分析化學第五版下冊-第8章分子發(fā)光分析法分解

分析化學第五版下冊-第8章分子發(fā)光(fāɡuānɡ)分析法分解第一頁，共57頁。8.1概論(gàilùn)8.1.1分子發(fā)光分析法及其分類某些物質的分子吸收一定能量后，電子從基態(tài)躍遷(yuèqiān)到激發(fā)態(tài)，以光輻射的形式從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，這種現(xiàn)象稱為分子發(fā)光，在此根底上建立起來的分析方法為分子發(fā)光分析法較高激發(fā)態(tài)基態(tài)吸收能量受激光輻射退激分子在退激過程中以光輻射形式(xíngshì)釋放能量第二頁，共57頁。8.1.2分子(fēnzǐ)分析法的特點1.靈敏度高熒光強度隨激發(fā)光強度增強而增強靈敏度熒光分析法比分光光度法高2~3個數(shù)量級2.選擇性好選擇不同的激發(fā)光波長選擇不同的檢測熒光波長3.實驗(shíyàn)方法簡單4.待測樣品用量少；儀器價格適中；測定范圍較廣第三頁，共57頁。8.2分析(fēnxī)熒光與磷光光譜分析(fēnxī)法8.2.1.1熒光(yíngguāng)、磷光產(chǎn)生的機理第四頁，共57頁?；鶓B(tài)分子吸收能量(電能、熱能、化學能或光能等)，電子(diànzǐ)由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，當電子(diànzǐ)由激發(fā)態(tài)返回基態(tài)時發(fā)射電磁輻射(即光)的形式釋放能量，就稱為“發(fā)光〞。M+能量→M*→M+熱量→M+h′分子吸收了光能而被激發(fā)，躍遷至振動能級的三重態(tài)或單重態(tài)，回到基態(tài)所發(fā)射的電磁輻射，稱為熒光和磷光。M+h→M*→M+h′熒光和磷光屬于光致發(fā)光。1、熒光、磷光(línɡuānɡ)的產(chǎn)生第五頁，共57頁。依據(jù)分子結構理論討論熒光及磷光的產(chǎn)生機理。1.分子能級與躍遷(yuèqiān)分子發(fā)光屬于分子發(fā)射光譜的范疇，光發(fā)射過程涉及分子內部電子能級的躍遷(yuèqiān)。基態(tài)(S0)→激發(fā)態(tài)(S1、S2...)：吸收特定頻率的輻射；量子化；躍遷(yuèqiān)一次到位；激發(fā)態(tài)→基態(tài)：多種途徑和方式,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…。第六頁，共57頁。電子激發(fā)態(tài)的多重度：M=2S+1S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)那么〕，因此(yīncǐ)，在同一激發(fā)態(tài)中，三重態(tài)能級比相應單重態(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(tōngguò)其他途徑(系間跨越)；進入的幾率小。第七頁，共57頁。S2S1S0T1吸收發(fā)射熒光發(fā)射磷光系間跨越內轉換振動弛豫能量l2l1l

3

外轉換l

2T2內轉換振動弛豫外轉換(zhuǎnhuàn)使熒光或磷光減弱或“猝滅〞。第八頁，共57頁。3.激發(fā)態(tài)→基態(tài)(jītài)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(fǎnhuí)基態(tài)時，通過輻射躍遷(發(fā)光)和無輻射躍遷(熱)等方式失去能量。傳遞途徑輻射躍遷熒光磷光內轉移外轉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(zhèndòng)能級→基態(tài)；磷光：10-4～10s,第一激發(fā)三重態(tài)的最低振動(zhèndòng)能級→基態(tài)。延遲熒光第九頁，共57頁。輻射(fúshè)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)各振動能級(為S1→S0躍遷)，發(fā)射波長為'2的熒光；發(fā)射時間約為10-7～10-9s。發(fā)射熒光的能量比分子吸收的能量小,波長長。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)各振動能級(T1→S0躍遷)。發(fā)光速度很慢：10-4～100s。光照停止(tíngzhǐ)后，可持續(xù)一段時間。電子由S0進入T1的可能過程：〔S0→T1禁阻躍遷〕S0→激發(fā)態(tài)→振動弛豫→內轉換→系間跨越→振動弛豫→T1

第十頁，共57頁。2.熒光、磷光(línɡuānɡ)的壽命和量子產(chǎn)率熒光壽命〔〕指的是熒光分子處于激發(fā)態(tài)的平均壽命，可用下式表示：式中表示(biǎoshì)熒光分子發(fā)射過程的速度常數(shù)，代表各種分子內的非輻射衰變過程的速度常數(shù)的總和。第十一頁，共57頁?！惨弧碂晒庑?xiàolǜ)熒光強度常用熒光量子效率(xiàolǜ)φf來描述

熒光量子效率(xiàolǜ)f=發(fā)熒光的分子數(shù)激發(fā)態(tài)分子總數(shù)f是一個物質熒光特性的重要參數(shù)，反映了熒光物質發(fā)射(fāshè)熒光的能力，f越大，熒光越強，在0~1之間Kf為熒光發(fā)射過程的速率常數(shù)——取決于物質的化學結構。∑K為非輻射躍遷的速率常數(shù)之和——主要取決于化學環(huán)境，也與化學結構有關。分析上有應用(yìngyòng)價值的熒光化合物的熒光效率在0.1~1之間。第十二頁，共57頁。磷光的量子產(chǎn)率Φp與熒光(yíngguāng)量子產(chǎn)率Φp相似。第十三頁，共57頁。8.2.1.2熒光(yíngguāng)磷光與有機化合物結構的關系物質只有吸收了紫外可見光，發(fā)生*,n*躍遷，產(chǎn)生熒光(yíngguāng)*與n*躍遷相比，摩爾吸收系數(shù)大102~103，壽命短*躍遷常產(chǎn)生較強的熒光(yíngguāng)，n*躍遷產(chǎn)生的熒光(yíngguāng)弱，但可產(chǎn)生系間竄躍，產(chǎn)生更強的磷光第十四頁，共57頁。1.共軛鍵系統(tǒng)具有共軛體系的芳環(huán)或雜環(huán)化合物，電子共軛程度越大，越易產(chǎn)生(chǎnshēng)熒光;環(huán)越多，共軛程度越大，產(chǎn)生(chǎnshēng)熒光波長越長，發(fā)射的熒光強度越強fex/nm

em/nm0.112052780.292863100.46365400苯萘蒽350菲線狀環(huán)結構(jiégòu)比非線狀結構(jiégòu)的熒光波長長第十五頁，共57頁。2.剛性平面結構(jiégòu)—較穩(wěn)定的平面結構(jiégòu)具有強熒光的分子多數(shù)有剛性(ɡānɡxìnɡ)平面結構熒光素：氧橋把兩個環(huán)固定在一個(yīɡè)平面上，具有平面結構，強熒光物質酚酞：無氧橋把兩個環(huán)固定，不能很好的共平面，為非熒光物質第十六頁，共57頁?！?〕取代基效應〔實驗總結和推測(tuīcè)〕：取代基的性質(尤其是生色基團)對熒光體的熒光特性和強度均有強烈的影響。①給電子取代基使熒光(yíngguāng)加強供電子基團的有-NH2，-NHR，-NR2，-OH，-OR，-CN等。取代基的影響主要(zhǔyào)有以下幾個方面：②吸電子基團使熒光減弱而磷光增強屬于這類基團的為吸電子基團：如羰基(-COOH，-CHO)，硝基(NO2)及重氮基等。

第十七頁，共57頁。③取代基位置的影響取代基位置對芳烴熒光(yíngguāng)的影響通常為：鄰位，對位取代者增強熒光(yíngguāng)，間位取代者通常抑制熒光(yíngguāng)。取代基的空間阻礙對熒光(yíngguāng)也有明顯的影響。第十八頁，共57頁。5.最低電子(diànzǐ)激發(fā)單重態(tài)的性質含N、O、S雜原子的不飽和有機物，如喹啉和芳酮類物質都含有未鍵合的孤對n電子，電子躍遷多為n*，系間竄躍強烈，熒光很弱或不發(fā)熒光。不含N、O、S雜原子的有機熒光體多發(fā)生*類型(lèixíng)的躍遷，摩爾吸收系數(shù)大，約為104，熒光強。第十九頁，共57頁。8.2.1.3影響(yǐngxiǎng)分子發(fā)光的環(huán)境因素1.溶劑的影響同一(tóngyī)熒光物質在不同的溶劑中可能表現(xiàn)出不同的熒光性質一般來說，溶劑的極性增強，熒光波長長移，熒光強度增大2.介質的溫度(wēndù)和黏度的影響——低溫下測定，提高靈敏度大多數(shù)熒光物質都隨溶液溫度(wēndù)升高熒光效率下降，熒光強度減弱。溫度(wēndù)對磷光影響更大介質黏度的提高，有利于提高熒光或磷光的強度。

第二十頁，共57頁。3.pH的影響(yǐngxiǎng)大多數(shù)含有(hányǒu)酸性或堿性基團的芳香族化合物的熒光性質受溶液pH的影響很大共軛酸堿對是具有不同熒光性質的兩種型體，具有各自的熒光效率和熒光波長。6pH~1有熒光(yíngguāng)pH~13無熒光無熒光有熒光另外，外表活性劑也會影響熒光強度和特性第二十一頁，共57頁。8.2.1.4熒光(yíngguāng)、磷光猝滅熒光分子與溶劑分子或者其他分子之間存在相互作用，使得熒光強度降低(jiàngdī)或消失的現(xiàn)象?！?〕碰撞猝滅碰撞猝滅是熒光(yíngguāng)猝滅的主要類型之一。激發(fā)單重態(tài)的熒光分子

猝滅劑分子

第二十二頁，共57頁。生成化合物的猝滅也稱為靜態(tài)猝滅，是指基態(tài)的熒光(yíngguāng)物質與猝滅劑反響生成非熒光(yíngguāng)的化合物，導致熒光(yíngguāng)的猝滅?！?〕生成(shēnɡchénɡ)化合物的猝滅基態(tài)的熒光(yíngguāng)物質猝滅劑

〔3〕氧的猝滅O2可以說是熒光和磷光的最普遍存在的猝滅劑。氧對溶液熒光產(chǎn)生猝滅作用的原因比較復雜，還沒有一個完整確實定說法，可能包含著多種機理。第二十三頁，共57頁?！?〕.熒光(yíngguāng)物質的自吸猝滅當熒光物質(wùzhì)的濃度較大時，會使熒光強度降低，熒光強度與濃度不成線性關系，稱為熒光物質(wùzhì)的自猝滅。自猝滅可能有如下幾個原因：(1)熒光物質分子(fēnzǐ)之間的碰撞能量損失;(2)熒光物質的自吸收;(3)熒光物質分子(fēnzǐ)的締合。第二十四頁，共57頁。

8.2.1.5熒光(yíngguāng)激發(fā)光譜與發(fā)射光譜

熒光：光致發(fā)光，照射光波長如何選擇？以不同波長的入射光激發(fā)熒光物質，并在熒光最強處測量熒光強度，以激發(fā)波長為橫坐標，熒光強度為縱坐標繪制的關系曲線。與吸收光譜曲線形狀(xíngzhuàn)相同。

第二十五頁，共57頁。2.熒光(yíngguāng)發(fā)射光譜固定激發(fā)光波長(選最大激發(fā)波長)和強度，化合物發(fā)射的熒光與發(fā)射光波長關系曲線。熒光激發(fā)光譜與發(fā)射光譜(fāshèɡuānɡpǔ)是測定時選擇激發(fā)波長和熒光測量波長的依據(jù)，也可用于鑒別物質。

第二十六頁，共57頁。第二十七頁，共57頁。第二十八頁，共57頁。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(néngliàng)。電子躍遷到不同激發(fā)態(tài)能級，吸收不同波長的能量(néngliàng)，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)那么通常熒光發(fā)射光譜與它的激發(fā)光譜成鏡像對稱關系。

第二十九頁，共57頁。8.2.1.6熒光〔磷光〕強度與溶液濃度(nóngdù)的關系用強度為I0的入射光，照射到液池內的熒光物質時，產(chǎn)生熒光，熒光強度If用儀器測得，在熒光濃度(nóngdù)很稀時，熒光物質發(fā)射的熒光強度If與濃度(nóngdù)有下面的關系。Ia為吸收(xīshōu)的輻射強度I0為入射光強度熒光池I0IIf熒光強度檢測器If=f〔I0-I010-A〕=fI0〔1-10-A〕I=I010-A將上式展開If=fIa=f〔I0-I〕第三十頁，共57頁。當A﹤0.05時，方括號中其它(qítā)各項與第一項相比可忽略不計，上式簡化If=2.3fI0A=2.3fI0cL當A﹤0.05時，If與f、I0、和c有關，對一給定物質，當激發(fā)光波長和強度一定(yīdìng)時，f、I0、和L為常數(shù)，合并為KIf=KcIp=Kc定量分析(dìngliàngfēnxī)依據(jù)第三十一頁，共57頁。熒光強度與物質濃度呈線性關系，If=Kc只有在濃度低時使用，熒光物質測定的是微量或痕量組分(zǔfèn)，靈敏度高。濃度高時，If與c不呈線性關系，有時c增大，If反而降低。因為公式[]中后面影響，有時發(fā)生熒光猝滅效應。If=Kc濃度效應包括(bāokuò)：1.內濾效應2.發(fā)光分子形成基態(tài)或激發(fā)態(tài)的聚合物第三十二頁，共57頁。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8.2.2熒光(yíngguāng)、磷光分析儀器

測量熒光的儀器主要由四個局部組成：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(tōngcháng)成直角。第三十三頁，共57頁。光源(guāngyuán)氙燈(xiāndēng)激發(fā)(jīfā)單色器樣品池光電倍增管數(shù)據(jù)處理儀器控制發(fā)射單色器熒光光度計儀器光路圖第三十四頁，共57頁。1.光源：氙燈和高壓(gāoyā)汞燈，染料激光器(可見-紫外區(qū))光源要求：發(fā)射強度足夠(zúgòu)且穩(wěn)定的連續(xù)光譜光輻射強度隨波長的變化小有足夠(zúgòu)長的使用壽命高壓(gāoyā)汞燈:是以汞蒸氣放電發(fā)光的光源，一般濾光片式的熒光計多采用它為激發(fā)光源。氙燈:是目前熒光分光分度計中應用最廣泛的一種光源。它是一種短弧氣體放電燈，具有光強度大，在200～800nm范圍內是連續(xù)光源的特點。染料激光器:是一種新型的熒光激發(fā)光源。第三十五頁，共57頁。I0ItIF,p4.檢測器：現(xiàn)在的熒光計多采用光電倍增(bèizēnɡ)管進行檢測。3.樣品(yàngpǐn)池：熒光分光光度計的樣品(yàngpǐn)池四面透光。2.單色器：熒光分析儀中應用最多的單色器為光柵單色器，光柵有兩塊，第一塊為激發(fā)單色器，用于選擇激發(fā)光的波長，第二塊為發(fā)射單色器，用于選擇熒光發(fā)射波長。在比較低檔次的熒光計中，采用濾光片作為單色器。第三十六頁，共57頁。8.2.2.2磷光分析儀器(yíqì)1、試樣池低溫磷光一般在液氮溫度下進行(jìnxíng)，盛放試樣的試樣池需放置在盛液氮的杜瓦瓶內。2、磷光鏡通常(tōngcháng)借助于熒光和磷光壽命的差異，采用磷光鏡的裝置將熒光隔開。第三十七頁，共57頁。8.2.3熒光的常規(guī)(chángguī)測定方法1.直接測定法〔1〕熒光衍生法〔2〕熒光猝滅法〔3〕敏化熒光法第三十八頁，共57頁。8.2.4磷光的測定方法8.2.4.1低溫磷光分析8.2.4.2室溫(shìwēn)磷光分析(RTP)〔1〕固體基質外表室溫(shìwēn)磷光分析(SS-RTP)〔2〕膠束穩(wěn)定的室溫(shìwēn)磷光分析〔MS-RTP〕〔3〕敏化室溫(shìwēn)磷光分析〔S-RTP〕第三十九頁，共57頁。8.2.5熒光(yíngguāng)、磷光分析法的應用熒光分析法具有靈敏度高、取樣量少等優(yōu)點1.無機化合物的分析無機化合物中，能直接產(chǎn)生熒光并應用于測定的為數(shù)不多，但與有機化合物生成(shēnɡchénɡ)發(fā)熒光的有機配合物后，進行熒光分析的元素達70多種，其中較常采用熒光法測定的元素有：Be、Al、B、Ga、Se、Mg、Zn、Cd及某些稀土元素。能夠同金屬離子形成熒光配合物的有機試劑絕大多數(shù)是芳香族化合物，形成五元環(huán)或六元環(huán)的螯合物，分子的剛性平面結構增大(zēnɡdà)，變?yōu)閺姛晒怏w。熒光猝滅法也是熒光分析中經(jīng)常采用的方法?？刹捎脽晒忖绶ㄩg接測定的離子有：F-、S2-、Fe3+、Co2+、Ni2+、Cu2+等。第四十頁，共57頁。2.有機(yǒujī)化合物的分析脂肪族有機化合物的分子結構較為簡單，本身能發(fā)熒光的很少，一般需要與某些試劑反響后才能進行熒光分析。芳香族化合物因具有共軛的不飽和體系，多數(shù)能發(fā)熒光；可直接用熒光法測定。對于具有致癌活性的多環(huán)芳烴——熒光分析法是最主要的測定方法。為提高測定的靈敏度，有時(yǒushí)也將芳香族化合物與適當試劑反響之后進行測定。第四十一頁，共57頁。能產(chǎn)生磷光的物質數(shù)量很少，磷光分析不及熒光分析普遍，但磷光分析法已在藥物分析、臨床及環(huán)境分析領域得到一定的應用。低溫磷光分析已應用在萘、蒽、菲、芘、苯并芘等多環(huán)芳烴及含O、S、N的雜環(huán)化合物分析。固體外表室溫(shìwēn)磷光分析法已成為多環(huán)芳烴和雜環(huán)化合物的快速、靈敏的分析手段。第四十二頁，共57頁。8.3化學發(fā)光分析法8.3.1概述化學發(fā)光是利用化學反響所產(chǎn)生的光輻射現(xiàn)象所建立的分析方法?；瘜W發(fā)光與熒光的主要區(qū)別：受激發(fā)(jīfā)時所需的能量來源不同化學發(fā)光：需要化學反響過程中所提供的化學能激發(fā)(jīfā)而發(fā)光熒光：光源激發(fā)(jīfā)而發(fā)光第四十三頁，共57頁。化學發(fā)光分析(fēnxī)具有以下特點靈敏度高——例：用熒光素酶和三磷酸腺苷ATP的化學發(fā)光反響，可測定低至2×10-17mol·L-1ATP線性范圍寬——一般有5~6個數(shù)量級儀器設備簡單，本錢低廉分析速度快，易實現(xiàn)自動化局限性：可供發(fā)光用的試劑有限(yǒuxiàn)發(fā)光機理有待進一步研究第四十四頁，共57頁。8.3.2根本(gēnběn)原理〔一〕化學發(fā)光反響的根本條件發(fā)光反響必須滿足(mǎnzú)以下條件1.化學反響必須產(chǎn)生足夠的化學能化學發(fā)光基于化學反響提供足夠的能量A+B→C*+D產(chǎn)物接受反響能被激發(fā)在可見光區(qū)觀察化學發(fā)光，需170~300kJ·mol-1激發(fā)能。具有過氧化物中間產(chǎn)物的氧化復原反響可滿足(mǎnzú)要求?；瘜W反響多是在有O3、H2O2等參加的高能反響中。2.處于激發(fā)態(tài)分子能夠以輻射躍遷的方式返回基態(tài)C*→C+h第四十五頁，共57頁?！捕郴瘜W發(fā)光效率(xiàolǜ)和發(fā)光強度化學發(fā)光效率(xiàolǜ)CL激發(fā)態(tài)分子(fēnzǐ)的化學效率激發(fā)態(tài)分子的發(fā)光效率r取決于發(fā)光所依據(jù)的化學反響本身f與熒光效率的影響因素相同，既取決于發(fā)光體本身的結構和性質，也受環(huán)境的影響。第四十六頁，共57頁?；瘜W(huàxué)發(fā)光強度具有高效率的化學發(fā)光是生物體中。亦稱生物發(fā)光。如：螢火蟲發(fā)光反響的效率幾乎接近100%。非生物體的化學發(fā)光效率一般(yībān)不超過1%化學發(fā)光強度ICL〔t〕與反響速度、化學發(fā)光效率有如下關系對下列化學發(fā)光反應A+B→C*+D

C+hICL隨時間和反響(fǎnxiǎng)物的消耗逐漸減小第四十七頁，共57頁。A+B→C*+DA為待測物質，C為發(fā)光物質，當反響物B的濃度遠遠過量(guò〃liàng)于待測物濃度時，B的濃度可認為是常數(shù)。因此，發(fā)光反響可視為一級反響t時刻的發(fā)光強度與該時刻的分析物濃度成正比化學發(fā)光總強度與分析物濃度呈線性關系。根據(jù)時間(shíjiān)內的發(fā)光總強度來定量分析。發(fā)光(fāɡuānɡ)總強度第四十八頁，共57頁。8.3.3化學發(fā)光反響(fǎnxiǎng)的類型8.3.3.1氣相化學發(fā)光反響a.一氧化氮與O3的發(fā)光反響NO+O3→NO2*NO2*→NO2+h發(fā)射的光譜(guāngpǔ)范圍：600～875nm，靈敏度1ng/cm-3；b.氧原子與SO2、NO、CO的發(fā)光反響O3→O2+O〔1000C石英管中進行〕SO2+O+O→SO2*+O2SO2*→SO2*+h最大發(fā)射波長：200nm；靈敏度1ng/cm-3；第四十九頁，共57頁。〔2〕火焰(huǒyàn)化學發(fā)光在富氫火焰中，也存在著很強的化學發(fā)光反響；a.一氧化氮NO+H→HNO*HNO*→HNO+h發(fā)射光譜(fāshèɡuānɡpǔ)范圍：660～770nm；最大發(fā)射波長：690nm；在富氫火焰中：NO