（光学工程专业论文）紫外光激励有机溶剂荧光光谱特性的研究.pdf

中文摘要摘要本文在研究了乙酸和乙醇分子的紫外吸收光谱和荧光光谱的基础上，对这两种荧光光谱的特性和产生的物理机理，以及它们之间的异同进行了深入的研究和讨论。首先，选用具有乙醇分子的极限吸收波长的光作为激励光照射不同浓度的乙醇溶液，研究了该溶液的荧光光谱及其特性，以及荧光强度和溶液浓度之间的关系：研究结果表明乙醇分子不仅能较好地吸收2 5 37 n m 的激励光，而且吸光后能向外发射峰值位于3 9 5 n m 处的荧光光谱，并对发射荧光的机理进行了讨论；进而对随溶液浓度的改变，荧光强度会发生较大的变化，以及荧光发射还将出现淬灭的现象进行了研究，提出了乙醇分子吸收紫外激励光后引起o 原子上非键电子力电子产生跃迁所致。其次，研究了不同波长的紫外光( 波长短于2 5 0 n m ) 对同一浓度的乙醇溶液荧光光谱的影响。当采用不同波长的紫外光照射乙醇溶液时，同一浓度的乙醇溶液发射的荧光光谱略有差异，荧光光子的中心波长随激励光波长变长而产生红移现象；进而从理论上对该现象进行了解释，提出非键电子吸收不同的激励光能量跃迁至不同的激发单态，吸收光子的能量越大，产生的电子跃迁的能级间隔越大，发射的光子的能级间隔也越大，发射的荧光光子的波长就越短。反之亦然。最后，研究了2 5 3 7 r i m 的紫外光照射乙酸溶液产生荧光光谱及其特性。实验中发现乙酸分子吸收激励光子能量后，辐射的荧光光子波长在3 9 5 n m 附近。采用波长为2 5 3 7 n m 的紫外光激励不同浓度的乙酸溶液并研究了产生的荧光光谱特性：进而对紫外光激励乙酸溶液产生荧光的物理机理进行了研究，认为波长为2 5 37 n m 的紫外光引起乙酸分子内狞电子产生疗斗7 - + 的跃迁时，受激电子极不稳定，在返回基态时，因辐射跃迁而发射荧光，荧光的发射类型为t - - 玎。在对乙酸溶液产生荧光自淬灭的机理进行讨论时提出产生动态淬灭的原因是辐射跃迁转入非辐射跃迁所致，进而根据s t e m v o l m e r 方程计算出了不同浓度系列的乙酸溶液的荧光淬灭系数k 。本文研究结果将为乙酸和乙醇分别作为溶质和溶剂时对其它有机大分子和生物大分子产生的荧光光谱效应，以及荧光淬灭效应提供理论依据。可为乙酸和乙醇应用和诊断技术提供实验和理论依据。关键词；紫外光，乙醇溶液，乙酸溶液，荧光光谱，吸收光谱，红移，荧光淬灭资助项目：教育部青年教师教学与科研奖励计划( 2 0 0 2 年) 。江苏省教育厅科研项目：紫外光激励有机溶剂荧光光谱特性的研究，项目编号：0 3 k j d l 4 0 2 1 l英文摘要a b s t r a c tb a s e do nt h er e s e a r c ho ft h eu v - l i g h ta b s o r p t i o ns p e c t r aa n dt h ef l u o r e s c e n ts p e c t r ao fe t h a n o la n da c e t i ca c i ds o l u t i o n s ，t h es p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ep h y s i c a lm e c h a n i s m s ，a sw e l la st h es i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e so f t h et w of l u o r e s c e n ts p e c t r aa r ed e e p l yi n v e s t i g a t e da n dd i s c u s s e df i r s t l mw ee m p l o yt h ee x c i t i n gl i g h t ，w h i c hh a st h el o n g e s tw a v e l e n g t ht h a tc a nb ea b s o r b e db ye t h a n o l ，t oi r r a d i a t ee t h a n o ls o l u t i o n st oi n v e s t i g a t et h ef l u o r e s c e n ts p e c t r a t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er e l a t i v ef l u o r e s c e n c ei n t e n s i t ya n dt h es o l u t i o nc o n c e n t r a t i o ni ss t u d i e di nd e t a i lt h er e s u l t si n d i c a t et h a te t h a n o lm o l e c u l e sc a ne f f e c t i v e l ya b s o r bt h ee x c i t i n gl i g h tw i t ht h ew a v e l e n g t ho f2 5 37n ma n dt h e yc a ne m i tf l u o r e s c e n c ew i t ht h ep e a kv a l u eo f 3 9 5n mt h ee m i n i n gm e c h a n i s mo fe t h a n o lm o l e c u l ei sa l s od i s c u s s e da n dav i e w p o i n ti sr a i s e dt h a tt h en o n - b o n d i n ge l e c t r o n si n0a t o m st r a n s i ta sa b s o r b i n gt h ee x c i t i n gl i g h t t h e nt h ep h e n o m e n at h a tt h er e l a t i v ef l u o r e s c e n c ei n t e n s i t yc h a n g e so b v i o u s l yw i t ht h ea l t e r a t i o no fs o l u t i o n sc o n c e n t r a t i o na n dt h ef l u o r e s c e n c eq u e n c h i n ga r es t u d i e d s e c o n d l y , t h ei n f l u e n c eo nt h ef l u o r e s c e n c es p e c t r ai n d u c e db yd i f f e r e n tw a v e l e n g t hu v - l i g h tw i t ht h ew a v e l e n g t hl e s st h a n2 5 0n mi si n v e s t i g a t e d a saw h o l e , t h e r ei sl i t t l ed i f f e r e n c ei nt h ee m i t t e ds p e c t r u mp r o f i l e s , h o w e v e r , t h ec e n t e rw a v e l e n g t ho ft h ef l u o r e s c e n ts p e c t r aa r er e d s h i f t e dd i s t i n c t l yw h e nt h ep h o t o n se n e r g yd e c r e a s e s i ti sp o i n t e do u tt h a tt h ec a u s ef o rs u c hp h e n o m e n ai st h a tt h en o n b o n d i n ge l e c t r o n st r a n s i tt od i f f e r e n te x c i t e ds i n g l e - s t a t e sa f t e ra b s o r b i n gl i g h tw i t hd i f f e r e n tw a v e l e n g t ht h ee l e c t r o n s ，w h i c ha b s o r bp h o t o n sw i t hm o r ee n e r g y ,m a yt r a n s i tw i t hl a r g e re n e r g yl e v e li n t e r v a l ，a n dt h u st h ee m i t t e dp h o t o n s ，w h i c ha l s oh a v el a r g e re n e r g yl e v e li n t e r v a l , m u s th a v es h o r t e rw a v e l e n g t ha n dv i c ev e r s al a s t l y , t h ef l u o r e s c e n ts p e c t r ao fa c e t i ca c i ds o l u t i o n si n d u c e db yu v - l i g h to f2 5 3 7a ma r es t u d i e d i ti sr e v e a l e df r o mt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t st h a ta c e t i ca c i dm o l e c u l e se m i tf l u o r e s c e n c ep h o t o n sw i t ht h ew a v e l e n g t ho f 3 9 5n r na f t e rt h e ya b s o r be x c i t e dl i g h t t h es p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c so fa c e t i ca c i ds o l u t i o n sw i t hd i f f e r e n ts o l u t i o nc o n c e n t r a t i o na r ei n v e s t i g a t e dap h ) r s i c a lm e c h a n i s mi sg i v e nt h a tne l e c t r o n sm a k eat r a n s i t i o no f 疗时7 t a sa b s o r b i n ge x c i t i n gl i g h t a n dt h ee x c i t e de l e c t r o n sa r eu n s t a b l es oa st oe m i tf l u o r e s c e n c eb yr a d i a t i o nw h e nt h e yr e t u mt ot h eg r o u n ds t a t ea n dt h et r a n s i t i o nt y p ei s - - - ) ni ti sp u tf o r w a r dt h a tt h ef l u o r e s c e n c ed y n a m i cq u e n c h i n gp r o c e s si sr e s u l t e df r o mt h ec h a n g eo fr a d i a t i o nt r a n s i t i o nt on o n r a d i a t i o nt r a n s i t i o n , a n dt h eq u e n c h i n gc o n s t a n ti sc a l c u l a t e d2英文摘要a c c o r d i n gt os t e r n v o l m e re q u a t i o n t h er e s u l t so f t h i sp a p e rw i l lc o n t r i b u t et ot h es t u d yo f o t h e ro r g a n i ca n db i o l o g i cm o l e c u l e sf l u o r e s c e n c es p e c t r aw h e na c e t i ca c i da n de t h a n o ls e r v ea ss o l u t ea n ds o l v e m ，a n dw h a t sm o r e ，t h e yw i l lo f f e rt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rf l u o r e s c e n c eq u e n c h i n gi n f l u e n c e ；t h er e s u l t sa l s ol a yas o l i df o u n d a t i o nf o ra c e t i ca c i da n de t h a n o la p p l i a n c ea n dd i a g n o s i st e c h n i q u ei ne x p e r i m e n ta n dt h e o r y k e yw o r d s ：u v - l i g h t ，e t h a n o ls o l u t i o n , a c e t i ca c i ds o l u t i o n , f l u o r e s c e n ts p e c t r u m ，a b s o r p t i o ns p e c t r u m ，r e d s h i f t e d ，f l u o r e s c e n c eq u e n c h i n g硕士论文紫外光激励有机溶剂荧光光谱特性的研究1分子光谱学在物质分析中的研究进展1 1 引言原子光谱分析、分子光谱分析和色谱分析是现代物质分析的主要组成部分。随着科学技术的发展，光谱分析与色谱分析的应用日趋普及，在许多科技领域中发挥着重要的作用。原子光谱学是研究电磁辐射与组成物质的原子相互作用的科学。它涉及原子的结构、能量状态以及能级问跃迁强度等。色谱分析集分离与检测于一体，是近代分析重要的手段之一，色谱法实质上是一种物理化学分离方法，即利用不同物质在两相( 固相和液相) 中具有不同的分配系数( 或吸附系数、渗透性等) ，当两相作相对运动时，这些物质在两相中反复多次分配，从而使各物质得到完全的分离。而利用分子光谱对物质进行定性和定量分析的方法称分子光谱分析，它又可分为吸收光谱( 如红外、紫外可见吸收光谱) ，发射光谱( 如荧光光谱) 和散射光谱( 如喇曼光谱) 三种基本类型。在一般情况下分子处于基态，当光与物质发生相互作用时分子吸收光能，从低能级跃迁到高能级产生吸收光谱。反之，若分子从高能级回到低能级则释放出光能，形成发射光谱。散射光谱是光被物质散射时，分子内能级的跃迁改变散射光频率而产生的。物质对辐射能的吸收或发射是由物质本性所提供的最重要的指纹图谱之一，所以可以获得物质的定性与定量数据【l j 。光与物质相互作用涉及范围较广，且大多是研究低能辐射与物质相互作用过程的。此时光辐射将引起物质内分子跃迁到较高的能级，进而发生一系列弛豫过程，并将多余能量以不同形式释放，分子又回到稳定的基态。光与分子相互作用时，分子必须具有能吸收光的微观结构存在才能发生反应，即吸收光能，分子内这种能吸收可见光和紫外光的结构称为生色团【2 1 。分子吸收光子，进而发出的荧光都与有机分子、生物分子结构及其能级结构有关，这也将涉及各种大分子的激发态与分子构象、分子内各组分之间的相互作用过程。研究分子的激发态，首先可以从理论上计算它们的能级闻隔，其次物质的发光本身是分子激发态的一种外部表现，所以从实验上也可进行研究，而荧光就是其中一种主要发光过程。由于荧光的获得和测量都较直接，且物质的荧光光谱相对比较稳定，并且不同物质因含有不同的生色团决定其发射谱具有特殊性。因而研究分子的荧光光谱，不仅可以了解其内部构成，还可根据荧光光谱特征的变化间接得到其结构变化的规律。目前荧光分析法已成为有机分析化学、光子生物医硕士论文紫外光激励有机溶剂荧光光谱特性的研究学等领域的重要研究手斟3 4 1 。其中分子吸收光谱和荧光光谱更是应用广泛的分析手段之一。1 2 紫外及可见吸收光谱法及其研究进展紫外吸收光谱法( u l t r a v i o l e ts p e c t r o s c o p y ，u v ) 是基于物质对紫外光选择性吸收的分析方法，它广泛用于定性分析、定量分析和有机化合物结构分析中。它是指物质在紫外或可见光区吸收一定波长的光，所获得的吸收光谱。它属于电子光谱，是指分子的外层电子或价电子( 成键电子、非键电子和反键电子) 的跃迁得到的光谱。紫外光区是波长约在1 0 4 0 0 n m 的光波区，它分为近紫外区( 2 0 0 4 0 0 n m ) 及远紫外区( 又称真空紫外区1 0 2 0 0 n m ) 两个区段，可见光区是波长4 0 0 8 0 0 n m 的光波区。1 2 i 有机化合物的紫外吸收光谱巧i吸收光谱学研究的课题是光与物质相互作用过程的有关问题。分子的紫外吸收光谱是由分子能级的跃迁而引起的( 伴随着振动、转动能级的改变) ，电子能级的跃迁主要是价电子r 包括成键电子、反键电子、非键电子( 孤对电子、游离基电子和离子)等1 的跃迁，因为内部电子的能级很低，在一般条件下不容易激发。当两个半充满原子的s 轨道相互作用时，可以形成两个分子轨道，一个是成键轨道，能量较原来的s轨道低，叫做盯轨道：另一个是反键轨道，能量较原来的s 轨道高，叫做盯+ 轨道。一般情况下，两个电子都填充在盯轨道上。当两个半充满的p 轨道相互作用形成仃或石键时，也是如此。如图1 1 所示。十 计 ( 一斗盯) ( 石。石+ ) 0 斗万)图1 3 给出了分子中电子的相对能级和跃迁的示意图。m。图1 3 分子内轨道能级和电子跃迁的类型在图1 _ 3 中有下列几种跃迁：1 盯_ 盯跃迁这是分子中成键盯轨道上的电子吸收辐射后，被激发到相应的反键盯轨道上。引起仃_ 盯跃迁所需要的能量很大。这类跃迁主要发生在真空紫外区，它们吸收波长小于1 5 0 n m 。2 , 一o - 跃迁含有非键电子( 即疗电子) 的杂原子的饱和烃衍生物，都可发生打_ 盯。跃迁。这类跃迁所需要能量通常要比盯- - 4 盯跃迁小，可由在1 5 0 2 5 0 r m a区域内的辐射引起，并且大多数的吸收峰出现在低于2 0 0 n m 区域内。3 万一万跃迁不饱和烃、共轭烯烃和芳香烃类可发生此类跃迁，所需能量较小，吸收波长大多在紫外区。4 n 斗万跃迁在分子中含有孤对电子的原子和万键同时存在时，会发生n _ 露。跃迁，所需能量小，吸收波长大于2 0 0 n m 。有些化合物的分子中含有一个或几个- - c o o h ，一n 0 2 等基团，它们也可产生万斗石1 或n 厅跃迁，从而得到紫外或可见吸收光谱。根据上面所述，化合物中不同种类的电子发生不同的跃迁，因而便产生不同的吸收光谱。为了更好地利用吸收光谱进行定性分析和结构分析，在紫外光谱中根据电子及分子轨道的种类将吸收峰加以分类，便于解析光谱。吸收峰和对应的波长位置称为吸收带。图1 4 列出几种吸收光谱的吸收峰位置和强度。解析紫外光谱常用的术语如下：硕士论文紫外光激励有机溶剂荧光光谱特性的研究譬擅散m 一11 0 ,1 0 0 0 0 05 0 0 0 0 $ 3 0 0 02 5 0 0 0 瓢1 5 6 8 71 4 2 u 】2 枷 ，m图1 4 几种电子跃迁的吸收峰位置和强度一、生色团能引起紫外光谱特征吸收、具有共价键的不饱和基团称为生色团，一般带有1 电子。例如c = c 、c = o 、c = n 、n o 、n 0 2 等。二、助色团一些饱和原子基团本身在2 0 0n n l 以上没有吸收，但当它与生色团相连接时，可使生色团的最大吸收峰向长波移动，劳且强度增加，这样的基团称为助色团。如一o h 、一n h 2 、- - c i 、- - s h 等，一般为带玎电子的原子或原子团。三、吸收带类型在紫外光谱中，根据分子的价电子及分子轨道种类，将吸收带分为四种类型。1 r 吸收带由于发生聆- 9 石跃迁而产生豹吸收带称为r 吸收带。2 k 吸收带发生在共轭烯炔分子中，由万_ 万跃迁而产生的吸收带。3 b 吸收带由于苯的万一z 跃迁引起的吸收带，在非极性溶剂中测定时有精细结构，常用来识别芳香族化合物，而在极性溶剂中精细结构消失。4 e 吸收带苯环上的乙烯键和共轭乙烯键引起的紫外吸收带分别称为e l 和e 2 。紫外吸收光谱和有机化合物分子价电子跃迁密切相关。研究紫外光谱可以获得有机化合物分子结构的大量信息，特别是未知物分子中的发色系统和估计其共轭程度方面的内容。1 2 2 紫外吸收光谱应用陌 7 1由于有机化合物的紫外吸收光谱比较简单，特征性不强，在定性分析方面的应用受到局限，因此，紫外光谱主要用于鉴定共轭生色团并配合其它手段来推知未知物的结构。根据一个未知物的极限吸收波长和吸收峰数值可以推算它可能的结构类型，一般可以利用伍德瓦尔德一费塞尔经验规则计算九。的值。对于芳香族化合物、多环芳硕：t 论文紫蚪光激励有机溶剂荧光光谱特性的研究径化合物、杂环化合物等的紫外光谱分析比较可靠。利用紫外光谱法可以检查和控制药物中的杂质，也可以用于高纯度化学试剂中杂质含量的监控。另外，紫外一可见吸收光谱法在生物大分子测序研究、生物活性小分子分析、生物药物分析等方面都发挥了突出的作用。就灵敏度而言，该方法明显差于荧光分析法，但应用范围非常广，适用于各种能吸光的物质。而荧光法则主要适用于吸光后发射荧光的物质，应用面窄，多数生物活性分子不能直接用荧光法测定【”。1 3 分子荧光光谱分析法及其研究现状荧光分析法在生物化学、医学、工业和化学研究中的应用与日俱增，其原因在于荧光分析法具有的高灵敏度的优点，且荧光现象具有有利的时间表度。分子荧光光谱分析( m f s 分析) 也叫荧光分光光度法，是利用某些物质被紫外光或可见光照射后所产生的，且能够反映出该物质特性的荧光，并对其进行定性和定量的分析，是当前普遍使用并有发展前途的一种光谱分析技术。当物质对紫外和可见光吸收后，它的电子能跃迁至激发态，然后以热能的形式将这一部分能量释放出来，接着返回基态。由于物质分子结构不同，所吸收光的波长和发射的荧光波长也有所不同。利用这一特性，可以定性鉴别物质。研究分子的荧光光谱可为研究分子微观结构、分子的构象特点及变化情况提供帮助。荧光分析法在生物化学、医学、工业和化学研究中的应用与日俱增，其原因在于荧光分析法本身具有的高灵敏度的优点，且因荧光现象具有有利的时间标度。但有机化合物常因其荧光谱带宽阔、相互重叠而不易识别，自从发现在适当溶剂中和在低温条件下物质可呈现尖锐谱线的低温荧光法以及其后固体表面荧光法的建立，这方面的工作大有改善。1 3 1 荧光光谱的基本理论当紫外光照射到某些物质的时候，这些物质会发射出各种颜色和不同强度的可见光，而当紫外光停止照射时，这种光线也随之很快地消失，这种光线称为荧光。每种物质分子中都具有一系列紧密相隔的能级，称为电子能级，而每个电子能级中又包含一系列的振动能级和转动能级。物质受光照射时，可能部分或全部地吸收入射光的能量。在物质吸收入射光的过程中，光子的能量便传递给物质分子，于是便发生电子从较低能级到较高能级的跃迁。这个过程进行很快，费时约1 0 4 5 s 。处于激发态的分子是不稳定的，它可能通过辐射跃迁和非辐射跃迁等分子内的去活化过程丧失多余的能量而返回基态。辐射跃迁去活化过程，发生光子的发射，伴随着荧光和磷光现象。激发单重态间的辐射跃迁伴随的是荧光发射。5硕士论文紫外光激励有机溶剂荧光光谱特性的研究1 3 1 1 荧光的特征l 。荧光波长一般比激发光波长长当用不同波长的激发光照射同一种物质时，一般荧光光谱不会变化，但荧光光谱的强度却与激发光波长有关【吼。因为采用不同波长的光波进行激发时，可将分子激发到它的几个不同的电子激发态，但是分子具有较高的内转换和振动弛豫，不管开始被激发到哪个电子轨道，或其中的哪个振动态及转动态，它们总要通过内转换释放多余的能量，迅速弛豫到第一激发态的基振动态。荧光发射都是从第一电子激发态的基振动态对基电子态的跃迁，从而导致发光的能量总比吸收的能量低。因此，光谱线就产生了斯托克斯位移，也就是说在分子荧光中很难出现共振荧光l l 。2 荧光吸收光谱与发射光谱常呈镜像对称关系当激发光只能将分子激发到第一激发态的各振动态时，吸收光谱的结构反映第一激发态的各振动态的情况。当分子由该激发态向基电子态的各振动态跃迁发射荧光时，荧光光谱结构反映它基态的各振动态跃迁概率。因此，镜像主要来源于基态中各振动能级的分布与第一激发态的基振动态分布相类似和相互跃迁的几率也相近。多原子分子特别是生物、有机大分子具有复杂的能级结构，能级的数目随分子中原子数目的增加变得非常多，所以大分子的荧光光谱不再有线系的外观，因而这种镜像关系也很难看到。1 3 1 _ 2 荧光光谱的检测由于荧光的频率低于入射光的频率，因此测量到的荧光频率与入射光的频率不同。为避免来自激发光的干扰，通常检测荧光光谱是与入射光成直角的方向进行探测。当然，在某些荧光光谱仪中并不采用9 0 。角。1 。3 2 荧光与发光物质结构的关系| h i荧光体的荧光发生于荧光体吸光之后，因此，荧光体要发光首先要吸收光，即荧光体要有吸光结构。要了解荧光与结构的关系，就必需了解分子的吸光类型( 如万寸厅或n j 石跃迁) ，以及分子吸光后各个过程的竞争情况。当分子因吸光而被激发到电子激发态后，它可能以一系列的不同途径失去本身过剩的能量而返回电子基态，这些途径有：( 1 ) 发射荧光；( 2 ) 非辐射衰减( 内转换) ；( 3 ) 光化学反应。这三者中哪个过程的速率常数最大，哪个过程占主导地位。内转换和体系问窜跃过程的速率，与该过程所涉及的两个电子态的最低振动能级间的能量差有关；能量差越大，速率越小。要使荧光体发强的荧光，则发荧光过程的速率常数要大于另外两者。因此，强荧光物质往往具备以下几个特征：( 1 )具有大的共轭石键结构；( 2 )具有刚性的平面结构；6硕士论文紫外光激励有机溶莉荧光光谱特性的研究( 3 )具有最低的单线电子激发态s 为石，西型( 4 )取代基团为给电子取代基。1 3 3 环境因素对荧光光谱和荧光强度的影响溶液中的环境因素对分子荧光可能产生强烈的影响，了解和利用这一重要因素，可以提高荧光分析的灵敏度和选择性。荧光的发射主要受以下几种因素的影响：】3 3 1 溶剂的影响许多荧光体，尤其是那些在芳环上含有极性取代基的荧光体，它们的荧光光谱易受溶剂的影响。溶剂的影响可以分为一般的溶剂效应和特殊的溶剂效应。前者指的是溶剂的折射率和介电常数的影响，后者指的是荧光体和溶剂分子间的特殊化学作用，如氢键的生成和配合作用。1 3 3 2 温度的影响温度对于溶液的荧光强度有着显著的影响。通常，随着温度的降低，荧光物质溶液的荧光量子产率和荧光强度将增大。当溶液中没有淬灭剂存在时，荧光量子产率的数值与辐射过程及非辐射过程的相对速率有关。辐射过程的速率被认为不随温度而变，因此，荧光量子产率的变化反映了非辐射过程速率的改变。随着溶液温度的降低，介质的粘度增大，从而使荧光分子与溶剂分子的碰撞淬灭机会减小。1 3 3 3p h 值的影响若荧光物质是一种弱酸或弱碱，溶液的p h 值改变将对荧光强度产生很大的影响。大多数含有酸性或碱性基团的芳族化合物的荧光光谱，对于溶剂的p h 和氢键能力是非常敏感的。1 3 3 4 氢键的影响荧光物质和溶剂或其它溶质之间所发生的分子间氢键作用，对于荧光物质的荧光光谱和荧光强度有着显著的影响。形成氢键的情况可能有两种：一种是在激发之前基态的荧光物质分子便与溶剂或其它溶质分子产生氢键配合物；另一种是在激发之后由激发态的荧光物质分子与溶剂或其它溶质分子产生的激发态的氢键配合物。前一种情况既会影响荧光物质的吸收光谱又会影响其荧光光谱，而后一种情况只会对荧光光谱产生影响。1 3 3 ，5 重原子效应在重原子溶剂中，重原子的高核电荷引起溶质分子的自旋角动量与轨函角动量彼此间强烈地相互作用。自旋一轨函耦合的结果，使得& 哼s 。的吸收跃迁、s 。斗正的体系间窜跃、磷光以及写专s o 体系间窜跃等过程的几率增大。因此，在重原子溶剂中，通常使分子的荧光量子产率下降，磷光的量子产率升高。硕士论文紫外光激励有机溶荆荧光光谱特性的研究1 3 3 6 表面活性剂的影响表面活性剂是一种两性的分子，由极性的首基连接着长链的尾部所组成，具有明显的亲水部分和疏水部分。在低浓度的水溶液中，表面活性剂绝大部分被分散为单体。当表面活性剂的浓度达到临界胶束浓度时，分子便会动态地缔合形成聚集体，即胶束，其形状大致为球状。胶束对荧光质点起保护作用，减小了淬灭效应，延长荧光寿命。1 3 4 荧光淬灭作用荧光淬灭指的是荧光物质分子与溶剂分子或溶质分子之间所发生的导致荧光强度下降的物理或化学作用过程。荧光淬灭作用在荧光分析中有降低待测物质的荧光强度的不良作用，但也可以利用某种物质对某一荧光物质的荧光淬灭作用而建立对该淬灭剂的荧光测定方法。荧光淬灭过程可以分为两种：动态淬灭和静态淬灭。1 3 4 1 碰撞淬灭双分子的作用过程的基本条件是两个分子的紧密接近，即“碰撞”。对于基态分子的动力学碰撞，要求两分子相互接触，而对于处在激发态的分子而言，不一定需要两个作用分子的直接接触，它们之间便可能发生光学碰撞作用。光学碰撞的有效截面要比动力学碰撞的有效截面大得多。无论是动力学碰撞还是光学碰撞都会影响双分子反应的速率常数。动态淬灭过程是与自发的发射过程相竞争从而缩短激发态分子寿命的过程。动态淬灭一s t e m v o l m e r 方程是描述动态淬灭程度的一个比较常用的关系。溶液中荧光物质分子材和淬灭剂分子q 相互碰撞而引起荧光淬灭的最简单情况表述如下：( 1 )m - f h y _ 1 m +( 吸光过程)l 速率( 2 )1 m + ! o 肘+ 砂( 荧光过程)k r l l m + i( 3 )1 m + q m + q( 淬灭过程)吒f 1 m 乜】根据恒定态的假设，当激发态分子1 m 生成的速率等于它的去活化的速率时，1 肼的浓度保持不变，即d 11 m + i( 1 1 )l 一= o出在没有双分子淬灭过程的情况下，1 m 的速度表示为【1 m r 1 肘+ 。2 志。忐k soo七，+ k + 屯。+ t假如存在双分子淬灭过程的情况下，1 m + 的浓度表示为1 1 m j 1 肘+ 2 万赫( 1 2 )( 1 ，3 )硕士论文紫外光激励有机溶剂荧光光谱特性的研究秽= 华= 忐办= 华= 南( 1 4 )( 1 5 )未加入淬灭剂时的荧光强度( r ) 与加入给定浓度的淬灭剂时的荧光强度( f )之比为盈f 雾= 掣小熬k s。，办+ t+ t( 1 6 )= 1 + 如【q 】= 1 + k 【q 】式( 3 6 ) q u ：0 为没有淬灭剂存在时荧光分子的平均寿命；k 为s t e m - v o l m e r 淬灭常数；k 。是双分子淬灭速率常数与单分子衰变速率常数的比率，因此它意味着这两种衰变途径之间的竞争。式( 3 6 ) 即为s t e m v o l m e r 方程式。该式说明了加入淬灭剂后荧光强度的改变和淬灭剂浓度间的关系。1 3 4 2 能量转移淬灭电子能量转移可分为辐射能量转移和非辐射能量转移两种类型。非辐射能量转移又有两种不同的假设，可分为共振能量转移和交换能量转移。1 辐射能量转移辐射能量转移过程事实上是荧光的再吸收过程，即荧光分子( 能量供体) 所发射的荧光为淬灭剂( 能量受体) 所吸收，从而导致后者被激发。该过程可以描述如下：d 一d + 砂( 1 7 )彳+ 如_ 一+( 1 8 )2 ，共振能量转移当供体分子和受体分子相隔的距离远大于供体受体的碰撞直径时，只要供体分子的基态和第一激发态两者的振动能级间的能量差相当于受体分子的基态和第一激发态两者的振动能级间的能量差，此时仍可发生从供体到受体的非辐射能量转移，通常也称为长距离能量转移。3 交换能量转移交换能量转移是发生在比共振能量转移更短的距离内的能量转移现象。当供体分子和受体分子两者的电子云相互接触时，即相距不大于它们的动力学碰撞的直径时，供体分子和受体分子能量最高的电子可能相互改变位置，激发态供体分子的光电子可硕1 二论文紫外光激励有机溶剂荧光光谱特性的研究能改变位置成为原先处于基态的受体分子的电子结构部分，而供体分子又从基态受体分子那里交换取得一个电子从而返回基态。交换能量转移作用的大小与供体及受体的跃迁几率无关。对于单重态一三重态这样的禁阻跃迁来说，在短距离内，交换能量转移过程占支配地位。1 3 4 3 转入三重态的淬灭分子从激发单重态到三重态的体系间窜跃过程是可能发生的，此时多余的振动能将在碰撞中损失掉。转入三重态的分子在低温下可由三重态发生辐射跃迁而重新返回到基态，并伴随着发射波长较长的磷光。由三重态返回到基态的跃迁也是自旋禁阻的，因而这一过程进行的速率较慢，发光分子的平均寿命较长，这便使得激发态分子在发光之前有可能发生许多振动作用，从而使所得到的光谱具有复杂的精细结构。羰基化合物，其最低激发单重态是的f h ，万+ ) 。在激发态( 栉，石+ ) 下，有利于提高岛一乃体系间窜跃过程的量子产率，使得荧光的量子产率减小。由于船_ 7 l 的跃迁是部分禁阻的，因而丌”的跃迁也是部分禁阻的，处于f ，7 z + 1 态的最低激发单重态的寿命要比处于f 亿7 l + 1 态的长，从而转化为三重态的几率比较大。此外( 阼，石+ ) 态的岛和乃之间的能量间隙通常比较小，这更有利于加速函一乃体系间窜跃过程的速率。杂原子具有孤对的非键( n ) 电子，因而杂环化合物在受激发时通常产生nj 厅+跃迁，所得到的最低激发单重态是f ”，石1 态。硝基化合物、重氮化合物和羰基化合物等，其激发单重态都容易转变为三重态，因而容易产生荧光淬灭现象。1 3 5 分子荧光光谱技术的研究现状近二十几年来，在其它学科迅速发展的影响下，随着激光、微处理机和电子学的新成就等一些新的科学技术的引入，大大推动了荧光分析法在理论方面的进展，促进了诸如同步荧光测定、荧光偏振测定、荧光免疫测定、低温荧光测定、固体表面荧光测定、荧光反应速率法、三维荧光光谱技术和荧光光纤化学传感器等荧光分析方面的某些新方法、新技术的发展，并且相应地加速了各式各样新型的荧光分析仪器的问世，使荧光分析法不断朝着高效、微量、微观和自动化的方向发展，检测方法的灵敏度、准确度和选择性日益提高，方法的应用范围也得到大大扩展，遍及于工业、农业、医药卫生、环境保护、公安情报和科学研究等各个领域中。现在荧光分析方法已成为一种重要且有效的光谱化学分析手段。在我国，j o 年代初期仅有极少数的分析化学工作者从事荧光分析方面的研究工作。到了7 0 年代后期，荧光分析法已经引起国内分析界的广泛重视，在全国众多的分析化学工作者中，已逐步形成一支从事这一领域工作的队伍。近年来，国内发表的有关荧光分析方面的论文数量增长较快，所涉及的内容也已从经典的荧光分析法逐步扩展到新近发展起来的一些新方法和新技术。在仪器应用方面，也陆续有几种类型的硕士论文紫外光激励有机溶剂荧光光谱特性的研究国产的商品化荧光分光光度计问世，为这一分析方法的发展和普及提供了一定的物质条件。有了上述的基础，相信在今后一段时间内，在我国建设发展需要的推动下和广大分析化学工作者的共同努力下，荧光分析法必将在我国得到更迅速的发展。1 3 5 1荧光光谱分析在生物组织研究中的作用荧光光谱分析在血液光谱 i 2 b ”1 5 - 1 甜、肿瘤诊断 1 7 , 1 9 , 1 9 】、皮肤等【2 0 t2 1 】生物组织中的应用与研究报道非常多，近年来又取得了许多新的发展。生物组织荧光分析的应用范围很广，包括生物物理学、生理学、生物化学、分子生物学、药理学、免疫学、细胞学、遗传学等方面的检测和研究，如氨基酸、蛋白质、核酸、维生素、酶、药物、毒物、d n a 等都采用这一技术。因此近十几年来一直是生物医学领域的研究热点。近年来国内外开展的激光诱导生物组织自体荧光( l z a f ) 诊断技术，以其快速、无损被广泛应用在早期癌等病症的诊断和治疗上【2 2 2 3 2 ”，发展前景十分看好。其中大多数研究都首先获得正常与病变组织样品的荧光光谱，进而利用光谱的结构特征差异进行诊断【2 5 2 ”。光谱学方法是研究光与血液相互作用过程的有效方法之一，当光照射到血液，会发生散射、吸收和发射等现象。通过检测和分析血液的散射光谱、吸收光谱和发射光谱，能够获得一些反映血液状态和内部物质构成情况的信息，以及光子与血液相互作用过程的有关信息。近年来，国内外广泛开展了血液荧光光谱的研究，而且国外对生物组织的荧光光谱的方面研究中间接地提到血液或血细胞的影响，且对血浆的研究报道很多口们。但因生物组织的复杂性，即使是同一个健康组织，在不同的物化条件下发出的荧光光谱结构特征也会有较大变化。因此，高淑梅 2 8 2 9 , 3 0 j 1 】等广泛开展了激光、l e d 光分别与健康鼠血的相互作用研究，对光与全血、红细胞、血红蛋白研究表明：全血和红细胞的荧光光谱极为相似，而血红蛋白的荧光光谱却有差异。这将为血细胞等发生病变或变质时，可能导致的血细胞荧光光谱的改变提供理论判断根据。同时，彭长德【3 2 】也进行了健康人血的荧光光谱研究，结果表明：健康人血和鼠血的荧光光谱基本相同。从而可以用鼠血的光谱学研究结果用于人血的研究上。这些对血液荧光光谱的基础性研究工作可能为今后了解相应的生物大分子的构象及变化规律，进而为临床借助血液的内源性的发光特性治疗和诊断技术提供理论依据。1 3 5 2 荧光分析法在化学分析中的应用【1 2 3 3 】荧光分析法因其灵敏度高、易于操作而尤其受到分析化学工作者的青睐。在荧光分析中，可以采用不同的实验方法以进行分析物质浓度的测量。只要分析物质本身发荧光，就可利用简单的直接测定法。间接的荧光测定方法常用的有两种，第一种是通过化学反应将非荧光物质转变为适合于测定的荧光物质，第二种方法是荧光淬灭法。利用荧光分析法可以进行无机化合物、有机化合物的分析。在生理科学研究工作及医疗工作中，所遇到的分析对象常常是分子庞大而结构复杂的有机化合物，如维生素、氨基酸和蛋白质、胺类、酶和辅酶以及各种药物、毒物和农药等，利用荧光分析法的硕士论文紫外光激励有机溶剂荧光光谱特性的研究高灵敏度可以测定它们在试样中的低微含量。荧光分析法，特别是新近发展起来的同步荧光法、导数荧光法、时间分辨荧光法、相分辨荧光法、偏振荧光法、低温荧光法等新技术，都具有灵敏度、选择性好、取样量少、方法快速简便等优点，因而已成为各种领域中进行痕量和超痕量物质分析的一种重要工具。脂肪族有机化合物，包括醇类、醛、酮、有机酸、脂肪酸、脂以及糖类等分析，都广泛地采用了荧光分析。2硕士论文紫外光激励有机溶剂荧光光谱特性的研究2 有机溶剂的光谱学研究现状2 1 乙醇分子的研究现状乙醇分子作为较常用的有机溶剂，其紫外吸收光谱早就有所研究，当作为溶剂、添加剂、催化剂、猝灭剂时研究其它有机大分子和生物大分子的荧光光谱特性也已经有了较多的报道，但它们对其它基团所产生的催化、猝灭作用的机理一直未见有报道，特别是乙醇自身的荧光光谱未曾见有相关研究的报道。另外，食品添加剂中较多的含有酒精等成分，特别是发酵类的食品，它们中均含有乙醇分子，利用荧光检测所具有的良好灵敏度的优点来检测食品中乙醇分子发射荧光光谱的位置、强度，从而判断添加剂的成分及添加量的多少，并为改变添加剂进而改善食品的口味、营养标准提供依据。2 1 1乙醇与生物组织相互作用的研究现状1 3 4 j2 1 1 1乙醇和生物膜的相互作用研究乙醇的生物学作用研究已有二十余年的历史。近十余年来用波谱学技术研究了乙醇对于人工膜、各种生物膜的急性及慢性效应，以及继乙醇多次作用后而发展的耐受性( t o l e r a n c e ) 等等，取得了一定结果。细胞是生命的基本单位；生物膜是细胞的基本结构，是细胞生命活动的主要场所。生物膜成分都具有一定的流动性，人们发现许多膜蛋白在重组膜中的生物活性对膜的流动性有一定的依赖性。生物膜有两个主要的指标即膜的有序性和流动性，膜的有序性和各种信号的传递有关，而研究发现处于病理状态下的生物膜流动性会发生改变，人们认为膜流动性的改变是动脉粥样硬化发展的基础，因此人们便把注意力投向膜胆固醇含量的变化，而它确是影响膜流动性的因素之一。研究发现乙醇可以降低膜的有序性，增加膜的流动性。与其它许多麻醉药物一样，乙醇的作用靶位是细胞膜，这些药物的作用取决于它们的疏水性质，“疏水”即被排除子水外。水分子以氢键联成一个常变换而又有内聚力的“网状物”。由于碳氢链和酰链不能与水以氢键相联，便对此“网”起干扰作用。当把具有酰链和碳氢链的物质放人水中时，它们便被驱除于水之外而本身有序地聚集在一起。这便是将这些物质分散到水中后自发地形成囊泡与排成双层的现象。疏水性药物与脂类悬浮体接触时，便很快进入疏水相，而不是不自在地停留在水中。乙醇分子进入机体后，立即进入膜的疏水区，同时改变膜结构和影响膜的物理性质。乙醇对硕二 论文紫外光激励有机溶剂荧光光谱特性的研究生物膜的作用主要有以下几个方面：乙醇能降低膜有序性：乙醇和烷类以及许多中枢神经系统抑制药一样，均可降低人工膜及生物膜的有序性，而且完整的生物膜比人工膜更敏感。乙醇虽使膜流动性增加，但与该效应相关的生理学意义尚不清楚。有研究表明：乙醇浓度为5 0 1 0 0mm o l l 时，使膜流动性增加的程度相当于温度升高l o c 时的效应，而在此浓度下，机体己严重中毒或丧失意识了。乙醇的慢性生物膜效应：慢性乙醇作用后的膜，对乙醇的毁序作用有抵抗。慢性乙醇作用后的膜，对乙醇毁序作用的耐受或抵抗，在多种生物膜( 如神经系统突触膜、红细胞膜、肝微粒体膜、胰腺细胞质膜等) 的类似实验中都有发现。慢性乙醇作用后，膜脂序参数降低和对乙醇敏感性降低在膜的巯水髓心部位比在近表面极性区更明显。经乙醇作用后中枢神经系统膜脂组分及结构的变化，最大的变化是胆圃醇磷脂比率增高；慢性乙醇处理后的耐受性是由