分子发光分析法课件教学文案.ppt
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1、分子发光分析法课件分子发光分析法课件概论概论(1)(1)分子发光的类型分子发光的类型 按激发的模式分类:分子吸收光能被激发,所产生的发光为光致发光,如分子荧光和磷光。分子由化学反应的化学能或由生物体(经由体内的化学反应)释放出来的能量所激发,其发光分别称为化学发光或生物发光。以分子发光为检测手段的分析方法称为分子发光分析法,本章所介绍的包括荧荧光光分分析析法法、磷磷光光分分析析法法和和化化学学发发光光分分析法析法。(2)分子发光分析法的特点分子发光分析法的特点灵敏度高。较吸收光度法一般要高2 3个数量级。选择性比较高。物质对光的吸收具有普遍性,但吸光后并非都有发光现象。即便都有发光现象,但在吸
2、收波长和发射波长方面不尽相同,这样就有可能通过调节激发波长和发射波长来达到选择性测定的目的。样品量小,操作简便,工作曲线的动态线性范围宽。发光检测的高灵敏度,以及发光光谱、发光强度、发光寿命等各种发光特性对所研究体系的局部环境因素的敏感性,因此,发光分析法在光学分子传感器以及在生物医学、药学和环境科学等方面的应用更显示了它的优越性。Molecular fluorescence and phosphorescence analysis 1 1 分子荧光与磷光光谱分析法分子荧光与磷光光谱分析法1.1 1.1 基本原理基本原理A.A.分子能级与跃迁分子能级与跃迁 分子能级比原子能级复杂;在每个电子能
3、级上,都存在振动、转动能级;基态(S0)激发态(S1、S2、激发态振动能级):吸收特定频率的辐射;量子化;跃迁一次到位;激发态基态:多种途径和方式(见能级图);速度最快、激发态寿命最短的途径占优势;第一、第二、电子激发单重态 S1、S2;第一、第二、电子激发三重态 T1、T2 ;B.B.电子激发态的多重度电子激发态的多重度 电子激发态的多重度:M=2S+1 S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;S0T1 禁阻跃迁;通过其他途径进入(见能级图);进入的几率小;C.C.激发态激发态基态的能量传递途径基
4、态的能量传递途径 电电子子处处于于激激发发态态是是不不稳稳定定状状态态,返返回回基基态态时时,通通过过辐辐射射跃迁跃迁(发光发光)和无辐射跃迁等方式失去能量;和无辐射跃迁等方式失去能量;传递途径传递途径辐射跃迁荧光延迟荧光磷光内转移外转移系间跨越振动弛预无辐射跃迁 激发态停留时间短、返回速度快的途径,发生的几率大,发光强度相对大;荧光荧光:10-710-9 s,第一激发单重态单重态的最低振动能级基态;磷光磷光:10-410s;第一激发三重态三重态的最低振动能级基态;S2S1S0T1吸吸收收发发射射荧荧光光发发射射磷磷光光系间跨越内转换振动弛豫能量l l 2l l 1l l 3 外转换l l 2
5、T2内转换振动弛豫非辐射能量传递过程非辐射能量传递过程 振动弛豫振动弛豫: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10-12 s。内转换内转换:同多重度电子能级中,等能级间的无辐射能级交换。通过内转换和振动弛豫,高激发单重态的电子跃回第一激发单重态的最低振动能级。外转换外转换: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”。系间跨越系间跨越:不同多重态,有重叠的转动能级间的非辐射跃迁。改变电子自旋,禁阻跃迁,通过自旋轨道耦合进行。辐射能量传递过程辐射能量传递过程 荧光发射荧光发射:电子由第一激发单重
6、态的最低振动能级基态(多为 S1 S0跃迁),发射波长为 2的荧光;10-710-9 s。由图可见,发射荧光的能量比分子吸收的能量小,波长长;2 2 1;磷光发射磷光发射: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:10-4100 s。光照停止后,可持续一段时间。荧光、磷光的寿命和量子产率荧光、磷光的寿命和量子产率荧光寿命荧光寿命:荧光分子处于S1激发态的平均寿命,表示为:f=1/(kf+K)磷光寿命(p)指的是磷光分子处于T1激发态的平均寿命,可由类似的公式表示。荧
7、光量子产率荧光量子产率:荧光物质吸光后所发射的荧光的光子数与所吸收的激发光的光子数之比值。由于激发态分子的衰变过程包含辐射跃迁和非辐射跃迁,故荧光量子产率可表示为 f =kf/(kf+K)磷光的量子产率(p)定义为:1.2 1.2 荧光、磷光与分子结构的关系荧光、磷光与分子结构的关系A.A.分子产生荧光必须具备的条件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():荧荧光光量量子子产产率率与与激激发发态态能能量量释释放放各各过过程程的的速速率率常常数有关,如外转换过程速度快,不出现荧光发射;数有关,如外转换过程速度快,不出现荧光发射;B.B.化合物
8、的结构与荧光化合物的结构与荧光(1)跃跃迁迁类类型型:*的的荧荧光光效效率率高高,系系间间跨跨越越过过程的速率常数小,有利于荧光的产生;程的速率常数小,有利于荧光的产生;(2)共共轭轭效效应应:提提高高共共轭轭度度有有利利于于增增加加荧荧光光效效率率并并产生红移产生红移(3)刚刚性性平平面面结结构构:可可降降低低分分子子振振动动,减减少少与与溶溶剂剂的的相相互互作作用用,故故具具有有很很强强的的荧荧光光。如如荧荧光光素素和和酚酚酞酞有相似结构,荧光素有很强的荧光,酚酞却没有。有相似结构,荧光素有很强的荧光,酚酞却没有。(4)取代基效应取代基效应:芳环上有供电基,使荧光增强。:芳环上有供电基,使
9、荧光增强。酚酞荧光素酚酞荧光素联苯联苯(0.18)芴芴(1)1.3 1.3 影响分子发光的环境因素影响分子发光的环境因素A.A.溶剂的影响溶剂的影响 除一般溶剂效应外,溶剂的极性、氢键、配位键的形成都将使化合物的荧光发生变化;B.B.温度的影响温度的影响 荧光强度对温度变化敏感,温度增加,外转换去活的几率增加。C.溶液溶液pH 对酸碱化合物,溶液pH的影响较大,需要严格控制;1.4 1.4 荧光、磷光的猝灭荧光、磷光的猝灭A.A.猝灭猝灭发发光光分分子子与与溶溶剂剂或或溶溶质质分分子子之之间间所所发发生生的的导导致致发发光光强强度度下降的物理或化学作用过程。下降的物理或化学作用过程。与与发发光
10、光分分子子相相互互作作用用而而引引起起发发光光强强度度下下降降的的物物质质,称称为为猝灭剂。猝灭剂。B.B.动态猝灭与静态猝灭动态猝灭与静态猝灭猝猝灭灭剂剂与与发发光光物物质质的的激激发发态态分分子子之之间间的的相相互互作作用用引引起起动动态态猝猝灭灭;猝猝灭灭剂剂与与发发光光物物质质的的基基态态分分子子之之间间的的相相互互作作用用引引起起静态猝灭。静态猝灭。1.5 1.5 激发光谱和发射光谱激发光谱和发射光谱 荧光(磷光):光致发光,照射光波长如何选择?A.A.荧光荧光(磷光磷光)的激发光谱曲线的激发光谱曲线 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
11、(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;强度最大;B.B.荧光光谱荧光光谱(或磷光光谱或磷光光谱)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)。A.A.激发光谱与发射光谱的关系激发光谱与发射光谱的关系 a.Stokesa.Stokes位移位移 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。b.发射光谱的形状与激发波长无关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 2,1)
12、,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 2)。c.镜像规则镜像规则 通常荧光发射光谱与它的吸收光谱(与激发光谱形状一样)成镜像对称关系。200250300350400450500荧光激发光谱荧光激发光谱荧光发射光谱荧光发射光谱nm蒽的激发光谱和荧光光谱蒽的激发光谱和荧光光谱1.6 1.6 荧光荧光(磷光磷光)强度与溶液浓度的关系强度与溶液浓度的关系溶液的荧光强度溶液的荧光强度(If)与溶液吸收的光强度与溶液吸收的光强度(Ia)及及荧光量子产率荧光量子产率(f)有如下关系)有如下关系If=f Ia由由Lambert-beer定律及吸收光强度的
13、概念,可定律及吸收光强度的概念,可推导出,当推导出,当 bc0.05时,有:时,有:If=2.303 f I0 bc与荧光类似,溶液的磷光强度与荧光类似,溶液的磷光强度(IP)与低浓度下磷与低浓度下磷光物质浓度之间的关系可表示如下:光物质浓度之间的关系可表示如下:IP=2.303 ST P I0 bc 随着溶液浓度的进一步增大,将会出现发光强随着溶液浓度的进一步增大,将会出现发光强度不仅不随溶液浓度线性增大、甚至出现随浓度的度不仅不随溶液浓度线性增大、甚至出现随浓度的增大而下降的浓度效应。增大而下降的浓度效应。发发光光的的再再吸吸:化化合合物物的的荧荧光光发发射射光光谱谱的的短短波波长长端端与
14、与其其吸吸收收光光谱谱的的长长波波长长端端重重叠叠,产产生生自自吸吸收收;如如蒽蒽化化合物。合物。内内滤滤光光作作用用:溶液中含有能吸收激发光或荧光物质发射的荧光,如色胺酸中的重铬酸钾;自熄灭自熄灭和和自吸收自吸收自熄灭自熄灭是由于荧光分子之间以及荧光分子同溶剂是由于荧光分子之间以及荧光分子同溶剂分子之间的碰撞,引起了非辐射的能量转换所造分子之间的碰撞,引起了非辐射的能量转换所造成的成的自熄灭自熄灭现象将随浓度的增大而增大现象将随浓度的增大而增大自吸收自吸收发生在荧光发射波长同化合物的吸收峰重发生在荧光发射波长同化合物的吸收峰重叠的情形下,当荧光通过溶液时便被减弱了叠的情形下,当荧光通过溶液时
15、便被减弱了1.7 1.7 荧光、磷光分析仪器荧光、磷光分析仪器A A 荧光分析仪器荧光分析仪器 测测量量荧荧光光的的仪仪器器主主要要由由四四个个部部分分组组成成:激激发发光光源源、样样品品池、双单色器系统、检测器。池、双单色器系统、检测器。特殊点特殊点:有两个单色器,光源与检测器通常成直角。基本流程如图:基本流程如图:单单色色器器: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;光光源源:灯和高压汞灯,染料激光器(可见与紫外区)检测器检测器:光电倍增管。仪仪器器光光路路图图B B 磷光分析仪器磷光分析仪器 荧光计上配上磷光测量附件即可对磷光进行测量。在有荧光发射的同时测量磷光。
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