第五章-荧光分析法..ppt
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1、本章学习目标:本章学习目标:1、掌握分子荧光分析法的基本原理和特点掌握分子荧光分析法的基本原理和特点 2、掌握荧光与分子结构的关系以及影响荧光强度掌握荧光与分子结构的关系以及影响荧光强度的因素的因素 3、熟悉荧光定量分析方法及荧光分光光度计熟悉荧光定量分析方法及荧光分光光度计 4、了解分子荧光分析法的应用 第第0505章章 荧光分析法荧光分析法1 处处于于基基态态的的分分子子吸吸收收能能量量后后,跃跃迁迁到到激激发发态态,当当激激发发态态分分子子以以发发射射光光的的形形式式释释放放能能量量,返返回回基基态态的的过过程程,称为,称为分子发光分子发光。一、什么是分子发光?一、什么是分子发光?分子荧
2、光分析法分子荧光分析法2 二、分子发光的分类二、分子发光的分类(按激发的模式按激发的模式)分分子子发发光光热致发光热致发光光致发光光致发光场致发光场致发光化学发光化学发光荧光荧光磷光磷光 分子荧光分析法分子荧光分析法3 分子荧光分析法分子荧光分析法优点:优点:灵敏度高;选择性好;试样用量少;方法简单。光致发光光致发光:物质分子吸收电磁辐射能后,将从基态跃迁到激发态,处于激发态的分子发射出光的现象,称为光致发光。最常见形式是荧光和磷光荧光和磷光。荧光分析法:荧光分析法:根据物质的荧光光谱的特征及强度对物质进行定性和定量分析的方法,称之为荧光分析法。4第一节第一节 分子荧光分析法的基本原理分子荧光
3、分析法的基本原理(重点)(重点)一、分子荧光的产生一、分子荧光的产生单重态(单重态(S):):s=0,M=1,分子所处的电子能态。分子所处的电子能态。三重态(三重态(T):):s=1,M=3,分子所处的电子能态。分子所处的电子能态。1.1.分子的电子能级和激发过程分子的电子能级和激发过程分子电子能级的多重性:分子电子能级的多重性:总自旋量子数:总自旋量子数:E自旋量子数:自旋量子数:s=或或-泡利不相容原理泡利不相容原理52.荧光的产生荧光的产生 在单重激发态中,两个电子平行自旋平行自旋,单重态分子具有抗磁性,其激发态的平均寿命大约为1010-8-8s s,而三重态分子具有顺磁三重态分子具有顺
4、磁性,其激发态的平均寿命为10-4 1s以上(通常用(通常用S S和和T T分别表示分别表示单重态单重态和和三重态三重态)。)。电子能级的电子能级的多重性:多重性:M=2s+1M=2s+1,s s(总自旋量子数)(总自旋量子数)6根据波兹曼分布,分子室温基本处于电子能级的基态电子能级的基态,激发时,基态电子只能跃迁到激发单重态激发单重态,不能不能直接跃迁到激发三重态(激发三重态(根据自旋禁阻定律)。电子处于激发态(不稳定状态),可通过无辐射跃迁无辐射跃迁和辐辐射跃迁射跃迁(发光)等方式失去能量,返回基态。2.荧光的产生荧光的产生能量传递能量传递途径途径辐射跃迁辐射跃迁荧光荧光磷光磷光系间窜跃系
5、间窜跃无辐射跃迁无辐射跃迁振动弛豫振动弛豫内转换内转换外转换外转换7 在同一电子能级在同一电子能级中中,电子由电子由高高振动振动能级能级转至低转至低振动能振动能级级,而将多余的能,而将多余的能量量以无辐射形式以无辐射形式放放出的过程。出的过程。(1)振动弛豫)振动弛豫无辐射方式传递途径振动弛豫时间振动弛豫时间振动弛豫时间振动弛豫时间:1010-12-12 秒数量级秒数量级秒数量级秒数量级8 当当两个电子激发态之间的能级两个电子激发态之间的能级非常非常靠近靠近以至其振动能级有以至其振动能级有重叠重叠时,时,常发生电子由常发生电子由高高能级以能级以无辐射方式无辐射方式转移至转移至低低能级的过程能级
6、的过程。如右图,处于高激发态(如右图,处于高激发态(S2)的电)的电子,通过内转换,转移到低激发态子,通过内转换,转移到低激发态(S1)的振动能级。)的振动能级。(2)内转换)内转换9 激发分子与溶剂分子或其他溶质分子的激发分子与溶剂分子或其他溶质分子的相互作用而相互作用而失去能量失去能量,并以热能的形式释放能量的过程。外转换使荧光或磷光强度荧光或磷光强度减弱甚至消失减弱甚至消失。这一现象称为。这一现象称为“熄灭熄灭”或或“猝灭猝灭”。(3)外转换)外转换10 处于激发态分子的电子发生发生自自旋反转旋反转而使分子的多重性多重性发生变化的过程。如图,电子电子S S1 1的振动能级同的振动能级同T
7、 T1 1的振的振动能级重叠,则可能动能级重叠,则可能发生体系间跨越S1T1,分子由激发单重态跨越到激发三重态,荧光强度减弱甚至熄灭。(4)系间窜跃)系间窜跃11 物质分子吸收能量被激发后,从物质分子吸收能量被激发后,从激发激发单重态单重态的的最低振动能级最低振动能级返回基返回基态时发射出的态时发射出的光光,称为,称为荧光荧光。注意:注意:无论电子开始被激发至哪一个激发无论电子开始被激发至哪一个激发单重态,经过单重态,经过振动弛豫及内转换,振动弛豫及内转换,均可回均可回到到第一激发单重态的最低振动能级,第一激发单重态的最低振动能级,然后然后再以辐射形式发射光而返回至基态各振动再以辐射形式发射光
8、而返回至基态各振动能级上。能级上。荧光的产生在荧光的产生在1010-7-7-10-10-9-9s内完成。内完成。(1)发射荧光发射荧光辐射方式传递途径12 电子由第一激发单重态的最低电子由第一激发单重态的最低振动能级,以振动能级,以系间窜跃系间窜跃方式转至方式转至第一激发第一激发三重态三重态,再经三重态最,再经三重态最低振动能级返回至基态时发射的低振动能级返回至基态时发射的光,称为光,称为磷光磷光。由于(由于(T1S0)这个跃迁过程也)这个跃迁过程也是自旋禁阻的,其发光速率较慢,是自旋禁阻的,其发光速率较慢,约为约为10-4-10s。因此,这种跃迁因此,这种跃迁所发射的光,所发射的光,在光照停
9、止后,仍在光照停止后,仍可持续一段时间可持续一段时间。(2)发射磷光发射磷光13 荧光和磷光产生示意图荧光和磷光产生示意图S2S1S0T1吸吸收收发发射射荧荧光光发发射射磷磷光光系间窜跃系间窜跃内转换内转换振动弛豫振动弛豫能能量量 2 1 3 外转换 2T2内转换内转换振动弛豫振动弛豫14二、激发光谱与荧光光谱激发光谱(激发光谱(excitation spectrum):使使不同不同激发激发波长波长的入射光激发荧光体,然后让所产生的的入射光激发荧光体,然后让所产生的荧光通过固荧光通过固定定发射发射波长波长的单色器而照到检测器上,测定不同激的单色器而照到检测器上,测定不同激发波长光照射下荧光强度
10、的变化,以发波长光照射下荧光强度的变化,以激发波长为横激发波长为横坐标坐标,荧光强度为纵坐标荧光强度为纵坐标,可得荧光物质的激发光,可得荧光物质的激发光谱。谱。注意:激发光谱与其吸收光谱极为相似,但激发光谱曲线是荧光强度与波长的关系曲线,吸收曲线则是吸光度与波长的关系曲线,两者性质是不同的。15二、激发光谱与荧光光谱16 荧光光谱(荧光光谱(fluorecence spectrum):固定激发固定激发光波长光波长(为最大激发波长)和强度,而让荧光物质(为最大激发波长)和强度,而让荧光物质发射的荧光通过发射单色器分光扫描并检测发射的荧光通过发射单色器分光扫描并检测不同不同发发射射光波长下光波长下
11、的荧光强度,以的荧光强度,以发射波长为横坐标发射波长为横坐标,荧荧光强度为纵坐标作图光强度为纵坐标作图,得到物质的荧光光谱。,得到物质的荧光光谱。荧光物质的荧光物质的最大激发波长(最大激发波长(ex)和)和最大发射最大发射波长(波长(em)是鉴定物质的根据;也是定量测定最是鉴定物质的根据;也是定量测定最为灵敏的条件。为灵敏的条件。17B.B.发射光谱发射光谱发射光谱发射光谱(荧光光谱荧光光谱荧光光谱荧光光谱)固定激发波长固定激发波长固定激发波长固定激发波长 扫描发射波长扫描发射波长扫描发射波长扫描发射波长C.C.激发光谱与发射激发光谱与发射激发光谱与发射激发光谱与发射光谱的镜像关系光谱的镜像关
12、系光谱的镜像关系光谱的镜像关系S S0 04 43 32 21 1S S1 14 43 32 21 1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:分子的激发光谱可能含有几个激发带,但发射光谱只含一个发射带;即分子的激发光谱可能含有几个激发带,但发射光谱只含一个发射带;即使分子被激发到高于使分子被激发到高于S1的电子态,由于经过极快的内转换和振动弛豫降到的电子态,由于经过极快的内转换和振动弛豫降到S1电子态的最低振动、转动能级,然后以辐射形式释放能量回到基态。电子态的最低振动、转动能级,然后以辐射形式释放能量回到基态。exex
13、=290nm =290nm(MAX)(MAX)固定固定固定固定 emem=620nm(MAX)=620nm(MAX)固定固定固定固定 exex=290nm(MAX)=290nm(MAX)emem=620nm 620nm(MAX)(MAX)1 1 4 41 1 3 31 1 2 21 11 11 1 1 11 1 2 21 1 3 3 1 1 4 4181.斯托克斯位移斯托克斯位移(Stokes shift):荧光发射波长总是大于激发光谱波长的现象。荧光发射波长总是大于激发光谱波长的现象。室温下菲的乙醇溶液荧光光谱荧光光谱的特征荧光光谱的特征(重点重点)192.2.荧光光谱与荧光光谱与激发波长无
14、关激发波长无关 电子跃迁到不同激发态能级,吸收不同波电子跃迁到不同激发态能级,吸收不同波长的能量,产生不同吸收带,但均回到长的能量,产生不同吸收带,但均回到第一电子第一电子激发单重态激发单重态的的最低最低振动能级再跃迁回到基态,从振动能级再跃迁回到基态,从而荧光发射光谱而荧光发射光谱只有一个发射带只有一个发射带,而且荧光光谱,而且荧光光谱的的形状形状与与激发波长无关激发波长无关。3.3.荧光光谱与荧光光谱与激发光谱的镜像关系激发光谱的镜像关系激发光谱与荧光光谱成对称镜像关系。激发光谱与荧光光谱成对称镜像关系。20nm200280360440520020406080100Fab4b3b2b1b0
15、c0c1c2c3c4蒽的激发光谱(虚线)荧光光谱(实线)蒽的能级跃迁V=0V=1V=2V=3V=4V=0V=1V=2V=3V=4b4b3b2b1b0c0c1c2c3c4E4E3E2E1E4E3E2E121(一)(一)分子产生荧光必须分子产生荧光必须具备两个条件具备两个条件:三、荧光强度与分子结构的关系分子必须具有与所照射的辐射频率相分子必须具有与所照射的辐射频率相适应的适应的 结构结构,才能,才能吸收吸收激发光;激发光;吸收了与其本身特征频率相同的能量之后,吸收了与其本身特征频率相同的能量之后,必须具有一定的必须具有一定的荧光量子产率荧光量子产率。22荧光效率(荧光效率(fluorescenc
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- 第五 荧光 分析
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