武汉大学分子发光分析法.ppt

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1、第七章第七章 分子发光分析法分子发光分析法一、一、分子荧光与磷光产生过程分子荧光与磷光产生过程luminescence process of molecular fluorescence phosphorescence二、激发光谱与荧光光谱二、激发光谱与荧光光谱excitation spectrum and fluore-scence spectrum三、荧光的产生与分子结构关系三、荧光的产生与分子结构关系 relation between fluorescence and molecular structure四、影响荧光强度的因素四、影响荧光强度的因素factor influenced f

2、luorescence第一节 分子荧光与磷光molecular luminescenceanalysis molecular fluorescence and phosphorescence2023/1/8一、荧光与磷光的产生过程一、荧光与磷光的产生过程 luminescence process of molecular fluorescence phosphorescence 由分子结构理论，主要讨论荧光及磷光的产生机理。1.1.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；

3、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 ；2023/1/82.2.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；2023/1/82.2.激发态激发态基态的能量传递途径基态的能量传递途径 电电子子处处于于激激发发态态是是不不稳稳定定状状

4、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豫无辐射跃迁 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；2023/1/8S2S1S0T1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 2l 1l 3 外转换l 2T2内转换振动弛豫2023/1/8非辐射能量传递过程非辐射能量传递

5、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。2023/1/8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态的最低振动能级基态（多为 S1

6、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。2023/1/8二、激发光谱与荧光二、激发光谱与荧光(磷光磷光)光谱光谱 excitation spectrum and fluore-scence spectrum 荧光(磷光)：光致发光，照射光波长如何选择？1.1.荧光荧光(磷光磷光)的

7、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（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；2023/1/82.2.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)。2023/1/82023/1/8复旦大学 区别分子的荧光发射和磷光发射，并讨论其原因？2023/1/83.3.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

8、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)，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。2023/1/8镜像规则的解释镜像规则的解释 基态上的各振动能级分布与第一激发态上的各振动能级分布类似；基态上的零振动能级与第一激发态的二振动能级之间的跃迁几率最大，相反跃迁也然。2023/1/8200250300350400450500荧

9、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2023/1/8三、荧光的产生与分子结构的关系三、荧光的产生与分子结构的关系 relation between fluorescence and molecular structure 1.1.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（）：荧光量子产率与激发态能量释放各过程的速率常数有关，如外转换过程速度快，不出现荧光发射；2023/1/82.2.化合物的结构与荧光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

10、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（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。（4）取代基效应：电子基团，使荧光增强吸电子基团，使荧光减弱重原子效应2023/1/82023/1/8四、影响荧光强度的因素四、影响荧光强度的因素 relation between fluorescence and molecular structure 影响荧光强度的外部因素1.1.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

11、化；2.2.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。3.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；2023/1/85.5.溶液荧光的猝灭溶液荧光的猝灭 碰撞猝灭；组成化合物猝灭 氧的熄灭作用等。自猝灭2023/1/8第六章第六章 分子发光分析法分子发光分析法一、一、仪器与结构流程仪器与结构流程instrument and general process 二、二、荧光分析法和应用荧光分析法和应用fluorescence analysis and application三、三、磷光分析法的应用磷光分析法的应用phosphorescence

12、analysis and application第二节 分子荧光与磷光分析法molecular luminescenceanalysis molecular fluorescence and phosphorescence analysis 2023/1/8一、仪器结构流程一、仪器结构流程 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

13、源：氙灯和高压汞灯，染料激光器(可见与紫外区)检测器检测器：光电倍增管。2023/1/8二、荧光分析方法与应用二、荧光分析方法与应用1.1.特点特点（1 1）灵敏度高）灵敏度高 比紫外-可见分光光度法高24个数量级；为什么？检测下限：0.10.1g/cm-3 相对灵敏度：0.05mol/L 奎宁硫酸氢盐的硫酸溶液。（2 2）选择性强）选择性强 既可依据特征发射光谱，又可根据特征吸收光谱；（3 3）试样量少）试样量少 缺点缺点：应用范围小。2023/1/82.2.定量依据与方法定量依据与方法(1)定量依据定量依据 荧光强度荧光强度 If正比于正比于吸收的光量吸收的光量Ia和荧光量子效率和荧光量子

14、效率 ：If=Ia 由朗由朗-比耳定律：比耳定律：Ia=I0(1-10-l c)If=I0(1-10-l c)=I0(1-e-2.3 l c)浓度很低时，将括号项近似处理后：浓度很低时，将括号项近似处理后：If=2.3 I0 l c =Kc2023/1/8（2 2）定量方法）定量方法标准曲线法：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，在标准曲线上求出浓度；比较法：比较法：在线性范围内，测定标样和试样的荧光强度，比较；2023/1/83.3.荧光分析法的应用荧光分析法的应用(1)(1)无机化合物的分析无机化合物的分析 与有机试剂配合物后

15、测量；可测量约60多种元素。铍、铝、硼、镓、硒、镁、稀土常采用荧光分析法；氟、硫、铁、银、钴、镍采用荧光熄灭法测定；铜、铍、铁、钴、锇及过氧化氢采用催化荧光法测定；铬、铌、铀、碲采用低温荧光法测定；铈、铕、锑、钒、铀采用固体荧光法测定(2)(2)生物与有机化合物的分析生物与有机化合物的分析 脂肪族化合物芳香族化合物 2023/1/82023/1/82023/1/87-4 磷光分析法磷光分析法7-4-1 1.磷光的特点磷光辐射的波长比荧光长磷光寿命比荧光长磷光的寿命和辐射强度对于重原子和顺磁性离子是极其敏感的2023/1/82.低温磷光激发三重态的寿命长，非辐射过程概率大。所以在低温下测量。20

16、23/1/82023/1/82023/1/8第六章 分子发光分析法第三节 化学发光分析法molecular luminescenceanalysischemiluminescenceanalysis2023/1/8一、基本原理 principle1.1.化学发光反应化学发光反应 在化学反应过程中，某些化合物接受能量而被激发，从激发态返回基态时，发射出一定波长的光。A +B =C +D*D*D+h（1）能够发光的化合物大多为有机化合物，芳香族化合物；能够发光的化合物大多为有机化合物，芳香族化合物；（2）化学发光反应多为氧化还原反应，激发能与反应能相当）化学发光反应多为氧化还原反应，激发能与反应能相当 E=170300 kJ/mol；位于可见光区；位于可见光区；（3）发光持续时间较长，反应持续进行；发光持续时间较长，反应持续进行；化学发光反应存在于生物体(萤火虫、海洋发光生物)中，称生物发光(bioluminescence)。2023/1/8