环境因素对荧光光谱和荧光强度的影响.doc

3环境因素对荧光光谱和荧光强度的影响（1）溶剂的影响。一般地讲，许多共轭芳香族化合物的荧光强度随溶剂极性的增加而增强，且发射峰向长波方向移动。如图3-4所示，8-羟基喹啉在四氯化碳、氯仿、丙酮和乙腈四种不同极性溶剂中的荧光光谱。这是由于n跃迁的能量在极性溶剂中增大，而跃迁的能量降低，从而导致荧光增强，荧光峰红移。在含有重原子的溶剂如碘乙烷和四氯化碳中，与将这些成分引入荧光物质中所产生的效应相似，导致荧光减弱，磷光增强。（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。如荧光索钠的乙醇溶液，在0以下温度每降低10，荧光量子产率约增加3%，冷却至-80时，荧光量子产率接近100%。（3）pH的影响。假如荧光物质是一种弱酸或弱碱，溶液的pH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香族化合物的荧光光谱，对于溶剂的pH和氢键能力是非常敏感的。表3-1中苯酚和苯胺的数据也说明了这种效应。其主要原因是体系的pH值变化影响了荧光基团的电荷状态。当pH改变时，配位比也可能改变，从而影响金属离子-有机配位体荧光配合物的荧光发射。因此，在荧光分析中要注意控制溶液的pH。（4）荧光的熄灭。它是指荧光物质分子与溶剂分子或其他溶质分子的相互作用引起荧光强度降低的现象。这些引起荧光强度降低的物质称为熄灭剂。五影响荧光测量的几种因素： 1温度影响：一般说来，荧光随温度升高而强度减弱，温度升高1，荧光强度下降110%不等。测定时，温度必须保持恒定。 2PH值影响：PH值影响物质的荧光，应选择最佳PH制备样品。 3光分解对荧光测定的影响： 荧光物质吸收紫外可见光后，发生光化学反应，导致荧光强度下降。因此，荧光分析仪要采用高灵敏度的检测器，而不是用增强光源来提高灵敏度。测定时，用较窄的激发光部分的狭缝，以减弱激发光。同时，用较宽的发射狭缝引导荧光。荧光分析应尽量在暗环境中进行。 4散射光的影响： 主要是瑞利散射光和拉曼散射光的影响较大。校正办法：先用短的激发光激发，检出溶液的拉曼峰，然后进行荧光光谱校正。因为荧光光谱不随激发光波长的改变而改变，而拉曼光却随之改变。 5高浓度样品的影响： 1）当激发光照射高浓度样品时，在激发光入口附近产生荧光，但这些荧光并不能进入荧光检测器。 2）高浓度的分子之间相互作用而发生活性阻碍现象。 3）荧光的再吸收：即荧光光谱的短波长端和激发光谱的长波长端如果相互重叠，则发生荧光再吸收。总之，高浓度样品进行荧光分析时，应进行稀释。溶液荧光光谱通常有以下几个特征：1）Stokes位移。在溶液荧光光谱中，所观察到的荧光的波长总是大于激发光的波长，即emex。这主要是由于发射荧光之前的振动驰豫和内转换过程损失了一定的能量，这是产生Stokes位移的主要原因。2）荧光发射光谱的形状与激发波长无关。由于荧光发射发生于第一电子激发态的最低振动能级，而与荧光体被激发至哪一个电子态无关，所以荧光光谱的形状通常与激发波长无关。3）与激发光谱大致成镜像对称关系。一般情况下，基态和第一电子激发单重态中振动能级的分布情况是相似的，所以荧光光谱同激发光谱的第一谱带大致成镜像对称。化学发光具有以下几个特点：1.极高的灵敏度，荧光虫素（LH2）（luciferin）、荧光素酶（luciferase）和磷酸三腺苷（ATP）的化学反应可测定210-17 mol/L的ATP，可检测出一个细菌中的的ATP含量。2.由于可以利用的化学发光反应较少，而且化学发光的光谱是由受激分子或原子决定的，一般来说也是由化学反应决定的。很少有不同的化学反应产生出同一种发光物质的情况，因此化学发光分析具有较好的选择性。3仪器装置比较简单，不需要复杂的分光和光强度测量装置，一般只需要干涉滤光片和光电倍增管即可进行光强度的测量。4.分析速度快，一次分析在1 min之内就可完成，适宜自动连续测定。5.定量线性范围宽，化学发光反应的发光强度和反应物的浓度在几个数量级的范围内成良好的线性关系。分子发光分析法 - 基本原理分子发光分析法基本原理化学发光是基于化学反应所提供足够的能量，使其中一种产物的分子的电子被激发成激发态分子，当其返回基态时发射一定波长的光，称为化学发光，表示如下A + B C + DC C + h化学发光包括吸收化学能和发光两个过程。为此，它应具备下述条件：1化学发光反应必须能提供足够的化学能，以引起电子激发。2要有有利的化学反应历程，以使所产生的化学能用于不断地产生激发态分子。3激发态分子能以辐射跃迁的方式返回基态，而不是以热的形式消耗能量。化学发光反应的化学发光效率Cl，取决于生成激发态产物分子的化学激发效率r利激发态分子的发光效率f这两个因素。化学发光的发光强度ICl以单位时间内发射的光子数来表示，它等于化学发光效率Cl与单位时间内起反应的被测物浓度CA的变化（以微分表示）的乘积，通常，在发光分析中，被分析物的浓度与发光试剂相比，要小很多，故发光试剂浓度可认为是一常数，因此发光反应可视为是级动力学反应，此时反应速率可表示为式中k为反应速率常数。由此可得：在合适的条件下，t时刻的化学发光强度与该时刻的分析物浓度成正比，可以用于定量分析，也可以利用总发光强度S与被分析浓度的关系进行定量分析，此时，将式（5-7）积分，得到如果取t10，t2为反应结束时的时间，则得到整个反应产生的总发光强度与分析物的浓度呈线性关系。（一） 荧光和磷光的产生荧光和磷光的产生涉及光子的吸收和再发射两个过程。1激发过程分子吸收辐射使电子能级从基态跃迁到激发态能级，同时伴随着振动能级和转动能级的跃迁。在分子能级跃迁的过程中，电子的自旋状态也可能发生改变。应用于分析化学中的荧光和磷光物质几乎都含有跃迁的吸收过程，它们部含有偶数电子。根据泡里不相容原理，在同一轨道上的两个电子的自旋方向要彼此相反，即基态分子的电子是自旋成对的，净自旋为零，这种电子都配对的分子电子能态称为单重态（singlet state），具有抗磁性。当分子吸收能量后，在跃迁过程中不发生电子自旋方向的变化，这时分子处于激发的单重态；如果在跃迁过程中还伴随着电子自旋方向的改变，这时分子便有两个自旋不配对的电子，分子处于激发三重态（triplet state），具有顺磁性。2发射过程处于激发态的分子是不稳定的，通常以辐射跃迁或无辐射跃迁方式返回到基态，这就是激发态分子的失活（deactivation）。辐射跃迁的去活化过程，发生光子的发射，即产生荧光和磷光；无辐射跃迁的去活化过程则是以热的形式失去其多余的能量，它包括振动弛豫、内转换、系间跨越及外转换等过程。如图3-2所示，S0、S1、S2分别表示分子的基态、第一和第二激发单重态；T1，T2分别表示第一和第二激发三重态。（1）振动弛豫（Vibration Relaxation，VR）。即由于分子间的碰撞，振动激发态分子由同一电子能级中的较高振动能级转移至较低振动能级的无辐射跃迁过程。发生振动弛豫的时间约为10-12 s数量级。（2）内转换（Internal Conversion，IC）。指在相同多重态的两个电子能级间，电子由高能级转移至低能级的无辐射跃迁过程。当两个电子能级非常靠近以致其能级有重叠时，内转换很容易发生。两个激发单重态或两个激发三重态之间能量差较小，并且它们的振动能级有重叠，显然这两种能态之间易发生内转换。（3）荧光发射。激发态分子经过振动驰豫降到激发单重态的最低振动能级后，如果是以发射光量子跃迁到基态的各个不同振动能级，又经振动驰豫回到最低基态时就发射荧光。从荧光发射过程明显地看到：荧光是从激发单重态的最低振动能级开始发射，与分子被激发至哪一个能级无关；荧光发射前后都有振动驰豫过程。因此荧光发射的能量比分子所吸收的辐射能量低，所以对于溶液中分子的荧光光谱的波长与它的吸收光谱波长比较，荧光的波长要长一些（Stock位移）。（4）系间跨越（Intersystem Crossing，ISC）是指不同多重态间的无辐射跃迁，同时伴随着受激电子自旋状念的改变，如S1T1。在含有重原子（如溴或碘）的分子中，系间跨越最常见。这是因为在原子序数较高的原子中，电子的自旋和轨道运动间的相互作用变大，原子核附近产生了强的磁场，有利于电子自旋的改变。所以含重原子的化合物的荧光很弱或不能发生荧光。（5）外转换（External Conversion，EC）是指激发分子通过与溶剂或其他溶质分子间的相互作用使能量转换，而使荧光或磷光强度减弱甚至消失的过程。这一现象又称为“熄灭”或“猝灭”。（6）磷光发射。第一激发单重态的分子，有可能通过系间跨越到达第一电子激发三重态，再通过振动驰豫转至该激发三重态的最低振动能级，再以无辐射形式失去能量跃迁回基态而发射磷光。激发三重态的平均寿命为10-410 s，因此，磷光在光照停止后仍可维持一段时间。1分子发光分析法 - 影响因素荧光量子产率物质分子吸收辐射后，能否发生荧光取决于分子的结构。荧光强度的大小不但与物质的分子结构有关，也与环境因素有关。1荧光量子产率 又称荧光效率它表示物质发射荧光的能力，越大，发射的荧光越强。由前面已经提到的荧光产生的过程中可以明显地看出，物质分子的荧光产率必然由激发态分子之活化过程的各个相对速率决定。若用数学式来表达这些关系，得到式中：kf为荧光发射的速率常数，ki为其他无辐射跃迁速率常数的总和。显然，凡是能使kf升高而其他ki值降低的因素都可使荧光增强；反之，荧光就减弱。kf的大小主要取决于化学结构；其他ki值则强烈地受环境的影响，也轻微地受化学结构的影响。2荧光与分子结构的关系（1） 跃迁类型。实验证明，跃迁是产生荧光的主要跃迁类型，所以绝大多数能产生荧光的物质都含有芳香环或杂环。（2） 共轭效应。增加体系的共轭度，荧光效率一般也将增大，并使荧光波长向长波方向移动。共轭效应使荧光增强的原因，主要是由于增大荧光物质的摩尔吸光系数，电子更容易被激发，产生更多的激发态分子，使荧光增强。（3） 刚性平面结构。荧光效率高的物质，其分子多是平面构型，且具有一定的刚性。例如荧光素和酚酞结构十分相似，荧光素呈平面构型，是强荧光物质，而酚酞没有氧桥，其分于不易保持平面，不是荧光物质。又如芴和联苯，芴在强碱溶液中的荧光效率接近1，而联苯仅为0.20，这主要是由于芴中引入亚甲基，使芴刚性增强的缘故。再有萘和维生素A都有5个共轭双键，萘是平面刚性结构，维生素A为非刚性结构，因而萘的荧光强度是维生素A的5倍。一般说来，分子结构刚性增强，共平面性增加，荧光增强。这主要是由于增加了电子的共轭度，同时减少了分子的内转换和系间跨越过程以及分子内部的振动等非辐射跃迁的能量损失，增强了荧光效率。（4） 取代基效应。芳烃和杂环化合物的荧光光谱和荧光强度常随取代基而改变。表3-1列出了部分基团对苯的荧光效率和荧光波长的影响。一般说来，给电子取代基如-OH，-NH2，-OR，-NR2等能增强荧光；这是由于产生了p-共轭作用，增强了电子的共轭程