分子熒光2012課件

分子發(fā)光分析法MolecularEmissionAnalysis

第五章一、分子熒光與磷光產(chǎn)生過程luminescenceprocessofmolecularfluorescencephosphorescence二、激發(fā)光譜與熒光光譜excitationspectrumandfluore-scencespectrum三、熒光的產(chǎn)生與分子結(jié)構(gòu)關(guān)系relationbetweenfluorescenceandmolecularstructure

四、影響熒光強度的因素factorinfluencedfluorescence五、儀器結(jié)構(gòu)流程instrumentandgeneralprocess六、熒光分析方法與應(yīng)用fluorescenceanalysisandapplication主要內(nèi)容一、熒光與磷光的產(chǎn)生過程

luminescenceprocessofmolecularfluorescencephosphorescence

由分子結(jié)構(gòu)理論，主要討論熒光及磷光的產(chǎn)生機理。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…

；2.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)移系間跨越振動弛預(yù)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)；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)換振動弛豫非輻射能量傳遞過程振動弛豫：同一電子能級內(nèi)以熱能量交換形式由高振動能級至低相鄰振動能級間的躍遷。發(fā)生振動弛豫的時間10-12s。

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。通過內(nèi)轉(zhuǎn)換和振動弛豫，高激發(fā)單重態(tài)的電子躍回第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動能級。

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；外轉(zhuǎn)換使熒光或磷光減弱或“猝滅”。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。改變電子自旋，通過自旋—軌道耦合進行。輻射能量傳遞過程

熒光發(fā)射：電子由第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動能級→基態(tài)（多為S1→S0躍遷），發(fā)射波長為‘2的熒光；10-7～10-9s。

由圖可見，發(fā)射熒光的能量比分子吸收的能量小，波長長；‘2>2>1；

磷光發(fā)射：電子由第一激發(fā)三重態(tài)的最低振動能級→基態(tài)（T1→S0躍遷）；電子由S0進入T1的可能過程：（S0→T1禁阻躍遷）

S0→激發(fā)→振動弛豫→內(nèi)轉(zhuǎn)移→系間跨越→振動弛豫→T1發(fā)光速度很慢：10-4～100s。光照停止后，可持續(xù)一段時間。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)。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。

200250300350400450500熒光激發(fā)光譜熒光發(fā)射光譜nm蒽的激發(fā)光譜和熒光光譜三、熒光的產(chǎn)生與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系

relationbetweenfluorescenceandmolecularstructure

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；1.熒光壽命和熒光效率熒光壽命（fluorescencelifetime）：當(dāng)除去激發(fā)光源后，分子的熒光強度降低到激發(fā)時最大熒光強度的1/e所需的時間。熒光量子產(chǎn)率（fluorescencequantumyield）：3.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

苯萘蒽維生素A205nm286nm356nm327nm278nm321nm404nm510nm0.110.290.36

（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。弱熒光物質(zhì)熒光加強四、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溶液的酸度（pH值）對熒光物質(zhì)的影響可以分兩個方面：

（1）對酸堿性物質(zhì)的影響（掌握）

若熒光物質(zhì)本身是弱酸或弱堿時，溶液pH值改變，物質(zhì)分子和其離子間的平衡也隨之發(fā)生變化，而不同形體具有其各自特定的熒光光譜和熒光效率。例如苯胺4.散射光的干擾瑞利光：光子和物質(zhì)分子發(fā)生彈性碰撞，不發(fā)生能量交換，光子的運動方向發(fā)生改變，其波長與入射光相同。散射光：由于光子與溶劑分子的相互碰撞，使光子的運動方向發(fā)生改變而向不同方向散射，稱為散射光。瑞利光的特點：強度與波長的四次方成反比，即波長越短，瑞利散射光越強。瑞利光的消除：因瑞利散射光波長與激發(fā)光波長相同，只要選擇適當(dāng)?shù)臒晒鉁y定波長或選用濾光片即可消除其影響。

拉曼光：光子和物質(zhì)分子發(fā)生非彈性碰撞，光子運動方向發(fā)生的同時，光子與物質(zhì)分子發(fā)射功能能量交換，使光子能量發(fā)生改變，其波長可能長于入射光，也可能短于入射光。拉曼光特點：波長較長的拉曼光因其波長與物質(zhì)的熒光波長相接近,故對測定的干擾較大。拉曼光的消除：由于拉曼光波長隨激發(fā)光波長的改變而改變,而熒光物質(zhì)的熒光波長與激發(fā)光波長無關(guān),故通過選擇適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)光波長，就可以將二者區(qū)分開。（1）激發(fā)態(tài)熒光分子和熄滅劑分子碰撞，將能量轉(zhuǎn)移到熄滅劑而使熒光熄滅；（2）熒光分子與熄滅劑分子作用生成了本身不發(fā)光的配合物；（3）熒光物質(zhì)分子中引入重原子后，易發(fā)生系間竄越而轉(zhuǎn)變?yōu)槿貞B(tài)；（4）當(dāng)熒光物質(zhì)濃度較大時，激發(fā)態(tài)分子和基態(tài)分子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生熒光自熄滅現(xiàn)象。溶液濃度越高，自熄滅現(xiàn)象越嚴(yán)重；（5）溶液中溶解的氧分子能引起幾乎所有的熒光物質(zhì)產(chǎn)生不同程度的熒光熄滅。熒光熄滅的原因

概念：利用熒光物質(zhì)在加入某種熄滅劑后，熒光強度的減小和熄滅劑的濃度呈線性關(guān)系這一性質(zhì)建立的熒光分析法，稱為熒光熄滅法。特點：熒光熄滅法比直接熒光法更靈敏、更有選擇性。應(yīng)用示例：鋁-桑色素配合物的熒光強度因微量氟離子的存在而引起熒光熄滅，利用這種性質(zhì)可測定樣品中微量氟離子的含量，這時溶液的熒光強度和氟離子濃度成反比。熒光熄滅法五、儀器結(jié)構(gòu)流程

instrumentandgeneralprocess

測量熒光的儀器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(測量)波長的第二單色器；光源：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。儀

器

光

路

圖儀器框圖該型儀器可進行熒光、磷光和發(fā)光分析；六、熒光分析方法與應(yīng)用

fluorescenceanalysisandapplication

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：0.1～0.0001g/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。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（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；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