單線態(tài)和三線態(tài)

光譜分析原子光譜原子吸收原子發(fā)射原子熒光分子光譜分子吸收紫外-可見光譜分子發(fā)光1單線態(tài)和三線態(tài)第二章分子發(fā)光分析分子吸收能量激發(fā)為激發(fā)態(tài)釋放出能量基態(tài)電能化學(xué)能光能稱為“發(fā)光”光的形式釋放熒光磷光分子發(fā)光光致發(fā)光化學(xué)發(fā)光輻射躍遷非輻射躍遷以熱的形式釋放2單線態(tài)和三線態(tài)

分子熒光分析法一、基本原理（一）熒光和磷光的產(chǎn)生

從分子結(jié)構(gòu)理論來討論分子中電子的能量狀態(tài)電子所處的能級振動能級轉(zhuǎn)動能級電子的多重態(tài)J=2S+1S：為各電子自旋量子數(shù)的代數(shù)和S=0,J=1單重態(tài)S表示（所有電子都是自旋配對的）S=1,J=3三重態(tài)T表示大多數(shù)基態(tài)分子都處于單重態(tài)電子在躍遷過程中伴隨著自旋方向的變化（自旋平行）3單線態(tài)和三線態(tài)基態(tài)單重態(tài)S激發(fā)態(tài)單重態(tài)S激發(fā)態(tài)三重態(tài)T激發(fā)單重態(tài)S與激發(fā)三重態(tài)T的不同點(diǎn)：⑴S是抗磁分子，T是順磁分子⑵tS=10-8s,tT=10-4～1s；(發(fā)光速度很慢)⑶基態(tài)單重態(tài)到激發(fā)單重態(tài)的激發(fā)為允許躍遷，基態(tài)單重態(tài)到激發(fā)三重態(tài)的激發(fā)為禁阻躍遷；⑷激發(fā)三重態(tài)的能量較激發(fā)單重態(tài)的能量低4單線態(tài)和三線態(tài)其中S0、S1和S2分別表示分子的基態(tài)、第一和第二電子激發(fā)的單重態(tài)T1和T2則分別表示分子的第一和第二電子激發(fā)的三重態(tài)。V=0、1、2、3、…表示基態(tài)和激發(fā)態(tài)的振動能級。

2．分子內(nèi)的光物理過程5單線態(tài)和三線態(tài)S0S1S2T1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。發(fā)生振動弛豫的時間為10-12s數(shù)量級。非輻射能量傳遞過程；6單線態(tài)和三線態(tài)S0S1S2T1吸光

1吸光

2內(nèi)轉(zhuǎn)移:

當(dāng)兩個電子能級非?？拷灾疗湔駝幽芗売兄丿B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。（S1轉(zhuǎn)移S2）7單線態(tài)和三線態(tài)S0S1S2T1吸光

1吸光

2熒光

3系間竄躍: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。8單線態(tài)和三線態(tài)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)

S0S1S2T1吸光

1吸光

2熒光

3熒光得到最大波長為λ3的熒光由圖可見，發(fā)射熒光的能量比分子吸收的能量小

λ3>λ2

>λ19單線態(tài)和三線態(tài)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?yàn)檫@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。S0S1S2T1吸光

1吸光

2熒光

3磷光磷光10單線態(tài)和三線態(tài)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(qiáng)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：

磷光是由激發(fā)三重態(tài)最低振動能層至基態(tài)熒光是由激發(fā)單重態(tài)最低振動能層至基態(tài)區(qū)別11單線態(tài)和三線態(tài)(二)熒光的激發(fā)光譜和發(fā)射光譜

激發(fā)光譜:(ex)以不同波長的入射光激發(fā)熒光物質(zhì),在熒光最強(qiáng)的波長處測量熒光強(qiáng)度即以激發(fā)光波長為橫坐標(biāo),以熒光強(qiáng)度為縱坐標(biāo)繪制曲線即可得到激發(fā)光譜曲線。發(fā)射光譜：(em)固定激發(fā)光波長（最大）然后測定不同的波長時所發(fā)射的熒光強(qiáng)度即可繪制熒光發(fā)射光譜曲線12單線態(tài)和三線態(tài)在熒光的產(chǎn)生過程中，由于存在各種形式的無輻射躍遷，損失能量，所以它們的最大發(fā)射波長都向長波方向移動，以磷光波長的移動最多，而且它的強(qiáng)度也相對較弱。13單線態(tài)和三線態(tài)14單線態(tài)和三線態(tài)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(如能級圖

2,

1)，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。15單線態(tài)和三線態(tài)（三）熒光的影響因素分子產(chǎn)生熒光必須具備兩個條件：①分子必須具有與所照射的輻射頻率(紫外-可見光）相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)（共軛雙鍵），才能吸收激發(fā)光；②吸收了與其本身特征頻率相同的能量之后，必須具有一定的熒光量子產(chǎn)率。16單線態(tài)和三線態(tài)1.熒光效率它表示物質(zhì)發(fā)射熒光的能力，通常用下式表示

熒光效率越高；物質(zhì)發(fā)射熒光越強(qiáng)kf為熒光發(fā)射過程的速率常數(shù)（與化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)）

ki為其它有關(guān)過程的速率常數(shù)的總和（化學(xué)環(huán)境）凡使kf

值升高而使ki值降低的因素，都可增強(qiáng)熒光。17單線態(tài)和三線態(tài)2.熒光與有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的關(guān)系（1）躍遷類型實(shí)驗(yàn)證明，對于大多數(shù)熒光物質(zhì)，首先經(jīng)歷

激發(fā)，然后經(jīng)過振動弛豫或其他無輻射躍遷，再發(fā)生

躍遷而得到熒光。（2）共軛效應(yīng)實(shí)驗(yàn)證明，容易實(shí)現(xiàn)

激發(fā)的芳香族化合物容易發(fā)生熒光，增加體系的共軛度熒光效率一般也將增大，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18單線態(tài)和三線態(tài)(3)剛性平面結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，多數(shù)具有剛性平面結(jié)構(gòu)的有機(jī)分子具有強(qiáng)烈的熒光。因?yàn)檫@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。19單線態(tài)和三線態(tài)（4）取代基效應(yīng)芳環(huán)上取代基給電子基團(tuán)，熒光增強(qiáng)（-OH、-OR、-CN、-NH2）產(chǎn)生了p-共軛作用，增強(qiáng)了電子共軛程度，使最低激發(fā)單重態(tài)與基態(tài)之間的躍遷幾率增大。吸電子基團(tuán)減弱甚至?xí)鐭晒馊?COOH、-NO、-C

O、鹵素鹵素取代基隨原子序數(shù)的增加而熒光降低在重原子中，能級之間的交叉現(xiàn)象比較嚴(yán)重，因此容易發(fā)生自旋軌道的相互作用，增加了由單重態(tài)轉(zhuǎn)化為三重態(tài)的速率20單線態(tài)和三線態(tài)3.金屬螯合物的熒光大多數(shù)無機(jī)鹽類金屬離子，在溶液中只能發(fā)生無輻射躍遷，因而不產(chǎn)生熒光。不少有機(jī)化合物雖然具有共軛雙鍵，但由于不是剛性結(jié)構(gòu)，分子處于非同一平面，因而不發(fā)生熒光。但是，若這些化合物和金屬離子形成螯合物，隨著分子的剛性增強(qiáng)，平面結(jié)構(gòu)的增大，常會發(fā)生熒光21單線態(tài)和三線態(tài)22單線態(tài)和三線態(tài)

同一種熒光物質(zhì)溶于不同溶劑，其熒光光譜的位置和強(qiáng)度可能有明顯不同。4．溶劑效應(yīng)一般情況下，隨著溶劑的極性的增加，熒光物質(zhì)的π→π*

躍遷幾率增加，熒光強(qiáng)度將增強(qiáng)，熒光波長也發(fā)生紅移。5．溫度的影響一般說來，大多數(shù)熒光物質(zhì)的溶液隨著溫度的降低，熒光效率和熒光強(qiáng)度將增加如熒光素的乙醇溶液在0℃以下每降低10℃，熒光效率增加3%，冷至-80℃時，熒光效率為100%。23單線態(tài)和三線態(tài)（四）溶液的熒光（或磷光）強(qiáng)度1.熒光強(qiáng)度與溶液濃度的關(guān)系

熒光強(qiáng)度If正比于吸收的光量Ia與熒光量子產(chǎn)率

。

If=

Ia式中

為熒光量子效率，又根據(jù)Beer定律A=-lgI/I0I=I0.10-A

Ia=I0-I=I0(1-10-A)I0和I分別是入射光強(qiáng)度和透射光強(qiáng)度。代入上式得

If=

I0(1-10-kbc)24單線態(tài)和三線態(tài)整理得：

If=2.3

I0

kbc當(dāng)入射光強(qiáng)度I0和b一定時，上式為：

If=Kc即熒光強(qiáng)度與熒光物質(zhì)的濃度成之正比，但這種線性關(guān)系只有在極稀的溶液中，當(dāng)kbc0.05時才成立。對于較濃溶液，由于猝滅現(xiàn)象和自吸收等原因，使熒光強(qiáng)度和濃度不呈線性關(guān)系。

25單線態(tài)和三線態(tài)2、影響熒光強(qiáng)度的環(huán)境因素因素溶劑一般溶劑效應(yīng)折射率和介電常數(shù)的影響特殊溶劑效應(yīng)熒光體和溶劑分子間的特殊化學(xué)作用如氫鍵的生成同一種熒光物質(zhì)在不同的溶劑中的熒光光譜不同溫度溫度上升使熒光強(qiáng)度下降內(nèi)部能量轉(zhuǎn)化作用增大碰撞頻率增加，使外轉(zhuǎn)換的幾率增加酸度化合物所處狀態(tài)不同電子構(gòu)型上有所不同熒光強(qiáng)度和熒光光譜不同26單線態(tài)和三線態(tài)27單線態(tài)和三線態(tài)3、熒光猝滅定義：熒光物質(zhì)分子與溶劑分子或其它溶質(zhì)分子

的相互作用引起熒光強(qiáng)度降低的現(xiàn)象類型碰撞猝滅激發(fā)單重態(tài)的熒光分子與猝滅劑分子相碰撞熒光分子以無輻射躍遷的方式回到基態(tài)靜態(tài)猝滅熒光物質(zhì)分子與猝滅劑分子生成非熒光的絡(luò)合物轉(zhuǎn)入三重態(tài)的猝滅發(fā)生電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的猝滅猝滅劑與熒光物質(zhì)熒光物質(zhì)的自猝滅濃度較高單重激發(fā)態(tài)的分子在發(fā)生熒光之前和未激發(fā)的熒光物質(zhì)分子碰撞而引起的自猝滅溶解氧與熒光物質(zhì)28單線態(tài)和三線態(tài)光源氙燈和高壓汞燈激發(fā)單色器光柵掃描激發(fā)光譜，選擇激發(fā)波長樣品池I0

IIf發(fā)射單色器掃描發(fā)射光譜消除其它光線的干擾獲得所需的熒光檢測器顯示器與分光光度計的差別兩個單色器兩個單色器互成直角光電倍增管二、熒光分析儀29單線態(tài)和三線態(tài)三、分子熒光分析法及其應(yīng)用1.熒光分析方法的特點(diǎn)（1）靈敏度高（2）選擇性強(qiáng)（3）試樣量少和方法簡單（4）提供比較多的物理參數(shù)2、熒光定量分析的方法方法標(biāo)準(zhǔn)曲線法熒光強(qiáng)度與熒光物質(zhì)濃度成正比的關(guān)系比較法同樣條件下，測定試樣溶液和一標(biāo)準(zhǔn)溶液的熒光強(qiáng)度，直接通過比例計算30單線態(tài)和三線態(tài)3、熒光分析法的應(yīng)用方法直接熒光法被測物本身有熒光被測物與試劑反應(yīng)后F與物質(zhì)的濃度成正比熒光猝滅法被測物使熒光熄滅由熒光強(qiáng)度降低的強(qiáng)度來測定被測物的含量

間接熒光法某些陰離子奪取金屬絡(luò)合物中金屬離子，而釋放出能發(fā)熒光的配位體催化熒光法反應(yīng)速度慢，熒光微弱，難測定金屬離子將加速反應(yīng)進(jìn)行31單線態(tài)和三線態(tài)磷光分析法

1．如何獲得較強(qiáng)的磷光增加試樣的剛性: 低溫冷凍固體磷光法： 吸附于固相載體（濾紙）分子締合物的形成： 加入表面活性劑等重原子效應(yīng)： 加入含重原子的物質(zhì)，如銀鹽等敏化磷光： 通過能量轉(zhuǎn)移產(chǎn)生磷光

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(jìn)入T1的可能過程：（S0→T1禁阻躍遷）32單線態(tài)和三線態(tài)

熒光計上配上磷光測量附件即可對磷光進(jìn)行測量。在有熒光發(fā)射的同時測量磷光磷光分析儀器應(yīng)用33單線態(tài)和三線態(tài)化學(xué)發(fā)光分析法一、基本原理A+B→C+D*D*→D+h

某些化合物接受能量而被激發(fā)，從激發(fā)態(tài)返回基態(tài)時，發(fā)射出一定波長的光（1）能夠發(fā)光的化合物大多為有機(jī)化合物，芳香族化合物（2）發(fā)光反應(yīng)多為氧化還原反應(yīng)，激發(fā)能與反應(yīng)能相當(dāng)

E=170～300kJ/mol；位于可見光區(qū)（3）發(fā)光持續(xù)時間較長，反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行發(fā)光反應(yīng)如果存在于生物體(螢火蟲)中，稱生物發(fā)光34單線態(tài)和三線態(tài)化學(xué)發(fā)光效率化學(xué)效率：發(fā)光效率：化學(xué)反應(yīng)所決定

化學(xué)反應(yīng)和環(huán)境因素化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度(單位時間發(fā)射的光量子數(shù))：dc/dt是分析物參加反應(yīng)的速率

35單線態(tài)和三線態(tài)若化學(xué)發(fā)光反應(yīng)是一級動力學(xué)反應(yīng)則即發(fā)光總強(qiáng)度與被測物濃度成線性：二、化學(xué)發(fā)光反應(yīng)類型1.直接化學(xué)發(fā)光和間接化學(xué)發(fā)光直接發(fā)光是被測物作為反應(yīng)物直接參加化學(xué)發(fā)光反應(yīng)，生成電子激發(fā)態(tài)產(chǎn)物分子，此初始激發(fā)態(tài)能輻射光子

A+B

C*+DC*C+h

36單線態(tài)和三線態(tài)間接發(fā)光是被測物A或B，通過化學(xué)反應(yīng)生成初始激發(fā)態(tài)產(chǎn)物C*，C*不直接發(fā)光，而是將其能量轉(zhuǎn)移給F，使F躍遷回基態(tài)，產(chǎn)生發(fā)光。A+B

C*+DC*+FF*+EF*F+h

2.氣相化學(xué)發(fā)光和液相化學(xué)發(fā)光（1）氣相化學(xué)發(fā)光化學(xué)發(fā)光反應(yīng)在氣相中進(jìn)行

主要有O3、NO、S的化學(xué)發(fā)光反應(yīng)，可用于監(jiān)測空氣中的O3、NO、SO2、H2S、CO、NO2等

NO+O3→NO2*NO2*→NO2+h

37單線態(tài)和三線態(tài)（2）液相化學(xué)發(fā)光

化學(xué)發(fā)光反應(yīng)在液相中進(jìn)行應(yīng)用最多的發(fā)光試劑：魯米諾（3-氨基苯二甲酰肼）；魯米諾在堿性溶液中與雙氧水的反應(yīng)過程：魯米諾-H2O2發(fā)光反應(yīng)反應(yīng)速度慢，可檢測低至10-9mol/L的H2O2；38單線態(tài)和三線態(tài)生物發(fā)光生物發(fā)光是化學(xué)發(fā)光中的一類，特指在生物體內(nèi)通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象，主要由酶來催化產(chǎn)生的。多種細(xì)菌、昆蟲、魚類等均能發(fā)光39單線態(tài)和三線態(tài)熒光燈：當(dāng)高壓加在燈管兩端后，燈管內(nèi)少數(shù)電子高速撞擊電極后產(chǎn)生二次電子發(fā)射，開始放電，管內(nèi)的水銀受電子撞擊后，激發(fā)輻射出253.7nm的紫外光，產(chǎn)生的紫外光激發(fā)涂在管內(nèi)壁上的熒光粉而產(chǎn)生可見光。（可見光的顏色將依據(jù)所選用的熒光粉的不同而不同）

40單線態(tài)和三線態(tài)熒光棒中的化學(xué)物質(zhì)主要由三種物質(zhì)組成：過氧化物、酯類化合物和熒光染料。簡單地說，熒光棒發(fā)光的原理就是過氧化物和酯類化合物發(fā)生反應(yīng)，將反應(yīng)后的能量傳遞給熒光染料，再由染料發(fā)出熒光。目前市場上常見的熒光棒中通常放置了一個玻璃管夾層，夾層內(nèi)外隔離了過氧化物和酯類化合物，經(jīng)過揉搓，兩種化合物反應(yīng)使得熒光染料發(fā)光。

41單線態(tài)和三線態(tài)三、化學(xué)發(fā)光的測量儀器儀器主要包括：樣品室、光檢測器、放大器和信號輸出裝置等部件42單線態(tài)和三線態(tài)熒光法測定維生素B2片劑中核黃素含量

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?．學(xué)習(xí)和掌握熒光光度分析方法2．了解熒光分光光度計的結(jié)構(gòu)及使用方法二、實(shí)驗(yàn)原理：維生素B2結(jié)構(gòu)式

維生素B2，又叫核黃素，橘黃色,無臭的針狀晶體易溶于水而不溶于乙醚等有機(jī)溶劑在中性或酸性溶液中穩(wěn)定光照易分解，對熱穩(wěn)定43單線態(tài)和三線態(tài)維生素B2水溶液在430-440nm藍(lán)光或紫外光照射下會發(fā)生綠色熒光，熒光峰在535nm,在pH=6-7溶液中熒光強(qiáng)度最大，在pH=11的堿溶液中熒光消失，所以可以用熒光光譜法測定維生素Ｂ2的含量三、實(shí)驗(yàn)用品：1．儀器：熒光分光光度計，移液管，容量瓶，棕色試劑瓶，比色管，燒杯，離心機(jī)，離心管2．藥品：核黃素（生化試劑），冰醋酸（AR）,鹽酸（AR）氫氧化鈉，市售維生素B2片劑44單線態(tài)和三線態(tài)四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、試劑溶液的配制1）5％醋酸溶液

取5份冰醋酸與95份體積蒸餾水混合

2）10.0mg·L-1VB2標(biāo)準(zhǔn)溶液：準(zhǔn)確稱取10.0mgVB2

將其溶解于少量的5%HAc中，轉(zhuǎn)移至1L容量瓶中用5%HAc

稀釋至刻度，該溶液應(yīng)裝于棕色試劑瓶中，置陰涼處保存

3）待測液：取市售VB2一片，置于50mL燒杯中，加入約12mL5%HAc溶液，用玻璃棒搗碎藥片，水浴加熱使樣品由混濁變?yōu)榛就该骱笕∠吕鋮s，轉(zhuǎn)移并加入5%HAc溶液定容至100mL。取數(shù)毫升于離心管中進(jìn)行離心，用移液管準(zhǔn)確移取5mL的上層清液并定容成50mL，貯于棕色試劑瓶中，置陰涼處保存

45單線態(tài)和三線態(tài)2、激發(fā)光和熒光波長的選擇準(zhǔn)確移取10.0mg·L-1VB