復(fù)旦大學(xué)分析化學(xué)AII第四章分子發(fā)光光譜

期中考試說明*地點(diǎn):第四教學(xué)樓4401*時(shí)間:5月5日,上午7:30—9:30;*請帶好學(xué)生證或一卡通;考試內(nèi)容第十二章:光學(xué)分析導(dǎo)論;第十三章:紫外-可見分光光度法;第十四章:紅外光譜;第十五章:分子發(fā)光分析法;第十七章:原子吸收光譜法;2023/10/24考題形式選擇題,10題,共20分;填空題,20空格,共20分;名詞解釋,5題,共20分;問答題,4題,共20分;計(jì)算題,4題,共20分;2023/10/24第四章

分子發(fā)光分析法Molecularluminescenceanalysis

第一節(jié)分子熒光與磷光Molecularfluorescenceandphosphorescence2023/10/24光致發(fā)光處于激發(fā)態(tài)的分子以電輻射的形式釋放其激發(fā)能的過程。兩種光致發(fā)光現(xiàn)象：（1）熒光(Fluorescence)（2）磷光(phosphorescence)2023/10/24一、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(jī)理。1.分子能級(jí)與躍遷分子能級(jí)比原子能級(jí)復(fù)雜；在每個(gè)電子能級(jí)上，都存在振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)；

基態(tài)(S0)→激發(fā)態(tài)(S1、S2、激發(fā)態(tài)振動(dòng)能級(jí))：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(jí)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…

；2023/10/242.電子激發(fā)態(tài)的多重度

電子能態(tài)的多重度：M=2S+1

S為電子自旋量子數(shù)（1/2或－1/2）的代數(shù)和(0或1)；平行自旋比成對(duì)自旋穩(wěn)定(洪特規(guī)則)，三重態(tài)（T）能級(jí)比相應(yīng)單重態(tài)能級(jí)低；大多數(shù)有機(jī)分子的基態(tài)處于單重態(tài)（S）；

S0→T1

禁阻躍遷；通過其他途徑進(jìn)入(見能級(jí)圖)；進(jìn)入的幾率小；

2023/10/242.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(shí)，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磷光內(nèi)轉(zhuǎn)移外轉(zhuǎn)移系間跨越振動(dòng)弛豫無輻射躍遷

激發(fā)態(tài)停留時(shí)間短、返回速度快的途徑，發(fā)生的幾率大，發(fā)光強(qiáng)度相對(duì)大；熒光：10-7～10-9

s,第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)→基態(tài)；磷光：10-4～10s；第一激發(fā)三重態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)→基態(tài)；2023/10/24S1S2T1T2S0振動(dòng)弛豫10-14～10-12s內(nèi)轉(zhuǎn)換10-13～10-11s系間跨越10-6～10-2s外轉(zhuǎn)換熒光發(fā)射磷光發(fā)射光譜吸收λ1λ2λ3λ3

>λ2>λ1熒光：10-7～10-9

s磷光：10-4～10s；2023/10/24非輻射能量傳遞過程

振動(dòng)弛豫：同一電子能級(jí)內(nèi)，激發(fā)態(tài)分子將過剩的振動(dòng)能量以熱能量形式傳遞給周圍環(huán)境（或分子），分子自身從激發(fā)態(tài)的高振動(dòng)能級(jí)躍遷至同一電子能級(jí)中最低振動(dòng)能級(jí)的過程。發(fā)生振動(dòng)弛豫的時(shí)間10-14～10-12s。

內(nèi)轉(zhuǎn)換：同多重度電子能級(jí)中,等能級(jí)間的無輻射能級(jí)交換。當(dāng)兩個(gè)電子能級(jí)，如單重態(tài)S1、S2的振動(dòng)能級(jí)有重疊，即較高電子能級(jí)中的低振動(dòng)能級(jí)與較低電子能級(jí)中的較高振動(dòng)能級(jí)互相重疊，通過振動(dòng)偶合，低電子能級(jí)的激發(fā)態(tài)得到累積。發(fā)生內(nèi)部轉(zhuǎn)換的時(shí)間10-13～10-11s。

2023/10/24通過振動(dòng)弛豫和內(nèi)轉(zhuǎn)換，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(dòng)能級(jí)。

熒光發(fā)射：電子由第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)→基態(tài)（多為S1→S0躍遷），發(fā)射波長為

‘2的熒光；10-7～10-9

s。

發(fā)射熒光的能量比分子吸收的能量小，波長長；

‘2

>

2

>

1

；2023/10/24系間跨越：指不同多重態(tài)之間的一種非輻射躍遷過程。這一過程約為10-2～10-6s。如果兩個(gè)多重態(tài)能級(jí)重疊，發(fā)生這一轉(zhuǎn)換的概率增大。改變電子自旋，禁阻躍遷，通過自旋—軌道耦合進(jìn)行。通過系間跨越、內(nèi)轉(zhuǎn)換和振動(dòng)弛豫，高激發(fā)態(tài)電子跨越至第一激發(fā)三重態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)。磷光發(fā)射：電子由第一激發(fā)三重態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)→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）

S0→激發(fā)→振動(dòng)弛豫→內(nèi)轉(zhuǎn)移→系間跨越→振動(dòng)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(shí)間。2023/10/24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”。溶液熒光的猝滅：(1).動(dòng)態(tài)猝滅：激發(fā)單重態(tài)分子M*與猝滅劑Q發(fā)生碰撞，使M*以無輻射躍遷的方式回到基態(tài)的過程，也稱碰撞猝滅。猝滅劑濃度↑粘度↓溫度↑動(dòng)態(tài)猝滅↑(2).靜態(tài)猝滅：熒光分子M與猝滅分子Q生產(chǎn)無熒光的基態(tài)絡(luò)合物MQ，使熒光消失的過程。猝滅劑濃度↑溫度↓靜態(tài)猝滅↑(3).電荷轉(zhuǎn)移猝滅：熒光分子與猝滅分子間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，引起熒光消失的過程。如染料甲基蘭熒光被Fe2+猝滅。2023/10/24(4).能量轉(zhuǎn)移猝滅：熒光分子與猝滅分子間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致熒光消失的過程。主要是熒光分子的熒光光譜與猝滅劑的吸收光譜重疊所致。(5).轉(zhuǎn)入三重態(tài)的猝滅：通過系間跨越轉(zhuǎn)入三重態(tài)，而導(dǎo)致熒光猝滅；另三重態(tài)與基態(tài)間的能量差小，易發(fā)生內(nèi)轉(zhuǎn)換。(6).內(nèi)濾光作用和自猝滅：內(nèi)濾光作用：溶液中存在能吸收激發(fā)光或熒光的物質(zhì)時(shí)，使熒光減弱的現(xiàn)象。自猝滅：高濃度狀態(tài)下，熒光分子間發(fā)生碰撞，引起非輻射的能量轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致熒光猝滅的過程。2023/10/24二、激發(fā)光譜與熒光(磷光)光譜

excitationspectrumandfluore-scencespectrum熒光(磷光)：光致發(fā)光，照射光波長如何選擇？1.熒光(磷光)的激發(fā)光譜改變激發(fā)波長，在固定測量波長(選發(fā)射最強(qiáng)處的波長)情況下,激發(fā)波長與發(fā)射的熒光(磷光)強(qiáng)度的關(guān)系曲線（圖中曲線I）。2023/10/24改變激發(fā)波長：300～500nm固定測量波長:a=600nmb=650nmc=700nmd=750nm此處發(fā)射最強(qiáng)！e=800nm

2023/10/242.熒光(或磷光)的發(fā)射光譜固定激發(fā)光波長(選最強(qiáng)激發(fā)波長)和強(qiáng)度,

熒光(或磷光)強(qiáng)度與其波長間的關(guān)系曲線(圖中曲線II或III)。激發(fā)光譜形狀與吸收光譜（紫外－可見光譜）相類似。？？2023/10/242023/10/243.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)射光譜間波長的不一致。發(fā)射光譜的波長比激發(fā)光譜的長，振動(dòng)弛豫等消耗了能量。

b.熒光光譜與激發(fā)光波長無關(guān)電子躍遷到不同激發(fā)態(tài)能級(jí)，吸收不同波長的能量(如能級(jí)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(dòng)能級(jí)再躍遷回到基態(tài)，產(chǎn)生波長一定的熒光(如

‘2)。

c.

熒光光譜和吸收光譜成鏡像對(duì)稱關(guān)系通常熒光發(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(duì)稱關(guān)系。2023/10/24鏡像規(guī)則的解釋

基態(tài)上的各振動(dòng)能級(jí)分布與第一激發(fā)態(tài)上的各振動(dòng)能級(jí)分布類似；2023/10/24200250300350400450500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2023/10/24三、熒光的產(chǎn)生與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系

Relationbetweenfluorescenceandmolecularstructure1.分子產(chǎn)生熒光必須具備的條件（1）熒光分子的壽命：返回基態(tài)前激發(fā)態(tài)的平均壽命，或激發(fā)態(tài)的分子數(shù)衰減到原來1/e數(shù)目時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間τF。（2）具有一定的熒光量子產(chǎn)率。熒光量子產(chǎn)率（

F）：熒光發(fā)射的光子數(shù)與分子吸收的光子數(shù)之比。

F大，熒光強(qiáng)！利用熒光壽命的不同，可進(jìn)行混合熒光物質(zhì)的測定。2023/10/242.化合物的結(jié)構(gòu)與熒光（1）躍遷類型：大多熒光物質(zhì)存在*→、*→n的躍遷。*→的躍遷的ε值是*→n躍遷的2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，而且躍遷壽命要短10-2S，所以*→的熒光效率高，有利于熒光的產(chǎn)生；（2）共軛效應(yīng)：

電子共軛程度度越大，則

電子非定域性越大，越容易被激發(fā)，熒光也就越容易發(fā)生。并產(chǎn)生紅移。

F=0.18,λ=278nm

F=0.29,λ=321nm

F=0.46,λ=400nm

F=0.60,λ=480nm2023/10/24（4）取代基效應(yīng)：

(a).給電子基團(tuán)存在，會(huì)使熒光增強(qiáng)。(b).吸電子基團(tuán)存在，會(huì)使熒光減弱，但磷光會(huì)增強(qiáng)。(c).芳烴的鄰、對(duì)位取代基增強(qiáng)熒光，間位取代基抑制熒光。

(d).重原子取代基存在，抑制熒光，增強(qiáng)磷光。（3）剛性平面結(jié)構(gòu)：可降低分子振動(dòng)，減少與溶劑的相互作用，故具有很強(qiáng)的熒光。如熒光素和酚酞有相似結(jié)構(gòu)，熒光素有很強(qiáng)的熒光，酚酞卻沒有。2023/10/241）給電子取代劑加強(qiáng)熒光4.取代基效應(yīng)—HN2，—NHR，—NR2，—OH，—OR，—CNn電子云幾乎與芳環(huán)上

軌道平行，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(duì)熒光強(qiáng)度10182020202）得電子取代基減弱熒光、加強(qiáng)磷光—C=O，—COOH，—NO2n電子云不與芳環(huán)上

電子共平面，不能擴(kuò)大

電子的共軛程度，非鍵電子存在反而增強(qiáng)S1

T1系間跨越，導(dǎo)致熒光減弱，磷光增強(qiáng)。硝基苯：不產(chǎn)生熒光、弱磷光2023/10/24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，—I重原子出現(xiàn)，非鍵電子數(shù)目增加，同時(shí)，隨原子質(zhì)量增大，電子離原子核越遠(yuǎn)，使得激發(fā)態(tài)非鍵電子自旋狀態(tài)改變的幾率增大，即增強(qiáng)S1T1系間跨越?；衔镙?-甲基萘1-氟萘1-氯萘1-溴萘1-碘萘λFmax(nm)315318316319320~λPmax(nm)470476473483484488

P/

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2023/10/24溶劑的影響n

→

*躍遷：蘭移；

；

→*躍遷：紅移；；

max(正己烷)

max(氯仿)

max(甲醇)

max(水)

230238237243n

3293153093052023/10/242023/10/24四、影響熒光強(qiáng)度的因素1.溶劑的影響溶劑極性會(huì)影響熒光波長和強(qiáng)度。2.溫度的影響溫度增加，熒光強(qiáng)度下降（因內(nèi)、外轉(zhuǎn)換增加、粘度或“剛性”降低）。因此體系降低溫度可增加熒光分析靈敏度。3.溶液pH具酸或堿性基團(tuán)的有機(jī)物質(zhì)，在不同pH值時(shí)，其結(jié)構(gòu)可能發(fā)生變化，因而熒光強(qiáng)度將發(fā)生改變。4.表面活性劑熒光物質(zhì)周圍形成膠束，提高熒光效率。5.溶解氧降低熒光效率。2023/10/24第二節(jié)分子熒光與磷光分析法Molecularfluorescenceandphosphorescenceanalysis

2023/10/24一、儀器結(jié)構(gòu)流程組成：激發(fā)光源、樣品池、雙單色器系統(tǒng)、檢測器。特殊點(diǎn)：有兩個(gè)單色器，光源與檢測器通常成直角。基本流程如圖：單色器：有兩個(gè)單色器！選擇激發(fā)光波長的單色器和選擇發(fā)射光波長的單色器；光源：氘燈和高壓汞燈，染料激光器(比可見與紫外強(qiáng))。發(fā)射強(qiáng)度足夠且穩(wěn)定的連續(xù)光譜檢測器：光電倍增管。2023/10/24紫外-可見分光光度計(jì):光源樣品池單色器檢測器數(shù)據(jù)處理儀器控制熒光(磷光)分光光度計(jì):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2023/10/24紫外-可見分光光度計(jì)

測量池(吸收池)熒光分光光度計(jì)樣品池I0ItI0ItIF,p2023/10/24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2023/10/24三維光譜圖的儀器若采用多色光照射，用正交多色散器、二維多道檢測器，如CCD面陣檢測器，并用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和運(yùn)算，可得激發(fā)光譜與發(fā)射光譜同時(shí)變化時(shí)的熒(磷)光光譜圖。2023/10/242023/10/242.三維熒光光譜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2023/10/24磷光檢測熒光計(jì)上配上磷光測量附件即可對(duì)磷光進(jìn)行測量。在有熒光發(fā)射的同時(shí)測量磷光。

測量方法：（1）通常借助于熒光和磷光壽命的差別，采用磷光鏡的裝置將熒光隔開。（2）采用脈沖光源和可控檢測及時(shí)間分辨技術(shù)。室溫測量時(shí)，不需要杜瓦瓶。2023/10/24二、熒光定量方法1.定量依據(jù)

2023/10/242.特點(diǎn)（1）靈敏度高比紫外-可見分光光度法高2～4個(gè)數(shù)量級(jí)；為什么？檢測下限：0.1～0.1

g/cm-3相對(duì)靈敏度：0.05mol/L奎寧硫酸氫鹽的硫酸溶液的量子產(chǎn)率φs=0.55。（2）選擇性強(qiáng)既可依據(jù)特征吸收光譜，又可根據(jù)特征發(fā)射光譜；（3）試樣量少

缺點(diǎn)：應(yīng)用范圍小。2023/10/241.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(shí)，只顯示色氨酸的特征光譜，實(shí)現(xiàn)分別測定。三、熒光分析方法2023/10/24

的選擇非常重要，它直接影響同步熒光光譜的形狀、帶寬和信號(hào)強(qiáng)度。

選擇通常需多次試驗(yàn)后才能確認(rèn)。2023/10/242.時(shí)間分辨熒光光譜是建立在熒光強(qiáng)度與時(shí)間變化關(guān)系上