激發(fā)光譜與熒光光譜

激發(fā)光譜與熒光光譜第1頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一掌握分子熒光產(chǎn)生的過程及其影響因素熟悉熒光光度計的基本構(gòu)件及操作程序了解熒光分析法的特點與應(yīng)用【實驗?zāi)康摹康?頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一【實驗原理】一、分子熒光產(chǎn)生過程二、激發(fā)光譜與熒光光譜三、熒光的產(chǎn)生與分子結(jié)構(gòu)關(guān)系四、影響熒光強度的因素第3頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一1.分子能級與躍遷分子能級比原子能級復(fù)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(見能級圖)；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

…；一、分子熒光的產(chǎn)生過程第4頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一2.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)；平行自旋比成對自旋穩(wěn)定(洪特規(guī)則)，三重態(tài)能級比相應(yīng)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)；

S0→T1禁阻躍遷；通過其他途徑進(jìn)入(見能級圖)；進(jìn)入的幾率??；

第5頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一（S0：單線基態(tài)；S1：最低激發(fā)單線態(tài)；T1：最低激發(fā)三線態(tài)；A：

吸收；F：

熒光；P：磷光；v：振動馳豫；ISC：系間竄躍）

熒光、磷光光物理過程示意圖第6頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一3.激發(fā)態(tài)→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，通過輻射躍遷(發(fā)光)和無輻射躍遷等方式失去能量。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：10-7～10-9s,第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動能級→基態(tài)；磷光：10-4～10s；第一激發(fā)三重態(tài)的最低振動能級→基態(tài)；第7頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一二、激發(fā)光譜與熒光光譜

熒光：光致發(fā)光，照射光波長如何選擇？1.熒光(磷光)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)射的熒光強度與照射光波長的關(guān)系曲線（圖中曲線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；第8頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一2.熒光光譜(或磷光光譜)固定激發(fā)光波長(選最大激發(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)。第9頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一3.激發(fā)光譜與發(fā)射光譜的關(guān)系

a.Stokes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)電子躍遷到不同激發(fā)態(tài)能級，吸收不同波長的能量，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。

c.

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。第10頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一鏡像規(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。

第11頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一200250300350400450500熒光激發(fā)光譜熒光發(fā)射光譜nm蒽的激發(fā)光譜和熒光光譜第12頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一三、熒光的產(chǎn)生與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系

1.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（）：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。第13頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一2.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(yīng)：提高共軛度有利于增加熒光效率并產(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(yīng)：芳環(huán)上有供電基，使熒光增強。第14頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一第15頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一四、影響熒光強度的因素

影響熒光強度的外部因素1.溶劑的影響

除一般溶劑效應(yīng)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.溫度的影響

熒光強度對溫度變化敏感，溫度增加，外轉(zhuǎn)換去活的幾率增加。3.溶液pH

對酸堿化合物，溶液pH的影響較大，需要嚴(yán)格控制；第16頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一4.內(nèi)濾光作用和自吸現(xiàn)象內(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)射熒光，如色胺酸中的重鉻酸鉀。自吸現(xiàn)象：化合物的熒光發(fā)射光譜的短波長端與其吸收光譜的長波長端重疊，產(chǎn)生自吸收；如蒽化合物。第17頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一5.溶液熒光的猝滅碰撞猝滅；氧的熄滅作用等。第18頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一二、儀器結(jié)構(gòu)流程熒光儀主要由四個部分組成：激發(fā)光源、樣品池、雙單色器系統(tǒng)、檢測器。

特殊點：有兩個單色器，光源與檢測器通常成直角。

基本流程如圖：單色器：選擇激發(fā)光波長的第一單色器和選擇發(fā)射光波長的第二單色器；光源：氙燈和高壓汞燈，染料激光器(可見與紫外區(qū))檢測器：光電倍增管。第19頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一儀

器

光

路

圖第20頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一同步掃描技術(shù)

根據(jù)激發(fā)和發(fā)射單色器在掃描過程中彼此間所保持的關(guān)系，同步掃描可分為固定波長差()和固定能量差及可變波長三種。

同步掃描技術(shù)可簡化光譜：譜帶變窄，減少光譜重疊，提高分辨率；如圖。

合適的可減少光譜重疊：

酪氨酸和色氨酸的熒光激發(fā)光譜相似，發(fā)射光譜嚴(yán)重重疊，但<15nm的同步光譜只顯示酪氨酸特征光譜；>60nm時，只顯示色氨酸的特征光譜，實現(xiàn)分別測定。第21頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一可獲得三維光譜圖的儀器可獲得激發(fā)光譜與發(fā)射光譜同時變化時的熒(磷)光光譜圖第22頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一日立F-4500熒光儀熒光儀主機電源開關(guān)光源開關(guān)主機開關(guān)第23頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一開機順序：開機前首先確認(rèn)主機兩個開關(guān)：POWER/MAIN均處于關(guān)閉狀態(tài)（搬向O處）。先接通電源開關(guān)（POWER），5秒鐘后再按下氙燈點燈按鈕，當(dāng)氙燈點燃后，再接通主開關(guān)（MAIN）。此時主開關(guān)上方綠色指示燈連續(xù)閃動三下。接通電腦及打印機電源，Win98開始建立，隨后F-4500操作界面自動進(jìn)入。按界面提示選擇操作方式。關(guān)機順序：逆開機順序?qū)嵤┎僮?。?dāng)電源開關(guān)關(guān)閉后5秒鐘，再次接通10分鐘。（目的是僅讓風(fēng)扇工作，使燈室散熱）最后關(guān)閉電源開關(guān)。日立F-4500熒光分光光度計簡易操作方法第24頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一三、熒光分析方法與應(yīng)用1.特點（1）靈敏度高比紫外-可見分光光度法高2～4個數(shù)量級；為什么？檢測下限：0.1～0.1g/cm-3相對靈敏度：0.05mol/L奎寧硫酸氫鹽的硫酸溶液。（2）選擇性強既可依據(jù)特征發(fā)射光譜，又可根據(jù)特征吸收光譜；（3）試樣量少

缺點：應(yīng)用范圍小。第25頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一2.定量依據(jù)與方法(1)定量依據(jù)

熒光強度

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：Ia=I0(1-10-lc)If=I0(1-10-lc)=I0(1-e-2.3lc)濃度很低時，將括號項近似處理后：

If=2.3I0lc

=Kc第26頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一（2）定量方法標(biāo)準(zhǔn)曲線法：

配制一系列標(biāo)準(zhǔn)濃度試樣測定熒光強度，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，再在相同條件下測量未知試樣的熒光強度，在標(biāo)準(zhǔn)曲線上求出濃度；比較法：在線性范圍內(nèi)，測定標(biāo)樣和試樣的熒光強度，比較；第27頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一3.熒光分析法的應(yīng)用(1)無機化合物的分析

與有機試劑配合物后測量；可測量約60多種元素。鈹、鋁、硼、鎵、硒、鎂、稀土常采用熒光分析法；氟、硫、鐵、銀、鈷、鎳采用熒光熄滅法測定；銅、鈹、鐵、鈷、鋨及過氧化氫采用催化熒光法測定；鉻、鈮、鈾、碲采用低溫?zé)晒夥y定；鈰、銪、銻、釩、鈾采用固體熒光法測定(2)生物與有機化合物的分析見表