第四章 荧光.ppt

第四章荧光分析法 第一节概述 一 分子发光某些物质的分子吸收一定能量跃迁到较高的电子激发态后 在返回电子基态的过程中伴随有光辐射 二 分子发光类型1 按激发模式 光致发光 分子因吸收外来辐射的光子能量而被激发所产生的发光现象 化学发光 分子的激发能量是由反应的化学能量提供的发光现象 生物发光 分子的激发能量是由生物体释放出来的能量所提供所产生的发光现象 2 按分子激发态的类型来划分 荧光 由第一电子激发单重态所产生的辐射跃迁而伴随的发光现象 磷光 由最低的电子激发三重态所产生的辐射跃迁而伴随的发光现象 第二节分子荧光分析法及其基本原理一 荧光与磷光的产生过程 1 分子能级与跃迁在每个电子能级上 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 2 电子激发态的多重态 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 S0 T1禁阻跃迁 通过其他途径进入 见能级图 进入的几率小 3 激发态 基态的能量传递途径 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 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 7 10 9s 第一激发单重态的最低振动能级 基态 磷光 10 4 10s 第一激发三重态的最低振动能级 基态 1 无辐射能量传递过程 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 10 12s 内转换 同多重态电子能级中 等能级间的无辐射能级交换 10 11s 10 13s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 有重叠的转动能级间的非辐射跃迁 10 2s 10 6s改变电子自旋 禁阻跃迁 通过自旋 轨道耦合进行 2 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 7 10 9s发射荧光的能量比分子吸收的能量小 波长长 2 2 1 延迟荧光 分子跃迁至T1态后 因相互碰撞或通过激活作用又回到S1态 经振动驰豫到S1态的最低振动能级再发射荧光 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 4 100s 光照停止后 可持续一段时间 3 瑞利散射光和拉曼光 瑞利散射光激发光的能量不足 将电子激发至基态中较高的振动能级 假如电子在受激后能量没有损失 并且在瞬时返回原来的能级 于是便在各个不同的方向发射和激发光相同波长的辐射 这种辐射称为瑞利散射光 拉曼光被激发到基态中其它较高振动能级的电子 当它返回到比原来的能级稍高或稍低时 便伴随着产生波长略长或略短于激发光波长的拉曼散射光 二 分子荧光分析的基本原理 1 激发光谱与荧光 磷光 光谱 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 图中曲线I 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 图中曲线II或III 3 激发光谱与发射光谱的关系 Stokes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 em 比激发光谱的波长 ex 长 振动弛豫消耗了能量 发射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 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 镜像规则 基态上的各振动能级分布与第一激发态上的各振动能级分布类似 基态上的零振动能级与第一激发态的二振动能级之间的跃迁几率最大 相反跃迁也然 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 2 荧光强度及其与浓度的关系 1 量子产率及影响因素表示物质发射荧光的能力 发射的光子数 吸收的光子数荧光量子产率与激发态能量释放各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 由于激发分子的去活化过程包括辐射跃迁和非辐射跃迁 因而荧光量子产率也可表示为 kf kf K kf 辐射跃迁速率 K 非辐射跃迁速率 2 荧光强度与浓度的关系 在稀溶液中 bc 0 05 荧光强度与荧光物质的浓度成正比 If 2 3 I0 bc荧光强度If正比于吸收的光量Ia与荧光量子产率 在一定条件下 If Kc 在浓溶液中 荧光强度常常随溶液浓度增加而下降a因入射光强度大大减弱而使所产生的荧光强度大大降低 b 溶质与溶质间的相互作用产生荧光物质的激发态分子与基态分子形成复合物 c自吸收 3 荧光与分子结构的关系 1 分子产生荧光必须具备两个条件 a 具有合适的结构 b 具有一定的荧光量子产率 2 化合物的结构与荧光 共轭效应 提高共轭度有利于增加荧光效率并产生红移 a芳环越大 荧光峰越移向长波方向b同一共轭环数的芳族化合物 线性环结构者荧光波长比非线性者要强 刚性平面结构 可降低分子振动 减少与溶剂的相互作用 故具有很强的荧光 a试剂本身有刚性平面结构 b形成络合物后 形成刚性平面滂铬兰黑R BBR 无荧光 它与铝形成螯合物有荧光 c取代基之间形成氢键 加强了分子刚性结构和增强荧光强度 d异构体的影响顺式和反式同分异构体具有不同的荧光强度 取代基效应 芳环上有供电基 使荧光增强 a给电子基团常使荧光增强 取代基对苯荧光的影响 乙醇溶液 b吸电子基团会减弱甚至破坏荧光 c邻位 对位取代增强荧光 间位取代抑制荧光 d重原子引入体系 荧光强度都很弱 而磷光强度相应增强 e与 电子体系作用小的取代基 影响小 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 4 影响荧光强度的主要因素 1 荧光猝灭 自猝灭a 荧光辐射的自吸收 b 荧光物质的激发态分子M 与基态分子M形成激发态的二聚体 M M c 基态的荧光物质分子的缔合 电荷转移猝灭激发态分子比基态具有更强的与其他物质发生氧化还原反应的能力 从而导致荧光猝灭 转入三重态猝灭 发生S1 T1间的系间窜跃 把多余的能量消耗于碰撞之中使荧光猝灭 2 温度 酸度和溶剂的影响 温度随着溶液温度的降低 荧光物质溶液的荧光量子产率和荧光强度将增大 酸度对酸碱化合物 溶液pH的影响较大 需要严格控制 溶剂 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 3 表面活性剂的影响 增溶 增敏a提高荧光量子产率 b提高 增稳 第三节 荧光分析仪器 测量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 单色器 选择激发光波长的第一单色器和选择发射光 测量 波长的第二单色器 光源 灯和高压汞灯 染料激光器 可见与紫外区 检测器 光电倍增管 仪器光路图 一 基本装置及主要构件 1 激发光源 1 条件 足够的强度 紫外 可见区域有连续的光谱 强度与波长无关 光强稳定 2 激发光源 氙灯 高压 250 800nm光谱区呈连续光谱 氙灯使用寿命大约为2000h 汞灯 高压 在紫外区激发 365nm 使用寿命1500 3000小时 2 单色器 光栅单色器有较高的灵敏度 较宽的波长范围 能扫描光谱 主要缺点是杂散光较大 有不同级次的谱线干扰 可用前置滤光片加以消除 滤光片滤光片便宜简便 在荧光计和荧光分光光度计中有广泛的应用 3 样品池石英方形池 四面都透光 4 狭缝狭缝越小 单色性越好 但光强和灵敏度降低 5 检测器 光电倍增管 灵敏度高 线路简单 光电摄像管 具有检测效率高 动态范围宽 线性响应好 坚固耐用和寿命长特点 6 读出装置记录仪 阴极示波器和显示器 二 常用的一些荧光分光计1 YF 1型荧光分光计手控式荧光分光计2 YF 2型荧光分光计自动记录式3 微机化荧光分光计970CRT型荧光分光光度计 日立F 2500RF 540 磷光检测 荧光计上配上磷光测量附件即可对磷光进行测量 在有荧光发射的同时测量磷光 测量方法 1 通常借助于荧光和磷光寿命的差别 采用磷光镜的装置将荧光隔开 2 采用脉冲光源和可控检测及时间分辨技术 室温测量时 不需要杜瓦瓶 第四节荧光分析方法与应用 一 荧光定量分析方法定量依据荧光强度If正比于吸收的光量Ia和荧光量子效率 If Ia由朗伯 比耳定律 Ia I0 1 10 lc If I0 1 10 lc I0 1 e 2 3 lc 浓度很低时 将括号项近似处理后 If 2 3 I0 lc Kc 1 标准曲线法配制一系列标准浓度试样测定荧光强度 绘制标准曲线 再在相同条件下测量未知试样的荧光强度 在标准曲线上求出浓度2 比较法在线性范围内 测定标样和试样的荧光强度 比较 3 多组分混合物的荧光分析 各组分荧光峰相互不干扰 按单组分测定方法 分别在各自的荧光峰处测定 如果荧光峰互相干扰 激发光谱相差大 可选择在不同的激发光进行测定 其它组分在此激发波长不会产生荧光 书p114例 如果在同一激发波长下荧光光谱互相干扰 可以利用荧光强度的加和性 解联立方程求出 4 荧光分析注意事项 防止荧光污染 防止散射光的干扰三 荧光分析法的特点1 灵敏度高 2 选择性强 3 重现性好 4 试样量少 5 应用范围小 四 荧光分析法的应用 1无机化合物的分析与有机试剂配合物后测量 可测量约60多种元素 铍