第五章_第1節(jié)_分子熒光與磷光

1、2021-10-18第五章第五章 分子發(fā)光分析法分子發(fā)光分析法第一節(jié)第一節(jié) 分子熒光與磷光分子熒光與磷光molecular fluorescence and phosphorescence第二節(jié)第二節(jié) 分子熒光與磷光分分子熒光與磷光分析法析法molecular fluorescence and phosphorescence analysis第三節(jié)第三節(jié) 化學發(fā)光分析化學發(fā)光分析法法chemiluminescenceanalysismolecular luminescenceanalysis 2021-10-18 分子發(fā)光分析法教學要求分子發(fā)光分析法教學要求 掌握分子熒光、磷光和化學發(fā)光的產(chǎn)生

2、機理；掌握激發(fā)光譜和發(fā)射光譜特征。 掌握熒光與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系以及溶液的熒光（磷光）強度影響因素。 了解熒光（磷光）分析法的特點及定量測定方法。 了解磷光分析法的類型。 了解熒光、磷光和化學發(fā)光分析儀器的結(jié)構(gòu)。2021-10-18第五章第五章 分子發(fā)光分析法分子發(fā)光分析法一、分子熒光與磷光產(chǎn)生過程一、分子熒光與磷光產(chǎn)生過程luminescence process of molecular fluorescence phosphorescence二、激發(fā)光譜與熒光光譜二、激發(fā)光譜與熒光光譜excitation spectrum and fluore-scence spectrum三、熒光的產(chǎn)生與分

3、子結(jié)構(gòu)關(guān)系三、熒光的產(chǎn)生與分子結(jié)構(gòu)關(guān)系 relation between fluorescence and molecular structure四、影響熒光強度的因素四、影響熒光強度的因素factor influenced fluorescence第一節(jié)第一節(jié) 分子熒光與磷光分子熒光與磷光molecular luminescenceanalysis molecular fluorescence and phosphorescence2021-10-18一、熒光與磷光的產(chǎn)生過程一、熒光與磷光的產(chǎn)生過程 luminescence process of molecular fluorescence

4、 phosphorescence 由分子結(jié)構(gòu)理論，主要討論熒光及磷光的產(chǎn)生機理。1. 1. 分子能級與躍遷分子能級與躍遷 分子能級比原子能級復雜； 在每個電子能級上，都存在振動、轉(zhuǎn)動能級； 基態(tài)(S0)激發(fā)態(tài)(S1、S2、激發(fā)態(tài)振動能級)：吸收特定頻率的輻射；量子化；躍遷一次到位； 激發(fā)態(tài)基態(tài)：多種途徑和方式；速度最快、激發(fā)態(tài)壽命最短的途徑占優(yōu)勢； 第一、第二、電子激發(fā)單重態(tài) S1 、S2 ； 第一、第二、電子激發(fā)三重態(tài) T1 、 T2 ；2021-10-182.2.電子激發(fā)態(tài)的多重度電子激發(fā)態(tài)的多重度 電子激發(fā)態(tài)的多重度：M=2S+1 S為電子自旋量子數(shù)的代數(shù)和(0或1)； 平行自旋比成對自

5、旋穩(wěn)定(洪特規(guī)則)，三重態(tài)能級比相應單重態(tài)能級低； 大多數(shù)有機分子的基態(tài)處于單重態(tài)； S0T1 禁阻躍遷；通過其他途徑進入(見能級圖)；進入的幾率小； 2021-10-182.2.激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)基態(tài)的能量傳遞途徑基態(tài)的能量傳遞途徑 電子處于激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定狀態(tài)，返回基態(tài)時，通過輻射電子處于激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定狀態(tài)，返回基態(tài)時，通過輻射躍遷躍遷(發(fā)光發(fā)光)和無輻射躍遷等方式失去能量；和無輻射躍遷等方式失去能量；傳遞途徑傳遞途徑輻射躍遷熒光延遲熒光磷光內(nèi)轉(zhuǎn)移外轉(zhuǎn)移系間跨越振動弛豫無輻射躍遷 激發(fā)態(tài)停留時間短、返回速度快的途徑，發(fā)生的幾率大，發(fā)光強度相對大；熒光熒光：10-710 -9 s,第一激發(fā)單重態(tài)單重

6、態(tài)的最低振動能級基態(tài)；磷光磷光：10-410s；第一激發(fā)三重態(tài)三重態(tài)的最低振動能級基態(tài)；2021-10-18S2S1S0T1吸吸收收發(fā)發(fā)射射熒熒光光發(fā)發(fā)射射磷磷光光系間跨越內(nèi)轉(zhuǎn)換振動弛豫能量l l 2l l 1l l 3 外轉(zhuǎn)換l l 2T2內(nèi)轉(zhuǎn)換振動弛豫2021-10-18非輻射能量傳遞過程非輻射能量傳遞過程 振動弛豫振動弛豫：同一電子能級內(nèi)以熱能量交換形式由高振動能級至低相鄰振動能級間的躍遷。發(fā)生振動弛豫的時間10 -12 s。 內(nèi)轉(zhuǎn)換內(nèi)轉(zhuǎn)換：當兩個電子能級非?？拷灾缕湔駝幽芗売兄丿B時,常發(fā)生電子由高能級以無輻射躍遷方式轉(zhuǎn)移至低能級。 外轉(zhuǎn)換外轉(zhuǎn)換：激發(fā)分子與溶劑或其他分子之間產(chǎn)生相互作

7、用而轉(zhuǎn)移能量的非輻射躍遷； 外轉(zhuǎn)換使熒光或磷光減弱或“猝滅”。系間跨越系間跨越：不同多重態(tài),有重疊的轉(zhuǎn)動能級間的非輻射躍遷。 改變電子自旋，禁阻躍遷，通過自旋軌道耦合進行。2021-10-18輻射能量傳遞過程輻射能量傳遞過程 熒光發(fā)射熒光發(fā)射：電子由第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動能級基態(tài)（ 多為 S1 S0躍遷），發(fā)射波長為 l 2的熒光； 10-710 -9 s 。 由圖可見，發(fā)射熒光的能量比分子吸收的能量小，波長長； l 2 l 2 l 1 ； 磷光發(fā)射磷光發(fā)射：電子由第一激發(fā)三重態(tài)的最低振動能級基態(tài)（ T1 S0躍遷）； 電子由S0進入T1的可能過程：（ S0 T1禁阻躍遷） S0 激發(fā)振動弛

8、豫內(nèi)轉(zhuǎn)移系間跨越振動弛豫 T1 發(fā)光速度很慢： 10-4100 s 。 光照停止后，可持續(xù)一段時間。2021-10-18S2S1S0T1吸吸收收發(fā)發(fā)射射熒熒光光發(fā)發(fā)射射磷磷光光系間跨越內(nèi)轉(zhuǎn)換振動弛豫能量l l 2l l 1l l 3 外轉(zhuǎn)換l l 2T2內(nèi)轉(zhuǎn)換振動弛豫2021-10-18 、熒光的一些基本問題、熒光的一些基本問題 (1)熒光分子的熒光分子的平均壽命平均壽命 = 1 / ( kf +K )K各種單分子的非輻射衰變過程的速率常數(shù)之總和各種單分子的非輻射衰變過程的速率常數(shù)之總和 kf熒光發(fā)射速率常數(shù)。熒光發(fā)射速率常數(shù)。1010-8-8-10-10-10-10s s 內(nèi)在壽命內(nèi)在壽命

9、0 （即（即K 為為0時的時的 ） 0 = 1 / kf 熒光強度衰變速率方程熒光強度衰變速率方程 It = I0 e - t / 或或 It - I0 = t / 2021-10-18 (2)熒光的量子產(chǎn)率熒光的量子產(chǎn)率 f 定義定義： 發(fā)射熒光的光子數(shù)吸收輻射的光子數(shù)發(fā)射熒光的光子數(shù)吸收輻射的光子數(shù) f = kf / ( kf +K ) f (0.11)有使用價值有使用價值 2021-10-18 4. 熒光、磷光與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系 影響熒光發(fā)射因素影響熒光發(fā)射因素 a. 強熒光物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點強熒光物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點 （）（） 比比 n 有利有利 f （）（） 共軛共軛 體系體系 f （）（） 剛

10、性平面結(jié)構(gòu)剛性平面結(jié)構(gòu) f （）（） 取代基影響取代基影響 給電子基團給電子基團 f 吸電子基團吸電子基團 f 取代基位置取代基位置: :鄰、對鄰、對f 重原子取代基重原子取代基f 2021-10-18b. 溶液環(huán)境因素溶液環(huán)境因素 （）溶劑（）溶劑 取決于熒光體和溶劑的化學結(jié)構(gòu)取決于熒光體和溶劑的化學結(jié)構(gòu) ( ( 溶劑熒光物成化合物溶劑熒光物成化合物, ,熒光分子電離熒光分子電離狀態(tài)改變狀態(tài)改變) ) f.max f.max f 都都有影響有影響 重原子溶劑存在時重原子溶劑存在時 f(p ) 外重原子效應外重原子效應 （）溫度（）溫度 T f（）（）pH pH 平衡解離關(guān)系存在平衡解離關(guān)系存

11、在f.max f.max f 均有影響均有影響2021-10-18二、激發(fā)光譜與熒光二、激發(fā)光譜與熒光( (磷光磷光) )光譜光譜 excitation spectrum and fluore-scence spectrum 熒光(磷光)：光致發(fā)光，照射光波長如何選擇？1.1.熒光熒光( (磷光磷光) )的激發(fā)光譜曲線的激發(fā)光譜曲線 固定測量波長(選最大發(fā)射波長),化合物發(fā)射的熒光(磷光)強度與照射光（激發(fā)光）波長的關(guān)系曲線（曲線I）。 激發(fā)光譜曲線的最高處，處于激發(fā)態(tài)的分子最多，熒光強度最大；2021-10-182.2.熒光光譜熒光光譜( (或磷光光譜或磷光光譜) ) 固定激發(fā)光波長(選最大

12、激發(fā)波長), 化合物發(fā)射的熒光(或磷光強度)與發(fā)射光波長關(guān)系曲線(圖中曲線II或III)。2021-10-18200260320380440500560620熒光激發(fā)光譜熒光激發(fā)光譜熒光發(fā)射光譜熒光發(fā)射光譜磷光光譜磷光光譜室溫下菲的乙醇溶液熒（磷）光光譜室溫下菲的乙醇溶液熒（磷）光光譜2021-10-183.3.激發(fā)光譜與發(fā)射光譜的關(guān)系激發(fā)光譜與發(fā)射光譜的關(guān)系 a.Stokesa.Stokes位移位移 激發(fā)光譜與發(fā)射光譜之間的波長差值。發(fā)射光譜的波長比激發(fā)光譜的長，振動弛豫消耗了能量。 b. .發(fā)射光譜的形狀與激發(fā)波長無關(guān)發(fā)射光譜的形狀與激發(fā)波長無關(guān) 電子躍遷到不同激發(fā)態(tài)能級，吸收不同波長的能

13、量(如能級圖l 2 ,l 1)，產(chǎn)生不同吸收帶，但均回到第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動能級再躍遷回到基態(tài)，產(chǎn)生波長一定的熒光(如l 2 )。 c. . 鏡像規(guī)則鏡像規(guī)則 通常熒光發(fā)射光譜與它的吸收光譜（與激發(fā)光譜形狀一樣）成鏡像對稱關(guān)系。 2021-10-18鏡像規(guī)則的解釋鏡像規(guī)則的解釋 基態(tài)上的各振動能級分布與第一激發(fā)態(tài)上的各振動能級分布類似； 基態(tài)上的零振動能級與第一激發(fā)態(tài)的二振動能級之間的躍遷幾率最大，相反躍遷也然。 2021-10-18200250300350400450500熒光激發(fā)光譜熒光激發(fā)光譜熒光發(fā)射光譜熒光發(fā)射光譜nm蒽的激發(fā)光譜和熒光光譜蒽的激發(fā)光譜和熒光光譜2021-10-18

14、三、熒光的產(chǎn)生與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系三、熒光的產(chǎn)生與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系 relation between fluorescence and molecular structure 1. 1.分子產(chǎn)生熒光必須具備的條件分子產(chǎn)生熒光必須具備的條件（1）具有合適的結(jié)構(gòu)；（2）具有一定的熒光量子產(chǎn)率。 熒光量子產(chǎn)率（）：吸收的光量子數(shù)發(fā)射的光量子數(shù) 熒光量子產(chǎn)率與激發(fā)態(tài)能量釋放各過程的速率常數(shù)有關(guān)，如外轉(zhuǎn)換過程速度快，不出現(xiàn)熒光發(fā)射；2021-10-182.2.化合物的結(jié)構(gòu)與熒光化合物的結(jié)構(gòu)與熒光（1）躍遷類型：* 的熒光效率高，系間跨越過程的速率常數(shù)小，有利于熒光的產(chǎn)生；（2）共軛效應：提高共軛度有利于增加熒

15、光效率并產(chǎn)生紅移（3）剛性平面結(jié)構(gòu)：可降低分子振動，減少與溶劑的相互作用，故具有很強的熒光。如熒光素和酚酞有相似結(jié)構(gòu)，熒光素有很強的熒光，酚酞卻沒有。（4）取代基效應：芳環(huán)上有供電基，使熒光增強。2021-10-182021-10-18四、影響熒光強度的因素四、影響熒光強度的因素 relation between fluorescence and molecular structure 影響熒光強度的外部因素1.1.溶劑的影響溶劑的影響 除一般溶劑效應外，溶劑的極性、氫鍵、配位鍵的形成都將使化合物的熒光發(fā)生變化；2.2.溫度的影響溫度的影響 熒光強度對溫度變化敏感，溫度增加，外轉(zhuǎn)換去活的幾率增

16、加。3. 溶液溶液pH 對酸堿化合物，溶液pH的影響較大，需要嚴格控制；2021-10-184.4.內(nèi)濾光作用和自吸現(xiàn)象內(nèi)濾光作用和自吸現(xiàn)象 自吸現(xiàn)象自吸現(xiàn)象：化合物的熒光發(fā)射光譜的長波長端與其吸收光譜的短波長端重疊，產(chǎn)生自吸收；如蒽化合物。 內(nèi)濾光作用內(nèi)濾光作用：溶液中含有能吸收激發(fā)光或熒光物質(zhì)發(fā)射的熒光，如色胺酸中的重鉻酸鉀；2021-10-185.5.溶液熒光的猝滅溶液熒光的猝滅 1、碰撞猝滅（動態(tài)碰撞猝滅（動態(tài)猝滅猝滅）：處于激發(fā)單重態(tài)的熒光分子與猝滅劑分子相碰撞，使激發(fā)單重態(tài)的熒光分子以無輻射躍遷的方式回到基態(tài)，產(chǎn)生猝滅作用。 2、靜態(tài)猝滅（組成化合物的猝滅）：靜態(tài)猝滅（組成化合物的猝滅）：由于部分熒光物質(zhì)分子與猝滅劑分子生成非熒光的配合物而產(chǎn)生的。此過程往往還會引起溶液吸收光譜的改變。2021-10-18 3、轉(zhuǎn)入三重態(tài)的猝滅：、轉(zhuǎn)入三重態(tài)的猝滅：