分子荧光光谱法剖析.ppt
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1、 分子荧光光谱法分子荧光光谱法Molecular Fluorescence Spectroscopy 荧光荧光是指一种是指一种光致发光光致发光的冷发光现象。的冷发光现象。当某种常温物质经某种波长的入射光当某种常温物质经某种波长的入射光(通常是(通常是紫外线紫外线)照射,吸收光能后)照射,吸收光能后进入激发态,并且立即退激发并发出进入激发态,并且立即退激发并发出比入射光的的波长长的出射光(通常比入射光的的波长长的出射光(通常波长在波长在可见光可见光波段);而且一旦停止波段);而且一旦停止入射光,发光现象也随之立即消失。入射光,发光现象也随之立即消失。具有这种性质的出射光就被称之为荧具有这种性质的
2、出射光就被称之为荧光。光。光致发光光致发光 物体依赖外界物体依赖外界光源光源进行进行照射照射,从而获得,从而获得能量能量,产生,产生激激发发导至导至发光发光的现象。它大致经过吸收、能量传递及光发射的现象。它大致经过吸收、能量传递及光发射三个主要阶段,光的吸收及发射都发生于能级之间的跃迁,三个主要阶段,光的吸收及发射都发生于能级之间的跃迁,都经过激发态。而能量传递则是由于激发态的运动。都经过激发态。而能量传递则是由于激发态的运动。紫外紫外辐射辐射、可见光可见光及及红外辐射红外辐射均可引起光致发光。如均可引起光致发光。如磷光磷光与与荧荧光光。光致发光最普遍的应用为日光灯。它是灯管内气体放光致发光最
3、普遍的应用为日光灯。它是灯管内气体放电产生的电产生的紫外线紫外线激发管壁上的发光粉而发出可见光的。其激发管壁上的发光粉而发出可见光的。其效率约为白炽灯的效率约为白炽灯的5倍。倍。磷光磷光是一种缓慢发光的光致冷发光现象。当某种是一种缓慢发光的光致冷发光现象。当某种常温物质经某种波长的入射光(通常是紫外线)照常温物质经某种波长的入射光(通常是紫外线)照射,吸收光能后进入激发态(具有和基态不同的自射,吸收光能后进入激发态(具有和基态不同的自旋多重度),然后缓慢地退激发并发出比入射光的旋多重度),然后缓慢地退激发并发出比入射光的的波长长的出射光,而且与荧光过程不同,当入射的波长长的出射光,而且与荧光过
4、程不同,当入射光停止后,发光现象持续存在。发出磷光的退激发光停止后,发光现象持续存在。发出磷光的退激发过程是被量子力学的跃迁选择规则禁戒的,因此这过程是被量子力学的跃迁选择规则禁戒的,因此这个过程很缓慢。个过程很缓慢。分子荧光光谱法的特点分子荧光光谱法的特点灵敏度高灵敏度高 荧光分析是由试样溶液所发生的荧光的强度来荧光分析是由试样溶液所发生的荧光的强度来测定试样溶液中荧光物质的含量。荧光分析的灵敏测定试样溶液中荧光物质的含量。荧光分析的灵敏度不仅与溶液的浓度有关,而且与紫外光照射强度度不仅与溶液的浓度有关,而且与紫外光照射强度及荧光分光光度计的灵敏度有关因此荧光分析的及荧光分光光度计的灵敏度有
5、关因此荧光分析的灵敏度高于一般的分光光度法最低检出限比分光灵敏度高于一般的分光光度法最低检出限比分光光度法低一个数量级以上,适合于痕量物质的检测。光度法低一个数量级以上,适合于痕量物质的检测。选择性好。选择性好。凡凡是是会会发发生生荧荧光光的的物物质质首首先先必必须须会会吸吸收收一一定定频频率率的的光光,但但会会吸吸收收光光的的物物质质却却不不定定会会产产生生荧荧光光。对对于于某某一一给给定定波波长长的的激激发发光光,产产生生荧荧光光的的物物质质发发出出的的荧荧光光波波长长也也不不相相同同,只只要要控控制制荧荧光光分分光光光光度度计计中中激激发发光光和和荧光单色器的波长便可得到选择性良好的方法
6、荧光单色器的波长便可得到选择性良好的方法能够引起荧光的化学物质较少,应用范围小。能够引起荧光的化学物质较少,应用范围小。大多数物质本身不会产生荧光,一些物质在加入大多数物质本身不会产生荧光,一些物质在加入某种试剂后能够产生荧光。某种试剂后能够产生荧光。分子荧光产生机理分子荧光产生机理 荧光光谱是物质分子荧光光谱是物质分子吸收紫外光后产生的吸收紫外光后产生的分子分子发射光谱。发射光谱。2.2.跃迁类型跃迁类型 分子中原子的分子中原子的电子能电子能级跃迁,伴随振动能级的级跃迁,伴随振动能级的跃迁。跃迁。1.1.光谱类型光谱类型3.3.分子的激发与失活分子的激发与失活(1 1)分子的激发)分子的激发
7、n基态基态激发态激发态(S1、S2、激发态振动能级激发态振动能级):吸收特定吸收特定频率的辐射,频率的辐射,跃迁一次到位跃迁一次到位。n激发态激发态基态:基态:多种途径和方式多种途径和方式,速度最快、激发态,速度最快、激发态寿命最短的占优势。寿命最短的占优势。n单单重重态态:一一个个分分子子中中所所有有电电子子自自旋旋都都配配对对的的电电子状态。子状态。n三三重重态态:有有两两个个电电子子的的自自旋旋不不配配对对而而平平行行的的状状态。态。激发三重态能量较激发单重态低。激发三重态能量较激发单重态低。n大多数有机物分子含有偶数电子,这些电子成对且大多数有机物分子含有偶数电子,这些电子成对且自旋方
8、向相反地存在于各个原子或分子轨道上。所自旋方向相反地存在于各个原子或分子轨道上。所以以大多数分子在基态时处于单重态大多数分子在基态时处于单重态。n当分子受光照射时,若光子能量恰好等于分子的某当分子受光照射时,若光子能量恰好等于分子的某两个能级的能量之差,则分子吸收光子并从基态跃两个能级的能量之差,则分子吸收光子并从基态跃迁到第一激发态或更高的激发态中的某个振动能级。迁到第一激发态或更高的激发态中的某个振动能级。但其自旋方向不会立刻改变,分子仍处于单重态。但其自旋方向不会立刻改变,分子仍处于单重态。持续一段时间后,激发态电子的自旋持续一段时间后,激发态电子的自旋可能可能倒转,生倒转,生成三重态。
9、成三重态。n单重态能级间的跃迁符合光谱选律,跃迁概率大。单重态能级间的跃迁符合光谱选律,跃迁概率大。分子通过吸收辐射而直接被激发到三重态的跃迁分子通过吸收辐射而直接被激发到三重态的跃迁是是禁阻禁阻的,概率很小。的,概率很小。(2 2)激发态分子的失活)激发态分子的失活:激发态分子不稳定,以辐射或无辐射激发态分子不稳定,以辐射或无辐射跃迁跃迁的的 方式回到基态。方式回到基态。(3 3)跃迁的方式:)跃迁的方式:n振动弛豫:振动弛豫:由于分子间的碰撞,激发态分子由由于分子间的碰撞,激发态分子由同一电子能同一电子能级中级中的较高振动能级转至较低振动能级的过程,其的较高振动能级转至较低振动能级的过程,
10、其效率较高。效率较高。激发态分子常常首先发生振动驰豫。激发态分子常常首先发生振动驰豫。n内转换:内转换:相同多重态的两个电子能级间,相同多重态的两个电子能级间,电子由高能级电子由高能级回到低能级的分子内过程。回到低能级的分子内过程。无辐射跃迁无辐射跃迁 n系间窜越:系间窜越:激发态分子的电子自旋发生倒转而使分子的激发态分子的电子自旋发生倒转而使分子的多多重态发生变化重态发生变化的过程。含有重原子的分子中(如的过程。含有重原子的分子中(如I、Br等),系间窜跃最常见。等),系间窜跃最常见。n外转换:外转换:激发态分子激发态分子与溶剂或其他溶质相互作用与溶剂或其他溶质相互作用和能和能量转换而使荧光
11、(或磷光)减弱甚至消失的过程。量转换而使荧光(或磷光)减弱甚至消失的过程。荧光强度的减弱或消失,称为荧光强度的减弱或消失,称为荧光熄灭或猝荧光熄灭或猝灭。灭。辐射跃迁辐射跃迁n荧光:荧光:受光激发的分子经振动驰豫、内转换、振动驰受光激发的分子经振动驰豫、内转换、振动驰豫到达豫到达第一电子激发单重态的最低振动能级第一电子激发单重态的最低振动能级,以辐,以辐射的形式失活回到基态,发出荧光。射的形式失活回到基态,发出荧光。由于无辐射使分子吸收的能量有部分损失,因由于无辐射使分子吸收的能量有部分损失,因此荧光的能量比吸收的能量小,即此荧光的能量比吸收的能量小,即荧光波长一般比荧光波长一般比激发光波长长
12、。激发光波长长。n磷光:磷光:若第一激发单重态的分子通过系间窜跃到达第若第一激发单重态的分子通过系间窜跃到达第一激发三重态,再通过振动驰豫转至该激发的最低一激发三重态,再通过振动驰豫转至该激发的最低振动能级,然后以辐射的形式回到基态,发出的光振动能级,然后以辐射的形式回到基态,发出的光线称为磷光。线称为磷光。由由于于激激发发三三重重态态能能量量较较激激发发单单重重态态低低,所所以以磷磷光的波长比荧光的波长稍长。光的波长比荧光的波长稍长。磷光仅在很低的温度或黏性介质中才能观测到。磷光仅在很低的温度或黏性介质中才能观测到。因此磷光很少应用于分析。因此磷光很少应用于分析。l l 2l l 1l l
13、3l l 2S1T1系间跨越系间跨越内转换内转换振动弛豫振动弛豫S2S0能能量量T2内转换内转换发发射射荧荧光光发发射射磷磷光光外转换外转换振动弛豫振动弛豫4.4.荧光产生的过程:荧光产生的过程:(1 1)处于基态最低振动能级的荧光物质分子受到紫外线的照)处于基态最低振动能级的荧光物质分子受到紫外线的照射,吸收了和它所具有的特征频率相一致的光线,跃迁到第一射,吸收了和它所具有的特征频率相一致的光线,跃迁到第一电子激发态的各个振动能级;电子激发态的各个振动能级;(2 2)被激发到第一电子激发态的各个振动能级的分子通过)被激发到第一电子激发态的各个振动能级的分子通过无辐射跃迁降落到第一电子激发态的
14、最低振动能级;无辐射跃迁降落到第一电子激发态的最低振动能级;(3 3)降落到第一电子激发态的最低振动能级的分子继续降)降落到第一电子激发态的最低振动能级的分子继续降落到基态的各个不同振动能级,同时发射出相应的光量子,这落到基态的各个不同振动能级,同时发射出相应的光量子,这就是荧光:就是荧光:(4 4)到达基态的各个不同振动能级的分子再通过无辐射跃迁最)到达基态的各个不同振动能级的分子再通过无辐射跃迁最后回到基态的最低振动能级后回到基态的最低振动能级5.5.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 1)具具有有合合适适的的结结构构。只只有有少少数数具具有有某某些些结结构构特特性性
15、的体系才会产生荧光现象。的体系才会产生荧光现象。(2 2)具有一定的荧光量子产率。)具有一定的荧光量子产率。(1 1)荧光与结构的关系)荧光与结构的关系 n电子跃迁类型电子跃迁类型 *的的荧荧光光效效率率高高,系系间间窜窜跃跃至至三三重重态态的的的的速率常数较小,有利于荧光的产生。速率常数较小,有利于荧光的产生。n共轭效应共轭效应 含有含有*跃迁能级的跃迁能级的芳香族化合物芳香族化合物的荧光最的荧光最常见且最强。具有常见且最强。具有较大共轭体系较大共轭体系或或脂环羰基结构脂环羰基结构的的脂肪族化合物也可能产生荧光。脂肪族化合物也可能产生荧光。n取取代代基基效效应应:苯苯环环上上有有吸吸电电子子
16、基基常常常常会会妨妨碍碍荧荧光的产生;而给电子基会使荧光增强。光的产生;而给电子基会使荧光增强。化合物化合物 相对荧光强度相对荧光强度 荧光波长荧光波长/nm/nm C6H6(苯)(苯)10 10 270310 C6H5COOH C6H5NO230310390 C6H5CH3 C6H5OH C6H5OCH3 C6H5NH2 C6H5CN1718202020270320285365285345310405280360 C6H5Cl C6H5BrC6H5I750275345290380n平面刚性结构效应平面刚性结构效应 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
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