荧光光谱的原理与应用

荧光光谱的原理与应用 主要内容 2 荧光光谱的基本原理 1 荧光光谱仪的原理 操作及数据处理 2 荧光光谱的应用 3 参考资料 4 荧光光谱的基本原理 3 4 荧光定义 荧光是辐射跃迁的一种 是物质从激发态失活到多重性相同的低能状态时所释放的辐射 5 构造原理 电子在原子或分子中排布所遵循的规则 基态和激发态 能量最低原理泡利不相容原理洪特规则 基态 当一个分子中的所有电子的排布都遵从构造原理时 此分子被称为处于基态 激发态 当一个分子中的电子排布不完全遵从构造原理时 此分子被称为处于激发态 6 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 电子激发态的多重度 根据洪特规则 平行自旋比成对自旋稳定 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 7 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 分子能级与跃迁 激发 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 失活 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 8 雅布隆斯基分子能级图 9 跃迁规则 跃迁前后原子核的构型没有发生改变 跃迁过程中电子自旋没有改变 跃迁前后电子的轨道在空间有较大的重叠和轨道的对映性发生了改变的跃迁是允许的 跃迁过程中电子自旋发生了改变 跃迁前后电子的轨道在空间不重叠或轨道的对映性未发生改变的跃迁是禁阻的 Franck Condon原理 在电子跃迁完成的瞬间 分子中原子核的构型是来不及改变的 10 电子处于激发态是不稳定状态 容易返回基态 在这个过程中通过辐射跃迁 发光 和无辐射跃迁等方式失去能量 这个过程就称为失活 激发态停留时间短 返回速度快的途径 发生的几率大 失活的途径 11 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一般为10 12s 无辐射跃迁失活的途径 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 内转换 多重度相同的电子能级中等能级间的无辐射能级跃迁 12 无辐射跃迁失活的途径 系间窜越 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 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 13 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 7 10 9s 辐射跃迁失活的途径 磷光发射 电子由第一激发三重态的最低振动能级 基态 多为T1 S0跃迁 发射波长为 3的磷光 10 4 100s 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 内转换 系间窜越 振动弛豫 T1发光速度很慢 光照停止后 可持续一段时间 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 14 激发谱固定发射波长 一般将其固定于发射波段中感兴趣的峰位 扫描出的化合物的发射光强 荧光 磷光 与入射光波长的关系曲线 主要光谱参量 发射谱固定激发波长 一般将其固定于激发波段中感兴趣的峰位 扫描出的化合物的发射光强 荧光 磷光 与入射光波长的关系曲线 吸收谱化合物的吸收光强与入射光波长的关系曲线 15 主要光谱参量 吸收谱反映出的是物质的基态能级与激发态能级之间所有的允许跃迁 通常状态下的物质的表观颜色大部分时候取决于其吸收特性 激发谱则反映的是基态与所有与该荧光发射有关的能级之间的跃迁 其所呈现的关系比吸收谱要有选择性 但有时候又不如吸收谱来的直接 电子跃迁到不同激发态能级时 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 因此 发射谱的形状与激发波长无关 16 斯托克位移 一个化合物的发射光谱常常与其吸收光谱很类似 但总是较相应的吸收光谱红移 这称为斯托克位移 Stoke sshift 蒽在溶液中的吸收 虚线 和发射 实线 光谱 17 产生斯托克位移的主要原因 1 跃迁到激发态高振动能级的激发态分子 首先以更快的速率发生振动弛豫 其速率在1013 s数量级 散失部分能量 达到零振动能级 一般从零振动能级发射荧光 2 激发态形成后 其分子的构型将很快进一步调整 以达到激发态的稳定构型 这又损失了部分能量 3 发射荧光的激发态多为 态 这种激发态较基态时有更大的极性 因此将在更大程度上为极性溶剂所稳定 使激发态的能量进一步降低 斯托克位移 18 不过 有时在高温下也可观察到反斯托克位移现象 即荧光光谱移向吸收光谱的短波方向 这是由于高温使更多的激发态分子处于高振动能级 荧光主要从激发态的高振动能级发出所致 既没发生斯托克位移也没发生反斯托克位移的荧光称共振荧光 反斯托克位移 19 荧光发射是光吸收的逆过程 荧光发射光谱与吸收光谱有类似镜影的关系 但当激发态的构型与基态的构型相差很大时 荧光发射光谱将明显不同于该化合物的吸收光谱 镜像规则 20 荧光光谱固定激发光波长物质发射的荧光强度与发射光波长关系曲线 如右图中曲线II 荧光本身则是由电子在两能级间不发生自旋反转的辐射跃迁过程中所产生的光 磷光光谱固定激发光波长物质发射的磷光强度与发射光波长关系曲线 如右图中曲线III 磷光本身则是由电子在两能级间发生自旋反转的辐射跃迁过程中所产生的光 荧光光谱与磷光光谱 21 光谱图 22 自吸收现象 化合物的荧光发射光谱的短波长端与其吸收光谱的长波长端重叠 产生自吸收 如蒽化合物 内滤光作用 溶液中含有能吸收激发光或荧光物质发射的荧光 如色胺酸中的重铬酸钾 内滤光作用和自吸收现象 23 荧光寿命 荧光寿命是荧光强度衰减为初始时的1 e所需要的时间 常用 表示 如荧光强度的衰减符合指数衰减的规律 It I0e kt 其中I0是激发时最大荧光强度 It是时间t时的荧光强度 k是衰减常数 假定在时间 时测得的It为I0的1 e 则 是我们定义的荧光寿命 24 寿命 是衰减常数k的倒数 事实上 在瞬间激发后的某个时间 荧光强度达到最大值 然后荧光强度将按指数规律下降 从最大荧光强度值后任一强度值下降到其1 e所需的时间都应等于 荧光寿命 25 如果激发态分子只以发射荧光的方式丢失能量 则荧光寿命与荧光发射速率的衰减常数成反比 荧光寿命 因此有 F 1 KF F表示荧光分子的固有荧光寿命 kF表示荧光发射速率的衰减常数 荧光发射速率即为单位时间中发射的光子数 26 处于激发态的分子 除了通过发射荧光回到基态以外 还会通过一些其它过程 如淬灭和能量转移 回到基态 其结果是加快了激发态分子回到基态的过程 或称失活过程 结果是荧光寿命降低 寿命 和这些过程的速率常数有关 总的失活过程的速率常数k可以用各种失活过程的速率常数之和来表示 k kF kiki表示各种非辐射过程的衰减速率常数 则总的寿命 为 1 k 1 kF ki 荧光寿命 27 由于吸收几率与发射几率有关 F与最大吸收位置的摩尔消光系数 max 单位为cm2mol 1或 mol dm 3 1cm 1 也密切相关 从下式可以得到 F的粗略估计值 单位为秒 1 F 104 max 注意 在讨论寿命时 不要把寿命与跃迁时间混淆起来 跃迁时间是跃迁频率的倒数 而寿命是指分子在某种特定状态下存在的时间 通过测量寿命 可以得到有关分子结构和动力学方面的信息 荧光寿命 28 延迟荧光 一般荧光寿命为10 8s 最长可达10 6s 但有时却可能观察到长达10 3s 这种长寿命的延时发射的荧光 被称为延迟荧光或缓发荧光 延迟荧光与普通荧光的区别主要在于辐射寿命不同 这种长寿命的延迟荧光来源于从第一激发三重态 T1 重新生成的S1态的辐射跃迁 即延迟荧光产生的过程为 S1 T1 S1 S0 h f 29 延迟荧光 E型延迟荧光 当第一激发单重态S1与第一激发三重态T1能差较小时 T1态有时可从环境获取一定的热能后又达到能量更高的S1态 即T1 S1这种现象首先从四溴荧光素 eosin 观察到 故得名E型延迟荧光 P型延迟荧光 当单重态 S1 与三重态 T1 能差较大时 T1不可能靠从环境取得热能而到达S1态 这时有可能在两个三重态分子靠近时 通过两个三重态分子的湮灭过程重新生成S1态 即S1 S1 T1 T1 T1 T1 S0 S1 S0 S0 h p这种现象首先从芘 pyrene 和菲 phenanthrence 观察到 故得名P型延迟荧光 30 荧光量子产率是物质荧光特性中最基本的参数之一 它表示物质发射荧光的效率 量子产率 荧光量子产率通常用 来表示 定义为荧光发射量子数与被物质吸收的光子数之比 也可表示为荧光发射强度与被吸收的光强之比 或表示为荧光发射速率与吸收光速率常数之比 即 荧光发射量子数 吸收的光子数 kf S1 吸光速率 If Ia 31 量子产率 一般情况下 荧光量子产率 不随激发光波长而改变 这被称为Kasha Vavilov规则 但如果形成的激发态会导致化学反应或系间窜越与内转换的竞争 则可能使 受到影响 例如 在低压气相以254nm的光激发苯 0 4 而当以小于240nm的光激发苯时 则未检测到荧光 这是由于苯的高振动能级的S1态会使其转变为杜瓦苯 不同化合物的 差别可以很大 另外 还会受环境 如温度 溶剂等 的影响 例如 降低温度可导致一个化合物的 增大 提高温度可导致一个化合物的 降低 32 量子产率 由于荧光的非单色性 各向的不均匀性和二级发射等原因 荧光量子产率的直接测定的重复性往往较差 因此 实际测量中大多采用的是相对法 即用一已知其荧光量子产率的参比化合物在相同条件下对照测定 并可通过公式计算目标化合物的荧光量子产率 s I scs Is c s s cs和Is分别是参照物的荧光量子产率 已知 摩尔消光系数 溶液浓度和荧光强度 c和I分别是被测物的荧光量子产率 未知 摩尔消光系数 溶液浓度和荧光强度 参照物应是 已知 无自吸收 无浓度猝灭 在被测物所用溶剂中可溶 易纯化 稳定和对杂质不敏感的物质 常用的参照物如罗丹明B和喹啉硫酸氢盐等 33 荧光产生的条件 化合物能够产生荧光的必要条件是 它吸收光子发生多重性不变的跃迁时所吸收的能量小于断裂其最弱的化学键所需要的能量 另外 化合物要能发生荧光 其结构中必须有荧光基团 荧光基团都是含有不饱和键的基团 当这些基团是分子的共轭体系的一部分时 则该化合物可能产生荧光 34 影响荧光的主要因素 1 荧光助色团与荧光消色团 可使化合物荧光增强的基团被称为荧光助色团 一般为给电子取代基 如 NH2 OH等 相反 吸电子基团如 COOH CN等将减弱或抑制荧光的产生 被称为荧光消色团 35 影响荧光的主要因素 增加共平面的稠合环的数目 特别是当稠合环以线型排列时 将有利于体系内 电子的流动 从而使体系发生跃迁所需吸收的能量降低 进而有利于荧光的产生 2 增加稠合环可增强荧光 刚性增强后 将减弱分子的振动 从而使分子的激发能不易因振动而以热能形式释放 另外 分子刚性的增加常有利于增加分子的共平面 从而有利于增大分子内 电子的流动性 也就有利于荧光的产生 3 提高分子的刚性可增强荧光 36 影响荧光的主要因素 根据电子跃迁规则 S1态的电子组态是 态时 有利于荧光的产生 当S1态的电子组态是 n 态时 不利于荧光的产生 4 激发态电子组态的影响 重原子具有增强系间窜越的作用 将增大从S1态向T1态的系间窜越的速率常数和量子产率 从而导致降低荧光量子产率 5 重原子将导致荧光量子产率的降低 37 影响荧光的主要因素 增加溶剂的极性 一般有利于荧光的产生 6 溶剂极性的影响 降低体系温度可以提高荧光量子产率 7 温度的影响 如氢键 吸附 溶剂粘度增加等均可提高荧光的量子产率 这都可用减少了分子的热振动和增加了分子的刚性来解释 8 其它影响因素 38 39 荧光光谱仪的原理 操作及数据处理 40 在实验样品受到激发的情况下 通过选择合适的探测器和工作模式 记录下发射光强与激发源特性 样品特性以及温度 时间 空间 能量等相关特性之间的关系 以此来更好的研究或利用发光过程 荧光光谱仪的基本原理 41 样品准备 块状固体 为了获取尽可能理想的光谱 减小内外表面因素的干扰 最好切成规则形状 并进行抛光 2 如果要做系列样品特性的对比 应尽量在尺寸和光洁度上将其制为同一规格 4 对于与各项异性有关的测试 务必要注意光轴 或x y z轴 的位置 5 对于有自吸收特性的样品要注意其对测试结果的影响 42 样品准备 粉体和微晶 避免混入诸如滤纸纤维 胶水等杂质 以免其发光对测试结果产生影响 2 样品应尽量保存在不会引入杂质又防潮避光的样品管 盒 中 3 对于强光下不稳定的化合物 测试时应特别注意控制入射光的强度 避免破坏样品 4 粉体和微晶样品一般夹在石英玻璃片进行测试 43 液体 样品准备 1 溶液样品尽量使用透明的玻璃化溶液 避免在这种汇聚式光路中由于比色皿中溶液的前后吸收不均导致的光谱失真问题 2 为安全起见 对于使用挥发性剧毒溶剂的测试 一定要有合适的防护 3 易挥发 易变质的溶液最好现配现测 4 液体样品一般放在带盖石英比色皿 与紫外测试所用比色皿不同 为侧面全透明型 中进行测试 44 测试准备 由于物质的发射特性和吸收特性是紧密相关的 所以提前做好吸收谱可以有效缩短荧光测试的摸索时间 对于不知道相关特性的样品 吸收谱的测试比荧光光谱的测试要容易很多 所以 建议大家先测一下样品的吸收谱 并从中找出感兴趣的吸收峰和特性 在荧光测试时以便参考 45 光谱测试 开机电源 灯源 2 发射谱根据吸收谱中感兴趣的峰确定激发波长 选择合适的发射谱波长范围 滤光片 光路狭缝 扫描速度等进行发射谱的扫描 3 激发谱根据发射谱中感兴趣的峰确定发射波长 选择合适的激发谱波长范围 滤光片 光路狭缝 扫描速度等进行激发谱的扫描 46 4 发射谱根据激发谱中感兴趣的峰确定激发波长 选择合适的发射谱波长范围 滤光片 光路狭缝 扫描速度等进行发射谱的扫描 5 重复3 4步循环扫描得到理想的光谱图 7 关机光源 电源 6 保存数据 光谱测试 47 滤光片的选择 1 按光谱波段分 紫外滤光片 可见滤光片 红外滤光片 2 按光谱特性分 带通滤光片 截止滤光片 分光滤光片 中性密度滤光片 反射滤光片 带通型 选定波段的光通过 通带以外的光截止 短波通型 又叫低波通 短于选定波长的光通过 长于该波长的光截止 比如红外截止滤光片 IBG 650 长波通型 又叫高波通 长于选定波长的光通过 短于该波长的光截止比如红外透过滤光片 IPG 800 滤光片的分类 48 滤光片的选择 为了消除剩余入射光对荧光光谱产生影响 我们通常要选择合适的长波通型截止滤光片 激发波长一定要小于发射波长 发射谱扫描过程中 通常选择比激发波长长 比发射谱最短波长短的长波通型截止滤光片 激发谱扫描过程中 通常选择比发射波长短 比激发谱最长波长长的长波通型截止滤光片 49 光路狭缝和扫描速度的选择 如果光路狭缝太大 荧光信号太强 容易超出仪器检测范围 损伤仪器 如果狭缝开的太小 荧光信号又太弱 检测比较困难 所以要选择大小合适的狭缝 如果扫描太快 容易跳峰 忽略特征性的峰信号 扫描太慢则浪费时间 所以只要能扫描得到平滑的光谱曲线就可以了 50 光谱数据处理 测得的数据结果需要应用origin软件进行数据处理和作图分析 为了消除仪器本身的影响 测得的光谱曲线需要应用校正曲线进行校正 校正过的光谱数据可以应用色坐标软件进行颜色分析 51 荧光寿命和量子产率的测试和数据处理 荧光寿命 根据发射谱和激发谱选择感兴趣的发射波长和激发波长 测试荧光强度随时间的衰减曲线 同样需要数据进行校正 然后应用origin软件进行作图和数据拟合得到寿命结果 量子产率 根据发射谱和激发谱选择感兴趣的发射波长范围和激发波长 运用积分球分别测试加 减衰减片时的荧光强度 然后应用软件进行数据处理得到量子产率 52 荧光图实例 53 荧光光谱的应用 荧光光谱的应用 54 55 金属 有机配合物 MOF 的发光机理 Ligand 金属 有机配合物发光机理示意图 56 1 配体内的电荷转移 ILCT 2 配体到金属的电荷转移 LMCT 3 金属到配体的电荷转移 MLCT 4 配体到配体的电荷转移 LLCT 5 金属 金属到配体的电荷转移 MMLCT 等 过渡金属 有机配合物 MOF 的发光机理 很多过渡金属与配体配合时能形成新的能级结构 HOMO LUMO 基态与这些能级的跃迁较容易导致量子产率相对于配体的显著增强 同时可以通过改变配位中心或配体结构在很宽的波段内调控其发射波段 57 过渡金属 有机配合物 MOF 的发光机理 常见d8 d10过渡金属配合物的发光机理 Zn II Cd II 配合物 ILCT LMCT单核Cu I Ag I Au I Pt II Pd II 配合物 ILCT LMCT MLCT多核Cu I Ag I Au I Pt II Pd II 配合物 MLCT MMLCT 58 稀土离子能级图 Dieke图 稀土金属 有机配合物 MOF 的发光机理 59 荷兰的R T Wegh等利用德国DESY同步辐射装置对稀土离子VUV波段的激发谱做了细致研究 并对比理论计算对VUV谱区4f能级的预测 成功地将Dieke图扩展到了70000cm 1的能量范围 扩展Dieke图 稀土金属 有机配合物 MOF 的发光机理 60 金属离子发光f f跃迁 Sm3 Eu3 Tb3 Dy3 Tm3 Nd3 Er3 Yb3 等 天线效应 优点 色度纯 寿命长等缺点 f f禁阻 强度低 稀土金属 有机配合物 MOF 的发光机理 61 稀土金属 有机配合物 MOF 的发光机理 天线效应示意图 配体发光La3 Gd3 Lu3 等 f d跃迁 Eu2 Yb2 Sm2 Ce3 等 宽峰 62 Yu BinDong etal J Am Chem Soc 2007 129 10620 10621 1 客体离子的影响 金属 有机配合物 MOF 发光的影响因素 63 Y K Park etal Angew Chem Int Ed 2007 46 8230 8233 2 客体分子的影响 金属 有机配合物 MOF 发光的影响因素 64 Zhe MingWang SongGao etal Inorg Chem 2007 46 1337 1342 3 结晶水的影响 金属 有机配合物 MOF 发光的影响因素 65 M D Allendorf C A Bauer etal Chem Soc Rev 2009 38 1330 1352 4 配体共轭程度的影响 能级跃迁示意图 金属 有机配合物 MOF 发光的影响因素 66 5 溶剂的影响 M C Hong etal Cryst Growth Des 2008 8 2721 2728 金属 有机配合物 MOF 发光的影响因素 67 AvelinoCorma Jo oRocha etal Angew Chem Int Ed 2009 48 6476 6479 6 pH的影响 金属 有机配合物 MOF 发光的影响因素 68 Guo CongGuo etal J Am Chem Soc 2009 131 13572 13573 7 激发波长的影响 金属 有机配合物 MOF 发光的影响因素 69 稀土掺杂发光材料 1 稀土掺杂激光晶体 2 稀土掺杂纳米材料 70 稀土掺杂激光晶体 71 稀土掺杂激光晶体 72 稀土掺杂激光晶体 73 稀土掺杂激光晶体 74 稀土掺杂纳米材料 稀土离子和半导体纳米晶本身都是很好的发光材料 稀土离子的发光可以被半导体的激子复合所敏化 使得稀土离子的发光效率大大增强 通过控制合成半导体纳米晶的尺寸来剪裁半导体的带隙以匹配发光中心的激发态能级 实现高效能量传递或发光 稀土离子是最好的对结构敏感的光谱探针 可以设计实验来原位探测某些很小的半导体纳米晶室温结构相变过程并分析其内在机制 稀土掺杂半导体纳米材料在绿色照明光源 纳米光电子器件 平板显示 纳米生物标记和传感器等方面有着广阔的应用前景 75 稀土掺杂纳米材料 ZnO Eu3 ZnO Ln3 能量传递ZnO敏化发光更高效 基质敏化的稀土离子发光 76 与蛋白质或其他大分子结构非共价相互作用而使一种或几种荧光性质发生改变的小分子物质 可用于研究大分子物质的性质和行为 荧光探针 目前常用的荧光探针有荧光素类探针 无机离子荧光探针 荧光量子点 分子信标等 荧光探针除应用于核酸和蛋白质的定量分析外 在核酸染色 DNA电泳 核酸分子杂交 定量PCR技术以及DNA测序上都有着广泛的应用 荧光探针 77 荧光探针 过渡金属配合物很多能实现较强的红外波段宽带发射 可以有效避开组织体的吸收 可以穿透组织体实现红外成像 克服同位素原子示踪对人体的伤害 寿命处于 s量级 可以用于较大分子的形变和转动扩散研究 当然 结合其特有的发射波段也能对活体环境中的许多扩散和转变过程进行研究 78 稀土离子是一类核酸探针的检测试剂 在水溶液中仅有Tb 和Eu 发出荧光 与DNA配合后仍保留荧光性能 可特异识别核苷酸 Tb 和Eu 与一些小分子配体配合 由于配体本身性质 中心离子 配体成键及溶剂等因素影响 使配合物的激发态寿命达到ms级 并发出窄而强的荧光 Tb 和Eu 与小分子的配合物探针通过共价键与靶DNA共价结合后多用于实时定量荧光PCR反应产物的分析及杂交测试 该类探针要求稀土配合物易于合成并且足够稳定 同时荧光发射强度大 Nurmi等用Tb 和Eu 标记的探针进行实时同步扩增及前列腺特异抗原的测定 信噪比要高于传统的TaqMan探针 而循环阈值则降低 荧光探针 79 量子点荧光探针是由 族和 族元素组成的半导体纳米颗粒 将核酸连接到量子点的表面 做成探针 通过体外杂交常规荧光 FISH 分析 发现染色体的异常及变异 可取代一些有机荧光染料进行生物分子检测 研究较多的有CdSe CdTe ZnS等 荧光探针 80 量子点探针较传统的有机荧光染料具有一定的优越性 首先 荧光光谱范围宽 通过改变纳米晶体材料和尺寸 获得的激光诱导荧光光谱范围在400nm 2 m 其