第11章 熒光分析法

第十一章熒光分析法主講:阿合買提江熒光分析法概述當物質(zhì)分子吸收光子能量而被激發(fā)，然后從激發(fā)態(tài)的最低振動能級返回到基態(tài)能級時所發(fā)射出的光稱為熒光(fluorescence)根據(jù)物質(zhì)的熒光譜線位置及其強度進行物質(zhì)鑒定和物質(zhì)含量測定的方法稱為熒光分析法(fluorometry)

【內(nèi)容提要】1、熒光分析法的基本原理。2、熒光定量分析方法。3、熒光分光光度計和其他熒光分析技術(shù)。第一節(jié)熒光分析法的基本原理

一、分子熒光（一）分子熒光的產(chǎn)生

1、分子的電子能級與激發(fā)過程

分子的基態(tài)激發(fā)單重態(tài)：S激發(fā)三重態(tài)：T電子能級的多重性:M=2s+1

s為總自旋量子數(shù)單重態(tài)與三重態(tài)的區(qū)別在于電子自旋方向不同，激發(fā)三重態(tài)具有較低能級。單重態(tài)與三重態(tài)單重態(tài)(sigletstate,S)：總自旋量子數(shù)s=1/2+(-1/2)=0;多重性M=2s+1=1基態(tài)(S0)三重態(tài)(tripletstate,T)：s=1/2+1/2=1；M=2s+1=3激發(fā)單重態(tài)(S)激發(fā)三重態(tài)(T)

2、熒光的產(chǎn)生

振動弛豫：它是指在同一電子能級中，電子由高振動能級轉(zhuǎn)至低振動能級，而將多余的能量以熱的形式發(fā)出。發(fā)生振動弛豫的時間為10-12s數(shù)量級。S2S1S0T1吸收發(fā)射熒光發(fā)射磷光系間跨越內(nèi)轉(zhuǎn)換振動弛豫能量l2l1l

3

外轉(zhuǎn)換l

2T2內(nèi)轉(zhuǎn)換振動弛豫S0S2S1T1吸光1吸光2振動弛豫在同一電子能級中，電子由高振動能級轉(zhuǎn)至低振動能級，而將多余的能量以熱的形式發(fā)出。

熒光、磷光能級圖→振動弛豫內(nèi)轉(zhuǎn)移

當兩個電子能級非常靠近以至其振動能級有重疊時，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。右圖中指出，處于高激發(fā)單重態(tài)的電子，通過內(nèi)轉(zhuǎn)移及振動弛豫，均躍回到第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動能級。S0S2S1T1吸光1吸光2內(nèi)轉(zhuǎn)移

熒光、磷光能級圖熒光發(fā)射

處于第一激發(fā)單重態(tài)中的電子躍回至基態(tài)各振動能級時，將得到最大波長為λ3的熒光。注意：基態(tài)中也有振動馳豫躍遷。很明顯，λ3的波長較激發(fā)波長λ1或λ2都長，而且不論電子開始被激發(fā)至什么高能級，最終將只發(fā)射出波長λ3為的熒光。熒光的產(chǎn)生在10-7-10-9s內(nèi)完成。

S0S2S1T1吸光1吸光2熒光3熒光

熒光、磷光能級圖外轉(zhuǎn)移指激發(fā)分子與溶劑分子或其它溶質(zhì)分子的相互作用及能量轉(zhuǎn)移，使熒光或磷光強度減弱甚至消失。這一現(xiàn)象稱為“熄滅”或“猝滅”。熒光與磷光的根本區(qū)別：

熒光是由激發(fā)單重態(tài)最低振動能層至基態(tài)各振動能層間躍遷產(chǎn)生的；而磷光是由激發(fā)三重態(tài)的最低振動能層至基態(tài)各振動能層間躍遷產(chǎn)生的。體系間跨躍指不同多重態(tài)間的無輻射躍遷，例如S1→T1就是一種系間竄躍。通常，發(fā)生系間竄躍時，電子由S1的較低振動能級轉(zhuǎn)移至T1的較高振動能級處。有時，通過熱激發(fā)，有可能發(fā)生T1→S1，然后由S1發(fā)生熒光。這是產(chǎn)生延遲熒光的機理。S0S2S1T1吸光1吸光2熒光3體系間跨躍熒光、磷光能級圖

磷光發(fā)射

電子由基態(tài)單重態(tài)激發(fā)至第一激發(fā)三重態(tài)的幾率很小，因為這是禁阻躍遷。但是，由第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動能級，有可能以系間竄躍方式轉(zhuǎn)至第一激發(fā)三重態(tài)，再經(jīng)過振動馳豫，轉(zhuǎn)至其最低振動能級，由此激發(fā)態(tài)躍回至基態(tài)時，便發(fā)射磷光，這個躍遷過程（T1→S0）也是自旋禁阻的，其發(fā)光速率較慢，約為10-4-10s。因此，這種躍遷所發(fā)射的光，在光照停止后，仍可持續(xù)一段時間。S0S2S1T1吸光1吸光2熒光3磷光磷光熒光、磷光能級圖(二)激發(fā)光譜曲線和熒光、磷光光譜曲線

熒光物質(zhì)分子具有兩個特征光譜：激發(fā)光譜和發(fā)射光譜。

繪制激發(fā)光譜曲線時，固定測量波長為熒光（或磷光）最大發(fā)射波長，然后改變激發(fā)波長，根據(jù)所測得的熒光（磷光）強度與激發(fā)光波長的關(guān)系，即可繪制激發(fā)光譜曲線。固定激發(fā)光波長為其最大激發(fā)波長，然后測定不同的波長時所發(fā)射的熒光或磷光強度，即可繪制熒光或磷光光譜曲線。激發(fā)波長發(fā)射波長——熒光物質(zhì)分子的兩個特征光譜激發(fā)光譜(excitationspectrum)：F~ex

熒光光譜(fluorescencespectrum)：F~em

熒光光譜的普遍特性：（1）斯托克斯（Stokes）位移

在溶液中，分子熒光的發(fā)射相對于吸收位移到較長的波長，稱為Stokes位移。這是由于受激分子通過振動弛豫而失去轉(zhuǎn)動能，也由于溶液中溶劑分子與受激分子的碰撞，也會有能量的損失。因此，在激發(fā)和發(fā)射之間產(chǎn)生了能量損失。

熒光發(fā)射波長總是大于激發(fā)光波長！

（2）熒光光譜的形狀與激發(fā)波長無關(guān)。

因為分子吸收了不同能量的光子可以由基態(tài)激發(fā)到幾個不同的電子激發(fā)態(tài)，而具有幾個吸收帶。由于較高激發(fā)態(tài)通過內(nèi)轉(zhuǎn)換及振動弛豫回到第一電子激發(fā)態(tài)的幾率較高，遠大于由高能激發(fā)態(tài)直接發(fā)射光子的速度，故在熒光發(fā)射時，不論用哪一個波長的光輻射激發(fā)，電子都從第一電子激發(fā)態(tài)的最低振動能層返回到基態(tài)的各個振動能層，所以熒光發(fā)射光譜與激發(fā)波長無關(guān)。

（3）鏡像規(guī)則

通常熒光光譜和它的吸收光譜呈鏡像對稱關(guān)系。吸收光譜是物質(zhì)分子由基態(tài)激發(fā)至第一電子激發(fā)態(tài)的各振動能層形成的。其形狀決定于第一電子激發(fā)態(tài)中各振動能層的分布情況。

二、熒光與分子結(jié)構(gòu)

（一）熒光壽命和熒光效率1.光量子產(chǎn)率（熒光效率）熒光量子產(chǎn)率也叫熒光效率或量子效率，它表示物質(zhì)發(fā)射熒光的能力，通常用下式表示

=發(fā)射熒光分子數(shù)/激發(fā)分子總數(shù)或=發(fā)射熒光量子數(shù)/吸收光量子數(shù)在產(chǎn)生熒光的過程中，涉及到許多輻射和無輻射躍遷過程，如熒光發(fā)射、內(nèi)轉(zhuǎn)移，系間竄躍和外轉(zhuǎn)移等。很明顯，熒光的量子產(chǎn)率，將與上述每一個過程的速率常數(shù)有關(guān)。2.熒光壽命除去激發(fā)光源后分子的熒光強度降低到最大熒光強度的1/e所需的時間（二）、熒光與有機化合物的結(jié)構(gòu)

分子產(chǎn)生熒光必須具備的條件：（1）具有合適的結(jié)構(gòu)，能吸收強的紫外可見光；（2）具有一定的熒光效率。（1）、共軛效應實驗證明，容易實現(xiàn)激發(fā)的芳香族化合物容易發(fā)生熒光，能發(fā)生熒光的脂肪族和脂環(huán)族化合物極少（僅少數(shù)高度共軛體系化合物除外）。此外，增加體系的共軛度，熒光效率增大。共軛效應使熒光增強的原因：主要是由于增大熒光物質(zhì)的摩爾吸光系數(shù)，有利于產(chǎn)生更多的激發(fā)態(tài)分子，從而有利于熒光的發(fā)生。長共軛結(jié)構(gòu)（芳香環(huán)、稠環(huán)或雜環(huán)）共軛系統(tǒng)↑→f↑→ex、em↑

ex=327nm，em=510nm稠芳環(huán)分子的幾何排列對熒光的影響

含有長共軛雙鍵的脂肪烴

(2)、剛性平面結(jié)構(gòu)實驗發(fā)現(xiàn)，多數(shù)具有剛性平面結(jié)構(gòu)的有機分子具有強烈的熒光。因為這種結(jié)構(gòu)可以減少分子的振動，使分子與溶劑或其它溶質(zhì)分子的相互作用減少，也就減少了碰撞去活的可能性。

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。（3）、取代基效應化合物熒光相對強度苯10苯酚18苯胺20苯甲酸3硝基苯0給電子基團：如–OH,–OR,–NH2,–CN，–NR2等，

增強熒光。吸電子基團：如–COOH,,–NO2,–NO等，

減弱甚至熄滅熒光。（三）熒光試劑作用：產(chǎn)生強熒光性產(chǎn)物1.熒光胺2.鄰苯二甲醛3.1-二甲氨基-5-氯化磺酰萘4.測定無機離子的熒光試劑（三）影響熒光強度的外部因素1.溫度

溫度上升使熒光強度下降。其中一個原因是分子的內(nèi)部能量轉(zhuǎn)化作用。當激發(fā)分子接受額外熱能時，有可能使激發(fā)能轉(zhuǎn)換為基態(tài)的振動能量，隨后迅速振動弛豫而喪失振動能量。另一個原因是碰撞頻率增加，使外轉(zhuǎn)換的去活幾率增加。2.溶劑

一般情況，熒光波長隨溶劑極性的增強而長移，熒光強度增強。

3、溶液pH值

帶有酸性或堿性官能團的大多數(shù)芳香族化合物的熒光與溶液的pH有關(guān)。不同的pH值，化合物所處狀態(tài)不同，不同的化合物或化合物的分子與其離子在電子構(gòu)型上有所不同，因此，它們的熒光強度與溶液的pH值有關(guān)。4、溶液熒光的猝滅

熒光物質(zhì)分子與溶劑分子或其它溶質(zhì)分子相互作用，引起熒光強度降低或熒光強度與濃度不成線性關(guān)系的現(xiàn)象。

1.碰撞猝滅，A：熒光物質(zhì)分子與猝滅劑分子；B：熒光物質(zhì)分子間的碰撞。

2.生成不發(fā)生熒光的配合物。

3.單重態(tài)變?yōu)槎嘀貞B(tài)。

4.氧的熄滅作用。5、散射光本節(jié)內(nèi)容小結(jié)熒光光譜的特征斯托克斯位移(Stokesshift)熒光發(fā)射波長總是大于激發(fā)光波長。熒光光譜的形狀與激發(fā)波長無關(guān)熒光光譜與激發(fā)光譜呈鏡像關(guān)系物質(zhì)分子能發(fā)射熒光的兩個必要條件

有強的紫外-可見吸收熒光效率（f）要大有機化合物分子結(jié)構(gòu)與熒光的關(guān)系長共軛結(jié)構(gòu)共軛系統(tǒng)↑→f↑→ex、em↑分子的剛性和共平面性共軛系統(tǒng)的剛性和共平面性↑→f↑聯(lián)苯f=0.2芴f=1.08-羥基喹啉8-羥基喹啉鎂1-二甲氨基萘-7-磺酸鹽1-二甲氨基萘-8-磺酸鹽

f=0.75f=0.03位阻效應取代基供電子基：

–NH2、-OH、-NHR、-NR2、-CN

→f

↑，F(xiàn)↑吸電子基：-NO2、-COOH、-NHCOCH3、

-C=O、-NO、-SH、-X→f

↓，F(xiàn)↓，甚至熒光熄滅-R、-SO3H、-NH3+→對f

無影響一、熒光強度與物質(zhì)濃度的關(guān)系前提：ECL≤0.05

稀溶液分析法

高靈敏度比例常數(shù)熒光效率激發(fā)光強度第二節(jié)熒光定量分析方法溶液中熒光物質(zhì)被激發(fā)后，向各個方向發(fā)射熒光，為避免干擾應該在垂直于激發(fā)光源的方向檢測熒光強度二、定量分析方法1．標準曲線法配成一系列標準溶液，測定這些溶液的熒光強度，以熒光強度為縱坐標，標準溶液的濃度為橫坐標繪制標準曲線。繪制時，常采用系列中某一標準溶液作為基準，將空白溶液的熒光強度讀數(shù)調(diào)至0％，將該標準溶液的熒光強度讀數(shù)調(diào)至100％或50％，然后測定系列中其它各個標準溶液的熒光強度。

2．比例法3.聯(lián)立方程式法第三節(jié)熒光分光光度計和其他熒光分析技術(shù)一、熒光分光光度計光源第一單色器第二單色器激發(fā)熒光樣品池檢測系統(tǒng)熒光光度計示意圖熒光檢測器光源與檢測器呈90度角，以避開激發(fā)光、雜散光的干擾，增加檢測靈敏度。I0IfIt紫外－可見檢測器分光系統(tǒng)(雙單色器)第一單色器作用：選擇激發(fā)波長第二單色器作用：分離出熒光發(fā)射波長樣品池四面透光熒光分光光度計與紫外分光光度計的區(qū)別

紫外-可見分光光度計熒光分光光度計光路光源儀器校正吸收池入射光與吸收光同方向入射光與熒光垂直方向兩種光源(紫外+可見)一種光源(紫外)空白溶液(F=0)熒光對照品溶液(F=100%或50%)空白溶液(T=100%)紫外無吸收兩面透光低熒光材料四面透光（一）光源

常見的光源有氙燈和高壓汞燈。其功率為100-500w之間。（二）單色器激發(fā)單色器用于熒光激發(fā)光譜的掃描和選擇激發(fā)波長；發(fā)射單色器用于掃描熒光發(fā)射光譜及分離熒光發(fā)射波長。（三）樣品池熒光測量用的樣品池通常用四面透光的正方形石英池。（四）檢測器普遍使用的是光電倍增管做檢測器，新一代的儀器用電荷耦合元件檢測器，可一次獲得熒光二維光譜。其他熒光分析技術(shù)激光熒光分析時間分辨熒光分析

(time-resolvedfluorometry)同步熒光分析膠束增敏熒光分析激光熒光分析時間分辨熒光分析(time-resolvedfluorometry)原理：激發(fā)和檢測之間延緩一段時間，具有不同熒光壽命的物質(zhì)分別檢測激發(fā)光源：脈沖激光優(yōu)點：檢測時排除干擾，無需化學預處理激發(fā)光源：波長更短、強度更大的激光優(yōu)點：提高靈敏度(樣品量<1l或10-16~10-14g)和專一性用途：生化樣品、氣體樣品及有機化合物的自由基同步熒光分析原理：=exmax-emmax→同步熒光光譜→同步信號Fsp(ex,em)=KCFexFem用途：多核芳香族化合物膠束增敏熒光分析原理：膠束溶液的增溶、增穩(wěn)、增敏作用優(yōu)點：提高熒光物質(zhì)溶解度、穩(wěn)定性及靈敏度膠束溶液：一定濃度(>臨界膠束濃度CMC)的表面活性劑溶液親水基疏水基本章小結(jié)1．基本概念：

熒光：物質(zhì)分子接受光子能量而被激發(fā)，然后從激發(fā)態(tài)的最低振動能級返回基態(tài)時發(fā)射出的光稱為熒光。

振動弛豫：物質(zhì)分子吸收能量后，躍遷到電子激發(fā)態(tài)的幾個振動能級上。激發(fā)態(tài)分子通過與溶劑分子的碰撞而將部分振動能量傳遞給溶劑分子，其電子則返回到同一電子激發(fā)態(tài)的最低振動能級的過程。

內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換（簡稱內(nèi)轉(zhuǎn)換）：當兩個電子激發(fā)態(tài)之間的能量相差較小以致其振動能級有重疊時，受激分子常由高電子能級以無輻射方式轉(zhuǎn)移至低電子能級的過程。

熒光發(fā)射：處于激發(fā)單重態(tài)的分子，通過內(nèi)轉(zhuǎn)換及振動弛豫，返回到第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動能級，然后再以輻射形式發(fā)射光量子而返回至基態(tài)的任一振動能級上，這時發(fā)射的光量子稱為熒光。

外部能量轉(zhuǎn)換（簡稱外轉(zhuǎn)換）：在溶液中激發(fā)態(tài)分子與溶劑分子及其他溶質(zhì)分子之間相互碰撞而以熱能的形式放出能量的過程。

體系間跨越：在某些情況下處于激發(fā)態(tài)分子的電子發(fā)生自旋反轉(zhuǎn)而使分子的多重性發(fā)生變化，分子由激發(fā)單重態(tài)跨越到激發(fā)三重態(tài)的過程。

磷光發(fā)射：經(jīng)過體系間跨越的分子再通過振動弛豫降至激發(fā)三重態(tài)的最低振動能級，分子在此三重態(tài)的最低振動能級存活一段時間后返回至基態(tài)的各個振動能級而發(fā)出的光輻射。

激發(fā)光譜：是熒光強度（F）對激發(fā)波長（λex）的關(guān)系曲線，它表示不同激發(fā)波長的輻射引起物質(zhì)發(fā)射某一波長熒光的相對效率。

發(fā)射光譜（稱熒光光譜）：是熒光強度（F）對發(fā)射波長（λem）的關(guān)系曲線，它表示當激發(fā)光的波長和強度保持不變時，在所發(fā)射的熒光中各種波長組分的相對強度。

2．基本原理

（1）熒光是物質(zhì)分子接受光子能量被激發(fā)后，從激發(fā)態(tài)的最低振動能級返回基態(tài)時發(fā)射出的光。熒光分析法具有靈敏度高、選擇性好的優(yōu)點。

（2）熒光光譜具有如下特征：熒光波長總是大于激發(fā)光波長、熒光光譜的形狀與激發(fā)波長無關(guān)、熒光光譜與激發(fā)光譜存在“鏡像對稱”關(guān)系。

（3）能夠發(fā)射熒光的物質(zhì)應同時具備的兩個條件：物質(zhì)分子必須有強的紫外-可見吸收；物質(zhì)分子必須有一定的熒光效率。

（4）在熒光法測定時常有散射光存在，主要有瑞利散射和拉曼散射。瑞利散射：光子和物質(zhì)分子發(fā)生彈性碰撞，不發(fā)生能量的交換，僅僅是光子運動方向發(fā)生改變，其波長與入射光波長相同。拉曼散射：光子和物質(zhì)分子發(fā)生非彈性碰撞時，在光子運動方向發(fā)生改變的同時，光子與物質(zhì)分子發(fā)生能量的交換，發(fā)射出比入射光稍長或稍短的光。波長比入射光更長的拉曼散射光對熒光測定有干擾。采取一定的措施（如選擇適當?shù)牟ㄩL或溶劑）可消除拉曼光的干擾。

（5）熒光法常被用于定性和定量分析，但其定量應用更為廣泛。熒光分析法定量的依據(jù)是：當ECL≤0.05時，F(xiàn)=2.3K’I0ECl=KC。可采用的定量分析方法有：標準曲線法、比例法、聯(lián)立方程式法。

（6）用于熒光法測定的儀器是熒光分光光度計，其主要部件包括：激發(fā)光源、激發(fā)單色器（置于樣品池前）和發(fā)射單色器（置于樣品池后）、樣品池及檢測系統(tǒng)。

（7）為進一步提高熒光分析法靈敏度和選擇性，發(fā)展了其他的熒光分析技術(shù)，主要有激光熒光分析、時間分辨熒光和同步熒光分析等。1、永停滴定法的檢測信號是：A、電動勢B、電解電流C、電壓D、電導E、電量（B）2、下列關(guān)于π－π＊躍遷吸收的特征說法正確的是：A、吸收波長小于200nmB、吸收波長小于100nmC、摩爾吸光系數(shù)非常小D、比吸光系數(shù)很小E、共軛鍵越長，吸收所需能量越小

（E）復習題3、下列哪種檢測器不能用于紫外－可見分光光度計A、光電池B、光電管C、光電倍增管D、光二極管陣列檢測器E、真空熱電偶（E）4、氘燈的發(fā)射波長為A、100-200nmB、200-300nmC、200-400nmD、400-500nmE、400-800nm（C）5、紫外區(qū)定量分析時，應選用下列哪種材料的樣品池A、石英B、水晶C、玻璃D、瑪瑙E、塑料（A）6、由于化合物改變或其它原因，使吸光度減小的現(xiàn)象為A、增色效應B、減色效應C、酸效應D、鹽效應E、同離子效應

（B）7、芳香族化合物的特征吸收帶是A、R帶B、K帶C、B帶D、E帶E、B帶和E帶

（E）8、分子從（）的最低振動能級以發(fā)光的形式回到基態(tài)所發(fā)的光稱為熒光A、第一激發(fā)單重態(tài)B、第二激發(fā)單重態(tài)C、第三激發(fā)單重態(tài)D、第一激發(fā)三重態(tài)E、第二激發(fā)三重態(tài)

（A）9、分別在320nm、360nm光照下記錄硫酸奎寧的熒光光譜，下列說法正確的是A、兩熒光光譜形狀不同，發(fā)光強度也不同B、兩熒光光譜形狀不同，發(fā)光強度相同C、兩熒光光譜形狀相同，發(fā)光強度也相同D、兩熒光光譜形狀相同，發(fā)光強度不同E、兩熒光光譜的強度大小與激發(fā)波長無關(guān)

（D）10、關(guān)于熒光