分析化学第五版下册-第8章分子发光分析法分解

分析化学第五版下册-第8章分子发光(fāɡuānɡ)分析法分解第一页，共57页。8.1概论(gàilùn)8.1.1分子发光分析法及其分类某些物质的分子吸收一定能量后，电子从基态跃迁(yuèqiān)到激发态，以光辐射的形式从激发态回到基态，这种现象称为分子发光，在此根底上建立起来的分析方法为分子发光分析法较高激发态基态吸收能量受激光辐射退激分子在退激过程中以光辐射形式(xíngshì)释放能量第二页，共57页。8.1.2分子(fēnzǐ)分析法的特点1.灵敏度高荧光强度随激发光强度增强而增强灵敏度荧光分析法比分光光度法高2~3个数量级2.选择性好选择不同的激发光波长选择不同的检测荧光波长3.实验(shíyàn)方法简单4.待测样品用量少；仪器价格适中；测定范围较广第三页，共57页。8.2分析(fēnxī)荧光与磷光光谱分析(fēnxī)法8.2.1.1荧光(yíngguāng)、磷光产生的机理第四页，共57页。基态分子吸收能量(电能、热能、化学能或光能等)，电子(diànzǐ)由基态跃迁到激发态，当电子(diànzǐ)由激发态返回基态时发射电磁辐射(即光)的形式释放能量，就称为“发光〞。M+能量→M*→M+热量→M+h′分子吸收了光能而被激发，跃迁至振动能级的三重态或单重态，回到基态所发射的电磁辐射，称为荧光和磷光。M+h→M*→M+h′荧光和磷光属于光致发光。1、荧光、磷光(línɡuānɡ)的产生第五页，共57页。依据分子结构理论讨论荧光及磷光的产生机理。1.分子能级与跃迁(yuèqiān)分子发光属于分子发射光谱的范畴，光发射过程涉及分子内部电子能级的跃迁(yuèqiān)。基态(S0)→激发态(S1、S2...)：吸收特定频率的辐射；量子化；跃迁(yuèqiān)一次到位；激发态→基态：多种途径和方式,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…。第六页，共57页。电子激发态的多重度：M=2S+1S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〔洪特规那么〕，因此(yīncǐ)，在同一激发态中，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。S0→T1禁阻跃迁；通过(tōngguò)其他途径(系间跨越)；进入的几率小。第七页，共57页。S2S1S0T1吸收发射荧光发射磷光系间跨越内转换振动弛豫能量l2l1l

3

外转换l

2T2内转换振动弛豫外转换(zhuǎnhuàn)使荧光或磷光减弱或“猝灭〞。第八页，共57页。3.激发态→基态(jītài)的能量传递途径电子处于激发态是不稳定状态，返回(fǎnhuí)基态时，通过辐射跃迁(发光)和无辐射跃迁(热)等方式失去能量。传递途径辐射跃迁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：10-7～10-9s,第一激发单重态的最低振动(zhèndòng)能级→基态；磷光：10-4～10s,第一激发三重态的最低振动(zhèndòng)能级→基态。延迟荧光第九页，共57页。辐射(fúshè)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→基态各振动能级(为S1→S0跃迁)，发射波长为'2的荧光；发射时间约为10-7～10-9s。发射荧光的能量比分子吸收的能量小,波长长。磷光发射：电子由第一激发三重态的最低振动能级→基态各振动能级(T1→S0跃迁)。发光速度很慢：10-4～100s。光照停止(tíngzhǐ)后，可持续一段时间。电子由S0进入T1的可能过程：〔S0→T1禁阻跃迁〕S0→激发态→振动弛豫→内转换→系间跨越→振动弛豫→T1

第十页，共57页。2.荧光、磷光(línɡuānɡ)的寿命和量子产率荧光寿命〔〕指的是荧光分子处于激发态的平均寿命，可用下式表示：式中表示(biǎoshì)荧光分子发射过程的速度常数，代表各种分子内的非辐射衰变过程的速度常数的总和。第十一页，共57页。〔一〕荧光效率(xiàolǜ)荧光强度常用荧光量子效率(xiàolǜ)φf来描述

荧光量子效率(xiàolǜ)f=发荧光的分子数激发态分子总数f是一个物质荧光特性的重要参数，反映了荧光物质发射(fāshè)荧光的能力，f越大，荧光越强，在0~1之间Kf为荧光发射过程的速率常数——取决于物质的化学结构。∑K为非辐射跃迁的速率常数之和——主要取决于化学环境，也与化学结构有关。分析上有应用(yìngyòng)价值的荧光化合物的荧光效率在0.1~1之间。第十二页，共57页。磷光的量子产率Φp与荧光(yíngguāng)量子产率Φp相似。第十三页，共57页。8.2.1.2荧光(yíngguāng)磷光与有机化合物结构的关系物质只有吸收了紫外可见光，发生*,n*跃迁，产生荧光(yíngguāng)*与n*跃迁相比，摩尔吸收系数大102~103，寿命短*跃迁常产生较强的荧光(yíngguāng)，n*跃迁产生的荧光(yíngguāng)弱，但可产生系间窜跃，产生更强的磷光第十四页，共57页。1.共轭键系统具有共轭体系的芳环或杂环化合物，电子共轭程度越大，越易产生(chǎnshēng)荧光;环越多，共轭程度越大，产生(chǎnshēng)荧光波长越长，发射的荧光强度越强fex/nm

em/nm0.112052780.292863100.46365400苯萘蒽350菲线状环结构(jiégòu)比非线状结构(jiégòu)的荧光波长长第十五页，共57页。2.刚性平面结构(jiégòu)—较稳定的平面结构(jiégòu)具有强荧光的分子多数有刚性(ɡānɡxìnɡ)平面结构荧光素：氧桥把两个环固定在一个(yīɡè)平面上，具有平面结构，强荧光物质酚酞：无氧桥把两个环固定，不能很好的共平面，为非荧光物质第十六页，共57页。〔4〕取代基效应〔实验总结和推测(tuīcè)〕：取代基的性质(尤其是生色基团)对荧光体的荧光特性和强度均有强烈的影响。①给电子取代基使荧光(yíngguāng)加强供电子基团的有-NH2，-NHR，-NR2，-OH，-OR，-CN等。取代基的影响主要(zhǔyào)有以下几个方面：②吸电子基团使荧光减弱而磷光增强属于这类基团的为吸电子基团：如羰基(-COOH，-CHO)，硝基(NO2)及重氮基等。

第十七页，共57页。③取代基位置的影响取代基位置对芳烃荧光(yíngguāng)的影响通常为：邻位，对位取代者增强荧光(yíngguāng)，间位取代者通常抑制荧光(yíngguāng)。取代基的空间阻碍对荧光(yíngguāng)也有明显的影响。第十八页，共57页。5.最低电子(diànzǐ)激发单重态的性质含N、O、S杂原子的不饱和有机物，如喹啉和芳酮类物质都含有未键合的孤对n电子，电子跃迁多为n*，系间窜跃强烈，荧光很弱或不发荧光。不含N、O、S杂原子的有机荧光体多发生*类型(lèixíng)的跃迁，摩尔吸收系数大，约为104，荧光强。第十九页，共57页。8.2.1.3影响(yǐngxiǎng)分子发光的环境因素1.溶剂的影响同一(tóngyī)荧光物质在不同的溶剂中可能表现出不同的荧光性质一般来说，溶剂的极性增强，荧光波长长移，荧光强度增大2.介质的温度(wēndù)和黏度的影响——低温下测定，提高灵敏度大多数荧光物质都随溶液温度(wēndù)升高荧光效率下降，荧光强度减弱。温度(wēndù)对磷光影响更大介质黏度的提高，有利于提高荧光或磷光的强度。

第二十页，共57页。3.pH的影响(yǐngxiǎng)大多数含有(hányǒu)酸性或碱性基团的芳香族化合物的荧光性质受溶液pH的影响很大共轭酸碱对是具有不同荧光性质的两种型体，具有各自的荧光效率和荧光波长。6pH~1有荧光(yíngguāng)pH~13无荧光无荧光有荧光另外，外表活性剂也会影响荧光强度和特性第二十一页，共57页。8.2.1.4荧光(yíngguāng)、磷光猝灭荧光分子与溶剂分子或者其他分子之间存在相互作用，使得荧光强度降低(jiàngdī)或消失的现象。〔1〕碰撞猝灭碰撞猝灭是荧光(yíngguāng)猝灭的主要类型之一。激发单重态的荧光分子

猝灭剂分子

第二十二页，共57页。生成化合物的猝灭也称为静态猝灭，是指基态的荧光(yíngguāng)物质与猝灭剂反响生成非荧光(yíngguāng)的化合物，导致荧光(yíngguāng)的猝灭。〔2〕生成(shēnɡchénɡ)化合物的猝灭基态的荧光(yíngguāng)物质猝灭剂

〔3〕氧的猝灭O2可以说是荧光和磷光的最普遍存在的猝灭剂。氧对溶液荧光产生猝灭作用的原因比较复杂，还没有一个完整确实定说法，可能包含着多种机理。第二十三页，共57页。〔4〕.荧光(yíngguāng)物质的自吸猝灭当荧光物质(wùzhì)的浓度较大时，会使荧光强度降低，荧光强度与浓度不成线性关系，称为荧光物质(wùzhì)的自猝灭。自猝灭可能有如下几个原因：(1)荧光物质分子(fēnzǐ)之间的碰撞能量损失;(2)荧光物质的自吸收;(3)荧光物质分子(fēnzǐ)的缔合。第二十四页，共57页。

8.2.1.5荧光(yíngguāng)激发光谱与发射光谱

荧光：光致发光，照射光波长如何选择？以不同波长的入射光激发荧光物质，并在荧光最强处测量荧光强度，以激发波长为横坐标，荧光强度为纵坐标绘制的关系曲线。与吸收光谱曲线形状(xíngzhuàn)相同。

第二十五页，共57页。2.荧光(yíngguāng)发射光谱固定激发光波长(选最大激发波长)和强度，化合物发射的荧光与发射光波长关系曲线。荧光激发光谱与发射光谱(fāshèɡuānɡpǔ)是测定时选择激发波长和荧光测量波长的依据，也可用于鉴别物质。

第二十六页，共57页。第二十七页，共57页。第二十八页，共57页。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(néngliàng)。电子跃迁到不同激发态能级，吸收不同波长的能量(néngliàng)，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。c.镜像规那么通常荧光发射光谱与它的激发光谱成镜像对称关系。

第二十九页，共57页。8.2.1.6荧光〔磷光〕强度与溶液浓度(nóngdù)的关系用强度为I0的入射光，照射到液池内的荧光物质时，产生荧光，荧光强度If用仪器测得，在荧光浓度(nóngdù)很稀时，荧光物质发射的荧光强度If与浓度(nóngdù)有下面的关系。Ia为吸收(xīshōu)的辐射强度I0为入射光强度荧光池I0IIf荧光强度检测器If=f〔I0-I010-A〕=fI0〔1-10-A〕I=I010-A将上式展开If=fIa=f〔I0-I〕第三十页，共57页。当A﹤0.05时，方括号中其它(qítā)各项与第一项相比可忽略不计，上式简化If=2.3fI0A=2.3fI0cL当A﹤0.05时，If与f、I0、和c有关，对一给定物质，当激发光波长和强度一定(yīdìng)时，f、I0、和L为常数，合并为KIf=KcIp=Kc定量分析(dìngliàngfēnxī)依据第三十一页，共57页。荧光强度与物质浓度呈线性关系，If=Kc只有在浓度低时使用，荧光物质测定的是微量或痕量组分(zǔfèn)，灵敏度高。浓度高时，If与c不呈线性关系，有时c增大，If反而降低。因为公式[]中后面影响，有时发生荧光猝灭效应。If=Kc浓度效应包括(bāokuò)：1.内滤效应2.发光分子形成基态或激发态的聚合物第三十二页，共57页。光源样品池激发单色器检测器数据处理仪器控制发射单色器8.2.2荧光(yíngguāng)、磷光分析仪器

测量荧光的仪器主要由四个局部组成：激发光源、样品池、双单色器系统、检测器。特殊点：有两个单色器，光源与检测器通常(tōngcháng)成直角。第三十三页，共57页。光源(guāngyuán)氙灯(xiāndēng)激发(jīfā)单色器样品池光电倍增管数据处理仪器控制发射单色器荧光光度计仪器光路图第三十四页，共57页。1.光源：氙灯和高压(gāoyā)汞灯，染料激光器(可见-紫外区)光源要求：发射强度足够(zúgòu)且稳定的连续光谱光辐射强度随波长的变化小有足够(zúgòu)长的使用寿命高压(gāoyā)汞灯:是以汞蒸气放电发光的光源，一般滤光片式的荧光计多采用它为激发光源。氙灯:是目前荧光分光分度计中应用最广泛的一种光源。它是一种短弧气体放电灯，具有光强度大，在200～800nm范围内是连续光源的特点。染料激光器:是一种新型的荧光激发光源。第三十五页，共57页。I0ItIF,p4.检测器：现在的荧光计多采用光电倍增(bèizēnɡ)管进行检测。3.样品(yàngpǐn)池：荧光分光光度计的样品(yàngpǐn)池四面透光。2.单色器：荧光分析仪中应用最多的单色器为光栅单色器，光栅有两块，第一块为激发单色器，用于选择激发光的波长，第二块为发射单色器，用于选择荧光发射波长。在比较低档次的荧光计中，采用滤光片作为单色器。第三十六页，共57页。8.2.2.2磷光分析仪器(yíqì)1、试样池低温磷光一般在液氮温度下进行(jìnxíng)，盛放试样的试样池需放置在盛液氮的杜瓦瓶内。2、磷光镜通常(tōngcháng)借助于荧光和磷光寿命的差异，采用磷光镜的装置将荧光隔开。第三十七页，共57页。8.2.3荧光的常规(chángguī)测定方法1.直接测定法〔1〕荧光衍生法〔2〕荧光猝灭法〔3〕敏化荧光法第三十八页，共57页。8.2.4磷光的测定方法8.2.4.1低温磷光分析8.2.4.2室温(shìwēn)磷光分析(RTP)〔1〕固体基质外表室温(shìwēn)磷光分析(SS-RTP)〔2〕胶束稳定的室温(shìwēn)磷光分析〔MS-RTP〕〔3〕敏化室温(shìwēn)磷光分析〔S-RTP〕第三十九页，共57页。8.2.5荧光(yíngguāng)、磷光分析法的应用荧光分析法具有灵敏度高、取样量少等优点1.无机化合物的分析无机化合物中，能直接产生荧光并应用于测定的为数不多，但与有机化合物生成(shēnɡchénɡ)发荧光的有机配合物后，进行荧光分析的元素达70多种，其中较常采用荧光法测定的元素有：Be、Al、B、Ga、Se、Mg、Zn、Cd及某些稀土元素。能够同金属离子形成荧光配合物的有机试剂绝大多数是芳香族化合物，形成五元环或六元环的螯合物，分子的刚性平面结构增大(zēnɡdà)，变为强荧光体。荧光猝灭法也是荧光分析中经常采用的方法。可采用荧光猝灭法间接测定的离子有：F-、S2-、Fe3+、Co2+、Ni2+、Cu2+等。第四十页，共57页。2.有机(yǒujī)化合物的分析脂肪族有机化合物的分子结构较为简单，本身能发荧光的很少，一般需要与某些试剂反响后才能进行荧光分析。芳香族化合物因具有共轭的不饱和体系，多数能发荧光；可直接用荧光法测定。对于具有致癌活性的多环芳烃——荧光分析法是最主要的测定方法。为提高测定的灵敏度，有时(yǒushí)也将芳香族化合物与适当试剂反响之后进行测定。第四十一页，共57页。能产生磷光的物质数量很少，磷光分析不及荧光分析普遍，但磷光分析法已在药物分析、临床及环境分析领域得到一定的应用。低温磷光分析已应用在萘、蒽、菲、芘、苯并芘等多环芳烃及含O、S、N的杂环化合物分析。固体外表室温(shìwēn)磷光分析法已成为多环芳烃和杂环化合物的快速、灵敏的分析手段。第四十二页，共57页。8.3化学发光分析法8.3.1概述化学发光是利用化学反响所产生的光辐射现象所建立的分析方法。化学发光与荧光的主要区别：受激发(jīfā)时所需的能量来源不同化学发光：需要化学反响过程中所提供的化学能激发(jīfā)而发光荧光：光源激发(jīfā)而发光第四十三页，共57页。化学发光分析(fēnxī)具有以下特点灵敏度高——例：用荧光素酶和三磷酸腺苷ATP的化学发光反响，可测定低至2×10-17mol·L-1ATP线性范围宽——一般有5~6个数量级仪器设备简单，本钱低廉分析速度快，易实现自动化局限性：可供发光用的试剂有限(yǒuxiàn)发光机理有待进一步研究第四十四页，共57页。8.3.2根本(gēnběn)原理〔一〕化学发光反响的根本条件发光反响必须满足(mǎnzú)以下条件1.化学反响必须产生足够的化学能化学发光基于化学反响提供足够的能量A+B→C*+D产物接受反响能被激发在可见光区观察化学发光，需170~300kJ·mol-1激发能。具有过氧化物中间产物的氧化复原反响可满足(mǎnzú)要求。化学反响多是在有O3、H2O2等参加的高能反响中。2.处于激发态分子能够以辐射跃迁的方式返回基态C*→C+h第四十五页，共57页。〔二〕化学发光效率(xiàolǜ)和发光强度化学发光效率(xiàolǜ)CL激发态分子(fēnzǐ)的化学效率激发态分子的发光效率r取决于发光所依据的化学反响本身f与荧光效率的影响因素相同，既取决于发光体本身的结构和性质，也受环境的影响。第四十六页，共57页。化学(huàxué)发光强度具有高效率的化学发光是生物体中。亦称生物发光。如：萤火虫发光反响的效率几乎接近100%。非生物体的化学发光效率一般(yībān)不超过1%化学发光强度ICL〔t〕与反响速度、化学发光效率有如下关系对下列化学发光反应A+B→C*+D

C+hICL随时间和反响(fǎnxiǎng)物的消耗逐渐减小第四十七页，共57页。A+B→C*+DA为待测物质，C为发光物质，当反响物B的浓度远远过量(guò〃liàng)于待测物浓度时，B的浓度可认为是常数。因此，发光反响可视为一级反响t时刻的发光强度与该时刻的分析物浓度成正比化学发光总强度与分析物浓度呈线性关系。根据时间(shíjiān)内的发光总强度来定量分析。发光(fāɡuānɡ)总强度第四十八页，共57页。8.3.3化学发光反响(fǎnxiǎng)的类型8.3.3.1气相化学发光反响a.一氧化氮与O3的发光反响NO+O3→NO2*NO2*→NO2+h发射的光谱(guāngpǔ)范围：600～875nm，灵敏度1ng/cm-3；b.氧原子与SO2、NO、CO的发光反响O3→O2+O〔1000C石英管中进行〕SO2+O+O→SO2*+O2SO2*→SO2*+h最大发射波长：200nm；灵敏度1ng/cm-3；第四十九页，共57页。〔2〕火焰(huǒyàn)化学发光在富氢火焰中，也存在着很强的化学发光反响；a.一氧化氮NO+H→HNO*HNO*→HNO+h发射光谱(fāshèɡuānɡpǔ)范围：660～770nm；最大发射波长：690nm；在富氢火焰中：NO