第四章(分子发光分析

2019/11/14第四章分子发光分析法一、分子荧光与磷光产生过程luminescenceprocessofmolecularfluorescencephosphorescence二、激发光谱与荧光光谱excitationspectrumandfluore-scencespectrum三、荧光的产生与分子结构关系relationbetweenfluorescenceandmolecularstructure四、影响荧光强度的因素factorinfluencedfluorescence第一节分子荧光与磷光molecularluminescenceanalysismolecularfluorescenceandphosphorescence2019/11/14分子发光包括荧光，磷光，化学发光，生物发光。室温下，大多数分子处于基态的最低振动能级，处于基态的分子吸收能量（光能、化学能、电能或热能）后被激发为激发态，激发态不稳定，将很快衰变到基态，若返回到基态时伴随着光子的辐射，这种现象称为“发光”。2019/11/14一、荧光与磷光的产生过程luminescenceprocessofmolecularfluorescencephosphorescence由分子结构理论，主要讨论荧光及磷光的产生机理。1.分子能级与跃迁分子能级比原子能级复杂；在每个电子能级上，都存在一系列的振动、转动能级；用S0表示基态；第一、第二、…电子激发单重态S1、S2…表示；第一、第二、…电子激发三重态T1、T2…表示；V=0,1,2,3表示振动能级。2019/11/142.电子激发态的多重度电子激发态的多重度：M=2S+1S为电子自旋量子数的代数和(0或1)；平行自旋比成对自旋稳定(洪特规则)，三重态能级比相应单重态能级低；大多数有机分子的基态处于单重态；S0→T1禁阻跃迁；通过其他途径进入(见能级图)；2019/11/142.激发态→基态的能量传递途径电子处于激发态是不稳定状态，返回基态时，通过辐射跃迁(发光)和非辐射跃迁等方式失去能量；传递途径辐射跃迁荧光磷光内转移外转移系间窜越振动弛豫非辐射跃迁激发态→基态：多种途径和方式(见下页能级图)；速度最快、激发态寿命最短的途径占优势；2019/11/14S2S1S0T1吸收发射荧光发射磷光系间窜越内转换振动弛豫能量l2l1l3外转换l2T2内转换振动弛豫2019/11/14非辐射能量传递过程振动弛豫：同一电子能级内以热能量交换形式由高振动能级至低相邻振动能级间的跃迁。发生振动弛豫的时间10-12s。系间窜越：不同多重态,有重叠的转动能级间的非辐射跃迁。改变电子的自旋状态。如S1—T1S2S1S0T1吸收发射荧光发射磷光系间窜越内转换振动弛豫能量l2l1l3外转换l2T2内转换振动弛豫2019/11/14非辐射能量传递过程内转换：相同多重度电子能级间的无辐射跃迁过程。如S2—S1，T2—T1。在10-13～10-11s内完成。外转换：激发分子与溶剂或其他分子之间产生相互作用而转移能量的非辐射跃迁；外转换使荧光或磷光减弱或“猝灭”。S2S1S0T1吸收发射荧光发射磷光系间窜越内转换振动弛豫能量l2l1l3外转换l2T2内转换振动弛豫2019/11/14辐射能量传递过程荧光发射：电子由第一激发单重态的最低振动能级→基态（多为S1→S0跃迁），发射波长为l‘2的荧光；10-7～10-9s。由图可见，发射荧光的能量比分子吸收的能量小，荧光的发射波长比吸收波长要长；l‘2l2l1；S2S1S0T1吸收发射荧光发射磷光系间窜越内转换振动弛豫能量l2l1l3外转换l2T2内转换振动弛豫2019/11/14辐射能量传递过程磷光发射：电子由第一激发三重态的最低振动能级→基态（T1→S0跃迁）；电子由S0进入T1的可能过程：（S0→T1禁阻跃迁）S0→激发→振动弛豫→内转移→系间跨越→振动弛豫→T1发光速度很慢：10-4～10s。光照停止后，可持续一段时间S2S1S0T1吸收发射荧光磷光系间窜越内转换振动弛豫能量l2l1l3外转换l2T2内转换振动弛豫2019/11/14二、激发光谱与发射光谱excitationspectrumandfluore-scencespectrum荧光(磷光)：光致发光，照射光波长如何选择？1.荧光(磷光)的激发光谱曲线固定测量波长(选最大发射波长),化合物发射的荧光(磷光)强度与照射光波长的关系曲线（图中曲线I）。激发光谱曲线的最高处，处于激发态的分子最多，荧光强度最大；2019/11/142.荧光发射光谱(或磷光发射光谱)固定激发光波长(选最大激发波长),化合物发射的荧光(或磷光强度)与发射光波长关系曲线(图中曲线II或III)。2019/11/143.激发光谱与发射光谱的关系a.Stokes位移激发光谱与发射光谱之间的波长差值。发射光谱的波长比激发光谱的长，振动弛豫消耗了能量。200260320380440500560620荧光激发光谱荧光发射光谱磷光光谱室温下菲的乙醇溶液荧（磷）光光谱2019/11/14b.发射光谱的形状与激发波长无关电子跃迁到不同激发态能级，吸收不同波长的能量(如能级图l2,l1)，产生不同吸收带，但均回到第一激发单重态的最低振动能级再跃迁回到基态，产生波长一定的荧光(如l‘2)。S2S1S0T1吸收发射荧光发射磷光系间窜越内转换振动弛豫能量l2l1l3外转换l2T2内转换振动弛豫2019/11/14c.镜像规则通常荧光发射光谱与激发光谱成镜像对称关系。200250300350400450500荧光激发光谱荧光发射光谱nm蒽的激发光谱和荧光光谱2019/11/14三、荧光的产生与分子结构的关系relationbetweenfluorescenceandmolecularstructure1.分子产生荧光必须具备的条件（1）具有合适的结构；（2）具有一定的荧光量子产率。荧光量子产率（f）：表示物质发射荧光的能力激发态分子总数发荧光的分子数吸收的光量子数发射的光量子数f2019/11/14荧光量子产率与激发态能量释放各过程的速率常数有关，可以用以下数学式表示。如外转换过程速度快，不出现荧光发射；ifffKKKKf－荧光发射过程的速率常数∑Ki—其他有关过程的速率常数的总和Kf主要决定于物质的化学结构，而∑Ki则主要决定于物质所处的化学环境。2019/11/142.化合物的结构与荧光（1）跃迁类型：*→的荧光效率高，系间跨越过程的速率常数小，有利于荧光的产生；（2）共轭效应：提高共轭度有利于增加荧光效率并产生红移含→*跃迁能级的芳香族化合物的荧光最强化合物（在环己烷中）φfλ/nm苯0.07283联苯0.18316对-联三苯0.933422019/11/14（3）刚性平面结构：可降低分子振动，减少与溶剂的相互作用，故具有很强的荧光。如荧光素和酚酞有相似结构，荧光素有很强的荧光，酚酞却没有。2019/11/14（4）取代基效应：芳环族化合物苯环上不同取代基对该化合物的荧光强度和荧光光谱有很大的影响，可归为下列几种类型：第一，给电子基团常常使荧光增强；第二，吸电子基团会减弱甚至破坏荧光；第三，同电子体系相互作用小的取代基和烷基对发光影响不明显；第四，将一个高原子序数的原子引入，常常增强磷光而减弱荧光；第五，双取代和多取代较难预测，但若能增加分子的平面性，则荧光增强，反之，则荧光减弱。2019/11/142019/11/14四、影响荧光强度的环境因素relationbetweenfluorescenceandmolecularstructure影响荧光强度的外部因素1.溶剂的影响由于溶质分子与溶剂分子间的作用，使同一种荧光物质在不同的溶剂中的荧光光谱的位置和强度都会有显著的不同如8-巯基喹啉在下列四种不同极性溶剂中的情况溶剂介电常数荧光峰λ/nm荧光效率四氯化碳2.243900.002氯仿5.23980.041丙酮21.54050.055乙38.84100.0642019/11/142.温度的影响荧光强度对温度变化敏感，一般来说，溶液的荧光强度随着温度升高而降低。3.溶液pH带有酸性或碱性官能团的大多数芳香族化合物的荧光一般都与溶液的pH有关，因此在荧光分析中要严格控制溶液的pH值。如苯酚在酸性溶液中呈现荧光，但在碱性溶液中，无荧光再如苯胺在pH7～12溶液中有蓝色荧光，而在pH小于2大于13的溶液中都不发荧光。另外金属离子与有机试剂形成的发光螯合物也受到溶液的pH影响2019/11/144.内滤光作用和自吸收现象自吸收现象：化合物的荧光发射光谱的短波长端与其吸收光谱的长波长端重叠，产生自吸收；如蒽化合物。内滤光作用：溶液中含有能吸收激发光或荧光物质发射的荧光的物质，就会使荧光减弱，这种现象称为“内滤光作用”，如色胺酸中的重铬酸钾；2019/11/145.溶液荧光的猝灭荧光物质分子与溶剂分子或其他溶质分子的相互作用引起荧光强度降低的现象称为荧光猝灭。能引起荧光强度降低的物质称为猝灭剂。（1）碰撞猝灭M+hγ—M*,M*+Q—M+热（2）静态猝灭M+Q—MQ非荧光（3）转入三重态的猝灭三重态O2（4）发生电子转移反应的猝灭M+Q—发生电子转移（5）荧光物质的自猝灭荧光物质浓度较高2019/11/14第四章分子发光分析法一、仪器与结构流程instrumentandgeneralprocess二、荧光分析法和应用fluorescenceanalysisandapplication三、磷光分析法及应用phosphorescenceanalysisandapplication第二节分子荧光与磷光分析法molecularluminescenceanalysismolecularfluorescenceandphosphorescenceanalysis2019/11/14一、仪器结构流程测量荧光的仪器主要由四个部分组成：激发光源、样品池、双单色器系统、检测器。特殊点：有两个单色器，光源与检测器通常成直角。基本流程如图：单色器：选择激发光波长的第一单色器和选择发射光(测量)波长的第二单色器；光源：氙灯和高压汞灯样品池：石英检测器：光电倍增管。2019/11/14二、荧光分析方法与应用1.特点（1）灵敏度高比紫外-可见分光光度法高2～4个数量级；检测下限：0.1～0.001g/cm-3（2）选择性强既可依据特征发射光谱，又可根据特征激发光谱；（3）试样量少缺点：应用范围小。2019/11/142.定量依据与方法(1)定量依据当荧光物质浓度很小时，荧光强度If与荧光物质浓度c之间的关系式为If=2.3φfI0εbc式中：φf为荧光效率，I0为激发光的强度，ε荧光物质的摩尔吸收系数，b为试样池的光程，c为荧光物质的浓度。在一定条件下，φf、I0、ε、b均为常数，所以上式可写成If=Kc即荧光强度与荧光物质的浓度c成正比。荧光强度和溶液浓度呈线性关系，只限于极稀的溶液。对于较浓溶液，会产生浓度猝灭现象。2019/11/14（2）定量方法标准曲线法：配制一系列标准浓度试样测定荧光强度，绘制标准曲线，再在相同条件下测量未知试样的荧光强度，在标准曲线上求出未知试样的浓度；比较法：在线性范围内，测定标样和试样的荧光强度，比较；XSXSCCII2019/11/143.荧光分析法的应用目前荧光分析大多用于定量分析，由于自身发射荧光的化合物不多，因此往往利用有机试剂与荧光较弱或不显荧光的物质结合形成发荧光的配合物来进行测定。(1)无机化合物的分析与有机试剂形成配合物后测量；可测量约60多种元素。（2）有机化合物的分析芳香族化合物具有共轭的不饱和结构，多能发生荧光，可以直接进行荧光测定；而脂肪族化合物的分子结构较简单，本身能发荧光的很少，须与某些试剂反应后才能进行分析。2019/11/142019/11/142019/11/14三、磷光分析法及应用与荧光相比，磷光具有两个特点（1）磷光辐射的波长比荧光长（2）磷光的寿命比荧光长1.磷光强度与磷光物质浓度的关系当磷光