动态猝灭

1荧光的动态猝灭1.知识的预备什么是淬灭？猝灭：是指激发态通过非辐射复合的途径达到弛豫。是通过处于发光中心激发态的电子与晶格碰撞把激发能交给晶格，产生大量的声子而无辐射地回到基态。荧光猝灭：溶剂的性质,体系的PH值和温度,都会影响荧光的强度.荧光分子与溶剂或其他分子之间相互作用,使荧光强度减弱，即让荧光量子产率降低的现象。造成猝灭的原因：激发态荧光分子（下文以M*表示）与重原子发生碰撞，与其他物质分子发生电荷的转移，激发态与基态的荧光物质分子的缔合，激发态络合物的形成，能量的转移，质子转移等。2造成猝灭的原因31.知识的预备猝灭剂：能降低荧光体发光强度的分子。猝灭剂有动态猝灭剂和静态猝灭剂之分。动态猝灭是猝灭剂与荧光激发态分子之间的相互作用致使荧光强度降低的过程；静态猝灭是指猝灭剂与基态荧光体分子形成不发光配合物来降低荧光强度的过程。下文以Q表示42.动态猝灭动态猝灭：激发态荧光分子与猝灭剂之间的相互作用使荧光发生猝灭。碰撞猝灭是荧光动态猝灭的形式之一。碰撞猝灭是指处于激发单重态的荧光分子与猝灭剂分子相碰撞，使激发单重态的荧光分子以无辐射跃迁的方式回到基态，产生猝灭作用。53.Stern–Volmer动力学荧光物质分子M与猝灭剂Q相互碰撞而引起的最简单情况63.Stern–Volmer动力学根据4.1中荧光物质分子M与猝灭剂Q相互碰撞而引起的最简单情况，在δ脉冲的激发下，M*的浓度随时间t的变化满足如下方程其中：KM=Kr+Kic+Kisc=1/τ0（KM为荧光发生速率常数，Kr为M*的荧光发射速率常数，Kic为内转化速率常数，Kisc为系间窜越速率常数）。7Kq的值和发光激发态分子M*以及猝灭剂分子的性质有关。3.Stern–Volmer动力学当t=0时，初始条件为[M*]=[M0],即[M0]为无猝灭体时的荧光体浓度。[M*]可表示为：荧光强度与激发态分子M*的浓度成正比，且可通过如下方程式给出的：83.Stern–Volmer动力学从上式可以看出，荧光衰变公式4.5里，指数是一个关于时间的单函数，时间可记为τ：即：93.Stern–Volmer动力学在存在淬灭剂和不存在淬灭剂的情况下进行时间分辨荧光实验，可以验证关于荧光衰变的函数是否是是一个单指数，并可直接给出了kq的重要性。（时间分辨荧光测定技术是利用稀土配合物具有长寿命荧光这一特点，在样品被脉冲光激发后、荧光信号采集前，根据样品中所包含的荧光物质荧光寿命的不同引入一定的延迟时间(delaytime)，待短寿命的背景荧光完全淬灭后，再对长寿命的特异性荧光信号进行测定采用时间分辨荧光测定技术可以有效消除来自样品、试剂、仪器等的短寿命非特异性荧光的干扰，从而极大地提高荧光检测的灵敏度。）103.Stern–Volmer动力学在淬灭剂存在的情况下，荧光的量子产率为：在淬灭剂不存在的情况下，荧光的量子产率为：113.Stern–Volmer动力学（4.8）和（4.9）的比值（Stern–Volmer方程）为：其中：I和I0分别表示有和没有碎灭剂分子Q存在时的荧光强度；[Q]是碎灭剂分子浓度。Ksv=kqτ0表示表示Stern–Volmer常数，是双分子猝灭速率常数与单分子衰变速率常数的比值，量纲是1mol-1，它意味着这两种衰变途径之间的竞争。I/I0的比率通过淬灭剂的浓度描述。如果该比率的变化呈线性关系，则其斜率为Stern–Volmer常数。如果在没有猝灭剂存在的条件下的激发态寿命已知，则Kq可以计算出来。123.Stern–Volmer动力学有如下两种情况：1.如果双分子作用的过程不受扩散限制，Kq=PK1，P表示双分子通过碰撞发生猝灭的概率，k1是反应速率常数。2.如果双分子作用的过程不受扩散限制：此时kq和是反应速率常数k1是完全相同的，可以用下面的简化形式（第一次由Smoluchowski提出）133.Stern–Volmer动力学14其中；Rc表示两分子之间的距离（单位为cm），D表示两分子间相互作用的扩散系数（单位：cm2s-1），N等于阿伏伽德罗常数Na/1000，Rc等于荧光分子半径RM与猝灭剂RQ半径之和。两分子间相互作用的扩散系数D是激发态分子和猝灭剂分子两个分子间平移扩散系数DM,DQ之和，可以通过斯托克斯-爱因斯坦公式求出：3.Stern–Volmer动力学其中：k是玻尔兹曼常数，η是介质的黏度，T表示热力学温度，f是一个等于6或4的边界条件系数.在室温下分子的扩散系数在大多数溶剂中在10-5cm2s-1左右。在溶液中，K1大约在109-1010Lmol-1S-1左右，如果RM和RQ相等，扩散速率常数是约等于8RT/3η.15思考我们可以从Stern–Volmer方程（4.10式）看出，它所给出的应该是一个线性关系。实际上我们发现从Stern–Volmer方程描述的线性关系往往会发生偏离。偏离的原因？（1）发生静态碎灭是在一些情况下偏离Stern–Volmer方程所示线性关系的可能原因之一。（2）…….16导致偏离Stern–Volmer方程所示线性关系的另一个可能原因是，在发光激发态分子M*和碎灭剂分子Q间的“双分子过程”所引起的荧光碎灭过程中，不能简单地将发光激发态分子M*浓度随时间变化的实际过程中的kq[Q](4.4方程式里)视为和时间无关的常数，而将荧光衰变过程用单指数衰变动力学规律描述。这是因为，Q对M*的碎灭速率并不必然正比于它们之间发生碰撞的概率，而往往是受导致它们之间发生碰撞的扩散速率的控制。17从而采用扩散控制的双分子化学反应速度的理论模型描述荧光碎灭过程，可能比用简单地考虑分子间的碰撞的方法更切合实际。双分子反应过程的速率常数应该是时间的函数，即由时间产生的影响，由于淬灭过程时间极短，可以称其为瞬时效应！184.瞬时效应实际上，双分子反应速率常数是随时间变化，将其记作K1(t)，几个模型已经被开发出来用于表达其随时间的变化的速率常数。例如在Smoluchowski的理论里，K1(t)的描述如下：因此，在扩散控制的情况下淬灭，由δ脉冲激发产生的荧光强度可以通过以下的方程式（替代4.5式）计算得到：194.瞬时效应进一步：其中：204.瞬时效应值得注意的是，在介质黏度较低时，在时间极短时，瞬时项具有重要意义（100ps在黏度接近于水时.）而且可以忽略不计，而在粘性介质里，这一项是不能忽略的（此时荧光衰变不再是单指数衰变过程）。瞬时项？214.瞬时效应在持续光照下，通过采用具有恒定强度的光来提供无限短的光脉冲，可以很容易地计算出稳态下的荧光强度。它可以简单的通过集成δ脉冲的响应来获得。有和没有猝灭剂存在时的荧光强度之比的关系是：其中：224.瞬时效应erfc表示误差互补函数：方程4.18可以与Stern–Volmer关系式4.10进行比较，Y-1与瞬时项有关并导致Stern–Volmer曲线向上弯曲。（下一节将会描述）234.瞬时效应时间比较长时，方程4.13里的第二项可以忽略不计，此时荧光衰变将变为指数衰变（Stern–Volmer曲线发生偏离），衰变时间可以通过下式得出：这个关系等同于将方程式4.7里的Kq换成kq=4πNRcD24参考文献：徐金钩.荧光分析法[M].第三版.北京:科学出版社,2006.宋心琦.光化学原理[M].北京:北京化工大学出版社.25