仪器分析课件第7章-分子发光分析法

1、第 7 章 分子发光分析法,molecular luminescence analysis,分子发光分析法包括荧光分析法、磷光分析法和化学发光分析法。 这三种都是通过测量被激发的分子回到基态时所发射的光辐射来进行分析的，不同之处在于光谱产生的机制。 分子受光子激发后，由第一电子激发单重态回到基态的任一振动能级伴随的光辐射称为分子荧光。 激发态分子从第一激发三重态 回到基态伴随的光辐射称为磷光。 分子受化学能激发后产生的发光现象称为化学发光。,分子发光分析法的特点：,灵敏度高：比紫外-可见分光光谱法一般要高2-3个数量级。 选择性由于吸收光谱法：物质对光的吸收具有普遍性，但吸光后并非都有发光现象。即便有发光现象，在吸收波长和发射波长等方面不尽相同，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。 试样量小，操作简便 发光检测的灵敏度高，发光参数多：如发光光谱、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有高度的敏感性,7-1 荧光分析法原理,7-1-1 荧光产生的机理,热能、电能、化学能或光能,S0：基态 S1、S2：第一（二）电子激发单重态 T1、T2：第一

2、（二）电子激发三重态 ：基态和激发态的振动能级,1. 分子的激发态,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；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 ；,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；,激发单重态和激发三重态性质的不同点：,（1）单重态分子所有电子自旋都是配对的，具有抗磁性；而激发三重态分子是顺磁性。 （2）激发单重态的平均寿命为10-8-10-6s，激发三重态的平均寿命长达10-4-10s或更长。 （3）基态到激发单重态的激发是允许的跃迁，基态到激发三重态的激发，实际属于禁阻跃迁的。 （4）激发三重态的能量较相应的单重态的能量稍

3、低（洪特规则）。,2. 分子的去活化过程,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)和无辐射跃迁等方式失去能量；,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：10-810 -6 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；,非辐射能量传递过程,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：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：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：不同多重态,有重叠的振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,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 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

4、长； 2 2 1 ； 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。,7-1-2 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？,1. 荧光(磷光)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 。 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；,2.荧光光谱(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,3.激发光谱与发射光谱的关系,（1） Stokes(斯托克斯)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。 （2） 荧光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)。

5、（3） 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。,200,250,300,350,400,450,500,荧光激发光谱,荧光发射光谱,nm,蒽的激发光谱和荧光光谱,什么是分子荧光发射光谱与荧光激发光谱?何者与吸收光谱相似?,(1) 荧光激发光谱: 固定荧光发射波长, 扫描荧光激发波长, 所得到的激发波长与荧光强度的一维光谱曲线。 荧光发射光谱: 固定荧光激发波长, 扫描荧光发射波长, 所得到的发射波长与荧光强度的一维光谱曲线。 (2) 荧光发射光谱是供应能量使试样增加能量后，针对发射的荧光所记录的光谱, 荧光激发光谱是以荧光为光源照射试样后, 针对试样吸收能量所记录的光谱。 荧光激发光谱与吸收光谱相近。,简述分子荧光光谱常与其吸收光谱呈镜像对称关系, 而又不完全对称, 且荧光光谱的波长较长的理由。,答(1)物质的吸收光谱是物质吸收光能后,由基态跃迁至较高激发态的各个振动能级，产生吸收光谱的形状是由激发态的能级分布决定的。 (2)分子荧光光谱是由基态的振动能级分布决定的。两者情况相似,但又不相同,再加上物质分子在激发态和基态 受溶剂作用及环境的影响不

6、同。,7-1-3 荧光的产生与分子结构的关系,分子产生荧光必须具备两个条件： 物质分子必须具有能吸收一定频率紫外可见辐射的特征结构，分子必须具有吸光的结构 吸光后被激发的分子还必须具有高的荧光量子产率，许多吸光物质不一定发荧光，就是由于他们的吸光分子的荧光量子产率不高，而是将其吸收的能量与溶剂分子或其他溶质分子的相互碰撞中消耗掉了，因此不能发生荧光。,1. 荧光量子产率,荧光量子产率（）：,在产生荧光的过程中，涉及到许多辐射和无辐射跃迁过程，如荧光发射、内转移，系间窜跃和外转移等。很明显，荧光的量子产率，将与上述每一个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。,2. 荧光与物质分子结构的关系,（1）跃迁类型 实验证明，对于大多数荧光物质，首先经历或n激发，然后经过振动弛豫或其他无辐射跃迁，再发生或n跃迁而得到荧光。在这两种跃迁类型中，跃迁常能发出较强的荧光（较大的量子产率）。这是由于跃迁具有较大的摩尔吸光系数（一般比n大100-1000倍），其次，跃迁的寿命约为10-7-10-9s，比n跃迁的寿命10-5-10-7s要短。 此外，在跃迁过程中，通过系间窜跃至三重态的速率常

7、数也较小（S1T1能级差较大），这也有利于荧光的发射。 总之，跃迁是产生荧光的主要跃迁类型。,（2）共轭效应 实验证明，容易实现激发 的芳香族化合物容易发生荧光，能发生荧光的脂肪族和脂环族化合物极少（仅少数高度共轭体系化合物除外）。任何有利于提高电子共轭程度的结构的改变都将提高荧光效率，并使荧光波长向长波方向移动。 共轭效应使荧光增强的原因 ： 主要是由于增大荧光物质的摩尔吸光系数，有利于产生更多的激发态分子，从而有利于荧光的发生。,(3) 刚性平面结构 实验发现，多数具有刚性平面结构的有机分子具有强烈的荧光。因为这种结构可以减少分子的振动，使分子与溶剂或其它溶质分子的相互作用减少，也就减少了碰撞去活的可能性。,（4）取代基效应 芳香族化合物苯环上的不同取代基对该化合物的荧光强度和荧光光谱有很大的影响。 a. 给电子基团，如-OH、-OR、-CN、-NH2 、 -NR2等，使荧光增强。因为产生了p-共轭作用，增强了电子共轭程度，导致荧光增强，荧光波长红移。 b. 吸电子基团，如-COOH、-NO、-C O、卤素等，不能扩大电子共轭程度，反而使S1-T1系间跨越增强，导致荧光减弱，磷光增

8、强。 会减弱甚至会猝灭荧光。 c.重原子效应：引入质量相对较重的原子出现磷光增强和荧光减弱的现象。 d. 同电子体系相互作用较小的取代基，如-SO3H、-NH3+等，对分子发光只有很小影响。因此给一个发光分子引入磺酸基可以增加分子在水溶液中的溶解度。,7-1-4 溶液的荧光强度,1. 荧光强度与溶液浓度之间的关系 荧光强度 If正比于吸收的光量Ia和荧光量子效率 ： If = Ia 由朗-比耳定律： Ia = I0(1-10- b c ) If = I0(1-10- b c ) = I0(1-e-2.3 b c ) 浓度很低时，将括号项近似处理后： If = 2.3 I0 b c = Kc,只有在极稀的溶液中，当 b c 0.02时才成立，对于浓度较高的溶液，由于自猝灭和自吸收等原因，使荧光强度和荧光物质浓度不呈线性关系。,2.影响荧光强度的因素,（1）溶剂的影响 一般来说，许多共轭芳香烃化合物荧光强度随溶剂极性的增加而增强，且荧光峰波长向长波方向移动。 在含有重原子的溶剂如碘乙烷和四溴化碳中，与将这些成分引入荧光物中所产生的重原子效应相似，导致荧光减弱，磷光增强。若溶剂和荧光物质形成

9、氢键或溶剂使荧光物质解离状态改变，则荧光波长和荧光强度也会发生改变。,（2）温度的影响 一般来说，大多数荧光物质的溶液随着温度降低，荧光效率和荧光强度将增加；反之，温度升高荧光效率则下降。 如荧光素的乙醇溶液在0C以下每降低10C，荧光效率增加3%，冷至-80C时，荧光效率为100%。 这是因为温度降低时，溶液中分子的活动性减弱，溶液的黏度增大，溶质分子与溶剂分子间碰撞机会减少，降低了各种无辐射去活化概率，使荧光效率增加，荧光强度增强。,（3）溶液pH的影响 带有酸性或碱性官能团的大多数芳香族化合物的荧光与溶液的pH有关。不同的pH值，化合物所处状态不同，不同的化合物或化合物的分子与其离子在电子构型上有所不同，因此，它们的荧光强度和荧光光谱就有一定的差别。 对于金属离子与有机试剂形成的发光鏊合物，一方面pH会影响鏊合物的形成，另一方面还会影响鏊合物的组成，因而影响它们的荧光性质。,（4）荧光的猝灭 荧光物质分子与溶剂分子或其它溶质分子的相互作用引起荧光强度降低的现象称为荧光猝灭。能引起荧光强度降低的物质称为猝灭剂。 导致荧光猝灭的主要类型： 碰撞猝灭 碰撞猝灭是指处于激发单重态的荧光分子与猝灭剂分子相碰撞，使激发单重态的荧光分子以无辐射跃迁的方式回到基态，产生猝灭作用。, 静态猝灭（组成化合物的猝灭） 由于部分荧光物质分子与猝灭剂分子生成非荧光的配合物而产生的。此过程往往还会引起溶液吸收光谱的改变。 氧的猝灭作用 溶液中的溶解氧对有机化合物的荧光产生猝灭效应是由于三重态基态的氧分子和单重激发态的荧光物质分子碰撞，形成了单重激发态的氧分子和三重态的荧光物质分子，使荧光猝灭。, 荧光物质的自猝灭 在浓度较高的荧光物质溶液中，荧光强度因其浓度高而减弱称为自猝灭。这可能是由于荧光物质分子之间（包括激发态分子之间和激发态分子与未激发的荧光物质分子之间）以及激发态分子同溶剂分子间的碰撞而引起了非辐射的能量转换所造成的。此外，有些荧光物质分子在溶液浓度较高时会形成二聚体或多聚体，使它们的吸收光谱发生

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