分子发光分析

1、仪器分析仪器分析2光谱分析光谱分析原子光谱原子光谱原子吸收原子吸收原子发射原子发射原子原子荧光荧光分子分子光谱光谱分子分子吸收吸收紫外紫外- -可见光谱可见光谱红外光谱红外光谱分子发光分子发光3第八章第八章 分子发光分析法分子发光分析法 分子分子吸收吸收能量能量激发为激发态激发为激发态释放出释放出能量能量基态基态电能电能化学能化学能光能光能称为称为“发光发光”光的形式释放光的形式释放荧光荧光磷光磷光分子发光分子发光光致发光光致发光化学发光化学发光辐射跃迁辐射跃迁非辐射跃迁非辐射跃迁以热的形式释放以热的形式释放4 分子荧光分子荧光/磷光分析法磷光分析法一、基本原理一、基本原理（一）荧光和磷光的产

2、生（一）荧光和磷光的产生 从分子结构理论来讨论从分子结构理论来讨论分子中电子分子中电子的能量状态的能量状态电子所处的能级电子所处的能级振动能级振动能级转动能级转动能级电子的多重态电子的多重态J=2S+1S：为各电子自旋量子为各电子自旋量子数的代数和数的代数和S=0, J=1 单重态单重态S表示表示（所有电子都是自旋配对的）（所有电子都是自旋配对的）S=1, J=3三重态三重态 T表示表示大多数基态分子都处于单重态大多数基态分子都处于单重态电子在跃迁过程中伴随着电子在跃迁过程中伴随着自旋方向的变化（自旋平行）自旋方向的变化（自旋平行）5基态单重态基态单重态S 激发态单重态激发态单重态S 激发态三

3、重态激发态三重态T 激发单重态激发单重态S与激发三重态与激发三重态T的不同点：的不同点： S是抗磁分子是抗磁分子(磁矩磁矩=0)，T是顺磁分子是顺磁分子(磁矩磁矩0) tS = 10-8s, tT = 10-41s；(发光速度很慢) 基态单重态到激发单重态的激发为允许跃迁，基态单重态到激发单重态的激发为允许跃迁， 基态单重态到激发三重态的激发为禁阻跃迁；基态单重态到激发三重态的激发为禁阻跃迁； 激发三重态的能量较激发单重态的能量低激发三重态的能量较激发单重态的能量低荧荧光光的的产产生生激发态分子辐射跃迁辐射跃迁无辐射跃迁无辐射跃迁荧光荧光磷光磷光猝灭猝灭内转换内转换系间跨越系间跨越振动弛豫振动

4、弛豫受激发分子的去活化过程受激发分子的去活化过程7其中其中S0、S1和和S2分别表示分子的基态、第一和第二电子激发的单重态分别表示分子的基态、第一和第二电子激发的单重态T1和和T2则分别表示分子的第一和第二电子激发的三重态。则分别表示分子的第一和第二电子激发的三重态。V=0、1、2、3、表示基态和激发态的振动能级。表示基态和激发态的振动能级。 2分子内的光物理过程 8S0S1S2T1吸光1吸光2振动弛豫振动弛豫:在在同一电子能级同一电子能级中，电子由高振中，电子由高振动能级转至低振动能级转至低振动能级，而将多动能级，而将多余的能量以余的能量以热热 的的形式发出。形式发出。发生发生振动弛豫的时振

5、动弛豫的时间为间为10-12s数量数量级级。非辐射能量传递过程；非辐射能量传递过程；9S0S1S2T1吸光1吸光2内转移内转移: 当当两个电子能级两个电子能级非常靠近以至其振动能级有非常靠近以至其振动能级有重重 叠叠时，时， 常发生电子由高能级以常发生电子由高能级以无辐射跃迁方式无辐射跃迁方式转移至低能级。转移至低能级。（S1 转移转移 S2）10S0S1S2T1吸光1吸光2荧光3系间窜跃系间窜跃: 指指不同多重态间不同多重态间的的无辐射跃迁无辐射跃迁， 例如例如S1T1就是一就是一种系间窜跃。种系间窜跃。 通常，发生系间通常，发生系间窜跃时，电子由窜跃时，电子由S1的较低振动能级转的较低振动

6、能级转移至移至T1的较高振动的较高振动能级处。能级处。11辐射能量传递过程辐射能量传递过程荧光发射荧光发射:电子由电子由第一激发单重态的最低振动能级第一激发单重态的最低振动能级基态基态 S0S1S2T1吸光1吸光2荧光3荧光荧光得到最大波长为得到最大波长为3 3的荧光的荧光由图可见，发射荧光的能量由图可见，发射荧光的能量比分子吸收的能量小比分子吸收的能量小 3 3 2 112磷光发射磷光发射: 电子由基态单重态激发至第一电子由基态单重态激发至第一激发三重态的几率很小，因为这激发三重态的几率很小，因为这是禁阻跃迁。是禁阻跃迁。 但是，由第一激发单重态的最但是，由第一激发单重态的最低振动能级，有可

7、能以系间窜跃低振动能级，有可能以系间窜跃方式转至第一激发三重态，再经方式转至第一激发三重态，再经过振动驰豫，转至其最低振动能过振动驰豫，转至其最低振动能级，由此激发态跃回至基态时，级，由此激发态跃回至基态时，便发射磷光，便发射磷光， 这个跃迁过程（这个跃迁过程（T1S0）也是也是自旋禁阻的，其发光速率较慢，自旋禁阻的，其发光速率较慢，约为约为10-4-10s。因此，这种跃迁所因此，这种跃迁所发射的光，发射的光，在光照停止后，仍可在光照停止后，仍可持续一段时间持续一段时间。S0S1S2T1吸光1吸光2荧光3磷光磷光磷光13猝灭 指激发分子与溶剂分子或其它溶质分子指激发分子与溶剂分子或其它溶质分子

8、的相互作用及能量转移，使荧光或磷光强的相互作用及能量转移，使荧光或磷光强度减弱甚至消失。这一现象称为度减弱甚至消失。这一现象称为“熄灭熄灭”或或“猝灭猝灭”。 荧光与磷光的根本区别：荧光与磷光的根本区别： 磷光磷光是由是由激发三重态激发三重态最低振动能层至基态最低振动能层至基态荧光荧光是由激发是由激发单重态单重态最低振动能层至基态最低振动能层至基态区别区别14(二二 )荧光的激发光谱和发射光谱荧光的激发光谱和发射光谱 激发光谱激发光谱:(ex)以不同波长的入射光激发荧光物质以不同波长的入射光激发荧光物质,在荧在荧光最强的波长处测量荧光强度光最强的波长处测量荧光强度 即以激发光波长为横坐标即以激

9、发光波长为横坐标,以荧光强度为以荧光强度为纵坐标绘制纵坐标绘制曲线即可得到激发光谱曲线曲线即可得到激发光谱曲线。发射光谱：发射光谱：(em)固定激发光波长（最大）固定激发光波长（最大）然后测定不同的波长时所发射的荧光强度然后测定不同的波长时所发射的荧光强度即可绘制荧光发射光谱曲线即可绘制荧光发射光谱曲线F nmmaxem 激发光谱和荧光光谱激发光谱和荧光光谱激发光谱激发光谱荧光光谱荧光光谱maxex16在荧光的产生过程中，由于存在各种形在荧光的产生过程中，由于存在各种形式的无辐射跃迁，损失能量，所以它们的式的无辐射跃迁，损失能量，所以它们的最大发射波长都向长波方向移动，以磷光最大发射波长都向长

10、波方向移动，以磷光波长的移动最多，而且它的强度也相对较波长的移动最多，而且它的强度也相对较弱。弱。17激发光谱激发光谱荧光发射光谱荧光发射光谱磷光光谱磷光光谱室温下菲的乙醇溶液荧（磷）光光谱室温下菲的乙醇溶液荧（磷）光光谱F20026032038044050056062018 激发光谱与发射光谱的关系激发光谱与发射光谱的关系 a. Stokes位移位移 激发光谱与发射光谱之间的波长差值。发射光谱的波激发光谱与发射光谱之间的波长差值。发射光谱的波长比激发光谱的长，由于振动弛豫、内转化消耗了能量长比激发光谱的长，由于振动弛豫、内转化消耗了能量 b. 发射光谱的形状与激发波长无关发射光谱的形状与激发

11、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电子跃迁到不同激发态能级，吸收不同波长的能量(如如能级图能级图 2, 1)，产生不同吸收带，但均回到第一激发单重，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，产生波长一定的荧态的最低振动能级再跃迁回到基态，产生波长一定的荧光光c. 镜像规则镜像规则 通常荧光发射光谱与它的吸收光谱（与激发光谱形状通常荧光发射光谱与它的吸收光谱（与激发光谱形状一样）成镜像对称关系。一样）成镜像对称关系。 镜像规则的原因 基态上的各振动能级基态上的各振动能级分布与第一激发态上的各分布与第一激发态上的各振动能级分布类似；振动能级分布类似；

12、基态上的零振动基态上的零振动能级与第一激发态的能级与第一激发态的二振动能级之间的跃二振动能级之间的跃迁几率最大，相反跃迁几率最大，相反跃迁也然。迁也然。 20（三）（三）荧光的影响因素 分子产生荧光必须具备两个条件：分子产生荧光必须具备两个条件： 分子必须具有与所照射的辐射频率分子必须具有与所照射的辐射频率(紫外紫外-可可见光）相适应的结构见光）相适应的结构(*和和n*); 才能吸收才能吸收激发光；激发光； 吸收了与其本身特征频率相同的能量吸收了与其本身特征频率相同的能量之后，之后，必须具有一定的荧光量子产率。必须具有一定的荧光量子产率。211.荧光效率荧光效率它表示物质发射荧光的能力，通常用

13、下式表示它表示物质发射荧光的能力，通常用下式表示 f发荧光的分子数激发分子的总数荧光效率越高；荧光效率越高；物质发射荧光越强物质发射荧光越强fffiKKKkf为荧光发射过程的速率常数（为荧光发射过程的速率常数（与化学结构有关）与化学结构有关） ki为其它有关过程的速率常数的总和（为其它有关过程的速率常数的总和（化学环境）化学环境）凡使凡使kf 值升高而使值升高而使ki值降低的因素，都可增强荧光。值降低的因素，都可增强荧光。222. 荧光与有机化合物结构的关系荧光与有机化合物结构的关系（1）跃迁类型）跃迁类型 实验证明，对于大多数荧光物质，首先经历实验证明，对于大多数荧光物质，首先经历 激发，然

14、后经过振动弛豫或其他无辐射激发，然后经过振动弛豫或其他无辐射跃迁，再发生跃迁，再发生 跃迁而得到荧光。跃迁而得到荧光。 （2）共轭效应）共轭效应实验证明，容易实现实验证明，容易实现 激发激发 的芳香族化合物的芳香族化合物容易发生荧光，增加体系的共轭度荧光效率一般容易发生荧光，增加体系的共轭度荧光效率一般也将增大，主要是由于增大荧光物质的摩尔吸光也将增大，主要是由于增大荧光物质的摩尔吸光系数，有利于产生更多的激发态分子系数，有利于产生更多的激发态分子23(3) (3) 刚性平面结构刚性平面结构 实验发现，多数具有刚性平面结构的实验发现，多数具有刚性平面结构的 有机分子具有强烈的荧光。有机分子具有

15、强烈的荧光。 因为这种结构可以减少分子的振动，因为这种结构可以减少分子的振动，使分子与溶剂或其它溶质分子的相互作用使分子与溶剂或其它溶质分子的相互作用减少，也就减少了碰减少，也就减少了碰 撞去活的可能性。撞去活的可能性。24（4）取代基效应）取代基效应芳环上芳环上取代基取代基给电子基团，荧光增强给电子基团，荧光增强（-OH、-OR、-CN、-NH2）产生了产生了p- 共轭作用，增强了共轭作用，增强了 电子共轭程度，电子共轭程度，使最低激发单重态与基态之间的跃迁几率增大。使最低激发单重态与基态之间的跃迁几率增大。吸电子基团吸电子基团减弱甚至会减弱甚至会猝猝灭荧光灭荧光如如-COOH、-NO、-C

16、 O、卤素卤素卤素取代基随原子序数的增加而荧光降低卤素取代基随原子序数的增加而荧光降低在重原子中，能级之间的交叉现象比在重原子中，能级之间的交叉现象比 较严较严重，因此容易发生自旋轨道的相互作用，重，因此容易发生自旋轨道的相互作用，增加了由单重态转化为三重态的速率增加了由单重态转化为三重态的速率253. 金属螯合物的荧光金属螯合物的荧光大多数无机盐类金属离子，在溶液中只能大多数无机盐类金属离子，在溶液中只能发生无辐射跃迁，因而不产生荧光。发生无辐射跃迁，因而不产生荧光。不少有机化合物虽然具有共轭双键，但由不少有机化合物虽然具有共轭双键，但由于不是刚性结构，分子处于非同一平面，于不是刚性结构，分

17、子处于非同一平面，因而不发生荧光。因而不发生荧光。 但是，但是，若这些化合物和金属离子形成螯若这些化合物和金属离子形成螯合物，随着分子的合物，随着分子的刚性增强刚性增强，平面结构的，平面结构的增大，常会发生荧光增大，常会发生荧光2627 同一种荧光物质溶于不同溶剂，其荧光光谱的位置和强度同一种荧光物质溶于不同溶剂，其荧光光谱的位置和强度可能有明显不同。可能有明显不同。 4 4溶剂效应溶剂效应 一般情况下，随着溶剂的极性的增加，荧光物质的一般情况下，随着溶剂的极性的增加，荧光物质的* 跃迁几率增加，荧光强度将增强，荧光波长也发生红移。跃迁几率增加，荧光强度将增强，荧光波长也发生红移。 5 5温度

18、的影响温度的影响 一般说来，大多数荧光物质的溶液随着温度的降低，一般说来，大多数荧光物质的溶液随着温度的降低，荧光效率和荧光强度将增加荧光效率和荧光强度将增加如荧光素的乙醇溶液在如荧光素的乙醇溶液在0以下每降低以下每降低10 ，荧光效率增加荧光效率增加3%，冷至，冷至-80时，荧光效率为时，荧光效率为100%。28（四）（四）溶液的荧光（或磷光）强度溶液的荧光（或磷光）强度 1. 荧光强度与溶液浓度的关系荧光强度与溶液浓度的关系 荧光强度荧光强度If正比于吸收的光量正比于吸收的光量Ia与荧光量与荧光量 子产率子产率 。 If = Ia 式中式中 为荧光量子效率，又根据为荧光量子效率，又根据Be

19、er定律定律 A=-lg I/ I0 I= I0 .10- A Ia = I0 - I = I0(1- 10 -A) I0和和I分别是入射光强度和透射光强度。代入分别是入射光强度和透射光强度。代入上式得上式得 If = I0(1- 10 -kb c)29整理得：整理得： If =2.3 I0 kbc当入射光强度当入射光强度I0 和和b一定时，上式为：一定时，上式为： If = K c即即荧光强度与荧光物质的浓度成正比，荧光强度与荧光物质的浓度成正比， 但这种线性关系只有在极稀的溶液中，但这种线性关系只有在极稀的溶液中， 当当 kbkbc 0.050.05时才成立。时才成立。 对于较浓溶液，由于

20、猝灭现象和自吸对于较浓溶液，由于猝灭现象和自吸收等原因，使荧光强度和浓度不呈线性收等原因，使荧光强度和浓度不呈线性关系。关系。 302 、影响荧光强度的环境因素、影响荧光强度的环境因素因素因素溶剂溶剂一般溶剂效应一般溶剂效应折射率和介电常数的影响折射率和介电常数的影响特殊溶剂效应特殊溶剂效应荧光体和溶剂分子间的荧光体和溶剂分子间的特殊化学作用特殊化学作用如氢键的生成如氢键的生成同一种荧光物质在不同的溶剂中的荧光光谱不同同一种荧光物质在不同的溶剂中的荧光光谱不同温度温度温度上升使荧光强度下降温度上升使荧光强度下降内部能量转化作用增大内部能量转化作用增大碰撞频率增加碰撞频率增加，使外转换的几率增加

21、，使外转换的几率增加酸度酸度化合物所处状态不同化合物所处状态不同电子构型上有所不同电子构型上有所不同荧光强度和荧光光谱不同荧光强度和荧光光谱不同31323、荧光猝灭荧光猝灭定义：定义：荧光物质分子与溶剂分子或其它溶质分子荧光物质分子与溶剂分子或其它溶质分子 的相互作用引起荧光强度降低的现象的相互作用引起荧光强度降低的现象类型类型碰撞猝灭碰撞猝灭激发单重态的荧光分子与猝灭剂分子相碰激发单重态的荧光分子与猝灭剂分子相碰撞撞,荧光分子以无辐射跃迁的方式回到基态荧光分子以无辐射跃迁的方式回到基态静态猝灭静态猝灭荧光物质分子与猝灭剂分子生成非荧光荧光物质分子与猝灭剂分子生成非荧光的络合物的络合物转入三重

22、态的猝灭转入三重态的猝灭发生电子转移反应的猝灭发生电子转移反应的猝灭猝灭剂与荧光物质猝灭剂与荧光物质荧光物质的自猝灭荧光物质的自猝灭浓度较高单重激发态的分子在发生荧光之前和未浓度较高单重激发态的分子在发生荧光之前和未激发的荧光物质分子碰撞而引起的自猝灭激发的荧光物质分子碰撞而引起的自猝灭溶解氧与荧光物质溶解氧与荧光物质33光源光源氙灯和高压汞灯氙灯和高压汞灯激发单色器激发单色器光栅光栅扫描激发光谱，选择激发波长扫描激发光谱，选择激发波长样品池样品池I0 IIf发射单色器发射单色器扫描发扫描发射射光谱光谱消除其它光线的干扰消除其它光线的干扰获得所需的荧光获得所需的荧光检测器检测器显示器显示器与分

23、光光度计的差别与分光光度计的差别两个单色器两个单色器两个单色器互成直角两个单色器互成直角光电倍增管光电倍增管二、荧光分析仪二、荧光分析仪石石英英杯杯四四个个光光学学面面35三、分子荧光分析法及其应用三、分子荧光分析法及其应用1. 荧光分析方法的特点荧光分析方法的特点（1）灵敏度高）灵敏度高 （2）选择性强）选择性强（3）试样量少和方法简单）试样量少和方法简单 （4）提供比较多的物理参数）提供比较多的物理参数2、荧光、荧光定量定量分析的分析的方法方法方法方法标准曲线法标准曲线法荧光强度与荧光物质浓度成正比的关系荧光强度与荧光物质浓度成正比的关系比较法比较法同样条件下，测定试样溶液和一标准溶液同样

24、条件下，测定试样溶液和一标准溶液的荧光强度，直接通过比例计算的荧光强度，直接通过比例计算363 3、荧光分析法的应用、荧光分析法的应用方法方法直接荧光法直接荧光法被测物本身有荧光被测物本身有荧光被测物与试剂反应后被测物与试剂反应后F F与物质的与物质的浓度成正比浓度成正比荧光猝灭法荧光猝灭法被测物使荧光熄灭被测物使荧光熄灭由荧光强度降低的强度来测定被由荧光强度降低的强度来测定被测物的含量测物的含量 间接荧光法间接荧光法某些阴离子夺取金属络合物中金属某些阴离子夺取金属络合物中金属离子，而释放出能发荧光的配位体离子，而释放出能发荧光的配位体催化荧光法催化荧光法反应速度慢，荧光微弱，难测定反应速度慢

25、，荧光微弱，难测定金属离子将加速反应进行金属离子将加速反应进行定性和定量分析定性和定量分析二、定量分析二、定量分析荧光强度与荧光物质浓度的关系荧光强度与荧光物质浓度的关系I0ItF一、定性分析一、定性分析F=KC形式相同于比尔定律形式相同于比尔定律一定条件一定条件下，荧光强度与荧光物质的浓度成正比下，荧光强度与荧光物质的浓度成正比荧光强度荧光强度 F正比于吸收的光量正比于吸收的光量I和荧光效率和荧光效率 ： F Ia 由朗由朗-比尔定律：比尔定律： Ia = I0(1-e- l c ) F I0(1-10- l c ) = I0(1-e-2.3 l c ) 浓度很低时，将括号项近似处理后：浓度

26、很低时，将括号项近似处理后： F= 2.3 I0 l c = Kc定量依据：定量依据：荧光定量分析荧光定量分析F=KC适用条件：适用条件：溶液很稀，A0.05；线性范围：10-5100ug/ml。1. 标准标准(工作工作)曲线法：曲线法：F0CFxCx2. 比例法：比例法：ssxxxsxsxxssCFFCCCFFKCFKCF 扣除空白时：ssxxCFFFFC00 42磷光分析法磷光分析法 1如何获得较强的磷光如何获得较强的磷光增加试样的刚性增加试样的刚性: 低温冷冻低温冷冻 固体磷光法：固体磷光法：吸附于固相载体（滤纸）吸附于固相载体（滤纸） 分子缔合物的形成：分子缔合物的形成：加入表面活性剂

27、等加入表面活性剂等 重原子效应：重原子效应：加入含重原子的物质，如银盐等加入含重原子的物质，如银盐等 敏化磷光：敏化磷光：通过能量转移产生磷光通过能量转移产生磷光磷光发射：电子由第一激发三重态的最低振动能级磷光发射：电子由第一激发三重态的最低振动能级 基态，基态， T1 S0跃迁；跃迁； 电子由电子由S0进入进入T1的可能过程：（的可能过程：（ S0 T1禁阻跃迁）禁阻跃迁）43 荧光计上配上磷光测量附件即可对磷光进行测量。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在有荧光发射的同时测量磷光磷光分析仪器 应用荧光分析法的应用示例荧光分析法的应用示例(1)(1)无机化

28、合物的分析无机化合物的分析(2)(2)生物与有机化合物的分析生物与有机化合物的分析荧光分光光度法的应用荧光分光光度法的应用实例：实例：尿液中维生素尿液中维生素B2的测定：的测定：维生素维生素B2(核黄素核黄素)在在430nm440nm蓝光照射下会蓝光照射下会发生绿色荧光，发生绿色荧光，em=535nm。在。在pH=67的溶液的溶液中荧光强度最大，而在中荧光强度最大，而在pH=11时荧光消失；时荧光消失； 但在碱性溶液中经光线照射发生分解作用或在酸但在碱性溶液中经光线照射发生分解作用或在酸性性KMnO4氧化下会生成荧光强度比维生素氧化下会生成荧光强度比维生素B2强得多强得多的光黄素，并可溶于氯仿

29、。的光黄素，并可溶于氯仿。NHNNNRCH3CH3OONHNNNCH3CH3CH3OOO核黄素 光黄素利用此性质可提高测定的灵敏度及选择性。利用此性质可提高测定的灵敏度及选择性。分子荧光分析法的测定条件选择分子荧光分析法的测定条件选择1. 仪器最佳测定条件仪器最佳测定条件在非参比法测量技术中，灯电流调到最大允许在非参比法测量技术中，灯电流调到最大允许值，可提高测定灵敏度。值，可提高测定灵敏度。作定性测定时狭缝宜窄一些，能获得较纯的谱作定性测定时狭缝宜窄一些，能获得较纯的谱带及精细的光谱；带及精细的光谱；作定量测定时狭缝不宜过小，以增加荧光强度，作定量测定时狭缝不宜过小，以增加荧光强度，提高测定灵敏度。提高测定灵