单线态和三线态.ppt

1,2,第二章 分子发光分析,分子,吸收能量,激发为激发态,释放出能量,基态,电能,化学能,光能,称为“发光”,光的形式释放,荧光,磷光,分子发光,光致发光,化学发光,辐射跃迁,非辐射跃迁,以热的形式释放,分子荧光分析法 一、基本原理 （一）荧光和磷光的产生 从分子结构理论来讨论,3,分子中电子 的能量状态,电子所处的能级,振动能级,转动能级,电子的多重态,J=2S+1,S：为各电子自旋量子 数的代数和,S=0, J=1 单重态S表示,（所有电子都是自旋配对的）,S=1, J=3,三重态 T表示,大多数基态分子都处于单重态,电子在跃迁过程中伴随着 自旋方向的变化（自旋平行）,4,基态单重态S,激发态单重态S,激发态三重态T,激发单重态S与激发三重态T的不同点：, S是抗磁分子，T是顺磁分子, 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,5,其中S0、S1和S2分别表示分子的基态、第一和第二电子激发的单重态,T1和T2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。,2分子内的光物理过程,6,振动弛豫:,在同一电子能级中，电子由高振动能级转至低振动能级，而将多余的能量以热 的形式发出。发生振动弛豫的时间为10-12s数量级。,非辐射能量传递过程；,7,内转移: 当两个电子能级非常靠近以至其振动能级有重 叠时， 常发生电子由高能级以无辐射跃迁方式转移至低能级。（S1 转移 S2）,8,系间窜跃: 指不同多重态间的无辐射跃迁， 例如S1T1就是一种系间窜跃。 通常，发生系间窜跃时，电子由S1的较低振动能级转移至T1的较高振动能级处。,9,辐射能量传递过程,荧光发射:,电子由第一激发单重态的最低振动能级基态,得到最大波长为3的荧光,由图可见，发射荧光的能量比分子吸收的能量小,3 2 1,10,磷光发射: 电子由基态单重态激发至第一激发三重态的几率很小，因为这是禁阻跃迁。 但是，由第一激发单重态的最低振动能级，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，便发射磷光， 这个跃迁过程（T1S0）也是自旋禁阻的，其发光速率较慢，约为10-4-10s。因此，这种跃迁所发射的光，在光照停止后，仍可持续一段时间。,外转移 指激发分子与溶剂分子或其它溶质分子 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“熄灭”或“猝灭”。 荧光与磷光的根本区别：,11,磷光是由激发三重态最低振动能层至基态,荧光是由激发单重态最低振动能层至基态,区别,(二 )荧光的激发光谱和发射光谱 激发光谱:(ex) 以不同波长的入射光激发荧光物质,在荧 光最强的波长处测量荧光强度 即以激发光波长为横坐标,以荧光强度为 纵坐标绘制曲线即可得到激发光谱曲线。 发射光谱：(em) 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 即可绘制荧光发射光谱曲线,12,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 最大发射波长都向长波方向移动，以磷光 波长的移动最多，而且它的强度也相对较 弱。,13,14,15,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。,b. 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(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,c. 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。,（三）荧光的影响因素 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(紫外-可见光）相适应的结构（共轭双键），才能吸收激发光； 吸收了与其本身特征频率相同的能量之后，必须具有一定的荧光量子产率。,16,1.荧光效率 它表示物质发射荧光的能力，通常用下 式表示,17,荧光效率越高；,物质发射荧光越强,kf为荧光发射过程的速率常数（与化学结构有关）,ki为其它有关过程的速率常数的总和（化学环境）,凡使kf 值升高而使ki值降低的因素，都可增强荧光。,2. 荧光与有机化合物结构的关系 （1）跃迁类型 实验证明，对于大多数荧光物质，首先经历激发，然后经过振动弛豫或其他无辐射跃迁，再发生 跃迁而得到荧光。 （2）共轭效应 实验证明，容易实现激发 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 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,18,(3) 刚性平面结构 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。 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 减少，也就减少了碰 撞去活的可能性。,19,20,（4）取代基效应,芳环上 取代基,给电子基团，荧光增强,（-OH、-OR、-CN、-NH2）,产生了p-共轭作用，增强了电子共轭程度，使最低激发单重态与基态之间的跃迁几率增大。,吸电子基团,减弱甚至会猝灭荧光,如-COOH、-NO、-C O、卤素,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 较严重，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,3. 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 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 于不是刚性结构，分子处于非同一平面， 因而不发生荧光。 但是，若这些化合物和金属离子形成螯 合物，随着分子的刚性增强，平面结构的 增大，常会发生荧光,21,22,23,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。,4溶剂效应,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。,5 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， 荧光效率和荧光强度将增加,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%。,（四）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If正比于吸收的光量Ia与荧光量 子产率 。 If = Ia 式中为荧光量子效率，又根据Beer定律 A=-lg I/ I0 I= I0 .10- A Ia = I0 - I = I0(1- 10 -A) I0和I分别是入射光强度和透射光强度。代入上式得 If = I0(1- 10 -kb c),24,整理得： If =2.3 I0 kbc 当入射光强度I0 和b一定时，上式为： If = K c 即荧光强度与荧光物质的浓度成之正比， 但这种线性关系只有在极稀的溶液中， 当 kbc0.05时才成立。 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。,25,26,2 、影响荧光强度的环境因素,因素,溶剂,一般溶剂效应,折射率和介电常数的影响,特殊溶剂效应,荧光体和溶剂分子间的 特殊化学作用如氢键的生成,同一种荧光物质在不同的溶剂中的荧光光谱不同,温度,温度上升使荧光强度下降,内部能量转化作用增大,碰撞频率增加，使外转换的几率增加,酸度,化合物所处状态不同,电子构型上有所不同,荧光强度和荧光光谱不同,27,28,3、荧光猝灭,定义：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,类型,碰撞猝灭,激发单重态的荧光分子与猝灭剂分子相碰撞,荧光分子以无辐射跃迁的方式回到基态,静态猝灭,荧光物质分子与猝灭剂分子生成非荧光 的络合物,转入三重态的猝灭,发生电子转移反应的猝灭,猝灭剂与荧光物质,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 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,29,光源,氙灯和高压汞灯,激发单色器,光栅,扫描激发光谱，选择激发波长,样品池,I0,I,If,发射单色器,扫描发射光谱,消除其它光线的干扰 获得所需的荧光,检测器,显示器,与分光光度计的差别,两个单色器,两个单色器互成直角,光电倍增管,二、荧光分析仪,30,三、分子荧光分析法及其应用,1. 荧光分析方法的特点,（1）灵敏度高 （2）选择性强 （3）试样量少和方法简单 （4）提供比较多的物理参数,2、荧光定量分析的方法,方法,标准曲线法,荧光强度与荧光物质浓度成正比的关系,比较法,同样条件下，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,31,3、荧光分析法的应用,方法,直接荧光法,被测物本身有荧光,被测物与试剂反应后,F与物质的 浓度成正比,荧光猝灭法,被测物使荧光熄灭,由荧光强度降低的强度来测定被测物的含量,间接荧光法,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,催化荧光法,反应速度慢，荧光微弱，难测定,金属离子将加速反应进行,32,磷光分析法,1如何获得较强的磷光,增加试样的刚性: 低温冷冻,固体磷光法： 吸附于固相载体（滤纸）,分子缔合物的形成： 加入表面活性剂等,重原子效应： 加入含重原子的物质，如银盐等,敏化磷光： 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,基态， T1 S0跃迁；,电子由S0进入T1的可能过程：（ S0 T1禁阻跃迁）,33,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,磷光分析仪器,应用,34,化学发光分析法,一、基本原理,A +B C + D*,D* D + h,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,（1）能够发光的化合物大多为有机化合物，芳香族化合物,（2）发光反应多为氧化还原反应，激发能与反应能相当,E=170300 kJ/mol；位于可见光区,（3）发光持续时间较长，反应持续进行,发光反应如果存在于生物体(萤火虫)中，称生物发光,35,化学发光效率,化学效率：,发光效率：,化学反应所决定,化学反应和环境因素,化学发光强度(单位时间发射的光量子数)：,dc/dt是分析物参加反应的速率,36,若化学发光反应是一级动力学反应则,即发光总强度与被测物浓度成线性：,二、化学发光反应类型,1. 直接化学发光和间接化学发光,直接发光 是被测物作为反应物直接参加化学发光反应 ，生成电子激发态产物分子，此初始激发态能辐射光子,A + B C* + D C* C + h,37,间接发光是被测物A或B，通过化学反应生成初始激发态产 物C* ， C* 不直接发光，而是将其能量转移给F，使F跃迁 回基态，产生发光。,A + B C* + D C*+F F* + E F* F + h,2. 气相化学发光和液相化学发光,（1）气相化学发光,化学发光反应在气相中进行,主要有O3、NO、S的化学发光反应，可用于监测空气中的 O3、NO、SO2、H2S、CO、NO2等,NO + O3 NO2* NO2* NO2 + h,38,（2）液相化学发光,化学发光反应在液相中进行,应用最多的发光试剂：鲁米诺（3-氨基苯二甲酰肼）；,鲁米诺在碱性溶液中与双氧水的反应过程：,鲁米诺- H2O2发光反应反应速度慢，可检测低至 10-9 mol/L 的H2O2；,39,生物发光,生物发光是化学发光中的一类，特指在生物体内通过 化学反应产生的发光现象，主要由酶来催化产生的。 多种细菌、昆虫、鱼类等均能发光,40,荧光灯：当高压加在灯管两端后，灯管内少数电子高速撞击电极后产生二次电子发射，开始放电，管内的水银受电子撞击后，激发辐射出253.7nm的紫外光，产生的紫外光激发涂在管内壁上的荧光粉而产生可见光。 （可见光的颜色将依据所选用的荧光粉的不同而不同）,41,荧光棒中的化学物质主要由三种物质组成：过氧化物、酯类化合物和荧光染料。简单地说，荧光棒发光的原理就是过氧化物和酯类化合物发生反应，将反应后的能量传递给荧光染料，再由染料发出荧光。目前市场上常见的荧光棒中通常放置了一个玻璃管夹层，夹层内外隔离了过氧化物和酯类化合物，经过揉搓，两种化合物反应使得荧光染料发光。,42,三、化学发光的测量仪器,仪器主要包括： 样品室、光检测器、放大器和信号输出装置等部件,43,荧光法测定维生素B2片剂中核黄素含量,一、实验目的：,1学习和掌握荧光光度分析方法,2了解荧光分光光度计的结构及使用方法,二、实验原理：,维生素B2结构式,维生素B2，又叫核黄素， 橘黄色,无臭的针状晶体,易溶于水而不溶于 乙醚等有机溶剂,在中性或酸性溶液中稳定,光照易分解，对热稳定,44,维生素B2水溶液在430-440nm蓝光或紫外光照射下 会发生绿色荧光，荧光峰在535nm,在pH=6-7溶液 中荧光强度最大，在pH=11的碱溶液中荧光消失， 所以可以用荧光光谱法测定维生素2的含量,三、实验用品： 1仪器： 荧光分光光度计，移液管，容量瓶，棕色试剂瓶， 比色管，烧杯，离心机，离心管 2药品： 核黄素（生化试剂），冰醋酸（AR）,盐酸（AR） 氢氧化钠，市售维生素B2片剂,45,四、实验步骤： 1、试剂溶液的配制 1）5醋酸溶液 取5份冰醋酸与95份体积蒸馏水混合 2）10.0mgL-1VB2标准溶液：准确称取10.0mgVB2 将其溶解于少量的5%HAc中，转移至1L容量瓶中用5%HAc 稀释至刻度，该溶液应装于棕色试剂瓶中，置阴凉处保存 3）待测液：取市售VB2一片，置于50mL烧杯中，加入约 12mL 5%HAc溶液，用玻璃棒捣碎药片，水浴加热使样品 由混浊变为基本透明后取下冷却，转移并加入5%HAc溶液 定容至100 mL。取数毫升于离心管中进行离心，用移液 管准确移取5 mL的上层清液并定容成50mL，贮于棕色试 剂瓶中