复旦大学分析化学AII第四章分子发光光谱课件

1、期中考试说明*地点: 第四教学楼4401*时间: 5月5日, 上午7:309:30;*请带好学生证或一卡通;考试内容第十二章:光学分析导论;第十三章:紫外-可见分光光度法;第十四章:红外光谱;第十五章:分子发光分析法;第十七章:原子吸收光谱法;2022/10/11考题形式选择题, 10题, 共20分;填空题, 20空格, 共20分;名词解释, 5题, 共20分;问答题, 4题, 共20分;计算题, 4题, 共20分;2022/10/11第四章 分子发光分析法Molecular luminescence analysis 第一节 分子荧光与磷光Molecular fluorescence and

2、 phosphorescence2022/10/11光致发光处于激发态的分子以电辐射的形式释放其激发能的过程。两种光致发光现象：（1）荧光(Fluorescence)（2）磷光(phosphorescence)2022/10/11一、荧光与磷光的产生过程 luminescence process of molecular fluorescence phosphorescence 由分子结构理论，主要讨论荧光及磷光的产生机理。1. 分子能级与跃迁 分子能级比原子能级复杂； 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

3、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 ；2022/10/112.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；传递途径辐射跃迁荧光磷光内转移外转移系间跨越振动弛豫无辐射跃迁 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：10-710 -9 s,第一激发单重态的最低振动能级基态；磷光：10-410s；第一激发三重态的最低振动能级基态；2022/10/11S1S2

4、T1T2S0振动弛豫10-1410 -12 s内转换10-1310 -11 s系间跨越10-610 -2 s外转换荧光发射磷光发射光谱吸收1233 2 1荧光：10-710 -9 s磷光：10-4 10s；2022/10/11通过振动弛豫和内转换，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。 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；10-710 -9 s 。 发射荧光的能量比分子吸收的能量小，波长长； 2 2 1 ；2022/10/11系间跨越：指不同多重态之间的一种非辐射跃迁过程。这一过程约为10-210-6s。如果两个多重态

5、能级重叠，发生这一转换的概率增大。 改变电子自旋，禁阻跃迁，通过自旋轨道耦合进行。 通过系间跨越、内转换和振动弛豫，高激发态电子跨越至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（ 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： 10-4100 s 。 光照停止后，可持续一段时间。2022/10/11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”。溶液荧光的猝灭：(1).动态猝灭：激发单重态分子M*与猝灭剂Q发

6、生碰撞，使M*以无辐射跃迁的方式回到基态的过程，也称碰撞猝灭。 猝灭剂浓度 粘度 温度 动态猝灭(2).静态猝灭：荧光分子M与猝灭分子Q生产无荧光的基态络合物MQ，使荧光消失的过程。 猝灭剂浓度 温度 静态猝灭(3).电荷转移猝灭：荧光分子与猝灭分子间发生电荷转移，引起荧光消失的过程。如染料甲基兰荧光被Fe2+猝灭。2022/10/11二、激发光谱与荧光(磷光)光谱 excitation spectrum and fluore-scence spectrum 荧光(磷光)：光致发光，照射光波长如何选择？1.荧光(磷光)的激发光谱 改变激发波长，在固定测量波长(选发射最强处的波长)情况下,激发波

7、长与发射的荧光(磷光)强度的关系曲线（图中曲线I ） 。2022/10/11改变激发波长：300500nm固定测量波长: a=600nm b=650nm c=700nm d=750nm此处发射最强！ e=800nm 2022/10/112022/10/113.激发光谱与发射光谱的关系 a.Stokes位移：激发光谱与发射光谱间波长的不一致。发射光谱的波长比激发光谱的长，振动弛豫等消耗了能量。 b.荧光光谱与激发光波长无关 电子跃迁到不同激发态能级，吸收不同波长的能量(如能级图 2 , 1)，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(如 2 )。 c

8、. 荧光光谱和吸收光谱成镜像对称关系 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。 2022/10/11镜像规则的解释 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；2022/10/11200250300350400450500荧光激发光谱荧光发射光谱nm蒽的激发光谱和荧光光谱2022/10/11三、荧光的产生与分子结构的关系Relation between fluorescence and molecular structure 1.分子产生荧光必须具备的条件（1）荧光分子的寿命：返回基态前激发态的平均寿命，或激发态的分子数衰减到原来1/e数目时所经历的时

9、间F。 （2）具有一定的荧光量 子产率。荧光量子产率（F）：荧光发射的光子数与分子吸收的光子数之比。 F大，荧光强！利用荧光寿命的不同，可进行混合荧光物质的测定。2022/10/112.化合物的结构与荧光（1）跃迁类型：大多荧光物质存在* 、 * n的跃迁。* 的跃迁的值是* n跃迁的23个数量级，而且跃迁寿命要短10-2S，所以* 的荧光效率高，有利于荧光的产生；（2）共轭效应： 电子共轭程度度越大，则电子非定域性越大，越容易被激发，荧光也就越容易发生。并产生红移。F =0.18,=278nmF =0.29,=321nmF =0.46,=400nmF =0.60, =480nm2022/10

10、/111）给电子取代剂加强荧光4. 取代基效应HN2， NHR ， NR2， OH， OR ， CNn电子云几乎与芳环上轨道平行，产生 p 共轭二苯甲酮：弱荧光、强磷光S1 T1的系间窜跃产率接近1化合物苯苯酚苯胺苯基氰苯甲醚 emmax (nm)278310285365310405280390285345相对荧光强度10182020202）得电子取代基减弱荧光、加强磷光C=O， COOH ， NO2n电子云不与芳环上电子共平面，不能扩大电子的共轭程度，非键电子存在反而增强S1T1系间跨越，导致荧光减弱，磷光增强。硝基苯：不产生荧光、弱磷光2022/10/11含有重原子的溶剂，由于重原子效应荧

11、光减弱、磷光增强。5.重原子取代基效应Cl， Br ， I重原子出现，非键电子数目增加，同时，随原子质量增大，电子离原子核越远，使得激发态非键电子自旋状态改变的几率增大，即增强S1T1系间跨越。化合物萘1-甲基萘1-氟萘1-氯萘1-溴萘1-碘萘 Fmax(nm)315318316319320 Pmax (nm)470476473483484488P/F0.0930.0530.0685.26.41000 p(s)2.62.51.40.230.0140.00236.溶剂效应蓝移: E n * E n * 红移: E* E* 在极性溶剂中：无溶剂化作用有溶剂化作用2022/10/112022/10/

12、11四、影响荧光强度的因素1.溶剂的影响 溶剂极性会影响荧光波长和强度。2.温度的影响 温度增加，荧光强度下降（因内、外转换增加、粘度或“刚性”降低）。因此体系降低温度可增加荧光分析灵敏度。3. 溶液pH 具酸或碱性基团的有机物质，在不同pH值时，其结构可能发生变化，因而荧光强度将发生改变。4. 表面活性剂 荧光物质周围形成胶束，提高荧光效率。5. 溶解氧 降低荧光效率。2022/10/11第二节 分子荧光与磷光分析法Molecular fluorescence and phosphorescence analysis 2022/10/11一、仪器结构流程组成：激发光源、样品池、双单色器系统、

13、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：有两个单色器！选择激发光波长的单色器和选择发射光波长的单色器；光源：氘灯和高压汞灯，染料激光器(比可见与紫外强)。发射强度足够且稳定的连续光谱检测器：光电倍增管。2022/10/11紫外-可见分光光度计:光源样品池单色器检测器数据处理仪器控制荧光(磷光)分光光度计:光源样品池激发单色器检测器数据处理仪器控制发射单色器2022/10/11紫外-可见分光光度计测量池(吸收池)荧光分光光度计样品池I0ItI0ItIF,p2022/10/11样品池：液池、荧光池1.样品池的材料：与紫外-可见分光光度计的吸收池一样2. 吸收池

14、的形状：紫外-可见分光光度计的吸收池两面透光 荧光分光光度计的样品池四面透光波长范围3. 使用注意事项容易破碎问题：紫外-可见分光光度计的吸收池与荧光分光光度计的样品池有什么区别？沾污问题2022/10/11三维光谱图的仪器若采用多色光照射，用正交多色散器、二维多道检测器，如CCD面阵检测器，并用计算机数据采集和运算，可得激发光谱与发射光谱同时变化时的荧(磷)光光谱图。2022/10/112022/10/112. 三维荧光光谱I F f (ex 、em)蒽的激发光谱固定发射波长、扫描激发波长2022/10/11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。

15、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。2022/10/11二、荧光定量方法1. 定量依据 2022/10/112. 特点（1）灵敏度高 比紫外-可见分光光度法高24个数量级；为什么？ 检测下限：0.10.1g/cm-3 相对灵敏度：0.05mol/L 奎宁硫酸氢盐的硫酸溶液的 量子产率s=0.55。（2）选择性强 既可依据特征吸收光谱，又可根据特征发射光谱；（3）试样量少 缺点：应用范围小。2022/10/111.同步扫描技术 根据激发和发射单色器在扫描过程中彼此间所保持的关系，同步扫

16、描可分为固定波长差()和固定能量差及可变波长三种； 同步扫描技术可简化光谱，谱带变窄，减少光谱重叠，提高分辨率； 如图。 合适的可减少光谱重叠；酪氨酸和色氨酸的荧光激发光谱相似，发射光谱严重重叠，但60nm时，只显示色氨酸的特征光谱，实现分别测定。三、荧光分析方法2022/10/11的选择非常重要，它直接影响同步荧光光谱的形状、带宽和信号强度。选择通常需多次试验后才能确认。2022/10/112.时间分辨荧光光谱 是建立在荧光强度与时间变化关系上的方法。短脉冲光激发荧光体，激发群体随时间而衰变，其衰变率：Io与荧光物质的量 成正比。时间分辨检测下限可达飞秒（10-15）可消除干扰。2022/1

17、0/111、荧光体混合物中两组分的同时测定例 用8-羟基喹啉-5-磺酸(R)同时测定Al 和Ga 15.20 ml 样品 + 1 ml 0.045% R + 2 ml 20% NH4Ac (or 20% NH4Cl ) 调 pH 至4.5，稀释至25 ml 氘灯激发 测定荧光强度时间曲线 2022/10/11（1）测定荧光衰变曲线 Al RGa R可利用上述两个荧光化合物的差异对它们进行同时测定。2022/10/11（2）计算含量铝配合物和镓配合物的衰变曲线铝配合物和镓配合物的对数衰变曲线比较（1）和（4）的荧光强度得Al的含量比较（2）和（5）的荧光强度得Ga的含量1: Al ; 2: Ga

18、 ; 3:混合4: 3外延(Al) ; 5: 3减4空白2022/10/113.荧光分析法的应用(1)无机化合物的分析 在紫外光照射下会发生荧光的无机化合物很少，主要依赖于有机试剂形成的螯合物。与有机试剂配合物后测量；可测量约60多种元素。 铍、铝、硼、镓、硒、镁、稀土常采用荧光分析法； 氟、硫、铁、银、钴、镍采用荧光熄灭法测定； 铜、铍、铁、钴、锇及过氧化氢采用催化荧光法测定； 铬、铌、铀、碲采用低温荧光法测定； 铈、铕、锑、钒、铀采用固体荧光法测定(2)生物与有机化合物的分析 见表 2022/10/112022/10/112022/10/11三、磷光分析法的应用磷光的定量依据与荧光法类似。

19、低浓度时，Ip=KpC。常见的几种分析方法：(1)低温磷光法：减少非辐射去活过程。(2)常温磷光法：简化仪器设备： 固体表面室温磷光；固体吸附剂 胶束稳定的溶液室温磷光；磷光团引入到胶束； 胶束的定向减少内转化和碰撞 增加三重态的稳定性， 敏化溶液室温磷光；如下图：2022/10/112.室温磷光 由于低温磷光需要低温实验装置，溶剂选择的限制等因素，从而发展了多种室温磷光法（RTP）。（1）固体基质室温磷光法（SS-RTP） 此法基于测量室温下吸附于固体基质上的有机化合物所发射的磷光。所用的载体种类较多，有纤维素载体（如滤纸、玻璃纤维）、无机载体（如硅胶、氧化铝）以及有机载体（如乙酸钠、聚合物

20、、纤维素膜）等。理想的载体是既能将分析物质牢固地束缚在表面或基质中以增加其刚性，并能减小三重态的碰撞猝灭等非辐射去活化过程，而本身又不产生磷光背景。2022/10/11（2）胶束增稳的溶液室温磷光法（MS-RTP） 当溶液中表面活性剂的浓度达到临界胶束浓度后，便相互聚集形成胶束。由于这种胶束的多相性，改变了磷光物质的微环境和定向的约束力，减小了内转化和碰撞能量损失等非辐射去活化过程的趋势，明显增加了三重态的稳定性，从而可以实现在溶液中测量室温磷光。利用胶束稳定的因素，结合重原子效应，并对溶液除氧，是MS-RTP 的三个要素。2022/10/11外转换2022/10/111.稠环芳烃分析 采取固

21、体表面室温磷光分析法快速灵敏测定稠环芳烃和杂环化合物（致癌物质）；见表2.农药、生物碱、植物生长激素的分析 烟碱、降烟碱、新烟碱，2，4-D等分析 检测限0.01 g/cm-3 3.药物分析和临床分析 见表2022/10/112022/10/112022/10/11第三节 化学发光分析法Chemiluminescence analysis 利用化学反应所产生的能量引发分子发光现象而建立起来的分析方法，称为化学发光分析。2022/10/11一、基本原理 principle1. 化学发光反应 在化学反应过程中，某些化合物接受能量而被激发，从激发态返回基态时，发射出一定波长的光。 A +B = C

22、+ D* D* D + h（1）化学反应须提供足够能量,使基态分子激发；放热反应.（2）物质分子的激发能与反应能须相当,E=170300 kJ/mol；位于可见光区；（3）要有一定的发光效率； 化学发光反应存在于生物体(萤火虫、海洋发光生物)中，称生物发光(bioluminescence)。2022/10/112.化学发光效率化学激发效率：发光效率：时刻t 的化学发光强度(单位时间发射的光量子数)：dc/dt 分析物的反应速率；化学发光强度的积分值与反应物浓度成正比。2022/10/113.化学发光反应的类型（1）气相化学发光反应a. 一氧化氮与O3的发光反应 NO + O3 NO2* NO2

23、* NO2 + h 发射的光谱范围：600875nm，灵敏度1ng/cm-3；b.氧原子与SO2、NO、CO的发光反应 O3 O2 + O （1000 C石英管中进行） SO2 + O + O SO2* + O2 SO2 * SO2* + h 最大发射波长：200nm；灵敏度1ng/cm-3； 2022/10/11 O3 O2 + O （1000 C石英管中进行） NO + O NO2* NO2 * NO2 + h 发射光谱范围：4001400nm；灵敏度1ng/cm-3；氧原子与CO的发光反应： CO + O CO2* CO2 * CO2 + h 发射光谱范围：300500nm；灵敏度1ng/cm-3； 氧原子与NO的发光反应：2022/10/11c. 乙烯与O3的发光反应 乙烯与O3反应，生成激发态乙醛： CH2O* CH2O + h 最大发射波长：435nm；对O3的特效反应；线性响应范围1 ng/cm-3 1g/cm-3；2022/10/11（2）液相中的化学发光反应 机理研究较多，在分析中应用最多；可测痕量的H2O2 、Cu、Mn、Co、V、Fe、Cr、Ce、Hg、Th等。 应用最多的发光试剂：鲁米诺（3-氨基苯二甲酰肼）； 化学发光反应效率：0.150. 05； 鲁米诺在碱性溶液中与双氧水的反应过程：