第五章 分子發(fā)光

第五章分子熒光:Fluorescence分子磷光:Phosphorescence分子發(fā)光-----熒光、磷光§4.1分子發(fā)光的基本原理第一次記錄熒光現(xiàn)象的是16世紀(jì)西班牙的內(nèi)科醫(yī)生和植物學(xué)家N.Monardes，1575年他提到在含有一種稱為“LignumNephriticum”的木頭切片的水溶液中，呈現(xiàn)了極為可愛的天藍(lán)色。直到1852年，Stokes在考察奎寧和葉綠素的熒光時，用分光光度計(jì)觀察到其熒光的波長比入射光的波長稍微長些，才判斷這種現(xiàn)象是這些物質(zhì)在吸收光能后重新發(fā)射不同波長的光，而不是由光的漫射作用所引起的，從而導(dǎo)入了熒光是光發(fā)射的概念。1867年，Goppelsroder進(jìn)行了歷史上首次的熒光分析工作，應(yīng)用鋁—桑色素配合物的熒光進(jìn)行鋁的測定。19世紀(jì)以前，熒光的觀察是靠肉眼進(jìn)行的，直到1928年，才由Jette和West提出了第一臺熒光計(jì)。一.分子熒光與磷光的產(chǎn)生1.單重態(tài)與三重態(tài)2.分子的活化與去活化3.分子發(fā)光的類型按激發(fā)的模式分類：按分子激發(fā)態(tài)的類型分類：光致發(fā)光化學(xué)發(fā)光/生物發(fā)光熱致發(fā)光場致發(fā)光摩擦發(fā)光

分子發(fā)光分子發(fā)光熒光磷光瞬時熒光遲滯熒光按光子能量分類：斯托克斯熒光(Stokes)：λex<λem反斯托克斯熒光(Antistokes)：λex>λem共振熒光(Resonance)：λex=λem熒光

分子的活化與去活化S0S1T1S2紫外可見吸收光譜外轉(zhuǎn)換紫外可見共振熒光光譜內(nèi)轉(zhuǎn)換熒光系間竄躍磷光反系間竄躍遲滯熒光振動弛豫１.輻射躍遷的類型共振熒光：10-12sec熒光：10-8sec——由第一電子激發(fā)單重態(tài)躍遷回基態(tài)的

任一振動能級所發(fā)出的光輻射。磷光：1~10-4sec——由第一電子激發(fā)三重態(tài)躍遷回基態(tài)的任一振動能級所發(fā)出的光輻射。２.無輻射躍遷的類型振動弛豫:Vr10-12sec外轉(zhuǎn)換:無輻射躍遷回到基態(tài)內(nèi)轉(zhuǎn)換:S2~S1能級之間有重疊系間竄躍:

S1~T1能級之間有重疊反系間竄躍:由外部獲取能量后T1~

S1二.分子熒光(磷光)光譜1.熒光(磷光)激發(fā)光譜與發(fā)射光譜熒光(磷光)均為光致發(fā)光，在光輻射的作用下，熒光物質(zhì)發(fā)射出不同波長的熒光。A.激發(fā)光譜固定em=620nm(MAX)ex=290nm(MAX)固定發(fā)射波長掃描激發(fā)波長熒光激發(fā)光譜與紫外-可見吸收光譜類似ex=290nm(MAX)固定em=620nm(MAX)固定ex=290nm(MAX)em=620nm(MAX)B.發(fā)射光譜(熒光光譜)固定激發(fā)波長掃描發(fā)射波長C.激發(fā)光譜與發(fā)射光譜的鏡像關(guān)系S04321S14321發(fā)射光譜的形狀與激發(fā)波長無關(guān)：分子的激發(fā)光譜可能含有幾個激發(fā)帶，但發(fā)射光譜只含一個發(fā)射帶；即使分子被激發(fā)到高于S1的電子態(tài)，由于經(jīng)過極快的內(nèi)轉(zhuǎn)換和振動弛豫降到S1電子態(tài)的最低振動、轉(zhuǎn)動能級，然后以輻射形式釋放能量回到基態(tài)。1→

41→

31→

21→11

→41

→31

→21

→1D.磷光光譜與發(fā)射光譜相同條件下的磷光光譜激發(fā)光譜發(fā)射光譜2.三維熒光光譜IF

∝f(λex、λem)蒽的激發(fā)光譜固定發(fā)射波長、掃描激發(fā)波長IF

∝f(λex、λem)蒽的發(fā)射光譜固定激發(fā)波長、掃描發(fā)射波長三.分子熒光(磷光)強(qiáng)度與熒光物質(zhì)濃度的關(guān)系1.熒光強(qiáng)度(磷光)與濃度的關(guān)系光吸收定律（Lambert–BeerLaw）相應(yīng)的吸光分?jǐn)?shù)為：熒光強(qiáng)度（IF）與相應(yīng)的吸光分?jǐn)?shù)成正比：按照級數(shù)展開式：對于稀溶液，當(dāng)bc<0.05（磷光bc<0.01）時：IF----熒光強(qiáng)度F-----熒光量子產(chǎn)率k--與儀器靈敏度有關(guān)的參數(shù)I0--入射光強(qiáng)度。IP----磷光強(qiáng)度P-----磷光量子產(chǎn)率b--吸收光程--摩爾吸光系數(shù)C--熒光物質(zhì)濃度2.熒光(磷光)的平均壽命分子在激發(fā)態(tài)的平均時間或者說處于激發(fā)態(tài)的分子數(shù)目衰減到原來的1/2所經(jīng)歷的時間。對于處于S1(T1)電子態(tài)的熒光體來說，其平均壽命()可以左式表示：

3.熒光(磷光)的量子產(chǎn)率熒光量子產(chǎn)率的定義：kF、kp主要取決與熒光物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)；st系間竄躍效率。ki主要取決化學(xué)環(huán)境，同時也與熒光物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。大多數(shù)的熒光物質(zhì)的量子產(chǎn)率在0.1~1之間；例如：0.05mol/L的硫酸喹啉，F(xiàn)=0.55；

熒光素F=1化合物F0.110.290.460.600.521.躍遷的類型二.熒光與有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)對于有機(jī)熒光物質(zhì):π*

→π

n→π*εmax＜100平均壽命10-5~10-7secπ→π*

εmax≥104平均壽命10-7~10-9seckS→T小π*→n

π*→π是有機(jī)化合物產(chǎn)生熒光的主要躍遷類型。強(qiáng)熒光的有機(jī)化合物具備下特征:①具有大的共軛π鍵結(jié)構(gòu)；②具有剛性的平面結(jié)構(gòu)；③具有最低的單重電子激發(fā)態(tài)為S1為π*

→π型；④取代基團(tuán)為給電子取代基。§4.2分子熒光與磷光強(qiáng)度的影響因素一.熒光的量子產(chǎn)率2.共軛效應(yīng)產(chǎn)生熒光的有機(jī)物質(zhì)，都含有共軛雙鍵體系，共軛體系越大，離域大π鍵的電子越容易激發(fā)，熒光與磷光越容易產(chǎn)生。化合物苯萘蒽丁省戊省λexmax(nm)205286365390580λemmax

(nm)278321400480640F0.110.290.460.600.52熒光物質(zhì)的剛性和平面性增加，有利于熒光發(fā)射。3.剛性平面結(jié)構(gòu)芴聯(lián)苯F=1F=0.2不產(chǎn)生熒光產(chǎn)生熒光產(chǎn)生熒光不產(chǎn)生熒光F=0.92萘VAF(萘)=5F(VA)

熒光黃酚酞偶氮菲偶氮苯1）給電子取代劑加強(qiáng)熒光4.取代基效應(yīng)—HN2，—NHR，—NR2，—OH，—OR，—CN產(chǎn)生p→π共軛二苯甲酮：弱熒光、強(qiáng)磷光S1→T1的系間竄躍產(chǎn)率接近1化合物苯苯酚苯胺苯基氰苯甲醚λemmax(nm)278~310285~365310~405280~390285~345相對熒光強(qiáng)度10182020202）得電子取代基減弱熒光、加強(qiáng)磷光—C=0，—COOH，—NO2不產(chǎn)生p→π共軛硝基苯：不產(chǎn)生熒光、弱磷光空間位阻對熒光發(fā)射的影響3）取代基的位置反式二苯乙烯強(qiáng)熒光物質(zhì)F=0.75F=0.03立體異構(gòu)體對熒光發(fā)射的影響順式二苯乙烯非熒光物質(zhì)電離效應(yīng)對熒光發(fā)射的影響OH-H+OH-H+pH=1,有熒光pH=13,無熒光無熒光有熒光含有重原子的溶劑，由于重原子效應(yīng)熒光減弱、磷光增強(qiáng)。5.重原子取代基效應(yīng)—Cl，—Br，—IS1→T1的系間竄躍由于重原子的存在增強(qiáng)化合物萘1-甲基萘1-氟萘1-氯萘1-溴萘1-碘萘λFmax(nm)315318316319320~λPmax(nm)470476473483484488P/F0.0930.0530.0685.26.4>1000τ

p(s)2.62.51.40.230.0140.00236.溶劑效應(yīng)藍(lán)移:△

En→π*

＜△

En→π*紅移:△

Eπ→π*

＞△

Eπ→π*在極性溶劑中：無溶劑化作用有溶劑化作用三.金屬螯合物的熒光1.螯合物中配位體的發(fā)光2.螯合物中金屬離子的發(fā)光8-羥基喹啉弱熒光8-羥基喹啉-Zn螯合物黃綠色強(qiáng)熒光2,2`-二羥基偶氮苯無熒光2,2`-二羥基偶氮苯-Al螯合物強(qiáng)熒光T1系間竄躍S0S1d*、f*d*→

df*→

f熒光分子內(nèi)能量轉(zhuǎn)移四.熒光的熄滅1.碰撞熄滅熒光熄滅：熒光分子與溶劑分子或其它溶質(zhì)分子相互作用引起熒光強(qiáng)度降低或消失的現(xiàn)象。熒光熄滅劑：這些溶劑分子或其它溶質(zhì)分子稱為熒光熄滅劑。相對速率1K1[M*]K2[M*][Q]與分子的直徑、粘度、溫度等因素有關(guān)。2.能量轉(zhuǎn)移熄滅再吸收過程：共振能量轉(zhuǎn)移：分子內(nèi)能量轉(zhuǎn)移：hv激發(fā)發(fā)射熄滅3.氧的熄滅作用氧分子是熒光、磷光的熄滅劑，4.自熄滅與自吸收當(dāng)熒光物質(zhì)的濃度大于1g/L時，常發(fā)生熒光的自熄滅(濃度熄滅)自吸收：沒有除氧，溶液中難以觀察到磷光由于F<1，使熒光強(qiáng)度減弱或消失.形成二聚體：由于二聚體不發(fā)熒光，或發(fā)射熒光的能量有改變，造成自熄滅現(xiàn)象?！?.3熒光(磷光)分光光度計(jì)一.主要組成及部件的功能熒光分光光度計(jì)工作原理基及儀器結(jié)構(gòu)框圖光源氙燈激發(fā)單色器樣品池光電倍增管數(shù)據(jù)處理儀器控制光源樣品池激發(fā)單色器檢測器數(shù)據(jù)處理儀器控制發(fā)射單色器發(fā)射單色器問題：熒光分光光度計(jì)與紫外-可見分光光度計(jì)有何異同點(diǎn)？二.光源1.光源的要求：發(fā)射強(qiáng)度足夠且穩(wěn)定的連續(xù)光譜光輻射強(qiáng)度隨波長的變化小有足夠長的使用壽命2.氙燈光源常用氣體放電燈類型：

氙燈光源高壓汞光源波長范圍：200~1000nm工作壓力：5~20atm啟動電壓：20~40KV使用壽命：1000~2000h最廣泛應(yīng)用的連續(xù)光源：

發(fā)射波長范圍寬發(fā)射光強(qiáng)度大三.單色器平面衍射光柵線色散率聚光本領(lǐng)分辨率四.檢測器光電倍增管放大倍數(shù)：2n~5n;n=10,103~107，最大108~109五.樣品池：液池、熒光池1.樣品池的材料：與紫外-可見分光光度計(jì)的吸收池一樣2.吸收池的形狀：紫外-可見分光光度計(jì)的吸收池兩面透光熒光分光光度計(jì)的樣品池四面透光波長范圍3.使用注意事項(xiàng)容易破碎問題：紫外-可見分光光度計(jì)的吸收池與熒光分光光度計(jì)的樣品池有什么區(qū)別？沾污問題閃躍特性六.磷光分光光度計(jì)1.光學(xué)系統(tǒng)與熒光分光光度計(jì)的區(qū)別光源樣品池激發(fā)單色器檢測器數(shù)據(jù)處理儀器控制發(fā)射單色器切光器（斬波器）共振熒光：10-12sec熒光：10-8sec磷光：1~10-4sec遲滯熒光：100~10-4sec2.樣品池與熒光分光光度計(jì)的區(qū)別通常情況下，樣品池需要放在盛液氮的石英杜瓦瓶內(nèi)，來測定低溫磷光?！?.４熒光分析法的應(yīng)用一.工作曲線法熒光分析的靈敏度比紫外－可見分光光度法高103～104.熒光熄滅工作曲線法FxFCsCx直接熒光標(biāo)準(zhǔn)曲線法FCsFxCx二.熒光分析法的靈敏度在紫外光照射下會發(fā)生熒光的無機(jī)化合物很少，主要依賴于有機(jī)試劑形成的螯合物。三.熒光分析的應(yīng)用1.無機(jī)化合物直接熒光測定法其中，較常測定的元素有：Be、Al、B、Ga、Se、Mg、Zn、Cd與某些稀土元素；測定的靈敏度有些可以達(dá)到10-10;某些元素雖然不與有機(jī)試劑形成發(fā)熒光的配合物，但是它會與發(fā)熒光的配合物爭奪配位體，組成不發(fā)熒光的配合，使其產(chǎn)生熒光熄滅，由熒光熄滅的強(qiáng)度此該元素的含量。較常測定的元素有：F、S、Fe、Ag、Co、Ni、Cu、Mo、W熒光熄滅測定法自從1867年Goppelsroder進(jìn)行了歷史上首次的熒光分析工作，應(yīng)用鋁—桑色素配合物的熒光進(jìn)行鋁的測定以來，采用有機(jī)試劑可以測定70多種元素。催化熒光測定法較常測定的元素有：Cr、Nb、U、Te、Pb某些元素雖然與有機(jī)試劑形成發(fā)熒光的配合物，但是反應(yīng)速度慢，在某些微量元素的催化下，反應(yīng)速度會加快，在特定的時間內(nèi)可用來測定微量元素。低溫?zé)晒鉁y定法常測定的元素有：Cu、Be、Fe、Co、Os、Ag、Au、Zn、Al、Ti、V、Mn、Er、H2O2、CN某些微