分子发光分析法(3).ppt

分子发光分析法,第一节 分子发光分析概述 第二节 荧光光谱法的基本原理 第三节 荧光分析仪器 第四节 荧光分析方法及其应用,第一节 分子发光分析概述,荧光（fluorescence）现象的第一次记录： 1575年，西班牙内科医生和植物学家N. Monardes，观察到Lignum Nephriticum木头切片的水溶液呈现天蓝色。 第一次被提议用于分析： 1864年，Stokes 第一次用于分析： 1867年，Goppelsrder根据 Al-桑色素配合物的荧光，建立 了Al 3+的荧光测定方法。,George Gabriel Stokes (1819-1903),一、分子发光,当分子吸收一定的能量后，从基态跃迁到较高激发态，在返回基态的过程中伴随有光辐射，这种现象称为分子发光。，以此建立的分析方法称为分子发光分析法。,二、 分子发光类型,1. 按激发的模式不同 光致发光；化学发光；生物发光； 热致发光；电致发光；摩擦发光： 2按分子激发态类型 荧光：由第一电子激发单重态所产生的辐射跃迁而伴随的发光现象。分子中全部轨道里的电子都是自旋配对的 S=0 ，2S+1=1, 处于单重态，用S0表示。 磷光：由最低的电子激发三重态所产生的辐射跃迁。 电子在跃迁过程中伴随着自选方向的改变 S=1 2S+1=3，三重 态，用T表示。,荧光分析法特点,灵敏度高。检出限比分光光度法低24个数量级。 选择性好。不同的物质用不同的光进行激发，选择不同的激发光波长；不同的物质发射的荧光不同，选择不同的检测荧光波长。比较容易排除其它物质的干扰，选择性好。 实验方法简单； 待测样品用量少；仪器价格适中；测定范围较广 其发光强度可定量测定许多痕量的无机物和有机物，广泛应用在生物化学、分子生物学、免疫学及农牧产品分析、卫生检疫等领域。 荧光法比磷光法应用广泛，不如分光光度法,第二节 荧光光谱法的基本原理,一、荧光（磷光）光谱的产生 1、电子自旋的多重性 分子中的所有价电子自旋都是配对的，称为单 重态，用“S”表示； 分子中电子对自旋平行的电子态，称为三重 态，用“T”表示。,2、电子激发态的多重度,电子激发态的多重度：M = 2S + 1 S为电子自旋量子数的代数和(0或1)；若分子中全部电子都是自旋配对的，S=0，2S + 1=1，单重态S；若电子在跃迁过程中伴随自旋方向的改变，S=1， 2S + 1=3，激发三重态T。 符号S0、S1、S2分别表示基态单重态，第一和第二电子激发单重态；T1和T2分别表示第一和第二电子激发三重态。 平行自旋比成对自旋稳定(洪特规则)，三重态能级比相应单重态能级低；大多数有机分子的基态处于单重态。,3、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；,辐射跃迁能量传递过程,荧光：10-710-9 s,第一激发单重态的最低振动能级基态；发射荧光的能量比分子吸收的能量小，波长较长 2 2 1 ； S1 S0 + hv 磷光：10-410s；第一激发三重态的最低振动能级基态； T1 S0 + hv S0 激发振动弛豫内转移系间跨越振动弛豫 T1 延迟荧光：T1S1，由S1发出的荧光。,无辐射跃迁能量传递过程,振动弛豫：同一电子能级内以热能量交换形式由高振动能级至低相邻振动能级间的跃迁。发生振动弛豫的时间10-12 s。 内转换：对于具有相同多重度的分子，若较高电子能级的低振动能层与较低电子能级的高振动能层相重叠时，则电子可在重叠的能层之间通过振动耦合产生无辐射跃迁，如S2-S1；T2-T1。 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”。,系间跨越,发生在两个不同多重态之间的无辐射跃迁，如从S1到T1，该跃迁是禁阻的。 但当不同多重态的两个电子能层有较大重叠时，处于这两个能层上的受激电子的自旋方向发生变化，即可通过自旋-轨道耦合而产生无辐射跃迁 S1 T1,二、激发光谱曲线和荧光光谱曲线,1、荧光(磷光)的激发光谱曲线与发射光谱曲线,2、激发光谱与发射光谱的关系,Stokes位移：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，振动弛豫消耗了能量。 发射光谱的形状与激发波长无关：电子跃迁到不同激发态能级，吸收不同波长的能量，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。 镜像规则：通常荧光发射光谱与它的吸收光谱（与激发光谱形状一样）成镜像对称关系。,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； 基态上的零振动能级与第一激发态的二振动能级之间的跃迁几率最大，相反跃迁亦然。,三、影响荧光的因素,1、分子产生荧光必须具备的条件 （1）具有合适的结构； （2）具有一定的荧光量子产率。 荧光量子产率（）：,荧光量子产率与激发态能量释放各过程 的速率常数有关，凡是能使荧光速率常数升 高而使其它过程速率常数降低的过程，均能 提高量子产率。, =,kf：荧光发射过程的速率常数，取决于化学结构。 ki：其他有关过程（内转移、系间窜跃、外转移） 的速率常数的总和。由化学环境和结构共同决定。,2、化合物的结构与荧光,（1）跃迁类型：* 的荧光效率高，系间跨越过程的速率常数小，有利于荧光的产生； （2）共轭效应：提高共轭度有利于增加荧光效率并产生红移； （3）刚性平面结构：可降低分子振动，减少与溶剂的,相互作用，故具有很强的荧光。如荧光素和酚酞有相似结构，荧光素有很强的荧光，酚酞却没有。,（4）取代基的类型和位置,加强荧光的取代基：供电子基。-OH、-OR、 -NH2、-CN、-NHR、-NR2、-OCH3等。 减弱荧光的取代基：得电子取代基。如-CO、 -COOH、COOR、COR、NO2、NO、SH等。 影响不明显取代基：NH3、R、SO3H等 重原子效应：芳烃上取代F、Cl、Br、I原子之后，系间窜跃加强，随原子量增加，磷光加强，称为重原子效应。,取代基位置：一般邻、对位取代，间位取代。随共轭体系增大，影响减小。 电子跃迁类型：含有n电子的N、O、S等杂原子有机物易发生n跃迁（例如喹啉、芳酮类）。系间窜跃强烈，荧光很弱或不发荧光。不含杂原子的有机荧光体系多发生跃迁，电子自旋允许，。,（5）金属螯和物的荧光,除过渡元素的顺磁性原子发生线状荧光，一般无机盐类金属离子在溶液中只能发生无辐射跃迁，有些金属螯和物能产生很强的荧光。 螯和物中配位体的发光：通过形成金属螯合物使原来不发荧光的有机配合物的刚性结构增强，平面结构增大，发射荧光。 螯合物中金属离子的特征荧光：首先通过配位体的跃迁而被激发，接着配位体把能量转移给金属离子，导致dd跃迁或ff*跃迁，最终发射的是dd* 或ff* 跃迁光谱。,金属发光,配体发光,荧光弱,荧光强,Mn(II) d* d,3、溶剂的影响,同一种荧光体在不同的溶剂中其荧光光谱的位置和强度都可能有显著的差别。 一般增大溶剂的极性将使* 跃迁的能量降低，从而导致荧光增强。 含重原子的溶剂（碘乙烷、四溴化碳），f降低。,4、温度的影响,低温下测定，提高灵敏度。因为辐射跃迁的速率基本不随温度变，而非辐射跃迁随温度升高显著增大。 大多数荧光物质都随溶液温度升高荧光效率下降，荧光强度减弱。因为内、外转换增加、粘度 或“刚性”降低 如荧光素的乙醇溶液在0以下每降低10 ，荧光效率增加3%，冷至-80时，荧光效率为100%。,5、pH值的影响,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 对无机荧光物质， 因pH值会影响其稳定性，因而也可使其荧光强度发生改变。,例： 苯酚,离子化后，荧光消失,pH1有荧光,pH13无荧光,但两个苯环相连的化合物，又表现出相反的性质，分子形式无荧光，离子化后显荧光。,例：苯酚,有荧光,无荧光,表面活性剂也会影响荧光强度和特性。,6、荧光熄灭,广义：任何可使某种荧光物质的荧光强度下降的作用或任何可使荧光量子产率降低的作用。 狭义：指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的荧光强度降低的现象称为荧光熄灭。 熄灭剂：这些引起荧光强度降低的物质称为熄灭剂。,导致荧光熄灭作用的几种主要类型,碰撞熄灭：是荧光熄灭的主要原因。在粘度大的溶剂中，熄灭作用较小；温度升高，熄灭作用增加。 能量转移：熄灭剂与处于激发单重态的分子作用后，使熄灭剂激发。 电荷转移：熄灭剂与处于激发态的分子发生电荷转移。 转入三重态熄灭 ：含有减弱荧光的电子取代基物质如羧酸、羰基、硝基和重原子效应容易发生系间串跃，使荧光猝灭。,光化学反应熄灭：由光致激发态分子所发生的化学反应。影响较大的是光解反应和光氧化反应。 自熄灭和自吸收 自熄灭：荧光物质浓度较大时，由于激发态分子之间的碰撞引起的能量损失。 自吸收：当荧光物质的荧光光谱曲线与吸收光谱曲线重叠时，荧光被处于基态的分子吸收，称为自吸收。,四、定量分析基本原理,假如以每秒钟每平方厘米的光强度为I0的入射光，照射到一个盛有荧光物质溶液的液池，透过光强度It，荧光强度为If 和吸光强度Ia及荧光效率F成正比：,k：与仪器有关的常数；I0 ：激发光的强度； F ：荧光量子产率 ：激发波长处的摩尔吸光系数；b：光程长度。,当cl项很小时，括号内第二项及以后的高次项均可忽略不计，Parker方程可简化为：,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关系。,五、定性分析,依据不同结构的物质所发射的荧光波长不同可鉴别物质。 常用比较法 激发光谱与发射光谱一起鉴定物质可提高定性结果的可信度,第三节 荧光分析仪器,19世纪前 肉眼观察 1928年 Jette，West发明光电比色计 1939年 应用光电倍增管（PMT） 1952年 商品化校正光谱仪器 1980年后 计算机化,与分光光度计有两点不同 两个单色器 检测器与激发光互成直角,1、光源,激发光源一般要求比吸收测量中的光源有更大的发射强度；适用波长范围宽 荧光计中，常使用卤钨灯作光源 荧光光度计中常用高压汞灯和氙弧灯,利用汞蒸气放电发光的 光源；常用其发射365 nm、 405 nm、 436 nm 三条谱线 以365 nm 的谱线最强,应用最广泛的一种光 源，可发射250800nm 很强的连续光源,2、单色器,荧光计用滤光片作单色器，荧光计只能用于定量分析，不能获得光谱 大多数荧光光度计一般采用两个光栅单色器，有较高的分辨率，能扫描图谱，既可获得激发光谱，又可获得荧光光谱 第一单色器作用：分离出所需要的激发光，选择最佳激发波长 ex ，用此激发光激发液池内的荧光物质 ex 第二单色器作用：滤掉一些杂散光和杂质所发射的干扰光，用来选择测定用的荧光波长 em。 在选定的 em 下测定荧光强度，定量分析,3、样品池：盛放测定溶液，通常是石英材料的方形池，四面都透光，只能用手拿棱或最上边 4、检测器 把光信号转化成电信号，放大，直接转成荧光强度 荧光的强度一般较弱，要求检测器有较高的灵敏度，荧光光度计采用光电倍增管 荧光分析比吸收光度法具有高得多的灵敏度，是因为荧光强度与激发光强度成正比，提高激发光强度可大大提高荧光强度 5、读出装置：记录仪记录或打印机打印出结果，扫描激发光谱和发射光谱,第四节 荧光分析方法及其应用,一、荧光定量分析方法 1、工作曲线法 2、比较法：若有试剂空白需扣除 3.荧光猝灭法 荧光猝灭剂的浓度CQ与荧光强度的关系可用SternVolmer方程表示： F0/F=1+KCQ F0与F分别为猝灭剂加入前与加入后试液的荧光强度。F0/F对CQ作图得一直线。,4、多组分混合物的荧光分析,若荧光峰相互不干扰，可分别在不同波长处测定。 如果荧光峰互相干扰，但激发光谱有显著差别，其中一个组分在某一激发波长下不吸收，不会产生荧光，可通过选择激发光进行测定。 如：8-羟基喹啉与Al 3+、Ga3+的配和物