武汉大学分子发光分析法学习教案.pptx

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1、会计学1武汉大学分子武汉大学分子(fnz)发光分析法发光分析法第一页，共32页。2.2.电子电子(dinz)(dinz)激发态的多重度激发态的多重度 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(pngxng)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(nngj)图)；进入的几率小；第1页/共32页第二页，共32页。2.2.激发态激发态基态的能量基态的能量(nngling)(nngling)传递途径传递途径 电子处于激发态是不稳定状态，返回基态时，通过辐射跃迁(发光)

2、和无辐射跃迁等方式失去(shq)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(fnhu)速度快的途径，发生的几率大，发光强度相对大；荧光：10-710-9 s,第一激发单重态的最低振动能级基态；磷光：10-410s；第一激发三重态的最低振动能级基态；第2页/共32页第三页，共32页。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 2T2内转换振动弛豫第3页/共32页第四页，共32页。非辐射能量传递非辐射能量传递(chund)(chund)过程过程 振动

3、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 s10-12 s。内转换：同多重度电子能级中内转换：同多重度电子能级中,等能级间的无辐射能级交换。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。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：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：激发分子与溶剂或其他分子之间产生相互作用而转移

4、能量的非辐射跃迁；外转换使荧光或磷光减弱或外转换使荧光或磷光减弱或“猝灭猝灭”。系间跨越：不同多重态系间跨越：不同多重态,有重叠有重叠(chngdi)(chngdi)的转动能级间的非辐射跃迁。的转动能级间的非辐射跃迁。改变电子自旋，禁阻跃迁，通过自旋改变电子自旋，禁阻跃迁，通过自旋轨道耦合进行。轨道耦合进行。第4页/共32页第五页，共32页。辐射能量辐射能量(nngling)(nngling)传递过程传递过程 荧光发射：电子由第一激发单重态的最低振动能级荧光发射：电子由第一激发单重态的最低振动能级 基态（基态（多为多为 S1 S0 S1 S0跃迁），发射波长为跃迁），发射波长为 2 2的荧光；

5、的荧光；10-7 10-710-9 s 10-9 s。由图可见，发射荧光的能量比分子吸收的能量小，波长长；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 2 2 1 1；磷光发射：电子由第一激发三重态的最低振动能级磷光发射：电子由第一激发三重态的最低振动能级 基态（基态（T1 S0 T1 S0跃迁）；跃迁）；电子由电子由S0S0进入进入T1T1的可能过程：（的可能过程：（S0 T1 S0 T1禁阻跃迁）禁阻跃迁）S0 S0 激发激发振动弛豫振动弛豫内转移内转移系间跨越系间跨越振动弛豫振动弛豫 T1 T1 发光速度很慢：发光速度很慢：10-4 10-4100 s 100 s。光照停止

6、光照停止(tngzh)(tngzh)后，可持续一段时间。后，可持续一段时间。第5页/共32页第六页，共32页。二、激发光谱与荧光二、激发光谱与荧光二、激发光谱与荧光二、激发光谱与荧光(ynggung)(ynggung)(ynggung)(ynggung)(磷光磷光磷光磷光)光光光光谱谱谱谱 excitation spectrum and fluore-excitation spectrum and fluore-excitation spectrum and fluore-excitation spectrum and fluore-scence spectrumscence spectrum

7、scence spectrumscence spectrum 荧光(磷光)：光致发光，照射光波长如何选择？1.荧光(磷光)的激发光谱曲线(qxin)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(qxin)（图中曲线(qxin)I）。激发光谱曲线的最高处，处于激发态的分子最多，荧光(ynggung)强度最大；第6页/共32页第七页，共32页。2.2.荧光光谱荧光光谱(gungp)(gungp)(或磷光光谱或磷光光谱(gungp)(gungp)固定激发光波长(bchng)(选最大激发波长(bchng),化合物发射的荧光(或磷光强度)与发射光波长(bchng)关

8、系曲线(图中曲线II或III)。第7页/共32页第八页，共32页。第8页/共32页第九页，共32页。2023/5/26n n复旦大学 区别分子的荧光(ynggung)发射和磷光发射，并讨论其原因？第9页/共32页第十页，共32页。3.3.激发光谱与发射光谱激发光谱与发射光谱(f sh un p)(f sh un p)的关的关系系 a.Stokes a.Stokes位移位移 激发激发(jf)(jf)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与发射光谱之间的波长差值。发射光谱的波长比激发(jf)(jf)光谱的长，振动弛豫消耗了能量。光谱的长，振动弛豫消耗了能量。b.b.发射光谱的形状与

9、激发发射光谱的形状与激发(jf)(jf)波长无关波长无关 电子跃迁到不同激发电子跃迁到不同激发(jf)(jf)态能级，吸收不同波长的能量态能级，吸收不同波长的能量(如能级图如能级图 2,2,1)1)，产生不同吸收带，但均回到第一激发，产生不同吸收带，但均回到第一激发(jf)(jf)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(如如 2)2)。c.c.镜像规则镜像规则 通常荧光发射光谱与它的吸收光谱（与激发通常荧光发射光谱与它的吸收光谱（与激发(jf)(jf)光谱形状一样）成镜像对称关系。光谱形状一样）成镜像对称关系。第10页/共3

10、2页第十一页，共32页。镜像规则镜像规则(guz)(guz)的解释的解释 基态上的各振动能级(nngj)分布与第一激发态上的各振动能级(nngj)分布类似；基态上的零振动能级与第一(dy)激发态的二振动能级之间的跃迁几率最大，相反跃迁也然。第11页/共32页第十二页，共32页。200250300350400450500荧光荧光(ynggung)(ynggung)激发光谱激发光谱荧光荧光(ynggung)(ynggung)发射光谱发射光谱nm蒽的激发光谱和荧光蒽的激发光谱和荧光(ynggung)(ynggung)光谱光谱第12页/共32页第十三页，共32页。三、荧光的产生与分子结构三、荧光的产生

11、与分子结构三、荧光的产生与分子结构三、荧光的产生与分子结构(fn z ji(fn z ji(fn z ji(fn z ji u)u)u)u)的关系的关系的关系的关系 relation between fluorescence and relation between fluorescence and relation between fluorescence and relation between fluorescence and molecular structuremolecular structuremolecular structuremolecular structure 1.1.

12、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）具有合适）具有合适(hsh)(hsh)的结构；的结构；（2 2）具有一定的荧光量子产率。）具有一定的荧光量子产率。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(yugun)，如外转换过程速度快，不出现荧光发射；第13页/共32页第十四页，共32页。2.2.化合物的结构化合物的结构(jigu)(jigu)与荧光与荧光（1）跃迁类型：*的荧光效率高，系间跨越过程的速率常数小，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

13、作用，故具有很强的荧光。如荧光素和酚酞(fn ti)有相似结构，荧光素有很强的荧光，酚酞(fn ti)却没有。（4）取代基效应：电子基团(j tun)，使荧光增强吸电子基团(j tun)，使荧光减弱重原子效应第14页/共32页第十五页，共32页。第15页/共32页第十六页，共32页。四、影响四、影响四、影响四、影响(yngxing)(yngxing)(yngxing)(yngxing)荧光强度的因素荧光强度的因素荧光强度的因素荧光强度的因素 relation between fluorescence and relation between fluorescence and relation

14、between fluorescence and relation between fluorescence and molecular structuremolecular structuremolecular structuremolecular structure 影响荧光强度的外部因素1.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(binhu)；2.温度的影响 荧光强度对温度变化(binhu)敏感，温度增加，外转换去活的几率增加。3.溶液pH 对酸碱化合物，溶液pH的影响较大，需要严格控制；第16页/共32页第十七页，共32页。5.5.溶液溶

15、液(rngy)(rngy)荧光的猝灭荧光的猝灭 碰撞猝灭；组成(z chn)化合物猝灭 氧的熄灭作用等。自猝灭第17页/共32页第十八页，共32页。第六章第六章第六章第六章 分子分子分子分子(fnz(fnz)发光发光发光发光分析法分析法分析法分析法一、一、一、一、仪器与结构仪器与结构仪器与结构仪器与结构(jigu)(jigu)(jigu)(jigu)流程流程流程流程instrument and general instrument and general instrument and general instrument and general process process process

16、process 二、二、二、二、荧光分析法和应用荧光分析法和应用荧光分析法和应用荧光分析法和应用fluorescence analysis and fluorescence analysis and fluorescence analysis and fluorescence analysis and applicationapplicationapplicationapplication三、三、三、三、磷光分析法的应用磷光分析法的应用磷光分析法的应用磷光分析法的应用phosphorescence analysis phosphorescence analysis phosphorescenc

17、e analysis phosphorescence analysis and applicationand applicationand applicationand application第二节第二节 分子分子(fnz)荧光与磷光分荧光与磷光分析法析法molecular luminescenceanalysis molecular fluorescence and phosphorescence analysis 第18页/共32页第十九页，共32页。一、仪器结构一、仪器结构(jigu)(jigu)流程流程 测量(cling)荧光的仪器主要由四个部分组成：激发光源、样品池、双单色器系统、检

18、测器。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：单色器：选择激发单色器：选择激发(jf)(jf)光波长的第一单色器和选择发射光光波长的第一单色器和选择发射光(测量测量)波长的第二单色器；波长的第二单色器；光源：氙灯和高压汞灯，染料激光器光源：氙灯和高压汞灯，染料激光器(可见与紫外区可见与紫外区)检测器：光电倍增管。检测器：光电倍增管。第19页/共32页第二十页，共32页。二、荧光二、荧光(ynggung)(ynggung)分析方法与分析方法与应用应用1.1.特点特点（1 1）灵敏度高）灵敏度高 比比紫紫外外-可可见见分分光光光光度度法法高高2 24 4个个数数量

19、量级；为什么？级；为什么？检测下限：检测下限：0.10.10.10.1g/cm-3g/cm-3 相相对对灵灵敏敏度度：0.05mol/L 0.05mol/L 奎奎宁宁硫硫酸酸氢氢盐盐的硫酸溶液。的硫酸溶液。（2 2）选择性强）选择性强 既既可可依依据据特特征征发发射射光光谱谱，又又可可根根据据(gnj)(gnj)特征吸收光谱；特征吸收光谱；（3 3）试样量少）试样量少 缺点：应用范围小。缺点：应用范围小。第20页/共32页第二十一页，共32页。2.2.定量定量(dngling)(dngling)依据与方法依据与方法(1)定量依据定量依据(yj)荧光强度荧光强度 If正比于吸收的光量正比于吸收的

20、光量Ia和荧光量子效率和荧光量子效率：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 =Kc第21页/共32页第二十二页，共32页。（2 2）定量）定量(dngling)(dngling)方法方法标准曲线法：标准曲线法：配制一系列标准浓度试样配制一系列标准浓度试样(sh yn)(sh yn)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(sh yn)(sh

21、yn)的荧光强度，在标准曲线上求出浓度；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，测定标样和试样在线性范围内，测定标样和试样(sh yn)(sh yn)的荧光强度，比较；的荧光强度，比较；第22页/共32页第二十三页，共32页。3.3.荧光荧光(ynggung)(ynggung)分析法的应用分析法的应用(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测量；可测量约与有机试剂配合物后测量；可测量约6060多种元素。多种元素。铍铍、铝铝、硼硼、镓镓、硒硒、镁镁、稀稀土土常常采采用用荧荧光光分分析析法；法；氟、硫、铁、银、钴、镍采用荧光熄灭法测定；氟、硫、铁、银

22、、钴、镍采用荧光熄灭法测定；铜铜、铍铍、铁铁、钴钴、锇锇及及过过氧氧化化氢氢(u(u yn yn hu hu qn)qn)采用催化荧光法测定；采用催化荧光法测定；铬、铌、铀、碲采用低温荧光法测定；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 脂肪族化合物脂肪族化合物芳香族化合物芳香族化合物 第23页/共32页第二十四页，共32页。第24页/共32页第二十五页，共32页。第25页/共32页第二十六页，共32页。2023/5/267-4 磷光分析法磷光分析法n n7-4-1 n n

23、1.磷光的特点n n磷光辐射的波长比荧光长n n磷光寿命比荧光长n n磷光的寿命和辐射强度对于重原子(yunz)和顺磁性离子是极其敏感的第26页/共32页第二十七页，共32页。2023/5/26n n2.低温磷光n n激发三重态的寿命长，非辐射过程(guchng)概率大。所以在低温下测量。第27页/共32页第二十八页，共32页。第28页/共32页第二十九页，共32页。第29页/共32页第三十页，共32页。第六章第六章 分子分子(fnz)(fnz)发光发光分析法分析法第三节 化学发光分析法molecular luminescenceanalysischemiluminescenceanalysi

24、s第30页/共32页第三十一页，共32页。一、基本原理 principle1.1.化学发光反应化学发光反应 在在化化学学反反应应过过程程中中，某某些些化化合合物物接接受受能能量量而而被被激激发发，从从激激发发态态返返回回基基态态时时，发发射射出出一一定定(ydng)(ydng)波长的光。波长的光。A +B =C +D*A +B =C +D*D*D+h D*D+h（1 1）能能够够发发光光的的化化合合物物大大多多为为有有机机化化合合物物，芳芳香香族族化合物；化合物；（2 2）化化学学发发光光反反应应多多为为氧氧化化还还原原反反应应，激激发发能能与与反反应能相当应能相当 E=170E=170300 kJ/mol300 kJ/mol；位于可见光区；位于可见光区；（3 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；化化学学发发光光反反应应存存在在于于生生物物体体(萤萤火火虫虫、海海洋洋发发光生物光生物)中，称生物发光中，称生物发光(bioluminescence)(bioluminescence)。第31页/共32页第三十二页，共32页。