第二章 紫外可见光谱和荧光光谱

第二章紫外 可见光谱和荧光光谱 2 1紫外 可见光谱的基本原理 13 6nm 200nm 380nm 780nm 远紫外区 真空紫外区 近紫外区 可见光区 2 1 1紫外 可见光谱紫外光谱 Ultravioletspectroscopy UV 是吸收光谱 通常说的紫外光谱的波长范围是200 380nm 常用的紫外光谱仪的测试范围可扩展到可见光区域 包括400 780nm的波长区域 低于200nm的吸收光谱属真空紫外光谱 要用专门的真空紫外光谱仪测试 当紫外光照射分子时 分子吸收光子能量后受激发而从一个能级跃迁到另一个能级 由于分子的能量是量子化的 所以只能吸收等于分子内两个能级差的光子 E E2 E1 h hc E2 E1 始态和终态的能量h 普朗克常数 频率c 光速 波长 紫外光的波长以300nm代入上式 求出紫外光的能量为 E 4 ev 分子的能量 电子能量1 20ev 分子振动能量0 05 1ev 转动能量0 05 1ev 形成较宽的谱带 2 1 2紫外光谱图的组成 横坐标表示吸收光的波长 用nm为单位 纵坐标表示吸收光的吸收强度 可以用A 吸光度 T 透射比或透光率或透过率 1 T 吸收率 吸收系数 中的任何一个来表示 紫外光谱图是由横坐标 纵坐标和吸收曲线组成的 2 1 3电子跃迁有机物在紫外和可见光区域内电子跃迁的方式一般有 n n 饱和烃中的C C键是 键 产生 跃迁所需能量大 吸收波长小于150nm的光子 即在真空紫外区有吸收 1 2 n 含O N S和卤素等杂原子的饱和烃衍生物可发生此类跃迁 所需能量也较大 吸收波长为150 250nm的光子 C OH和C Cl等基团的吸收在真空紫外区域内 C Br C I和C NH2等基团的吸收在紫外区域内 其吸收峰的吸收系数 较低 一般 300 3 不饱和烃 共轭烯烃和芳香烃类可发生此类跃迁 吸收波长大多在紫外区 其中孤立双键的 max小于200nm 吸收峰的吸收系数 很高 4 n 在分子中含有孤对电子的原子和 键同时存在时 会发生n 跃迁 所需能量小 吸收波长 200nm 但吸收系数 很小 一般为10 100 不同分子结构具有不同电子跃迁方式 有的基团可有几种跃迁方式 在紫外光谱中主要研究的跃迁是在紫外区域有吸收的 和n 两种 除上述4种电子跃迁方式外 在紫外和可见光区还有两种较持殊的跃迁方式 即众d d跃迁和电荷转移跃迁 5 d d跃迁在过渡金属络合物溶液中容易产生这种跃迁 其吸收波长一般在可见光区域 有机物和高分子的过渡金属络合物都会发生这种跃迁 6 电荷转移跃迁电荷转移可以是离子间 离子与分子间 以及分子内的转移 条件是同时具备电子给体 donor 和电子受体 acceptor 电荷转移吸收谱带的强度大 吸收系数一般大于10 000 这种跃迁在聚合物的研究中相当重要 2 1 4吸收带的分类 R吸收带 n 跃迁 由酮基 NO2 NO N N等发色基团引起 特点是波长较长 但吸收较弱 测定这种吸收带时需要浓溶液 K吸收带 跃迁 由共轭烯烃和取代芳香化合物引起 特点是波长较短但吸收较强 10000 B吸收带 苯环振动加 跃迁 该吸收带是芳环 芳杂环的特征谱带 吸收强度中等 1000 特点是在230 270nm 谱带较宽且含多重峰或精细结构 精细结构是由于振动次能级的影响 当使用极性溶剂时 精细结构常常看不到 E吸收带 跃迁 与B吸收带一样 是芳香族的特征谱带 吸收强度大 2000 14000 吸收波长偏向紫外的低波长部分 有的在远紫外区 如苯的E2和E1分别在184nm 47000 和204nm 7000 苯上有助色团取代时 E2移向近紫外区 2 1 5各类化合物的紫外吸收 饱和有机化合物的紫外吸收只有部分饱和有机化合物 如C Br C I C NH2 的n 跃迁有紫外吸收 2 不饱和脂肪族有机化合物的紫外吸收只有具有 共轭和p 共轭的不饱和脂肪族有机化合物可以在近紫外区出现吸收 吸收是由 跃迁和n 跃迁引起的 3 芳香族有机化合物的紫外吸收芳香族有机化合物都具有环状的共轭体系 一般来讲 它们都有三个吸收带 最重要的芳香化合物苯的吸收带为 max 184nm 47000 max 204nm 6900 max 255nm 230 2 1 6影响紫外光谱的因素 1 紫外吸收曲线的形状及影响因素紫外吸收带通常是宽带 影响吸收带形状的因素有 被测化合物的结构 测定的状态 测定的温度 溶剂的极性 2 吸收强度及影响因素能差因素 能差小 跃迁几率大空间位置因素 处在相同的空间区域跃迁几率大 3 吸收位置及影响因素几个基本概念 生色基 能在某一段光波内产生吸收的基团 称为这一段波长的生色团或生色基 助色基 当具有非键电子的原子或基团连在双键或共轭体系上时 会形成非键电子与 电子的共轭 p 共轭 从而使电子的活动范围增大 吸收向长波方向位移 颜色加深 这种效应称为助色效应 能产生助色效应的原子或原子团称为助色基 红移现象 由于取代基或溶剂的影响使最大吸收峰向长波方向移动的现象称为红移现象 蓝移现象 由于取代基或溶剂的影响使最大吸收峰向短波方向移动的现象称为蓝移现象 增色效应 使 值增加的效应称为增色效应 减色效应 使 值减少的效应称为减色效应 max与化学结构的关系 该公式为 max 母体二烯烃 或C C C O 环内双烯 环外双键 延伸双键 共轭体系上取代烷基 共轭体系上取代的助色基 实例一 max 217nm 母体二烯烃 3 5nm 环外双键 30nm 延伸双键 5 5nm 共轭体系上取代烷基 287nm 应用伍德沃德和费塞尔规则来估算化合物紫外吸收 max的位置 2 1 7定量分析朗伯 比尔定律是紫外光谱定量分析的基础 A logI0 I lc I0 I 入射光和透射光强 摩尔消光系数 l 试样的光程长 c 溶质浓度 参数 max和 max很重要 1 max表示吸收的最大波长 即最大的吸收峰位置 2 max表示最大吸收的摩尔消光系数 因为 与A成正比 谱图可以用 为纵坐标 因而 也可以表示吸收峰的强度 一般地 104为强吸收 不超过105 103 104为中等吸收 103为弱吸收 由于这种跃迁的几率很小 称为禁戒跃迁 2 2荧光光谱 2 2 1荧光光谱法基本原理 1 荧光 Fluoresence 和磷光 Phosphoresence 荧光和磷光同属发光光谱法 它们与分子吸收分光光度法紧密相关 分子在吸收辐射能而被激发到较高电子能级后 它们为了返回基态而释放出能量 荧光是分子在吸收辐射之后立即 在10 8s数量级 发射的光 而磷光则是在吸收能量后延迟释放的光 两者间的区别是 荧光是由单态 单态的跃迁产生的 而磷光所涉及的是三线态 单态跃迁 荧光光谱具有很高的灵敏度 样品中含有1 100ppm生色团即可产生足够强的检测信号 采用多种不同的表征方法 使荧光发光方法具有多功能性 并可获得分子水平的信息 大多数有机分子的电子态可以归纳为两大类 单态和三重态 处于单态时 分子内所有电子的自旋是配对的 处在三至态时 一组电子自旋是不成对的 分子在吸收适当的辐射能时 它从基态内的一个振动能级上升到某一受激电子能级 通常是第一受激单态 S1 中的某一振动能级 吸收步骤发生在10 15S以内 在紧接吸收之后处于受激单态较高振动能级中的分子 通过碰撞而把过多的能量转移给其它分子 以及将过多的能量分配给受微分子内振动或旋转的其它可能模式 从而很快回到受激态的最低振动能级 当受激分子恢复到基态时 产生自发辐射 即荧光现象 这一辐射过程 S1 S0 的寿命很短 约10 8s 所以在许多分子里它能有效地与其它转移激发能的过程相竞争 如果单态的势能曲线和三重态的势能曲线交叉 某些单态受激分子可以通过系统间的交叉而转到最低三重态 再从这里回到基态的某一振动级 便发射磷光 磷光的发射必须改变自旋状态 因此这一发射过程的速度比荧光慢得多 可达10 2 100s 荧光和磷光的发射波长长于激发波长 除了X射线荧光外 大多荧光法的工作波长在200 800nm之间 2 激发 Excitation Ex 光谱荧光物质的激发光谱是指不同激发波长的辐射引起物质发射某一波长荧光的相对效率 也就是 固定发射波长 改变激发波长 所得的荧光强度与激发波长的关系曲线为激发光谱 理论上最大激发波长与最大吸收波长是一致的 由激发光谐可选择最佳激发波长 3 发射 Emission Em 光谱使激发光的波长和强度保持不变 让荧光物质所产生的荧光通过发射单色器后照射到检测器上 扫描发射单色器并检测各种波长下相应的荧光强度 然后记录荧光强度对发射波长 2 2 2荧光光谱的测量荧光光谱仪由光源 单色器 记录系统等组成 并具有两个单色器 一个为激发单色器 另一个为发射单色器 下图为这类仪器光学系统示意图 PELS55LuminescenceSpectrometer 2 2 3溶液的荧光强度与浓度的关系 1 荧光的寿命荧光分子的平均寿命 定义 当不存在进一步的激发时 处于激发态的分子数目衰减到初始值的1 e所经历的时间 用下式表示 式中 kf为荧光发射的速率常数 为各种非辐射去活化过程的速率常数总和 荧光强度的衰变一般遵从如下速率方程式 式中F0和Ft分别表示t 0和t t时的荧光强度 作lnFt t的关系曲线 从该曲线的斜率可求出荧光寿命 没有非辐射去活化过程存在时的荧光寿命为内在的寿命 用表示 一个近似的经验规则是 式中为最大吸收波长下的摩尔吸光系数 二 荧光量子产率荧光量子产率的定义 荧光物质吸光后所发射的荧光的光子数与所吸收的激发光的光子数之比值 即 现代最常用的测量方法是相对测量法得到相对荧光量子产率 在同一设备和激发光强度下测定已知量子产率标准溶液 以s脚注 和另一未知量子产率溶液 以x脚注 的校正荧光发射光谱面积D时 有以下的关系 式中 A为吸光度 n为溶液折射率 D为校正荧光发射光谱积分面积 荧光化合物的荧光量子产率的数值常处于0 1 1之间 荧光量子产率与荧光寿命之间的关系为 2 2 4荧光与分子结构的关系在荧光分析中 分析对象本身必须具有荧光特性 或者使其与相应的荧光试剂反应生成具有荧光特征的物质 分子的荧光性主要取决于它自身的能量状态 即该分子的化学结构 荧光强度与分于结构关系一般具有如下普遍规律 1 具有共轭 键的化合物化合物共轭体系越大 能量越低 离域 电子越容易激发 荧光越易产生 大部分物质具有芳环或杂环 芳环越大 其荧光峰越移向长波方向 荧光强度也越强 2 具有刚性平面结构的化合物荧光效率高的荧光体 其分子多是平面构型且具有一定的刚性 例如偶氮苯不发荧光杂氮菲会发荧光 有机配位剂与金属离子组成配合构成取代基之间形成氢键 加强了分子的刚性 使荧光强度增强 3 取代基的影响 1 给电子取代基当化合物中含有 NH2 NHR NR2 0H OR CN等给电子基团时 这些基团上的n电子可通过共轭效应 十E 向芳环离域 使共扼体系中电子云密度增大 分子基态激发能降低 故能增强分子的荧光 2 吸电子取代基当化合物中含有 CO CHO COOH NO2和重氮类等基团时 由于吸电子基的诱导效应 I 使共扼体系中n电子云的密度降低 削弱了分子的荧光 3 取代基的位置邻位及对位取代基对荧光影响较大 间位取代基影响不大 两种性质不同的取代基共存时 其中一个取代基起主导作用 4 重原子效应芳烃取代上卤素 Cl Br和I 等其他的重原子之后 分子内的共扼效应 十E 小于诱导效应 I 使共轭体系的电子云密度下降 分子荧光强度随重原子的原子量增加而减弱 而磷光通常相应地增强 这种效应称为重原子效应 因为重原子的存在 使得荧光体中电子自旋轨道偶合作用加强 S1 T1的系间交叉增加 导致荧光强度减弱 磷光强度增强 4 铀和稀土元素的盐类参加吸光的是4f和5f内层电子 与外部没有能量交换 无论固相还是液相 4f和5f电子跃迁所特有的荧光 5 配位化合物的荧光金属离子与有机配位体形成配位化合物的发光能力与金属离子以及有机配位体的结构有很大关系 1 二元配合物金属离子主要有两种类型 第一类金属离子的外电子层具有与惰性气体相同的结构 为反磁性离子 这种金属离子与含有芳基的有机配位体形成配合物时一般会发较强的荧光 配合物的荧光强度随金属离子的原子量增加而减弱 也称重原子效应 吸收峰和发射峰也相应向长波长方向移动 金属离子相当于一惰性原子 与有机配位体的不同部位形成一附加环 同时加强配位体的刚性平面结构 这类配合物由配位体L吸光和发光 称L 一L发光 第二类金属离子具有惰性气体的外层电子结构 其次外层含有未充满电子的f层 金属离子会产生f 一f发光跃迁 激发的有机配位体的能量可能转移给金属离子M 产生金属离子激发态M 由激发态金属离子M 返回基态 发出特征的线状荧光 称M 一M发光 其荧光强度比该金属纯无机离子的荧光强得多 金属离子得到敏化 部分稀土元素属于这类 2 三元配合物三元配合物的发光行为与上述的二元配合物相似 即可分为L L型发光和M M型发光 可是在某些情况下 三元配合物可大大提高荧光分析法的灵敏度和选择性 目前有很多元素采用三元配合物的荧光分折 5 环境因素对荧光光强度的影响虽然分子的荧光性取决于分子的化学结构 但溶液中环境因素对分子荧光能产生强烈的影响 1 溶剂的影响一般情况下 若因极性溶剂引起红移 荧光来自 激发单重态 若引起紫移则表明荧光来自n 激发态 有人认为溶剂对于荧光强度的影响主要决定于溶剂的分子结构 而不在于溶剂的极性 溶质 溶剂分子问的相互作用 即偶极子向的静电作用 氢键 电荷移动等因素改变了荧光的量子产率 要对溶剂的影响做出恰当解释是不容易的 2 温度的影响在一般情况下 随着荧光物质温度的升高而荧光强度降低 其原因在于高温下分子碰撞失去能量以及易于发生内部转体和系间交叉 可是也有例外 在荧光测定时需要使试样保持恒温 3 pH值一般情况下度具有很大影响 溶液的pH值对荧光性有机化合物和荧光性螯合物的荧光光谱以及荧光强度进行定量分析时必须选择最佳pH范围 6 溶液荧光猝 cu 灭荧光猝灭一般指任何可使某种给定荧光物质的荧光强度下降的作用 狭义地说 荧光猝灭指的是荧光物质分于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 与荧光物质分子发生相互作用而引起荧光强度下降的物质 称为荧光猝灭剂 荧光猝灭过程分为两种形式 第一种 基态荧光性分子P与猝灭性分子Q之间生成配位化合物PQ 从而使荧光物质丧失荧光性 由这种机理引起的猝灭是静态猝灭 第二种 激发态荧光性分子P 与猝灭性分子Q碰撞而失去能量 称为动态粹灭 1 浓度猝灭对于气态或液态的纯荧光物质 其浓度达到某一程度之后荧光强度开始降低 这种现象叫浓度猝灭 浓度猝灭有两个原因 一是由激发态分子与基态分子碰撞造成的动态猝灭 另一原因是基态分子缔合造成的静态猝灭 也有负的浓度猝灭现象 2 氧分子猝灭很多的荧光物质 特别是芳香族碳氢化合物的荧光会被氧猝灭 在溶液中氧分子的猝灭作用大小因荧光分子的结构及溶剂介电常数而异 没有取代基的芳香族化合物 氧分子的猝灭作用大 有取代基的芳香族及杂环化合物 氧分子猝灭作用小 有机溶剂中猝灭作用大 水溶液中猝灭作用小 对氧分子猝灭作用的一种解释为 三重态的氧分子和激发单重态的荧光分子碰撞形成了激发单重态的氧分子和三重态的荧光分子 还有一种解释为顺磁性的氧分子增加了自旋轨道的相互作用 助长了系间交叉 S1 T1 T1 S0 的速度 3 顺磁性离子猝灭顺磁性金属离子 特别是3d轨道未充满电子的过渡金属离子 如Fe III Ni Cr ii Cu II Co II 等对荧光性分子显示很大的猝灭作用 一般解释为 荧光性分子的 电子与顺磁性离子的轨道相互作用形成特殊的能级 或者是由于顺磁性离子的有色吸收将荧光分子的能量转化为热能 增加了系统间交叉的速度 2 2 6荧光光谱分析及其应用1 荧光定量分析进行常规的荧光定量分析时 荧光强度必须与测定成份的浓度成正比 并具有良好的重现性 一般采用工作曲线法 首先用一稳定的荧光物质 荧光塑料板或某种荧光基准物质如硫酸奎宁的溶液 并设定仪器的工作条件 即校正仪器读数 使不同时间测得的工作曲线先后一致 然后测定已知浓度的标准溶液系列的荧光强度 以荧光强度对标准溶液浓度绘制工作曲线 最后由测得的试样溶液的荧光强度对照工作曲线 求出分析物质的浓度 定量分析中应使用工作曲线的直线部分 荧光分析中 荧光强度必须真实地反映待测荧光物质的浓度 应当扣除溶剂和其他荧光杂质的荧光强度 即扣除空白溶液的值 根据样品实际情况 可根据溶剂空白 试剂空白或仅猝灭了分析物质荧光后的试样溶液空白 2 荧光探针以荧光标记物或荧光探针注入生物体内 可以检测生物体内的生物或化学反应 对荧光探针的要求是 有高的荧光强度 包括激发的吸收和量子产率 荧光信号与背景应有明显的区别 探针试剂的荧光发射波长应大于500nm Stockes位移应大于50nm 其与生物体的结合不能对生物体有不利的影响 易溶于水 形成的结合物在贮存或测定时稳定性好 作为荧光探针的镧系离子螯合物 已使荧光免疫分析的荧光探针由单纯的有机分子标记物发展到金属离子螯合物 由于镧系离子螯合物高强度的荧光发射及荧光寿命长的特点 已建立了时间分辨荧光免疫分析法 FIA 在FIA中己广泛应用异硫氰酸荧光素及其衍生物 罗丹明类衍生物等作为标记物 另外一些生物大分子 如藻胆蛋白 卟啉类和叶绿素等 由于其stokes位移大 有利于排除干扰 也作为探针标记物 一些有机荧光探针的结构及分析用途见 分析化学手册第三分册 表23 2 Figure9 FluorescentopticalmicroscopicimageofelectrospunPLLAfiberscontaining50wt ZnSequantumdots 200 magnification Figure10 Fluorescenceemissionspectraof a ZnSequantumdotsfromCH2Cl2solution b electrospunPLLAfiberscontaining10wt ZnSe c electrospunPSfiberscontaining10wt ZnSe SSchlecht STTan JH Wendorff ChemistryofMaterials2005 17 4 809 Figure1 a UV Visandfluorescenceemissionspectraand b FluorescentopticalmicroscopicimageofelectrospunPHEMAfiberscontaining30wt Fe3O4nanoparticlesand20wt albuminwithdog fluoresceinisothiocyanate a b 3 荧光偏振测定当荧光分子溶液受到偏振光激发时 产生的荧光往往也是偏振光 如图所示 一般用III表示平行于激发光振动方向的荧光强度 I表示垂直于激发光振动方向的荧光强度 荧光偏振度P和各向异性r定义为 式中 校正因子G是平行与垂直两种偏振光的透射率之比 随仪器和波长变化 对于完全偏振光I 0 P r 1 非偏振光III I P r 0 激发光波长 或荧光发射波长 与荧光偏振度P的对应曲线叫做荧光偏振光谱 由于溶液中的荧光体被激发时存在着光选择性 P和r最大值分别为0 4和0 5 4 无机化合物的荧光分析无机化合物的直接荧光测定 以铀和稀土元素分析为主 绝大多数无机化合物都是与有机试剂发生反应转变为荧光物质而后进行测定 即荧光呈现法 利用的反应类型有形成配合物 置换反应 氧化还原反应 催化反应和酶反应等 基于无机化合物对荧光试剂或荧光配合物的荧光猝灭作用的方法 即荧光猝灭法 测定无机物 约占全部文献的五分之一 其中也不乏一些高灵敏度的方法 但其线性范围和选择性不如荧光呈现法 分析化学手册第三分册 表23 5 共32页 汇总了近十几年国内外各种无机离子或化合物的荧