第五章分子发光分析法

1、东东 北北 师师 范范 大大 学学 分分 析析 化化 学学 精精 品品 课课第五章第五章 分子发光分析法分子发光分析法前面一章我们学习了紫外可见吸收光谱法，分子吸收紫外可见光发生电子能级的跃迁，那么跃迁之后的情况怎么样？（如何弛豫？）一个途径就是产生光辐射（发光）荧光和磷光东东 北北 师师 范范 大大 学学 分分 析析 化化 学学 精精 品品 课课一、基本原理一、基本原理1、分子的激发态和基态：不论是分子轨道还是原子轨、分子的激发态和基态：不论是分子轨道还是原子轨道上的电子都有一套特有的描述其运动状态的量子数。道上的电子都有一套特有的描述其运动状态的量子数。根据根据Pauli Exclusio

2、n Principle，每个轨道上最多容纳，每个轨道上最多容纳2个自旋方向相反的电子。个自旋方向相反的电子。s = + 1/2 or - 1/2总自旋量子数：S = si东东 北北 师师 范范 大大 学学 分分 析析 化化 学学 精精 品品 课课能级的多重性：能级的多重性：2S1当当S0时，即时，即2S11，称为单重态；，称为单重态；当当S1/2时，即时，即2S12，称为双重态（只有一个电，称为双重态（只有一个电子）；子）；当当S1时，即时，即2S13，称为叁重态，称为叁重态基态单重态基态单重态S0 基态双重态基态双重态D0基态基态基态基态激发态激发态激发态激发态东东 北北 师师 范范 大大

3、学学 分分 析析 化化 学学 精精 品品 课课激发单重态激发单重态 S1 激发叁重态激发叁重态 T1Multiplicities:S0 - common, diamagnetic (not affected by B fields)D0 - unpaired electron, many radicals, two equal energy statesT1 - rare, paramagnetic (affected by B fields)(T0 - doesnt exist, not ground state)激发态激发态激发态激发态基态基态基态基态东东 北北 师师 范范 大大 学学 分

4、分 析析 化化 学学 精精 品品 课课S0S1T1S2分子的电子能级示意图分子的电子能级示意图东东 北北 师师 范范 大大 学学 分分 析析 化化 学学 精精 品品 课课注意注意:（1）没有基态叁重态；）没有基态叁重态；（2）从）从S0到到T1的跃迁是禁阻的；的跃迁是禁阻的；（3）Energy(S1)Energy(T1) (difference is energy required to flip electron spin)；（4）多数分子含有偶数电子，分子的电子基态多为单）多数分子含有偶数电子，分子的电子基态多为单重态；重态；（5）叁重态有顺磁性。）叁重态有顺磁性。东东 北北 师师 范范

5、大大 学学 分分 析析 化化 学学 精精 品品 课课2、荧光的产生、荧光的产生基态分子hv激发态回到基态，如何回去？回到基态，如何回去？东东 北北 师师 范范 大大 学学 分分 析析 化化 学学 精精 品品 课课S2S0S1T1l2l1分子的吸收情况分子的吸收情况东东 北北 师师 范范 大大 学学 分分 析析 化化 学学 精精 品品 课课S2S0S1T1l2l1振动弛豫：在同一电子能级（激发态）振动弛豫：在同一电子能级（激发态）特点：无辐射；速率快（特点：无辐射；速率快（10-1410-12 s内完成）内完成）东东 北北 师师 范范 大大 学学 分分 析析 化化 学学 精精 品品 课课S2S0

6、S1T1l2l1内转移（内转移（internal conversion) ：相同多重：相同多重性的两个电子能级之间的非辐射跃迁性的两个电子能级之间的非辐射跃迁东东 北北 师师 范范 大大 学学 分分 析析 化化 学学 精精 品品 课课内转移的特点内转移的特点（1）无辐射；）无辐射；（2）速率取决于两个能级之间的能量差，相邻单重激）速率取决于两个能级之间的能量差，相邻单重激发态之间能级接近，振动能级常常发生重叠，内转移发态之间能级接近，振动能级常常发生重叠，内转移很快；很快；（3）分子无论被激发到哪一个电子激发态，在）分子无论被激发到哪一个电子激发态，在10-1310-11 s内经内转移和振动弛

7、豫都会跃迁到最低的电子激内经内转移和振动弛豫都会跃迁到最低的电子激发态的最低振动能级上；发态的最低振动能级上；（4）So到到S1的能级差较大，内转移的速率相对较小，的能级差较大，内转移的速率相对较小，故故S1的寿命较长。的寿命较长。东东 北北 师师 范范 大大 学学 分分 析析 化化 学学 精精 品品 课课S2S0S1T1l2l1l3l3荧光发射荧光发射Fluorescence东东 北北 师师 范范 大大 学学 分分 析析 化化 学学 精精 品品 课课l1l2l3l3 l1 l2 l3 l1 l2 Only l3l3东东 北北 师师 范范 大大 学学 分分 析析 化化 学学 精精 品品 课课S

8、2S0S1T1l2l1系间窜跃系间窜跃磷光发射磷光发射l4Intersystem CrossingPhosphorescence东东 北北 师师 范范 大大 学学 分分 析析 化化 学学 精精 品品 课课磷光发射的特点磷光发射的特点（1）禁阻跃迁，发光速率慢，持续时间长）禁阻跃迁，发光速率慢，持续时间长10-4100s；（2）从）从T1也有回到也有回到S1，然后，然后S1到到S0发出荧光，叫延发出荧光，叫延迟荧光；迟荧光；（3）电子由）电子由S0到到T1几率极小，是禁阻跃迁。几率极小，是禁阻跃迁。外转移：指受激分子与溶剂或其它分子的相互作用及外转移：指受激分子与溶剂或其它分子的相互作用及能量转

9、移，使荧光或磷光强度减弱或消失的过程。能量转移，使荧光或磷光强度减弱或消失的过程。东东 北北 师师 范范 大大 学学 分分 析析 化化 学学 精精 品品 课课S0S1T1l2l1外转移外转移 External Conversion东东 北北 师师 范范 大大 学学 分分 析析 化化 学学 精精 品品 课课东东 北北 师师 范范 大大 学学 分分 析析 化化 学学 精精 品品 课课S0S1T1l2l1系间窜跃系间窜跃l3l3延迟荧光延迟荧光东东 北北 师师 范范 大大 学学 分分 析析 化化 学学 精精 品品 课课东东 北北 师师 范范 大大 学学 分分 析析 化化 学学 精精 品品 课课二、荧

10、光效率及其影响因素二、荧光效率及其影响因素1、荧光效率：物质吸收了紫外可见光后，跃迁至激发、荧光效率：物质吸收了紫外可见光后，跃迁至激发态，激发态分子是以辐射跃迁还是以非辐射跃迁弛豫，态，激发态分子是以辐射跃迁还是以非辐射跃迁弛豫，决定了物质能否发荧光。决定了物质能否发荧光。荧光效率指的是以辐射跃迁弛豫的分子数目占总激发荧光效率指的是以辐射跃迁弛豫的分子数目占总激发态分子数目的比例。态分子数目的比例。F FfNfluoresence/Nexcited（0.01.0）东东 北北 师师 范范 大大 学学 分分 析析 化化 学学 精精 品品 课课F Ff越大，表示辐射跃迁的概率越大，发光强度越大！越

11、大，表示辐射跃迁的概率越大，发光强度越大！以各种跃迁的速率常数（荧光发射，以各种跃迁的速率常数（荧光发射，VR，IC，isc等）等）来代替来代替N表示表示F Ff，得，得F Ffkf/（kf+S Ski）其中：其中：kf表示荧光发射过程的速率常数；表示荧光发射过程的速率常数；S Ski表示其它非辐射跃迁过程的速率常数之和。表示其它非辐射跃迁过程的速率常数之和。一般而言，一般而言，kf主要取决于分子结构。而主要取决于分子结构。而S Ski 主要取决于主要取决于化学环境。化学环境。东东 北北 师师 范范 大大 学学 分分 析析 化化 学学 精精 品品 课课2、荧光与分子结构的关系：、荧光与分子结构

12、的关系：物质只有能够吸收紫外可见光，才可能发射荧光；要物质只有能够吸收紫外可见光，才可能发射荧光；要吸收紫外可见光，分子中必须含有共轭双键。吸收紫外可见光，分子中必须含有共轭双键。（1）跃迁类型对荧光的影响：）跃迁类型对荧光的影响：吸收光：吸收光：n-p p* *，p-pp-p* *辐射光：辐射光： p p* * n ， p p* * p p（s）荧光）荧光东东 北北 师师 范范 大大 学学 分分 析析 化化 学学 精精 品品 课课什么情况下有利于荧光发射？什么情况下有利于荧光发射？（i）摩尔吸光系数大，有利于荧光：）摩尔吸光系数大，有利于荧光： p p* * p p跃迁比跃迁比p p* *

13、n强强1000倍；倍；（ii）寿命短）寿命短辐射光：辐射光： p p* * p p（1010-7-71010-9-9 s） p p* * n （ 1010-5-51010-7-7 s） （iii）系间窜跃至叁重态的速率常数小，有利于发荧光）系间窜跃至叁重态的速率常数小，有利于发荧光东东 北北 师师 范范 大大 学学 分分 析析 化化 学学 精精 品品 课课（2）共轭效应对荧光的影响）共轭效应对荧光的影响实验证明：芳香族化合物易产生荧光，且共轭体系越大，实验证明：芳香族化合物易产生荧光，且共轭体系越大，p p电子的离域性越强，越易被激发而产生荧光（荧光效电子的离域性越强，越易被激发而产生荧光（荧

14、光效率高。率高。注意：能够发荧光的脂肪族和脂环族化合物极少。Ff: 0.29Ff: 0.46东东 北北 师师 范范 大大 学学 分分 析析 化化 学学 精精 品品 课课再如：再如：Ff: 0.28Ff: 0.68(CHCH)3(CHCH)2共轭体系增加，荧光效率增大！共轭体系增加，荧光效率增大！东东 北北 师师 范范 大大 学学 分分 析析 化化 学学 精精 品品 课课（3）荧光物质的刚性和共平面性增加，可使分子与溶）荧光物质的刚性和共平面性增加，可使分子与溶剂或其它溶质分子的相互作用减小（即外转移能量损失剂或其它溶质分子的相互作用减小（即外转移能量损失减小），有利于荧光发射。减小），有利于荧

15、光发射。例如：例如：Ff: 0.20Ff: 1.0Fluorene（芴）东东 北北 师师 范范 大大 学学 分分 析析 化化 学学 精精 品品 课课再如：再如：8羟基喹啉（弱荧光），当与羟基喹啉（弱荧光），当与Mg2+络合后，为络合后，为强荧光物质。强荧光物质。又如：又如：红色荧光红色荧光滂铬滂铬BBR，无荧光，无荧光N=NOHOHSO3NaN=NSO3NaAlOOH2OOH2东东 北北 师师 范范 大大 学学 分分 析析 化化 学学 精精 品品 课课（4）取代基效应）取代基效应（i）给电子的取代基：如）给电子的取代基：如OH，NH2，NR2，OR等，等，p-p p共轭，使荧光增强。共轭，使荧

16、光增强。（ii）吸电子的取代基：如）吸电子的取代基：如NO2，COOH，NO等使荧光减弱。如：苯胺等使荧光减弱。如：苯胺苯，而硝基苯为非荧光物质。苯，而硝基苯为非荧光物质。（iii）卤素取代基随原子序数的增加，物质的荧光减弱，）卤素取代基随原子序数的增加，物质的荧光减弱，而磷光增强而磷光增强（重原子效应）（重原子效应）。东东 北北 师师 范范 大大 学学 分分 析析 化化 学学 精精 品品 课课（iv）空间取代基效应）空间取代基效应O3SN(CH3)2N(CH3)2SO3F Ff0.75F Ff0.03扭转离开了平面构型，影响了扭转离开了平面构型，影响了p-p p共轭作用共轭作用东东 北北 师

17、师 范范 大大 学学 分分 析析 化化 学学 精精 品品 课课（v）立体异构现象）立体异构现象无荧光无荧光强荧光强荧光CHCHCHCH东东 北北 师师 范范 大大 学学 分分 析析 化化 学学 精精 品品 课课3、环境因素对荧光的影响：、环境因素对荧光的影响：（1）溶剂的极性：电子激发态比基态的极性大，溶剂）溶剂的极性：电子激发态比基态的极性大，溶剂的极性增强，荧光强度增大，荧光波长红移。的极性增强，荧光强度增大，荧光波长红移。溶剂相对介电常数荧光峰l/nm荧光效率乙腈38.84100.064丙酮21.54050.055氯仿5.23980.041四氯化碳2.243900.002巯基喹啉在不同溶

18、剂中的荧光峰和荧光效率东东 北北 师师 范范 大大 学学 分分 析析 化化 学学 精精 品品 课课（2）温度：温度升高，）温度：温度升高，Kf不变，但非辐射跃迁的速不变，但非辐射跃迁的速率常数增大，是故荧光效率降低。率常数增大，是故荧光效率降低。（3）pH值：含酸性或碱性取代基的化合物荧光性质值：含酸性或碱性取代基的化合物荧光性质受受pH的影响。的影响。如：如：NH2NH3+ H+pH=4.83.4无荧光无荧光蓝色荧光蓝色荧光东东 北北 师师 范范 大大 学学 分分 析析 化化 学学 精精 品品 课课再如：再如：无荧光无荧光蓝色荧光蓝色荧光-O3SO-O3SOHpH=6.4-7.4-H+东东

19、北北 师师 范范 大大 学学 分分 析析 化化 学学 精精 品品 课课（4）表面活性剂：有利于荧光发射。）表面活性剂：有利于荧光发射。（5）O2的存在：的存在：O2为顺磁性分子，溶液中溶解氧的为顺磁性分子，溶液中溶解氧的存在，常常导致荧光降低，甚至熄灭，这可能是处于存在，常常导致荧光降低，甚至熄灭，这可能是处于单重激发态的荧光物质的分子相互作用，加速系间窜单重激发态的荧光物质的分子相互作用，加速系间窜跃（几率增大）所致。跃（几率增大）所致。东东 北北 师师 范范 大大 学学 分分 析析 化化 学学 精精 品品 课课三、荧光强度与溶液浓度的关系三、荧光强度与溶液浓度的关系以以If表示荧光强度，以

20、表示荧光强度，以Ia表示吸收光的强度，根据荧光表示吸收光的强度，根据荧光效率的定义，则效率的定义，则:If F FfIaIf F Ff（I0I）I0为入射光强度，为入射光强度，I为透射光强度。为透射光强度。根据比尔定律：根据比尔定律：AlogI0/I可得可得II010-A东东 北北 师师 范范 大大 学学 分分 析析 化化 学学 精精 品品 课课II010-A I0 10-e ebcIf F Ff（I0I） F Ff I0 （1 10-A ）级数展开级数展开If F Ff I0 （2.3A(-2.3A)2/2! (-2.3A)3/3! ）若溶液的浓度很稀，若溶液的浓度很稀，A600 nm)CO

21、 (NO,SO2等）等）OCO2*CO2*CO2hv（300-500 nm)灵敏度可测至灵敏度可测至1ppb东东 北北 师师 范范 大大 学学 分分 析析 化化 学学 精精 品品 课课（2）液相化学发光）液相化学发光用于此类化学发光分析的发光物质有鲁米诺（用于此类化学发光分析的发光物质有鲁米诺（luminol)、光泽碱、没食子酸，洛粉碱等。光泽碱、没食子酸，洛粉碱等。OXIDANTBASEluminol*3-Aminophthalate+3-APA东东 北北 师师 范范 大大 学学 分分 析析 化化 学学 精精 品品 课课l lmax = 425 nm氧化剂氧化剂: H2O2 O2 KMnO4 NaClO I2 Fe(CN)63-.与过氧化氢的反应可被催化与过氧化氢的反应可被催化: 过氧化酶过氧化酶 氧化血红素氧化血红素 过过渡金属离子渡金属离子(Co2+、 Cu2+、 Fe3+、 Ni、Cr、Ag、Mn、Hg、Os、Ru、Ir、Rh、V etc.)利用利用luminol与过氧化氢的反应可测酶促反应的底物，如与过氧