武漢大學(xué)分析化學(xué)分子光譜ppt課件

1、九九 分子發(fā)光熒光、磷光和化學(xué)發(fā)光分子發(fā)光熒光、磷光和化學(xué)發(fā)光基于價(jià)電子的躍遷基于價(jià)電子的躍遷9.1 熒光和磷光光譜法熒光和磷光光譜法S2S1S0T1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 2l 2l 1l 1l 3l 3 外轉(zhuǎn)換l l 2 2T2內(nèi)轉(zhuǎn)換振動弛豫1 熒光和磷光的產(chǎn)生熒光和磷光的產(chǎn)生輻射躍遷輻射躍遷熒光：熒光：10-710 -9 s,第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動能級第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動能級基態(tài)；基態(tài)；磷光：磷光：10-410s；第一激發(fā)三重態(tài)的最低振動能級；第一激發(fā)三重態(tài)的最低振動能級基態(tài)；基態(tài)；非輻射躍遷非輻射躍遷 振動弛豫：同一電子能級內(nèi)以熱能量

2、交換方式由高振動能級至低相鄰振振動弛豫：同一電子能級內(nèi)以熱能量交換方式由高振動能級至低相鄰振 動能級間的躍遷。動能級間的躍遷。內(nèi)轉(zhuǎn)換：同多重度電子能級中內(nèi)轉(zhuǎn)換：同多重度電子能級中, ,等能級間的無輻射能級交換。等能級間的無輻射能級交換。外轉(zhuǎn)換：激發(fā)分子與溶劑或其他分子之間產(chǎn)生相互作用而轉(zhuǎn)移能量的非輻外轉(zhuǎn)換：激發(fā)分子與溶劑或其他分子之間產(chǎn)生相互作用而轉(zhuǎn)移能量的非輻 射躍遷；射躍遷； 外轉(zhuǎn)換使熒光或磷光減弱或外轉(zhuǎn)換使熒光或磷光減弱或“猝滅。猝滅。系間跨越：不同多重態(tài)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。有重疊的轉(zhuǎn)動能級間的非輻射躍遷。 改動電子自旋，禁阻躍遷，經(jīng)過自旋改動電子自

3、旋，禁阻躍遷，經(jīng)過自旋軌道耦合進(jìn)軌道耦合進(jìn)展。展。2 熒光與分子構(gòu)造的關(guān)系熒光與分子構(gòu)造的關(guān)系熒光量子產(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(猝滅)速度快，不出現(xiàn)熒光發(fā)射化合物構(gòu)造與熒光的關(guān)系化合物構(gòu)造與熒光的關(guān)系1躍遷類型：躍遷類型：* 的熒光效率高，系間跨越過程的速率常數(shù)小的熒光效率高，系間跨越過程的速率常數(shù)小2共軛效應(yīng)：提高共軛度有利于添加熒光效率并產(chǎn)生紅移共軛效應(yīng)：提高共軛度有利于添加熒光效率并產(chǎn)生紅移3剛性平面構(gòu)造：可降低分子振動，減少與溶劑的相互作用，故具有剛性平面構(gòu)造：可降低分子振動，減少與溶劑的相互作用，故

4、具有很強(qiáng)的熒光。如熒光素和酚酞有類似構(gòu)造，熒光素有很強(qiáng)的熒光，酚酞很強(qiáng)的熒光。如熒光素和酚酞有類似構(gòu)造，熒光素有很強(qiáng)的熒光，酚酞卻沒有。卻沒有。4取代基效應(yīng)：芳環(huán)上有取代基效應(yīng)：芳環(huán)上有供電基，使熒光加強(qiáng)。供電基，使熒光加強(qiáng)。有機(jī)化合物有機(jī)化合物n 鰲合物中配體發(fā)光：鰲合后使配體具有剛性平面構(gòu)造鰲合物中配體發(fā)光：鰲合后使配體具有剛性平面構(gòu)造n 鰲合物中金屬離子發(fā)光：配體接受能量后傳送給金屬，產(chǎn)生鰲合物中金屬離子發(fā)光：配體接受能量后傳送給金屬，產(chǎn)生d d*, f f* 躍遷，發(fā)射熒光躍遷，發(fā)射熒光無機(jī)化合物金屬鰲合物無機(jī)化合物金屬鰲合物3 3 影響熒光強(qiáng)度的要素影響熒光強(qiáng)度的要素1) 1) 溶劑

5、的影響溶劑的影響 除普通溶劑效應(yīng)外，溶劑的極性、氫鍵、配位鍵的構(gòu)成都將使化除普通溶劑效應(yīng)外，溶劑的極性、氫鍵、配位鍵的構(gòu)成都將使化合物的熒光發(fā)生變化合物的熒光發(fā)生變化2) 2) 溫度的影響溫度的影響 熒光強(qiáng)度對溫度變化敏感，溫度添加，外轉(zhuǎn)換去活的幾率添加熒光強(qiáng)度對溫度變化敏感，溫度添加，外轉(zhuǎn)換去活的幾率添加3) 3) 溶液溶液pHpH 對酸堿化合物，溶液對酸堿化合物，溶液pHpH的影響較大，需求嚴(yán)厲控制的影響較大，需求嚴(yán)厲控制4) 4) 熒光的猝滅熒光的猝滅 碰撞猝滅：碰撞猝滅： M M* * Q M Q M Q Q 熱猝滅熱猝滅 能量轉(zhuǎn)移能量轉(zhuǎn)移 M M* * Q M Q M Q Q* *

6、猝滅猝滅 氧的熄滅氧的熄滅 自猝滅與自吸收自猝滅與自吸收4.4.熒光強(qiáng)度與濃度關(guān)系定量根據(jù)熒光強(qiáng)度與濃度關(guān)系定量根據(jù)熒光強(qiáng)度熒光強(qiáng)度 If正比于吸收的光強(qiáng)正比于吸收的光強(qiáng)Ia和熒光量子效率和熒光量子效率 ： If = Ia 由朗由朗-比耳定律：比耳定律： Ia = I0(1-10- l c ) If = I0(1-10- l c ) = I0(1-e-2.3 l c ) 濃度很低時(shí)，將括號項(xiàng)近似處置后：濃度很低時(shí)，將括號項(xiàng)近似處置后： If = 2.303 I0 l c = Kc5.5.激發(fā)光譜與熒光磷光光譜激發(fā)光譜與熒光磷光光譜200260320380440500560620熒光激發(fā)光譜熒光

7、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6. 6. 熒光磷光光譜儀熒光磷光光譜儀由四個(gè)部分組成：光源、樣品池、雙單色器系統(tǒng)、檢測器。由四個(gè)部分組成：光源、樣品池、雙單色器系統(tǒng)、檢測器。 特殊點(diǎn)：有兩個(gè)單色器，光源與檢測器通常成直角。特殊點(diǎn)：有兩個(gè)單色器，光源與檢測器通常成直角。光源：高壓汞燈、氙燈或染料激光源：高壓汞燈、氙燈或染料激光器光器檢測器：光電倍增管燈檢測器：光電倍增管燈7. 7. 熒光光譜法的特點(diǎn)熒光光譜法的特點(diǎn)1 1靈敏度高靈敏度高 2 2選擇性強(qiáng)選擇性強(qiáng) 既可根據(jù)特征發(fā)射光譜，又可根據(jù)特征吸收光譜；既可根據(jù)特

8、征發(fā)射光譜，又可根據(jù)特征吸收光譜；3 3試樣量少試樣量少9.2 化學(xué)發(fā)光化學(xué)發(fā)光1 根本原理根本原理 化學(xué)發(fā)光反響化學(xué)發(fā)光反響 在化學(xué)反響過程中，某些化合物接受能量而被激發(fā)在化學(xué)反響過程中，某些化合物接受能量而被激發(fā)，從激發(fā)態(tài)前往基態(tài)時(shí)，發(fā)射出一定波長的光。，從激發(fā)態(tài)前往基態(tài)時(shí)，發(fā)射出一定波長的光。 A +B = C + D A +B = C + D* * D D* * D + h D + hn n1 1可以發(fā)光的化合物大多為有機(jī)化合物，芳香族化合物可以發(fā)光的化合物大多為有機(jī)化合物，芳香族化合物2 2化學(xué)發(fā)光反響多為氧化復(fù)原反響，激發(fā)能與反響能相當(dāng)化學(xué)發(fā)光反響多為氧化復(fù)原反響，激發(fā)能與反響能相

9、當(dāng)3 3發(fā)光繼續(xù)時(shí)間較長，反響繼續(xù)進(jìn)展發(fā)光繼續(xù)時(shí)間較長，反響繼續(xù)進(jìn)展 化學(xué)發(fā)光效率化學(xué)發(fā)光效率化學(xué)效率：化學(xué)效率：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)發(fā)光效率：發(fā)光效率：激激發(fā)發(fā)態(tài)態(tài)分分子子數(shù)數(shù)產(chǎn)產(chǎn)生生光光子子數(shù)數(shù) em 時(shí)辰時(shí)辰t t 的化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度( (單位時(shí)間發(fā)射的光量子數(shù)單位時(shí)間發(fā)射的光量子數(shù)) )： tctIddclcl dc/dt dc/dt 分析物參與反響的速率；分析物參與反響的速率；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 = = K c K c 定量分析根據(jù)定量分析根據(jù)2 2 化學(xué)發(fā)光反響的類型化學(xué)發(fā)光

10、反響的類型1 1氣相化學(xué)發(fā)光反響氣相化學(xué)發(fā)光反響 O3 O3的發(fā)光反響的發(fā)光反響 一氧化氮與一氧化氮與O3O3的發(fā)光反響的發(fā)光反響 NO + O3 NO2 NO + O3 NO2* * NO2 NO2* * NO2 + NO2 + h hn n 氧原子與氧原子與SO2SO2、NONO、COCO的發(fā)光反響的發(fā)光反響 SO2 + O + O SO2 SO2 + O + O SO2* * + O2 SO2 + O2 SO2 * * SO2SO2* * + h + hn n 火焰中的化學(xué)發(fā)光反響火焰中的化學(xué)發(fā)光反響 一氧化氮一氧化氮 NO + H HNO NO + H HNO* * HNO HNO *

11、 * HNO + hHNO + hn n 揮發(fā)性硫化物揮發(fā)性硫化物 SO2+2H2 S + 2H2O S + S S2 SO2+2H2 S + 2H2O S + S S2 * * S2 S2 * * S2 + h S2 + hn n 2 2液相中的化學(xué)發(fā)光反響液相中的化學(xué)發(fā)光反響常用發(fā)光試劑：魯米諾3-氨基苯二甲酰肼，光澤精，過氧草酸鹽 魯米諾在堿性溶液中與雙氧水的反響過程： 該發(fā)光反響速度慢，某些金屬離子可催化反響；利用這一景象可測定這些金屬離子，也可用于有H2O2參與的化學(xué)反響3 化學(xué)發(fā)光的特點(diǎn)化學(xué)發(fā)光的特點(diǎn)1. 1. 靈敏度極高靈敏度極高 例：熒光素酶和磷酸三腺甙例：熒光素酶和磷酸三腺甙

12、(ATP)(ATP)的化學(xué)發(fā)光分析，可測定的化學(xué)發(fā)光分析，可測定2 210-10-17 mol/L17 mol/L的的ATPATP，即可檢測出一個(gè)細(xì)菌中的，即可檢測出一個(gè)細(xì)菌中的ATPATP含量含量2. 2. 儀器設(shè)備簡單儀器設(shè)備簡單 不需求光源、單色器和背景校正；不需求光源、單色器和背景校正；3. 3. 發(fā)射光強(qiáng)度丈量無干擾發(fā)射光強(qiáng)度丈量無干擾 無背景光、散射光等干擾；無背景光、散射光等干擾；4. 4. 線性范圍寬線性范圍寬5. 5. 分析速度快分析速度快缺陷：可供發(fā)光用的試劑少；發(fā)光反響效率低大大低于生物體中的發(fā)缺陷：可供發(fā)光用的試劑少；發(fā)光反響效率低大大低于生物體中的發(fā)光；機(jī)理研討少。光

13、；機(jī)理研討少。 十十 紅外吸收光譜法紅外吸收光譜法分子中基團(tuán)的振動和轉(zhuǎn)動能級躍遷產(chǎn)生：振分子中基團(tuán)的振動和轉(zhuǎn)動能級躍遷產(chǎn)生：振- -轉(zhuǎn)光譜轉(zhuǎn)光譜10.1 根本原理根本原理2 分子的振動分子的振動雙原子分子的簡諧振動雙原子分子的簡諧振動分子的振動能級量子化：分子的振動能級量子化： E振振=V+1/2hV ：化學(xué)鍵的振動頻率：化學(xué)鍵的振動頻率 ：振動量子數(shù)：振動量子數(shù) l l kkckhhE13072112 振動的類型振動的類型伸縮振動伸縮振動 無鍵角變化無鍵角變化變形振動變形振動 有鍵角變化有鍵角變化吸收峰數(shù)少于振動自在度的緣由：吸收峰數(shù)少于振動自在度的緣由：發(fā)生了簡并發(fā)生了簡并即振動頻率一樣的

14、峰重疊即振動頻率一樣的峰重疊 紅外非活性振動紅外非活性振動u分子吸收紅外輻射的頻率恰等于分子振動頻率整數(shù)倍分子吸收紅外輻射的頻率恰等于分子振動頻率整數(shù)倍u分子在振、轉(zhuǎn)過程中的凈偶極矩的變化不為分子在振、轉(zhuǎn)過程中的凈偶極矩的變化不為0，u 即分子產(chǎn)生紅外活性振動即分子產(chǎn)生紅外活性振動10.2 紅外光譜紅外光譜官能團(tuán)區(qū)官能團(tuán)區(qū) ：40001300cm-1 指紋區(qū)指紋區(qū) 1300600cm-1 與一定構(gòu)造單元相聯(lián)絡(luò)的基團(tuán)特征與一定構(gòu)造單元相聯(lián)絡(luò)的基團(tuán)特征頻率特征吸收峰頻率特征吸收峰C-O,C-F 等單鍵伸縮振等單鍵伸縮振動，及變形振動，復(fù)雜動，及變形振動，復(fù)雜內(nèi)部要素內(nèi)部要素誘導(dǎo)效應(yīng)：電子分布變化，

15、吸電子基團(tuán)使吸收峰向高波數(shù)方向誘導(dǎo)效應(yīng)：電子分布變化，吸電子基團(tuán)使吸收峰向高波數(shù)方向挪動挪動中介效應(yīng)：孤對電子與中介效應(yīng)：孤對電子與電子重疊，電子云平均化，低波數(shù)方電子重疊，電子云平均化，低波數(shù)方向挪動向挪動共軛效應(yīng)：電子云平均化，低波數(shù)方向挪動共軛效應(yīng)：電子云平均化，低波數(shù)方向挪動氫鍵：氫鍵： 分子間氫鍵，分子內(nèi)氫鍵，使伸縮振動頻率向分子間氫鍵，分子內(nèi)氫鍵，使伸縮振動頻率向低波數(shù)方向挪動低波數(shù)方向挪動振動巧合：振動巧合：外部要素：溶劑效應(yīng)，物質(zhì)形狀等外部要素：溶劑效應(yīng)，物質(zhì)形狀等影響基團(tuán)頻率變化的要素影響基團(tuán)頻率變化的要素化學(xué)鍵的振動頻率不僅與其性質(zhì)有關(guān)，還受分子的內(nèi)部構(gòu)造和外部要素影響。一

16、樣基團(tuán)的特征吸收并不總在一個(gè)固定頻率上。10.3 紅外光譜儀紅外光譜儀Nicolet公司的AVATAR 360 FT-IR色散型色散型干涉型干涉型FTIR光源樣品架單色器檢測及讀出安裝光源樣品架單色器檢測及讀出安裝光源光源 干涉儀樣品架檢測及讀出安裝干涉儀樣品架檢測及讀出安裝光源光源 能斯特?zé)簦貉趸?、氧化釔和氧化釷燒結(jié)制成的中空或能斯特?zé)簦貉趸?、氧化釔和氧化釷燒結(jié)制成的中空或?qū)嵭膱A棒實(shí)心圓棒 硅碳棒：硅碳棒：檢測器檢測器 熱檢測器：真空熱電偶，輻射熱丈量計(jì)，熱電檢測器熱檢測器：真空熱電偶，輻射熱丈量計(jì)，熱電檢測器 光導(dǎo)電監(jiān)測器：碲鎘汞光導(dǎo)電監(jiān)測器：碲鎘汞(MCT)檢測器檢測器 制樣方法制樣

17、方法1氣體氣體氣體池氣體池2液體：液體：液膜法液膜法難揮發(fā)液體難揮發(fā)液體BP80C溶液法溶液法液體池液體池溶劑：溶劑： CCl4 ，CS2常用。常用。3) 固體固體:研糊法液體石臘法研糊法液體石臘法KBr壓片法壓片法薄膜法薄膜法10.4 紅外光譜的運(yùn)用紅外光譜的運(yùn)用有機(jī)物構(gòu)造確定IR光譜解析不飽和度不飽和度 = 1+ n4 + n3 n1 / 2 n4 ， n3 ， n1 分別為分子中四價(jià)，三價(jià)，一價(jià)元素?cái)?shù)目。分別為分子中四價(jià)，三價(jià)，一價(jià)元素?cái)?shù)目。 十二十二 核磁共振波譜法核磁共振波譜法自旋核的躍遷自旋核的躍遷12.1 根本原理根本原理 質(zhì)量數(shù)（a） 原子序數(shù)（Z） 自旋量子（I）例子奇數(shù)奇或

18、偶25,23,21,2111HI 715919613,NFC8171735511,25,23OIClBI偶數(shù)偶數(shù)01632816612,SOC偶數(shù)奇數(shù)1，2，351071412, 3, 1BINHI1 1 原子核的自旋原子核的自旋 自旋 核磁矩 自旋角動量： 核磁子=eh/2M c；自旋量子數(shù)I不為零的核都具有磁矩，)1(2 IIh )1( IIg 核 磁 矩：E=-mB0/IE-1/2=B0E1/2=-B02 2 核磁共振與馳豫過程核磁共振與馳豫過程E=B0/I =hv核磁共振：在外磁場中，原子核能級產(chǎn)生裂分，吸收能量，由核磁共振：在外磁場中，原子核能級產(chǎn)生裂分，吸收能量，由低能級向高能級躍

19、遷低能級向高能級躍遷 馳豫：高能態(tài)的核以非輻射的方式回到低能態(tài)馳豫：高能態(tài)的核以非輻射的方式回到低能態(tài) 自旋晶格馳豫自旋晶格馳豫: 與其他磁性核進(jìn)展能量傳送與其他磁性核進(jìn)展能量傳送 自旋自旋馳豫：等價(jià)核間的能量交換自旋自旋馳豫：等價(jià)核間的能量交換12.2 NMR儀儀1. 磁鐵2. 探頭樣品管3. 射頻振蕩器4. 頻率和磁場掃描單元5. 檢測和讀出單元12.3 化學(xué)位移與核磁共振譜化學(xué)位移與核磁共振譜化學(xué)位移：在有機(jī)化合物中，各化學(xué)位移：在有機(jī)化合物中，各種氫核周圍的電子云密度不同種氫核周圍的電子云密度不同構(gòu)造中不同位置，共振頻率構(gòu)造中不同位置，共振頻率有差別，即引起共振吸收峰的位有差別，即引起

20、共振吸收峰的位移。移。1 化學(xué)位移產(chǎn)生的緣由：電子屏蔽效應(yīng)化學(xué)位移產(chǎn)生的緣由：電子屏蔽效應(yīng)使氫核實(shí)踐遭到的外磁場作用減小使氫核實(shí)踐遭到的外磁場作用減小B=B0-B1- B0 ：屏蔽常數(shù)BB02 2 化學(xué)位移的表示方法化學(xué)位移的表示方法 = 樣樣 - TMS) / TMS 106 相對規(guī)范：四甲基硅烷Si(CH3)4 TMS內(nèi)標(biāo) 位移常數(shù) TMS=0為什么用TMS作為基準(zhǔn)? a. 12個(gè)氫處于完全一樣的化學(xué)環(huán)境，只產(chǎn)生一個(gè)尖峰； b.屏蔽劇烈，位移最大。與有機(jī)化合物中的質(zhì)子峰不重迭； c.化學(xué)惰性；易溶于有機(jī)溶劑；沸點(diǎn)低，易回收。3 影響化學(xué)位移的要素影響化學(xué)位移的要素u 誘導(dǎo)效應(yīng)吸電子作用使價(jià)電子偏離質(zhì)子，屏蔽作用減弱，往低誘導(dǎo)效應(yīng)吸電子