第七章-分子發(fā)光分析法課件

第七章分子發(fā)光分析法本章教學內(nèi)容：7.1概述7.2分子熒光分析法7.3分子磷光分析法7.4化學發(fā)光分析法7.5實驗技術(shù)7.6應用11可編輯課件PPT7.1概述22可編輯課件PPT

有些物質(zhì)受到光照射時，會吸收特定波長的光，即會吸收光譜，除此之外，還會發(fā)射出比原來吸收波長更長的光。當激發(fā)光停止照射后，這種光若隨之很快消失，叫熒光；若激發(fā)光停止后仍可持續(xù)發(fā)光一段時間，叫磷光。熒光和磷光都屬于光致發(fā)光。還有電致發(fā)光、化學發(fā)光、生物發(fā)光等。由于物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)不同，所吸收光的波長及發(fā)射的熒光波長也不同。利用物質(zhì)的熒光譜線位置的不同可以定性鑒別物質(zhì)；同種物質(zhì)的濃度不同，所發(fā)射的熒光強度不同，利用這個性質(zhì)可以定量分析。這種分析法叫熒光分析法。3可編輯課件PPT

熒光法最主要的優(yōu)點之一是靈敏度高。紫外吸收法的靈敏度為10-7g/mL，而熒光法可達10-10~

10--12g/mL。對于有機化合物，熒光法的選擇性高于紫外吸收法。因此，熒光法在生物化學、環(huán)境科學、醫(yī)藥學、食品分析、衛(wèi)生檢驗、農(nóng)林牧產(chǎn)品分析和科研領(lǐng)域中具有特殊的重要性。分類根據(jù)激發(fā)光波長范圍根據(jù)待測物質(zhì)的存在形式X射線熒光分析法紫外-可見熒光分析法紅外熒光分析法分子熒光法原子熒光法本章主要介紹分子的紫外-可見熒光。4可編輯課件PPT7.2.1分子光譜的產(chǎn)生-----電子自旋的多重性多重性（multiplicy,M）：電子自旋的狀態(tài)單重態(tài)(singletstate,S)：分子中所有電子自旋都相反配對的電子態(tài)(M=1)三重態(tài)(tripletstate,T)：分子中電子對的電子自旋平行的電子態(tài)(M=3)7.2分子熒光分析法M的基態(tài)與激發(fā)態(tài)3s3p5S0S1T1

M=1M=1M=3

S----電子的總自旋量子數(shù)5可編輯課件PPT對同一物質(zhì)，物質(zhì)所處的多重態(tài)不同，性質(zhì)明顯不同S態(tài)磁場中不分裂，抗磁性；T態(tài)分子磁場中分裂，順磁性;2電子在不同的（單、多重）態(tài)間躍遷需換向，不易發(fā)生;3各狀態(tài)能量高低：

S2>T2>S1>T1>S04S0

T1躍遷禁阻，但是S1和T1發(fā)生互換后，T1

S0躍遷可產(chǎn)生磷光；Jablonski能級圖66可編輯課件PPT1.振動馳豫(vibrationallevelrelaxation,VR)Jablonski能級圖2.內(nèi)轉(zhuǎn)換(internalconversion,IC)7.外轉(zhuǎn)換(externalconversion,EC)分子的去激發(fā)過程

（綠色虛線）4.系間竄躍(intersystemcrossing,ISC)

（黑色虛線）77可編輯課件PPT5.分子熒光(vibrationallevelrelaxation,VR)Jablonski能級圖6.延遲熒光(promptfluorescence)7.分子磷光(delayedfluorescence,DF)分子的去激發(fā)過程88可編輯課件PPT1熒光激發(fā)光譜

固定發(fā)射波長λem，掃描激發(fā)波長λex而獲得的熒光強度If------激發(fā)波長的關(guān)系曲線；反應了不同激發(fā)波長激發(fā)熒光的相對效率；7.2.2分子熒光的性質(zhì)If～λex2熒光發(fā)射光譜

固定激發(fā)波長λem，掃描發(fā)射波長λem而獲得的熒光強度If------發(fā)射波長的關(guān)系曲線；反應了不同發(fā)射波長激發(fā)熒光的相對效率；If～λem本質(zhì)：吸收光譜本質(zhì)：熒光發(fā)射光譜If～λex和If～λem可組成兩維光譜，用于選擇條件。99可編輯課件PPTa)單色器改變λem，同一熒光物質(zhì)If～λex曲線形狀不變，只是靈敏度有變化，即曲線高低變化；

b)理論上，λex(max)和

λabs(max)

相等，激發(fā)光譜和吸收光譜相同；a)熒光光譜的形狀(If～λem曲線)和激發(fā)波長λex無關(guān)，b)分子熒光的λem總比其相應的λex長，這種波長的位移表明熒光激發(fā)和發(fā)射之間的能量損失，稱為Stokes位移；

c)熒光光譜和吸收光譜有鏡像關(guān)系(mirrorimage)熒光激發(fā)光譜特點：熒光（發(fā)射）光譜特點:1010可編輯課件PPT7.2.3分子熒光的參數(shù)1熒光壽命τ(fluorescencelifetime)2熒光量子產(chǎn)率Φf(quantumefficiency)反映了熒光物質(zhì)發(fā)射熒光的能力；處于激發(fā)態(tài)的熒光體返回基態(tài)之前停留在激發(fā)態(tài)的平均時間，用τ表示；激發(fā)態(tài)分子數(shù)目衰減到原來的1/e時所經(jīng)歷的時間。當t=τ,

有63％激發(fā)態(tài)分子去激實驗測定：ln(I0/It)~t作回歸曲線，斜率＝1/τ

便可求出τ1111可編輯課件PPT1熒光強度與濃度熒光分析是微量組分或痕量組分分析方法，當濃度增至吸光度A?0.05，產(chǎn)生濃度效應和自吸效應，If與c的關(guān)系偏離線性！7.2.4熒光強度的主要影響因素熒光強度的影響因素1212可編輯課件PPT什么分子產(chǎn)生熒光？強熒光分子都具有大的共軛π鍵以及供電子取代基和剛性平面結(jié)構(gòu)，

什么分子不產(chǎn)生熒光？飽和化合物與只有孤立雙鍵的化合物2熒光與分子結(jié)構(gòu)熒光強度的影響因素1313可編輯課件PPT（1）共軛π鍵體系熒光最強，環(huán)越大，發(fā)光越強，發(fā)光峰紅移程度越大共軛環(huán)數(shù)相同的芳香族化合物，線性環(huán)結(jié)構(gòu)的熒光波長比非線性長14λ短長14可編輯課件PPT（2）剛性平面結(jié)構(gòu)i)強熒光分子多具有剛性平面結(jié)構(gòu)：減少自身的振動，與溶劑分子或其他溶質(zhì)的作用減少，較少碰撞幾率；ii)很多同分異構(gòu)體的反式具有平面結(jié)構(gòu)，通常為熒光物質(zhì)，而順式非平面結(jié)構(gòu)不發(fā)熒光。15Φf---熒光量子產(chǎn)率0＜Φf＜115可編輯課件PPT（3）取代基效應★供電子取代基使熒光加強基團：－NH2，－NHR，－NR2，－OH，－OR，－CN等n電子云與芳環(huán)上的π電子軌道平行，形成了p~π共軛，擴大共軛體系。但是基團中的n電子轉(zhuǎn)化為共鹽后，它們的熒光均大為減弱。1616可編輯課件PPT★吸電子取代基使熒光減弱，磷光增強基團：－COOH，－C＝O，－NO2，－SH及重氮基等。n電子云并不與芳環(huán)上的π電子云共平面，不能構(gòu)成p~π共軛，熒光發(fā)射弱；重原子效應：而芳環(huán)上取代鹵素后系間竄躍較為強烈，相應熒光隨鹵數(shù)原子量的增加而減弱，磷光相應增強。1717可編輯課件PPT（4）電子躍遷類型含O、N、S等雜原子的有機物如喹啉和芳酮類化合物含有非鍵電子n，電子躍遷多為n~π*型，系間竄躍強，熒光很弱或不發(fā)熒光；不含含O、N、S原子的有機體多發(fā)生π~π*類型躍遷，熒光輻射強！3熒光猝滅熒光猝滅（fluorescencequenching）：熒光分子與溶劑或其他物質(zhì)分子作用使熒光強度減弱的現(xiàn)象猝滅劑（quencher）：能使熒光猝滅的物質(zhì)靜態(tài)猝滅：動態(tài)猝滅：基態(tài)熒光分子M和猝滅劑Q反應生成非熒光物質(zhì)MQ激發(fā)態(tài)M*和Q碰撞發(fā)生能量轉(zhuǎn)移而失去熒光性熒光強度的影響因素1818可編輯課件PPT常見的猝滅類型（1）自猝滅：熒光物質(zhì)分子M*和它的基態(tài)M碰撞引起猝滅；熒光物質(zhì)的自吸收，S1激發(fā)態(tài)的分子發(fā)射的熒光被處于基態(tài)M的分子所吸收，使熒光強度降低。熒光物質(zhì)分子的締合。某些熒光體分子處于基態(tài)時會形成二聚體或多聚體，或者激發(fā)態(tài)分子S1與基態(tài)分子M形成激發(fā)態(tài)二聚體1(M*M)。

（2）電荷轉(zhuǎn)移猝滅：激發(fā)態(tài)分子發(fā)生氧化還原反應1919可編輯課件PPT（3）轉(zhuǎn)入三重態(tài)猝滅經(jīng)系間竄躍進入三重態(tài)的分子，多余的能量消耗在碰撞之中使熒光猝滅。溴化物和碘化物由“重原子效應”，促使熒光分子的激發(fā)單重態(tài)轉(zhuǎn)入激發(fā)三重態(tài)，導致熒光的猝滅；氧分子也會增強使熒光物質(zhì)系間竄躍，氧分子是熒光最常見的猝滅劑。（4）光化學反應猝滅某些光敏物質(zhì)在紫外或可見光的照射下易發(fā)生化學反應或預離解躍遷；DNA、多糖類和蛋白質(zhì)等物質(zhì)在UV和VIS下可引起光解作用。2020可編輯課件PPT4.溫度、酸度、溶劑和表面活性劑的影響熒光強度的影響因素溫度對于溶液的熒光強度有著顯著的影響。溫度降低，分子運動速度變慢，從而使熒光和磷光分子與溶劑分子或其它分了的碰撞機率減小，Φf和If都增大特別是對于分子磷光，室溫下很難觀察到磷光，一般分子磷光都是在低溫下測定！2121可編輯課件PPTpH值改變會影響弱酸或弱堿的型體分布，進而影響熒光強度；在熒光分析中一般都要較嚴格地控制溶液的pH值:溶劑的極性改變也會使熒光物質(zhì)的Φf發(fā)生變化；熒光探針

（fluorescenceprobe）對溶液極性敏感。表面活性劑的影響表面活性劑的濃度增大到CMC時，單體締結(jié)成膠束，保護熒光質(zhì)點，減小猝滅，使Φf增大，熒光增強。CMC-------臨界膠束濃度2222可編輯課件PPT7.2.5熒光定量分析法（1）工作曲線法將標準物質(zhì)配成一系列標準溶液c并測定它們的相對熒光強度If，以If

對c進行線性回歸得到工作曲線。（2）比較法純物質(zhì)：cs、Ifs、If0試液：cx、Ifx2323可編輯課件PPT（3）熒光猝滅法對于靜態(tài)猝滅：對于一定濃度的熒光物質(zhì)，配制加入一系列不同量的猝滅劑Q，I0f/If

對cQ進行線性回歸得到工作曲線.([Q]cQ)當cQ（猝滅劑的總濃度）

<cM（熒光物質(zhì)總濃度）時，上式成立。24I0f-------猝滅劑加入后試劑的熒光強度；

If-------猝滅劑加入前試劑的熒光強度；24可編輯課件PPT（4）多組分混合物熒光分析法a)混合物中各組分的熒光峰互不干擾，可在各自波長下測量，和單組分的測定相同；b)混合物中熒光峰相互干擾，激發(fā)光譜顯著不同，可以選擇不同的激發(fā)光進行測定；2525可編輯課件PPTc)同一激發(fā)波長熒光光譜互相干擾，利用熒光強度的加和性，建立聯(lián)立方程且求解：If

435/385,

If480/385---------混合液在435和480nm出的熒光強度（測定）；K--------各純物質(zhì)的相對摩爾熒光強度（測定）；CT\CP--------硫胺素和吡啶硫胺素的濃度（求出）。利用工作站的軟件2626可編輯課件PPT（5）熒光分析注意事項熒光分析是微痕量分析技術(shù)，對溶液、工作條件和環(huán)境特別敏感：防止熒光污染干擾：器皿、溶劑、洗衣粉、洗液、手上的油脂、細菌等解決：用蒸餾水洗凈后再使用，溶液新鮮配制并除氧防止散射光的干擾干擾：丁鐸爾散射、瑞利散射和拉曼散射解決：選擇合適的測定波長或濾光片2727可編輯課件PPT上海CRT970HITACHI（日立）F-4500美國PE公司LS50B天津WGY-10

7.2.6熒光分光光度計2828可編輯課件PPT1熒光分析儀主要部件由光源、單色器、樣品池、檢測器和記錄裝置五個部分組成。（1）光源：常見的有氙燈和高壓汞燈（2）單色器：濾光片和光柵應用最多的是光柵單色器。一塊為激發(fā)單色器，用于選擇激發(fā)光的波長，另一塊為發(fā)射單色器，用于選擇熒光發(fā)射波長。熒光的測量通常在與激發(fā)光垂直的方向上進行（消除透射光和散射光對熒光測量的影響）。2929可編輯課件PPT（3）樣品池：四面透光的的方形石英池（4）檢測器：光電倍增管和電荷偶合元件檢測器2儀器靈敏度SaSa=Φf×εΦf：量子產(chǎn)率，ε：摩爾吸光系數(shù)實際測定0.05MH2SO4介質(zhì)中硫酸奎寧的最低濃度為Sa指標，其值在1.0×10-10~1.0×10-12g/mL水的拉曼峰高（S）和儀器的噪聲值（N）的比值S/N為指標，其值在20－200之間。3030可編輯課件PPT熒光分析法的特點：靈敏度高熒光分析法的靈敏度比吸光分析法高2～4個數(shù)量級，檢測限在0.1～0.001μg·mL－1之間；選擇性好熒光分析法的光譜特征性強，而且有激發(fā)光譜和發(fā)射光譜。如果某幾種物質(zhì)的激發(fā)光譜相似，就可以從它們發(fā)射光譜的差異進行鑒別和分析；相反如果發(fā)射光譜相似，可以從它們激發(fā)光譜的差異進行鑒別和分析；熒光法提供比較多的物理參數(shù)激發(fā)光譜、發(fā)射光譜和三維光譜以及熒光強度、熒光效率、熒光壽命等多種物理參數(shù)。這些參數(shù)反映了分子的各種特性，能從不同角度提供研究對象的分子的信息；熒光分析法的缺點：

應用還不夠廣泛，這是因為本身能發(fā)射熒光的物質(zhì)相對較少。此外，熒光分析的靈敏度雖高，測定時對環(huán)境因素較為敏感，干擾因素較多。3131可編輯課件PPT7.2.7分子熒光分析法的應用無機化合物的分析

待測元素與有機試劑生成具有熒光特性的配合物，約70多種元素。

鈹、鋁、硼、鎵、硒、鎂、稀土采用直接熒光分析法測定；氟、硫、鐵、銀、鈷、鎳采用熒光猝滅法測定；銅、鈹、鐵、鈷、鋨、過氧化氫采用催化熒光法測定；

鉻、鈮、鈾、碲采用低溫熒光法測定；鈰、銪、銻、釩、鈾采用固體熒光法測定3232可編輯課件PPT(2)有機化合物的熒光分析3333可編輯課件PPT(3)溶液中單分子行為的研究分子熒光法利用激光誘導產(chǎn)生超高靈敏度（激光誘導熒光），可以用來觀測溶液中某些物質(zhì)的單分子的行為；目前，利用激光誘導熒光技術(shù)，已經(jīng)觀察到羅丹明6G分子、熒光素分子和DNA分子等單分子行為。(4)基因研究及檢測DNA自身熒光效率很低，利用某些熒光分子作為探針，通過探針標記分子的熒光變化來研究DNA與小分子及藥物的作用機理，探討致病原因及篩選藥物！3434可編輯課件PPT熒光分析法新技術(shù)簡介常規(guī)的熒光分析法是分別固定熒光λex和λem下，掃描熒光發(fā)射光譜和激發(fā)光譜。同步熒光法是同時掃描激發(fā)光和發(fā)射光波長下繪制的光譜，由測定的熒光強度信號與對應的激發(fā)波長（或發(fā)射波長）構(gòu)成光譜圖。通常把在掃描過程中使激發(fā)波長（λex）和發(fā)射波長（λem）保持固定的波長間隔（即λex－λem＝常數(shù)），這種方法稱為固定波長同步熒光測定法，是最早提出的同步掃描技術(shù)。優(yōu)點：光譜簡單、光譜窄化、減少光譜重疊、減少散射光影響、提高選擇性等3535可編輯課件PPT2.導數(shù)熒光測定法導數(shù)熒光測定法的基本原理與分光光度法類似。導數(shù)技術(shù)引入熒光分析，解決了熒光測定中的背景干擾和譜帶重疊問題，可以提高熒光分析選擇性。7.三維熒光光譜測定法描述熒光強度（If）同時隨激發(fā)波長（λex）和發(fā)射波長（λem）變化的關(guān)系圖譜，稱為三維熒光光譜。表示方法：一等角三維投影圖坐標軸分別表示發(fā)射波長、激發(fā)波長和熒光強度

二等高線光譜圖平面上的點表示由兩波長所決定的樣品的熒光強度3636可編輯課件PPT7.3分子磷光分析法（1）磷光的產(chǎn)生分子從亞穩(wěn)態(tài)T1的最低振動能級躍遷返回S0態(tài)發(fā)出的光（2）磷光分析低溫磷光分析：磷光在室溫下易猝滅，將試樣溶于有機溶劑中，在液氮（77K，–273oC）中形成剛性玻璃狀物質(zhì)，再測量磷光。低溫可減少分子間碰撞，防止磷光猝滅；溶劑易于提純和制備，能溶解被分析物質(zhì)

77K時溶劑能形成剛性狀玻璃體3737可編輯課件PPT（3）磷光分析儀磷光分析儀器與熒光分析儀器同樣由五個基本部件組成，但需要有一些特殊的配件，在比較好的熒光分析儀器上都配有磷光分析的配件，因此兩種方法可以用同一儀器。磷光分析儀器與磷光分析儀器的主要區(qū)別有兩點。I.樣品池需配有冷卻裝置對于溶液磷光的測定，常采用低溫磷光分析法，即試樣溶液需要低溫冷凍。通常把試液裝入內(nèi)徑約1-3mm的石英細管（液池）中，然后將液池插入盛有液氮的石英杜瓦瓶內(nèi)，如圖所示.3838可編輯課件PPTII.磷光鏡有些物質(zhì)會同時發(fā)射熒光和磷光，因此在測定磷光時，必須把熒光分離去?？衫昧坠鈮勖葻晒忾L的特點，在激發(fā)單色器和液池之間裝一個磷光鏡。39轉(zhuǎn)動的兩斬波片：同相時------測定的是熒光和磷光的總強度；異相時------測定的是磷光強度（因熒光壽命短）。斬波片39可編輯課件PPT（4）磷光分析法的應用磷光分析法主要用于有機化合物的測定，如稠環(huán)芳烴和氨基甲酸酯類農(nóng)藥、可待因等許多生物堿和萘乙酸等植物生長激素。此外磷光分析技術(shù)也已應用于生物活性物質(zhì)的測定，如色氨酸、酪氨酸和研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。4040可編輯課件PPT在化學反應過程中，某些化合物接受化學反應能后被激發(fā)，從激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)時產(chǎn)生的光輻射稱為化學發(fā)光(chemiluminescence,CL)。A+B=C*+DC*→C+h

7.4化學發(fā)光分析（1）化學反應提供足夠的化學能被發(fā)光物質(zhì)吸收形成電子激發(fā)態(tài)，多是有H2O2、O3等參加的高能氧化反應；（2）發(fā)光持續(xù)時間較長，反應持續(xù)進行；存在于生物體(螢火蟲、海洋發(fā)光生物)中，有酶參與的化學發(fā)光反應稱生物發(fā)光(bioluminescence)。4141可編輯課件PPT化學發(fā)光效率ΦCL，又稱為化學發(fā)光的總量子產(chǎn)率，它決定于生成激發(fā)態(tài)分子的產(chǎn)率ΦCex和發(fā)光效率Φem，ΦCL通常較低，一般不超過1％7.4.1化學發(fā)光效率與定量關(guān)系式化學發(fā)光的相對強度Icl(t)與化學發(fā)光反應的速率關(guān)系：

4242可編輯課件PPT7.4.2化學發(fā)光分析類型（1）液相化學發(fā)光魯米諾(Luminol)體系：魯米諾（3-氨基苯二甲酰環(huán)肼）也稱冷光劑，在堿性介質(zhì)中與H2O2等氧化劑反應，可產(chǎn)生最大發(fā)射波長為425nm的光，可測痕量的H2O2、Cu2＋、Mn2＋、Co3+、V5+、Fe3+、Cr3+等金屬離子?；瘜W發(fā)光反應效率ФCL：1％4343可編輯課件PPT光澤精(lucigenin)體系：光澤精（N,N-二甲基-9,9-聯(lián)吖啶二硝酸鹽)，在堿性溶液中與H2O2反應生成激發(fā)態(tài)的N-甲基吖啶酮，可產(chǎn)生最大發(fā)射波長為470nm的光?？蓽y痕量的Fe2+、Fe3+、Mn2＋、Cr3+、Ag+等金屬離子，尤其可以測定Luminol體系不能直接測定的Pb2+、Bi