在浏览器中解读紫外-可见光谱：λmax、朗伯-比尔定律、颜色与 Tauc 带隙

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为什么要用浏览器查看器处理 UV-Vis 数据？

UV-Vis 是实验室中最快的测量之一。慢的是之后的工作：你拿到一个文件，需要 λmax、摩尔吸光系数、一张图或一个带隙。在电子表格中，这意味着换算单位、凭肉眼找最大值、手动作图。查看器在一个页面上完成这些步骤，无需安装任何东西。

原理简介

λmax。当电子跃迁到更高的轨道时（如 π→π* 或 n→π* 跃迁），分子会吸收紫外光和可见光。λmax 是某个吸收带吸收最强的波长。共轭越长，λmax 越向长波方向移动。β-胡萝卜素有十一个共轭 C=C 键，吸收可见光区的蓝光部分。

要在测量之前大致了解化合物应在哪里吸收，可以用 Spectroscopy 插件根据绘制的结构预测 UV-Vis 吸收带。

朗伯-比尔定律。吸光度 A = εcl，其中 ε 是摩尔吸光系数（L mol⁻¹ cm⁻¹），c 是浓度（mol/L），l 是光程（cm）。另外，A = −log₁₀T。该定律对稀溶液最适用。

颜色。样品呈现的颜色是它所吸收光的互补色。吸收蓝光的溶液看起来是黄色的。吸收绿光的溶液（如高锰酸盐）看起来是紫色的。

Tauc 图。对于半导体，直接允许跃迁以 (αhν)² 对光子能量 hν 作图，间接允许跃迁以 (αhν)^1/2 作图。把吸收边的直线部分外推到零，交点即为光学带隙 Eg 的估计值。

可以打开的文件

• JCAMP-DX（.jdx、.dx）。查看器从文件中读取 x 和 y 的单位。
• CSV 或 TXT，两列数据。x 列可以是 nm、µm、cm⁻¹ 或 eV。y 列可以是吸光度或透过率。没有表头时，查看器会根据数值推测。

一次选择多个文件即可叠加显示。想练习的话，可以使用模拟示例或下载示例 .jdx。

分步分析光谱

1. 点击打开 UV-Vis 文件，或把文件拖到框中。也可以点击示例：β-胡萝卜素、KMnO4、染料系列（5 个浓度）、ZnO 带隙或示例 .jdx 文件。
2. y 轴选择吸光度或 %T，x 轴选择 nm、eV 或 cm⁻¹。
3. 查看 λmax 峰表。它给出每个峰以 nm、eV 和 cm⁻¹ 表示的位置，以及吸光度和颜色。如果漏掉了肩峰或出现了小的起伏，请移动峰显著度滑块。
4. 在朗伯-比尔框中，输入光程 l（cm）和以 mol/L、mmol/L 或 µmol/L 为单位的浓度，即可得到 ε 和 log ε。或者输入 ε 求浓度。点击表格中的某一行或图上某处可改用其他波长。重新使用 λmax 可切换回来。
5. 求带隙时，打开 Tauc 图与带隙，选择跃迁类型，然后点击自动拟合，或自行输入拟合起点（eV）和终点。
6. 点击导出 PNG、导出 CSV 或 Tauc 图 PNG。

查看器的功能

课堂和实验室中的用法

• 共轭与颜色：载入 β-胡萝卜素，然后勾选添加到图中而不是替换，再载入 KMnO4。比较两者的吸收位置，以及为什么一个看起来是黄色、另一个是紫色。
• 验证朗伯-比尔定律：载入染料系列。按名称依次选中每条光谱并输入其浓度。如果定律成立，每次得到的 ε 应大致相同。
• 未知浓度：输入由校准曲线或文献得到的 ε，即可求出 c。
• 半导体薄膜：用 ZnO 示例学习 Tauc 方法，然后打开你自己的薄膜光谱。对于有机半导体，可以把这个光学带隙与循环伏安查看器中 HOMO 和 LUMO 估算得到的电化学带隙进行比较。
• 实验报告：导出 PNG 作为插图，导出 CSV 作为数据。

技巧与局限

• 请在分光光度计上测量溶剂空白。查看器不会扣除空白。
• 大吸收带上较弱的肩峰可能不会显示为峰。
• Tauc 图用吸光度代替吸收系数 α。用来找直线与零的交点时这没有问题。对于用漫反射测量的粉末，打开文件前请先转换为 Kubelka–Munk 函数。
• 报告 Eg 之前，请检查着色的拟合范围和 R²。换一个范围可能得到另一个结果。
• 颜色仅供参考。实际颜色还取决于吸收带宽度、浓度和光源。
• CSV 会把所有可见光谱都放在第一条光谱的 x 值上，因此网格不同的光谱会被插值。

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