 型式

常見的單色器組合 (2)

Seya-Namioka 型式

狹縫寬度：

狹縫的大小控制影響數質的分析，大的狹縫寬度代表較強的光源，同時伴隨光譜細節的損失，較常用於定量分析；

小的狹縫寬度可更清楚的獲得光譜細節，但光緣能量較弱。

不同狹縫寬度的比較

1 nm 0.5 nm 0.1 nm

0.5 nm

1 nm

2 nm

較小的狹縫代表較佳的解析度相對帶來較低的能量

點矩陣光電二極體分光光度計系統

樣 品 槽 樣品槽的大小決定待測樣品體積的限制 樣品槽必需有多種儀器附件來配合，如此可增加儀器使用的彈性。常用的附件如：標準液槽座、 10公分液槽座、溫控槽座、微量液槽座、自動取樣設備、流動液槽座、固體夾片座 .....等。

樣品槽座必需完全遮光，以免受到干擾。

偵 測 器 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。

訊號處理軟體必須能執行一般檢測所需用到功能波長掃描 (WL scan)單波長測定檢量線的製作Kinetic波長及基線校正多個單波長偵測

應 用

分析條件的設定液槽的選擇：材質、容積、光徑溶液的選擇：溶液之吸光值、極性、純度、 溶解度 .....等

樣品的處理：均勻無懸浮顆粒、適當濃度、 減少不純物

波長的選擇：查詢報告、選擇最大吸收波 長、調整適當的狹縫寬度。

樣品溶劑的選擇

選擇溶劑時需考慮(1) 樣品對溶劑的溶解度(2) 溶劑的吸光值(3) 溶劑的純度(4) 溶劑是否含其他 干擾物質(5) 溶劑的 PH 質(6) 溶劑是否會和樣品反應(7) 是否需要避光(8) 溶液的極性

PH 的影響

pH Effects on Aromatic Absorption

OH Obase

270 nm ( 1,450) 287 nm ( 2,600)

280 nm ( 1,430) 254 nm ( 160)

NH2 NH3

Phenoxide ionElectrostatic potential map

Anilinium ionElectrostatic potential map

溶液吸光一覽表 不同溶劑對樣品光譜的影響

探針式光度計 (dipping-type photometer ) :

採用光纖來傳送光源，探針內有兩條光纖，一為光源輸入，另一為光源接收。

U-2001 UV-Vis Spectrophotometer

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U-2010 UV-Vis Spectrophotometer--------------------------------------------------------------------------------

U-3010/3310 UV-Vis Spectrophotometer

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U-4100 UV-Visible-NIR Spectrophotometer

儀 器 保 養

液 槽材質： PA、玻璃及石英。溶量： 10、 5、 3、1、 0.5、 0.1、 0.05、 0.02 ml等規格。

使用範圍： PA及玻璃用於可見光，石英用於 可見光及紫外光。

注意事項：液槽平時需用水、甲醇或乙醇清 洗，使用後、充份清洗晾乾備　　　　　　用。避免殘留樣品、指紋或油脂 不可使用超音波清洗或用烘箱烘 乾。

儀 器 環 境 不可過於潮濕，或接近水源。 不放置在有振動的桌面。 儀器使用電源不可與馬達類機器共用。遠離發熱源。 不要使用有腐蝕性有機溶劑 樣品內有易揮發或腐蝕性藥品時，注意不要外漏，測定時要加蓋，測定完立刻拿走。