荧光分析技术与应用

荧光分析法（Fluorometry)概述一荧光定量分析方法三荧光分析技术与应用四小结五基本原理二第1页/共56页第一页，共57页。一、概述1、荧光（Fluorescence)

物质吸收光子能量而被激发，然后从激发单线态的最低振动能级回到基态时所发射出的光称为荧光。荧光棒荧光手镯第2页/共56页第二页，共57页。一、概述2、荧光分析法（Fluorometry)

根据物质的荧光谱线位置及其强度鉴定物质并测定物质含量的方法称为荧光分析法。

根据光源不同，荧光可分为X射线荧光法（X-rayfluorometry)、原子荧光法（AtomicFluorometry)及分子荧光法（MolecularFluorometry).RoHSAnalyzerX射线荧光光谱仪原子荧光光度计LS45荧光分光光度计第3页/共56页第三页，共57页。一、概述3、荧光分析法与紫外－可见分光光度法和红外光谱法的比较：吸收光谱发射光谱本质一般高选择性10-5~10-7g/mL10-8~10-10g/mL灵敏度不同点分子光谱分子光谱相同点红外和紫外可见荧光第4页/共56页第四页，共57页。荧光分析法（Fluorometry)概述一基本原理二荧光定量分析方法三荧光分析技术与应用四小结五第5页/共56页第五页，共57页。二、基本原理1、分子荧光光谱的产生（1）分子能级与电子能级的多重性(M=2S+1)单重态（singletstate):总自旋S=0，两个电子自旋相反，M=2S+1=1,用符号S表示。三重态（tripletstate):总自旋S=1，两个电子自旋方向平行，M=2S+1=3，用符号T表示。ππππ*π*π*a

基态单重态b

激发态单重态c

激发态三重态第6页/共56页第六页，共57页。二、基本原理改变不变自旋方向10-6（光学禁阻，几率小）≈1跃迁几率小大△E单重态三重态单重态单重态跃迁类型跃迁类型的比较第7页/共56页第七页，共57页。（2）荧光的产生处于激发态的分子返回到基态共有以下几种途径：ν0ν2ν1ν3ν4adfbbceS2*S1*S0T1a吸收；b.振动驰豫；c.内部能量转换；d.荧光；e.体系间跨越；f.磷光荧光和磷光产生的示意图ν0ν2ν1ν3ν4ν0ν2ν1ν3ν4ν0ν2ν1ν3ν4a.振动驰豫（vibrationalrelexation)：从电子激发态的某一振动能级到达同一电子激发态的最低振动能级的过程为振动驰豫（如右图b所示）。特点：发生在同一个激发态的电子能级上；时间约10-12秒。第8页/共56页第八页，共57页。二、基本原理ν0ν2ν1ν3ν4adfbbceS2*S1*S0T1a吸收；b.振动驰豫；c.内部能量转换；d.荧光；e.体系间跨越；f.磷光荧光和磷光产生的示意图ν0ν2ν1ν3ν4ν0ν2ν1ν3ν4ν0ν2ν1ν3ν4b.内部能量转换（internalconversion)：电子常常由高能级以非辐射跃迁方式转移至低能级，这种过程称为内部能量转换.特点：两个电子的能级非常靠近以致其振动能级有重叠时内部转换易发生。10-1~10-13秒可完成。第9页/共56页第九页，共57页。二、基本原理ν0ν2ν1ν3ν4adfbbceS2*S1*S0T1a吸收；b.振动驰豫；c.内部能量转换；d.荧光；e.体系间跨越；f.磷光荧光和磷光产生的示意图ν0ν2ν1ν3ν4ν0ν2ν1ν3ν4ν0ν2ν1ν3ν4c.体系间跨越（intersystemcrossing)

受激分子的电子在激发态发生反旋而改变多重性的过程（如右图e所示）。特点：振动能级重迭时，产生体系间跨越的可能大;跨越后，荧光量子减弱,甚至会荧光熄灭.例如：S1*T1第10页/共56页第十页，共57页。二、基本原理影响体系间跨越几率增大的因素：▲含重原子如碘、溴等的分子，体系间跨越最为常见。在溶液中存在氧分子等顺磁性物质也能增加体系间跨越的发生几率。原因：高原子序数的原子中，电子的自旋与轨道运动之间的相互作用较大，有利于电子自旋反转的发生。第11页/共56页第十一页，共57页。二、基本原理ν0ν2ν1ν3ν4adfbbceS2*S1*S0T1a吸收；b.振动驰豫；c.内部能量转换；d.荧光；e.体系间跨越；f.磷光荧光和磷光产生的示意图ν0ν2ν1ν3ν4ν0ν2ν1ν3ν4ν0ν2ν1ν3ν4电子由第一激发态单线态的最低振动能级跃迁到基态的任一振动能级而发射的光量子为荧光（如右图d所示）。特点：荧光的能量小于所吸收的紫外光的能量，故发射荧光的波长比吸收的紫外光波长更长；时间约为10-14~10-8

。d.荧光（Fluorescence)：第12页/共56页第十二页，共57页。二、基本原理ν0ν2ν1ν3ν4adfbbceS2*S1*S0T1a吸收；b.振动驰豫；c.内部能量转换；d.荧光；e.体系间跨越；f.磷光荧光和磷光产生的示意图ν0ν2ν1ν3ν4ν0ν2ν1ν3ν4ν0ν2ν1ν3ν4

由第一电子激发态三线态的最低振动能级跃迁到基态单线态任一振动能级发射的光量子为磷光.特点：磷光能量比荧光小，波长比荧光长;发射时间长,约为10-4~10秒（分子激发三重态的寿命较长）。e.磷光（Phosphorescence)：第13页/共56页第十三页，共57页。二、基本原理ν0ν2ν1ν3ν4adfbbceS2*S1*S0T1a吸收；b.振动驰豫；c.内部能量转换；d.荧光；e.体系间跨越；f.磷光荧光和磷光产生的示意图ν0ν2ν1ν3ν4ν0ν2ν1ν3ν4ν0ν2ν1ν3ν4如果分子在溶液中激发，在激发总分子之间、分子与溶剂分子之间或通过与其他分子的碰撞而失去能量，常以热能的方式放出，这个过程称为外部能量转换。特点：发生分子与分子的碰撞时；时间约10-9~10-7秒。外部能量转换（externalconversion)：第14页/共56页第十四页，共57页。二、基本原理（3）荧光与磷光的比较：10-4~10秒λ激发≤λ荧光＜λ磷光λE激发≥E荧光＞E磷光E10-9~10-7秒激发单重态基态单重态荧光照射后发射的时间成因激发三重态基态单重态磷光第15页/共56页第十五页，共57页。二、基本原理（4）无辐射跃迁与光致发光a.无辐射跃迁：指处于激发态的分子或原子通过碰撞，以热能或动能的形式消耗其能量，降低到较低能级，这种能级的变化叫无辐射跃迁。▲最常见的无辐射跃迁有：振动迟豫、内部能量转换、外部能量转换和体系间跨越。b.光致发光：指处于激发态的分子或原子通过发射出一定波长的光，以辐射的形式回到基态，这种能级的变化叫光致发光(辐射跃迁)。▲最常见的两种光致发光：荧光和磷光。第16页/共56页第十六页，共57页。

迟滞荧光:处于激发三线态的某些分子还可以通过又一次体系间跨越回到激发单线态,继而再发射荧光回到基态。在室温下，磷光一般不易呈现，若要测磷光应在低温下，仪器应有低温设施。2、激发光谱与荧光光谱：光源单色器Ⅰ样品池ItF

单色器Ⅱ检测器记录激发发射二、基本原理第17页/共56页第十七页，共57页。二、基本原理

硫酸奎宁的激发光谱(a)和发射光谱（b)（1）激发光谱（excitationspectrum)它指不同激发波长的辐射引起物质发射某一波长的荧光所得的光谱。即固定发射光波长λem，依次改变激发波长λex测荧光强度F，以F-λ激作得荧光物质的激发光谱。第18页/共56页第十八页，共57页。二、基本原理硫酸奎宁的激发光谱(a)和发射光谱（b)（2）发射光谱（emissionspectrum)又称为荧光光谱（fluorescencespectrum),即固定激发光波长λex,依次改变发射波长λem测F、以F-λ发作图得荧光光谱。第19页/共56页第十九页，共57页。二、基本原理（3）荧光光谱的特点a.斯托克斯位移（Stocksshift)：荧光发射波长总是大于激发光波长。原因：激发态分子由于内部能量转换和振动驰豫过程而迅速到达S1*电子态的最低振动能级，从而存在着无辐射能量损失。硫酸奎宁的激发光谱(a)和发射光谱（b)第20页/共56页第二十页，共57页。二、基本原理（3）荧光光谱的特点b.荧光发射光谱的形状与激发波长无关。原因：荧光发射发生于第一电子激发态的最低能级，与分子激发至那一个电子能级无关。ν0ν2ν1ν3ν4adfbbceS2*S1*S0T1a吸收；b.振动驰豫；c.内部能量转换；d.荧光；e.体系间跨越；f.磷光荧光和磷光产生的示意图ν0ν2ν1ν3ν4ν0ν2ν1ν3ν4ν0ν2ν1ν3ν4第21页/共56页第二十一页，共57页。二、基本原理（3）荧光光谱的特点c.荧光光谱与激发光谱呈对称镜像关系。

蒽的激发光谱和荧光光谱（溶剂：环己烷）S0S1*ν=4ν=3ν=2ν=1ν=0ν=4ν=3ν=2ν=1ν=0b4b3b2b1b0c0c1c2c3c4ΔE4ΔE3ΔE2ΔE1ΔE4ΔE3ΔE2ΔE1蒽的能级跃迁图第22页/共56页第二十二页，共57页。二、基本原理（3）荧光光谱的特点c.荧光光谱与激发光谱呈对称镜像关系。a.斯托克斯位移-荧光发射波长总是大于激发光波长。b.荧光发射光谱的形状与激发波长无关。第23页/共56页第二十三页，共57页。3、分子结构与荧光的关系（1）荧光寿命和荧光效率a.荧光寿命（fluorescencelifetime)：指除去激发光源后，分子的荧光强度降低到激发时最大荧光强度的1/2时所需的时间，常用τf表示。式中：F0，Ft为激发态时t=0和激发后时间t时的荧光强度。▲如果以ln(F0/Ft)对t作图，直线斜率即为1/τf，由此可计算出荧光寿命。第24页/共56页第二十四页，共57页。b.荧光效率（fluorescenceefficiency)：它又称为荧光量子产率（fluorescencequantumyield)，就是指激发态分子发射荧光的光子数与基态分子吸收激发光的光子数之比，常用φf表示。▲φf,max≤13、分子结构与荧光的关系第25页/共56页第二十五页，共57页。3、分子结构与荧光的关系（2）分子结构对荧光效率的影响a.能发射荧光的物质必备的两个条件★.分子一定要能吸收紫外光、可见光。★.有较高的荧光量子效率。▲具有吸光结构，结构中有π→π*，n→π*，而n→π*引起是弱吸收，有时不足以发射荧光，一般分子存在共轭的π→π*跃迁，也就是K带强吸收时，或者分子具有芳环等时，荧光发射可能性较大。第26页/共56页第二十六页，共57页。b.分子结构与荧光的关系★.长共轭结构。苯萘蒽λex=205nmλem=278nmΦf=0.11286nm321nm0.29356nm404nm0.36

结论：当π电子共轭越长，λex和λem都将长移，荧光强度（荧光效率）也会增大。3、分子结构与荧光的关系第27页/共56页第二十七页，共57页。★.分子的刚性和共平面。

结论：在同样的长共轭分子中，分子的刚性和共平面性越大，荧光强度（荧光效率）也会增大，并且荧光波长产生长移。联苯φf=0.2芴φf=1.03、分子结构与荧光的关系第28页/共56页第二十八页，共57页。主要是b由于空间位阻效应使分子发生扭曲，两个苯环不能共平面，从而使荧光大大减弱。3、分子结构与荧光的关系a.1-二甲胺基萘-7-磺酸钠φf=0.75b.1-二甲胺基萘-8-磺酸钠φf=0.03SO3NaNCH3CH3第29页/共56页第二十九页，共57页。反式强荧光顺式无荧光对于顺反异构体，顺式分子的两个基团在同一侧，由于空间位阻原因使分子不能共平面而没有荧光。3、分子结构与荧光的关系第30页/共56页第三十页，共57页。★.取代基的作用。①.给电子基团能增加分子的电子共轭程度，使荧光效率提高，荧光波长长移。例如：-NH2、-OH、-OCH3、-NHR、-NR2、-CN等20280~390C6H5CN苯基氰20285~245C6H5OCH3苯基醚10270~310C6H6苯18285~365C6H5OH苯酚20310~405C6H5NH2苯胺荧光相对强度荧光波长/nm分子式化合物取代基对苯荧光的影响（乙醇溶液）3、分子结构与荧光的关系第31页/共56页第三十一页，共57页。②.吸电子基团会妨碍分子的电子共轭性，使荧光减弱甚至熄灭。例如：-COOH、-NO2、-C=O、-NO、-SH、-NHCOCH3、-F、-Cl、-Br、-I等注意：卤素取代基会随着原子序数的增加而减少荧光效率，这可能是由于重原子效应。有荧光无荧光3、分子结构与荧光的关系第32页/共56页第三十二页，共57页。③.对电子共轭体系作用较小的取代基对荧光的影响不明显。例如：-R、-SO3H、-NH3+等3、分子结构与荧光的关系第33页/共56页第三十三页，共57页。4、影响荧光强度的外部因素a、温度温度越高，荧光效率越小；反之，温度越低，荧光效率越大。原因：温度升高，分子运动加快，磁撞几率增大,无辐射跃迁几率增大。荧光量子产率与温度的关系（A.罗丹明B的甘油溶液；B.硫酸铀酰的硫酸溶液）第34页/共56页第三十四页，共57页。4、影响荧光强度的外部因素b、溶剂

★.溶剂介电常数增大，极性增大,n→π*的ΔE增大,φ减小,λ减小；π→π*的ΔE减小,φf增大，λ增大。

★.溶剂含重原子或溶液、溶解氧（CBr4,C2H5I等），体系间跨越几率增大。使φf减小，甚至熄灭。

★.溶剂粘度增大，φf增大，F增大（若粘度小，分子碰撞增加,非辐射跃迁增加）。第35页/共56页第三十五页，共57页。c.pH的影响无荧光pH<2蓝色荧光pH=7-12无荧光pH>134、影响荧光强度的外部因素第36页/共56页第三十六页，共57页。d.荧光熄灭（fluorescencequenching)

定义：荧光物质与溶剂分子或其它溶质分子相互作用引起荧光强度降低或熄灭的现象。

引起荧光熄灭的物质称为荧光熄灭剂（quenchingmedium)。常见的熄灭剂有：卤素离子、重金属离子、氧分子以及硝基化合物、重氮化合物、羰基化合物。4、影响荧光强度的外部因素第37页/共56页第三十七页，共57页。e.散射光的干扰

散射光（scatteringlight):当一束平行光照射在液体样品上，大部分光线透过溶液，小部分光线由于光子和物质分子相碰撞，使光子的运动方向发生改变而向不同角度散射，这种光称为散射光。

瑞利光（Rayleigh

scatteringlight):光子和物质发生弹性磁撞时，不发生能量交换，仅光子方向改变，这种散射光称为瑞利光。其波长与入射光相同。

拉曼光（Ramanscatteringlight):光子和物质发生非弹性磁撞，光子改变方向同时，与物质有能量交换，散射光波长有所改变，这种散射光为拉曼光。4、影响荧光强度的外部因素第38页/共56页第三十八页，共57页。e.散射光的干扰如何消除散射光对荧光测定的影响？硫酸奎宁在320nm光的激发下的荧光光谱和散射光谱硫酸奎宁在350nm光的激发下的荧光光谱和散射光谱4、影响荧光强度的外部因素第39页/共56页第三十九页，共57页。荧光分析法（Fluorometry)概述一荧光定量分析方法三基本原理二荧光分析技术与应用四小结五第40页/共56页第四十页，共57页。1、荧光强度与荧光物质浓度的关系I0IF溶液产生荧光的光路示意图根据Beer定律：三、荧光定量分析方法第41页/共56页第四十一页，共57页。当EcL≤0.05时，经泰勒级数展开得：▲：当溶液在低浓度时，溶液的荧光强度与荧光物质的浓度呈线性关系；当Ecl>0.05时，荧光强度与溶液浓度之间不成线性关系。三、荧光定量分析方法第42页/共56页第四十二页，共57页。2、定量分析方法（1）标准曲线法

三、荧光定量分析方法配制一系列的标液

c1，c2

…cncx测F1，F2

…FnFx绘制标准曲线，由图查出Fx所对应的cx第43页/共56页第四十三页，共57页。（2）比例法取已知量的纯净荧光物质配一标液，使浓度在线性范围内，测Fs。同样条件下测试样Fx(若空白液的荧光强度调不到0%时，应扣除空白F0）。三、荧光定量分析方法第44页/共56页第四十四页，共57页。荧光分析法（Fluorometry)概述一荧光定量分析方法三荧光分析技术与应用四小结五基本原理二第45页/共56页第四十五页，共57页。1、荧光仪器简介四、荧光分析技术及应用（1）光电荧光计汞弧灯透镜样品池第一滤光片第二滤光片光电管电表光电荧光计光路图高压Hg灯，产生线光谱365nm；低压Hg灯，产生线光谱254nm将不需要的光滤去低荧光的玻璃或石英制成，四面透光。只让发射的荧光照射到检测器上第46页/共56页第四十六页，共57页。四、荧光分析技术及应用（2）光电荧光计氙灯样品池检测器荧光分光光度计光路图第47页/共56页第四十七页，共57页。四、荧光分析技术及应用（3）荧光光电计与荧光分光光度计的比较光电荧光计荧光分光光度计激发光源汞灯氙灯激发单色器第一滤光片光栅发射单色器第二滤光片光栅检测器光电倍增管样品池石英、玻璃池（低荧光的玻璃）第48页/共56页第四十八页，共57页。2、荧光分析新技术四、荧光分析技术及应用（1）时间分辨荧光分析（time-resolvedfluorometry)

该方法是利用分子荧光的寿命不同，可在激发和检测之间延缓一段时间，使具有不同荧光寿命的物质达到分别检测的方法。优点：该法具有对荧光体混合物中两组分同时测定、消除痕量分析中干扰物与荧光背景等优点。。第49页/共56页第四十九页，共57页。四、荧光分析技术及应用（2）同步荧光分析（synchromousfluorometry)指在荧光物质的激发光谱和发射光谱中选择一适宜波长差值Δλ(通常选用λex,max与λem,max之差），同时扫描荧光发射波长和激发波长，得到同步荧光光谱。优点：该法具有简化光谱、窄化谱带、减少光谱的重叠现象和减少散射光的干扰等优点。第50页/共56页第五十页，共57页。四、荧光分析技术及应用

此外，随着其他科学的迅速发展，促进了相分辨荧光光谱法、低温荧光分析法、近红外荧光分析法、荧光探针技术、单分子荧光检测技术和荧光光纤化学传感器等荧光分析方面的某些新方法、新技术的发展。汞离子荧光探针在活细胞的汞信号识别

近红外荧光光谱仪Nikon单分子荧光系统第51页/共56页第五十一页，共57页。荧光分析法（Fluorometry)概述一荧光定量分析方法三荧光分析技术与应用四小结五基本原理二第52页/共56页第五十二页，共57页。1、掌握去活化的几条途径是什么？有何区别？熟悉三重态、单重态概念。2、掌握荧光、磷光定义,成因及它们的区别。3、掌握φf概