儀器分析第五章--分子發(fā)光分析(2010年修改稿)

1、 基態(tài)分子吸收一定能量，躍遷至激發(fā)態(tài)，當(dāng)激發(fā)態(tài)分子將其能量釋放返回基態(tài)時(shí)，產(chǎn)生分子發(fā)光。依據(jù)激發(fā)的模式不同，分為：u熱致發(fā)光u場(chǎng)致發(fā)光觀察到紫外和可見(jiàn)光照射到某些物質(zhì)時(shí)，會(huì)發(fā)出不同強(qiáng)度的光，而當(dāng)照射停止時(shí)，物質(zhì)的發(fā)光就隨之很快消失。，給出了上述現(xiàn)象的解釋：分子熒光。，熒光分析儀器才面世。靈敏度高，檢出限通常比分光光度法低2-4個(gè)數(shù)量級(jí)； 基態(tài)(S0)激發(fā)態(tài)(S1、S2、激發(fā)態(tài)振動(dòng)能級(jí))：吸收特定頻率的輻射；躍遷一次到位。 激發(fā)態(tài)基態(tài)(S0)：多種途徑和方式；。 電子激發(fā)態(tài)的多重度： S為電子自旋量子數(shù)的矢量代數(shù)和。 大多數(shù)分子含有，因此S為0或1 ，M為1時(shí)單重態(tài)(S)、M為3時(shí)三重態(tài)(T)。

2、：平行自旋比成對(duì)自旋穩(wěn)定，三重態(tài)能級(jí)比相應(yīng)單重態(tài)能級(jí)低； 大多數(shù)有機(jī)分子的基態(tài)處于單重態(tài)。 電子處于激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定狀態(tài)，返回基態(tài)時(shí)，通過(guò)和等方式失去能量。輻射躍遷傳遞途徑傳遞途徑熒光熒光延遲熒光延遲熒光磷光磷光無(wú)輻射躍遷內(nèi)轉(zhuǎn)化內(nèi)轉(zhuǎn)化外轉(zhuǎn)化外轉(zhuǎn)化系間竄躍系間竄躍振動(dòng)弛豫振動(dòng)弛豫u 同一電子能級(jí)內(nèi)以熱能量交換形式由高振動(dòng)能級(jí)至低相鄰振動(dòng)能級(jí)間的躍遷。發(fā)生振動(dòng)弛豫的時(shí)間10-12-10-14 s。相同多重態(tài)的電子能級(jí)之間的非輻射躍遷。內(nèi)轉(zhuǎn)化過(guò)程的速率在很大程度上決定于相關(guān)能級(jí)之間的能量差，相鄰單重激發(fā)態(tài)之間能級(jí)較近，其振動(dòng)能級(jí)常發(fā)生重疊，內(nèi)轉(zhuǎn)化很快。u 第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)基態(tài)：熒光（10-

3、710-9 s）；u 第一激發(fā)三重態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)基態(tài)：磷光（10-410 s）。 通常不論分子被激發(fā)到哪一個(gè)電子激發(fā)態(tài)，在10-12-10-14 s內(nèi)通過(guò)內(nèi)轉(zhuǎn)換和振動(dòng)弛豫，都會(huì)躍遷到第一激發(fā)態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)。激發(fā)分子與溶劑或其他分子之間產(chǎn)生相互作用而轉(zhuǎn)移能量的非輻射躍遷； 不同多重態(tài)、有重疊的振動(dòng)能級(jí)間的非輻射躍遷。改變了電子自旋方向，屬于禁阻躍遷，因而躍遷速率小得多，使得三重態(tài)有較長(zhǎng)的壽命，約為10-4-10 s，發(fā)出S2S1S0T1吸收發(fā)射熒光發(fā)射磷光系間竄躍內(nèi)轉(zhuǎn)化振動(dòng)弛豫能量l l 2l l 1l l 3 外轉(zhuǎn)化l l 2振動(dòng)弛豫吸收 電子由第一激發(fā)單重態(tài)最低振動(dòng)能級(jí)基態(tài)，發(fā)射波長(zhǎng)為

4、l l 2的熒光； 10-710 -9 s 。 由上圖可見(jiàn)， u電子由第一激發(fā)三重態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)基態(tài)（T1S0躍遷）。uS0 T1屬于禁阻躍遷，不能發(fā)生，電子由S0進(jìn)入T1的可能過(guò)程：u發(fā)光速度很慢： 10-310 s ；光照停止后，可持續(xù)一段時(shí)間。 (選最大發(fā)射波長(zhǎng))，化合物發(fā)射的熒光(磷光)強(qiáng)度與激發(fā)光波長(zhǎng)的關(guān)系曲線 。 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(qiáng)度最大，作為最大激發(fā)波長(zhǎng)。熒光(磷光)：光致發(fā)光，激發(fā)光波長(zhǎng)如何選擇？ (選最大激發(fā)波長(zhǎng)), 化合物發(fā)射的熒光(或磷光)強(qiáng)度與熒光測(cè)量波長(zhǎng)的關(guān)系曲線。200260320380440500560620熒光激發(fā)光譜熒光激發(fā)光

5、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 激發(fā)光譜與發(fā)射光譜之間的波長(zhǎng)差值。 電子躍遷到不同激發(fā)態(tài)能級(jí)，吸收不同波長(zhǎng)的能量，但均回到第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)再躍遷回到基態(tài)，產(chǎn)生波長(zhǎng)一定的熒光。 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(duì)稱關(guān)系。 200250300350400450500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u基態(tài)各振動(dòng)能級(jí)分布與第一激發(fā)態(tài)上的各振動(dòng)能級(jí)分布類似。u從基態(tài)最低振動(dòng)能級(jí)躍遷至第一激發(fā)態(tài)各振動(dòng)能級(jí)吸收的激發(fā)光波長(zhǎng)間隔與從第

6、一激發(fā)態(tài)返回基態(tài)各振動(dòng)能級(jí)發(fā)射的熒光波長(zhǎng)間隔相似！吸收的光量子數(shù)發(fā)射的光量子數(shù)激發(fā)態(tài)分子數(shù)發(fā)熒光的分子數(shù)f 熒光效率，如外轉(zhuǎn)換過(guò)程速度快，不出現(xiàn)熒光發(fā)射。 激發(fā)態(tài)分子是以輻射躍遷還是非輻射躍遷回到基態(tài)，決定了物質(zhì)是否能發(fā)熒光。通常以來(lái)描述輻射躍遷概率的大小。ifffKKK熒光發(fā)生過(guò)程的速率常數(shù)，主要取決于分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)；非輻射躍遷的速率常數(shù)之和，主要取決于化學(xué)環(huán)境，同時(shí)也和化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)；u具有分析應(yīng)用價(jià)值的熒光化合物，其u具有合適的結(jié)構(gòu)；u具有一定的熒光量子產(chǎn)率。u分子只有能夠吸收紫外-可見(jiàn)光，才有可能發(fā)熒光。，共軛體系越大，電子的離域性越強(qiáng)，越易被激發(fā)產(chǎn)生熒光。u萘熒光效率為0.29，熒光波

7、長(zhǎng)為310 nm，而蒽熒光效率為0.46，熒光波長(zhǎng)為400 nm。u剛性平面結(jié)構(gòu)可減少分子的振動(dòng)和碰撞去活的可能性，=0.92很小=1=0.18u有機(jī)配位劑與金屬離子形成后熒光大大增強(qiáng)，也可用平面剛性結(jié)構(gòu)的影響來(lái)解釋。如-OH、-NH2、-NR2、-OR等可使共軛體系增大，導(dǎo)致熒光增強(qiáng)；如-COOH、-NO、-NO2等使熒光減弱；隨原子序數(shù)的增加，熒光減弱，而磷光增強(qiáng)。這是由于“”，重原子中能級(jí)交叉現(xiàn)象嚴(yán)重，容易發(fā)生自選軌道偶合作用，使S1T1的系間竄躍顯著增加。 電子激發(fā)態(tài)比基態(tài)有更大的極性。溶劑的極性增強(qiáng)，對(duì)激發(fā)態(tài)會(huì)產(chǎn)生更大的穩(wěn)定作用，結(jié)果使物質(zhì)的熒光波長(zhǎng)紅移，熒光強(qiáng)度增大。 例如：奎寧在

8、苯、乙醇和水中熒光效率相對(duì)大小為1、30、1000u因此，對(duì)于大多數(shù)熒光物質(zhì)，升高溫度會(huì)使非輻射躍遷概率增大，熒光效率下降。u由于三重態(tài)壽命比單重態(tài)更長(zhǎng)，溫度對(duì)于磷光的影響比熒光更大。大多數(shù)含有酸性或堿性取代基團(tuán)的芳香族化合物的熒光性質(zhì)受溶液pH值的影響很大。熒光物質(zhì)處于更有序的膠束微環(huán)境中，對(duì)處于激發(fā)單重態(tài)的分子起保護(hù)作用，減小非輻射躍遷的概率，提高熒光效率。氧分子具有順磁性質(zhì)，使系間竄躍速率加大，熒光效率降低。其它順磁物質(zhì)也有這種作用。：化合物的熒光發(fā)射光譜的短波長(zhǎng)端與其吸收光譜的長(zhǎng)波長(zhǎng)端重疊，產(chǎn)生自吸收；如蒽化合物。：溶液中含吸收激發(fā)光或熒光物質(zhì)。激發(fā)態(tài)分子之間的碰撞，導(dǎo)致非輻射躍遷概率

9、增加，熒光效率下降。溶解氧、產(chǎn)生重原子效應(yīng)的溴化物、碘化物等。熒光自吸收現(xiàn)象。u 熒光分析法特點(diǎn)；u 輻射躍遷、非輻射躍遷的形式及各自特點(diǎn)；u 熒光效率定義及特點(diǎn)；u 分子結(jié)構(gòu)對(duì)熒光的影響；u 自吸現(xiàn)象及熒光淬滅。 測(cè)量熒光的儀器主要由四個(gè)部分組成：激發(fā)光源、樣品池、雙單色器系統(tǒng)、檢測(cè)器。u單色器：光柵；u光源：氙燈、高壓汞燈，染料激光器；u檢測(cè)器：光電倍增管。 儀器光路圖 同步掃描可分為固定波長(zhǎng)差、固定能量差、可變波長(zhǎng)三種。譜帶變窄，減少光譜重疊，提高分辨率。酪氨酸和色氨酸激發(fā)光譜相似，熒光發(fā)射光譜嚴(yán)重重疊，ll60 nm時(shí)，只顯示色氨酸特征光譜，實(shí)現(xiàn)分別測(cè)定。 熒光計(jì)上配上即可對(duì)磷光進(jìn)行測(cè)

10、量。在有熒光發(fā)射的同時(shí)測(cè)量磷光。借助于熒光和磷光壽命的差別，將熒光隔開(kāi)。熒光強(qiáng)度 If正比于吸收的光量Ia和熒光量子效率 ： If = Ia 由朗-比耳定律： If = I0(1-10-A ) = I0(1-e-2.3A ) ，括號(hào)項(xiàng)近似處理后： If = 2.3 I0 l c = Kc配制一系列標(biāo)準(zhǔn)濃度試樣測(cè)定熒光強(qiáng)度，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，再在相同條件下測(cè)量未知試樣的熒光強(qiáng)度，在標(biāo)準(zhǔn)曲線上求出濃度。 在線性范圍內(nèi)，測(cè)定標(biāo)樣和試樣的熒光強(qiáng)度，比較。u鈹、鋁、硼、鎵、硒、鎂、稀土常采用熒光分析法u氟、硫、鐵、銀、鈷、鎳采用熒光熄滅法測(cè)定u銅、鈹、鐵、鈷、鋨及過(guò)氧化氫采用催化熒光法測(cè)定u鉻、鈮、鈾、碲采

11、用低溫?zé)晒夥y(cè)定u鈰、銪、銻、釩、鈾采用固體熒光法測(cè)定 u 熒光分光光度計(jì)組成及特點(diǎn)；u 熒光分析定量依據(jù)。 在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，某些化合物接受能量被激發(fā)，從激發(fā)態(tài)返回基態(tài)時(shí)，發(fā)射出一定波長(zhǎng)的光。 A +B = C + D* D* D + h u能夠發(fā)光的化合物大多為；u化學(xué)發(fā)光反應(yīng)多為，激發(fā)能與反應(yīng)能相當(dāng)： E=170300 kJ/mol，位于可見(jiàn)光區(qū)；u發(fā)光持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行；u 化學(xué)發(fā)光反應(yīng)存在于生物體（螢火蟲(chóng)、海洋發(fā)光生物）中，稱。emcecl 參加反應(yīng)的分子數(shù)參加反應(yīng)的分子數(shù)發(fā)射光子的分子數(shù)發(fā)射光子的分子數(shù)參加反應(yīng)分子數(shù)參加反應(yīng)分子數(shù)激發(fā)態(tài)分子數(shù)激發(fā)態(tài)分子數(shù) ce 激發(fā)態(tài)分子數(shù)

12、激發(fā)態(tài)分子數(shù)產(chǎn)生光子數(shù)產(chǎn)生光子數(shù) em 某時(shí)刻t 的化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度（單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射光子數(shù)）： tctIddclcl cttcttIAttcl0cl0cldddd（1）一定條件下，峰值光強(qiáng)度與被測(cè)物濃度成線性；（2）一定條件下，曲線下面積為發(fā)光總強(qiáng)度(S)，其與被測(cè)物濃度成線性： NO + O3 NO2* NO2* NO2 + h 發(fā)射的光譜范圍：600875 nm，靈敏度1 ng/cm-3； O3 O2 + O （1000 C石英管中進(jìn)行） SO2 + O + O SO2* + O2 SO2 * SO2* + h 最大發(fā)射波長(zhǎng)：200 nm；靈敏度1 ng/cm-3； u發(fā)光反應(yīng)速度慢，某些金屬離子可催化反應(yīng)；利用這一現(xiàn)象可間接測(cè)定這些金屬離子。u可檢測(cè)低至 10-9 mol/L 的H2O2；u間接測(cè)定某些生物試樣。熒光