复旦大学化学AII第四章分子发光光谱

1、2021-9-19期中考试说明期中考试说明*地点地点: 第四教学楼第四教学楼4401*时间时间: 5月月5日日, 上午上午7:309:30;*请带好学生证或一卡通请带好学生证或一卡通;考试内容考试内容第十二章第十二章:光学分析导论光学分析导论;第十三章第十三章:紫外紫外-可见分光光度法可见分光光度法;第十四章第十四章:红外光谱红外光谱;第十五章第十五章:分子发光分析法分子发光分析法;第十七章第十七章:原子吸收光谱法原子吸收光谱法;2021-9-19考题形式考题形式选择题选择题, 10题题, 共共20分分;填空题填空题, 20空格空格, 共共20分分;名词解释名词解释, 5题题, 共共20分分;

2、问答题问答题, 4题题, 共共20分分;计算题计算题, 4题题, 共共20分分;2021-9-19第四章第四章 分子发光分析法分子发光分析法Molecular luminescence analysis 第一节第一节 分子荧光与磷光分子荧光与磷光Molecular fluorescence and phosphorescence2021-9-19光致发光光致发光处于激发态的分子以电辐射的处于激发态的分子以电辐射的形式释放其激发能的过程。形式释放其激发能的过程。两种光致发光现象：两种光致发光现象：（1）荧光）荧光(Fluorescence)（2）磷光）磷光(phosphorescence)202

3、1-9-19一、荧光与磷光的产生过程一、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. 1. 分子能级与跃迁分子能级与跃迁 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 、

4、 T2 ；2021-9-192.2.电子激发态的多重度电子激发态的多重度 电子能态的多重度：M=2S+1 S为电子自旋量子数（1/2或1/2）的代数和(0或1)； 平行自旋比成对自旋稳定(洪特规则)，三重态（T）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（S）； S0T1 禁阻跃迁；通过其他途径进入(见能级图)；进入的几率小； 2021-9-192.2.激发态激发态基态的能量传递途径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，通过辐射电子处于激发态是不稳定状态，返回基态时，通过辐射跃迁跃迁(发光发光)和无辐射跃迁等方式失去能量；和无辐射跃迁等方式失去能量；传递途径

5、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；荧光荧光：10-710 -9 s,第一激发单重态单重态的最低振动能级基态；磷光磷光：10-410s；第一激发三重态三重态的最低振动能级基态；2021-9-19S1S2T1T2S0振动弛豫振动弛豫10-1410 -12 s内转换内转换10-1310 -11 s系间跨越系间跨越10-610 -2 s外外转转换换荧荧光光发发射射磷磷光光发发射射光光谱谱吸吸收收1 12 23 33 2 1荧光荧光：10-710 -9 s 磷光磷光：10-4 10s；2021-9-19非辐射

6、能量传递过程非辐射能量传递过程 振动弛豫振动弛豫：同一电子能级内，激发态分子将过剩的振动能量以热能量形式传递给周围环境（或分子），分子自身从激发态的高振动能级跃迁至同一电子能级中最低振动能级的过程。发生振动弛豫的时间10-1410 -12 s。 内转换内转换：同多重度电子能级中,等能级间的无辐射能级交换。当两个电子能级，如单重态S1、S2的振动能级有重叠，即较高电子能级中的低振动能级与较低电子能级中的较高振动能级互相重叠，通过振动偶合，低电子能级的激发态得到累积。发生内部转换的时间10-1310 -11 s。 2021-9-19通过振动弛豫和内转换，高激发高激发单重态的电子跃回第一激发第一激发

7、单重态的最低振动能级。 荧光发射荧光发射：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 ；2021-9-19系间跨越系间跨越：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

8、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。2021-9-19外转换外转换：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：溶液荧光的猝灭：(1).动态猝灭：动态猝灭：激发单重态分子激发单重态分子M*与猝灭剂与猝灭剂Q发生碰撞，使发生碰撞，使M*以无辐射跃迁的方式回到基态的过程，也称碰撞猝灭。以无辐射跃迁的方式回到基态的过程，也称碰撞猝灭。 猝灭剂浓度猝灭剂浓度 粘度粘度 温度温度 动态猝灭动态猝灭(2).静态猝灭：静态

9、猝灭：荧光分子荧光分子M与猝灭分子与猝灭分子Q生产无荧光的基态生产无荧光的基态络合物络合物MQ，使荧光消失的过程。，使荧光消失的过程。 猝灭剂浓度猝灭剂浓度 温度温度 静态猝灭静态猝灭(3).电荷转移猝灭：电荷转移猝灭：荧光分子与猝灭分子间发生电荷转移，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引起荧光消失的过程。如染料甲基兰荧光被Fe2+猝灭。猝灭。2021-9-19(4).能量转移猝灭：能量转移猝灭：荧光分子与猝灭分子间发生能量转移，荧光分子与猝灭分子间发生能量转移，导致荧光消失的过程。主要是荧光分子的荧光光谱与猝灭剂导致荧光消失的过程。主要是荧光分子的荧光光

10、谱与猝灭剂的吸收光谱重叠所致。的吸收光谱重叠所致。(5).转入三重态的猝灭：转入三重态的猝灭：通过系间跨越转入三重态，而导致通过系间跨越转入三重态，而导致荧光猝灭；另三重态与基态间的能量差小，易发生内转换。荧光猝灭；另三重态与基态间的能量差小，易发生内转换。(6).内滤光作用和自猝灭：内滤光作用和自猝灭：内滤光作用：内滤光作用：溶液中存在能吸收激发光或荧光的物质时，使溶液中存在能吸收激发光或荧光的物质时，使荧光减弱的现象。荧光减弱的现象。自猝灭：自猝灭：高浓度状态下，荧光分子间发生碰撞，引起非辐射高浓度状态下，荧光分子间发生碰撞，引起非辐射的能量转移，导致荧光猝灭的过程。的能量转移，导致荧光猝

11、灭的过程。2021-9-19二、激发光谱与荧光二、激发光谱与荧光( (磷光磷光) )光谱光谱 excitation spectrum and fluore-scence spectrum 荧光(磷光)：光致发光，照射光波长如何选择？1.1.荧光荧光( (磷光磷光) )的激发光谱的激发光谱 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,激发波长与发射的荧光(磷光)强度的关系曲线（图中曲线I ） 。2021-9-19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 2021-9-192.2.荧光荧

12、光( (或磷光或磷光) )的发射光谱的发射光谱 固定激发光波长(选最强激发波长)和强度, 荧光(或磷光)强度与其波长间的关系曲线(图中曲线II或III)。 激发光谱形状与吸收光谱（紫外可见光谱）相类似。？2021-9-19200260320380440500560620荧光激发光谱荧光激发光谱荧光发射光谱荧光发射光谱磷光光谱磷光光谱室温下菲的乙醇溶液荧（磷）光光谱室温下菲的乙醇溶液荧（磷）光光谱2021-9-193.3.激发光谱与发射光谱的关系激发光谱与发射光谱的关系 a.Stokesa.Stokes位移位移：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

13、。 b. .荧光光谱与激发光波长无关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. . 荧光荧光光谱和吸收光谱成镜像对称关系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。 2021-9-19镜像规则的解释镜像规则的解释 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；2021-9-19200250300350400450500荧光激发光谱荧光激发光谱荧光发射光谱荧光发射光谱nm蒽

14、的激发光谱和荧光光谱蒽的激发光谱和荧光光谱2021-9-19三、荧光的产生与分子结构的关系三、荧光的产生与分子结构的关系R Relation between fluorescence and molecular structureF .FFiFikkkkk发射的光量子数吸收的光量子数为荧光发射的速率常数；为激发态以各种非辐射方式去活化的速率常数 1. 1.分子产生荧光必须具备的条件分子产生荧光必须具备的条件（1 1）荧光分子的寿命：返回基态前激发态）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的平均寿命，或激发态的分子数衰减到原来来1/e1/e数目时所经历的时间数目时所

15、经历的时间F F。 （2 2）具有一定的荧光量）具有一定的荧光量 子产率。子产率。荧光量子产率（荧光量子产率（ F F）：荧）：荧光发射的光子数与分子吸光发射的光子数与分子吸收的光子数之比。收的光子数之比。 F F大，荧光强！大，荧光强！ n1iikkF(P)F(P)1 利用荧光寿命的不同，可进行混合荧光物质的测定。利用荧光寿命的不同，可进行混合荧光物质的测定。2021-9-192.2.化合物的结构与荧光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

16、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, =480nm2021-9-19（4）取代基效应： (a).给电子基团存在，会使荧光增强。 (b).吸电子基团存在，会使荧光减弱，但磷光会增强。 (c).芳烃的邻、对位取代基增强荧光，间位取代基抑制荧光。 (d).重原子取代基存在，抑制荧光，增强磷光。（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。2021-9-19O

17、NO22021-9-19 E n * E n * E* E*2021-9-19溶剂的影响n *跃迁：跃迁：兰移；兰移； ； *跃迁：跃迁：红移；红移； ； max(正己烷)max(氯仿)max(甲醇)max(水)230238237243n3293153093052021-9-192021-9-19四、影响荧光强度的因素四、影响荧光强度的因素1.1.溶剂的影响溶剂的影响 溶剂极性会影响荧光波长和强度。溶剂极性会影响荧光波长和强度。2.2.温度的影响温度的影响 温度增加，荧光强度下降（因内、外转换增加、粘度或温度增加，荧光强度下降（因内、外转换增加、粘度或“刚性刚性”降低）。因此体系降低温度可增加

18、荧光分析灵敏度。降低）。因此体系降低温度可增加荧光分析灵敏度。3. 溶液溶液pH 具酸或碱性基团的有机物质，在不同具酸或碱性基团的有机物质，在不同pH值时，其结构可值时，其结构可能发生变化，因而荧光强度将发生改变。能发生变化，因而荧光强度将发生改变。4. 表面活性剂表面活性剂 荧光物质周围形成胶束，提高荧光效率。荧光物质周围形成胶束，提高荧光效率。5. 溶解氧溶解氧 降低荧光效率。降低荧光效率。2021-9-19第二节第二节 分子荧光与磷光分析法分子荧光与磷光分析法Molecular fluorescence and phosphorescence analysis 2021-9-19一、仪器

19、结构流程一、仪器结构流程组成：激发光源、样品池、双单色器系统、检测器。组成：激发光源、样品池、双单色器系统、检测器。特殊点特殊点：有两个单色器，光源与检测器通常成直角直角。 基本流程如图：基本流程如图：单色器单色器：有两个单色器！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；光源光源：氘灯和高压汞灯，染料激光器(比可见与紫外强)。检测器检测器：光电倍增管。2021-9-192021-9-19紫外紫外- -可见分光光度计可见分光光度计测量池测量池( (吸收池吸收池) )I0ItI0ItIF,p2021-9-192021-9-19三维光谱图的仪器三维光谱图的仪器若采用多色光照射，用

20、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。2021-9-192021-9-192021-9-19磷光检测磷光检测 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。 测量方法：测量方法：（1 1）通常借助于荧光和磷）通常借助于荧光和磷光寿命的差别，采用磷光光寿命的差别，采用磷光镜的装置将荧光隔开。镜的装置将荧光隔开。（2 2）采用脉冲光源和可控）采用脉冲光源和可控检测及时间分辨技术。检测及时间分辨技术。 室温测量时，不需要室温测量时，不需要杜瓦瓶。杜瓦瓶。2021-9-19二、荧光定量方

21、法二、荧光定量方法FaFF a- bca00- bc-2.3 bcFF 0F 023-2.3 bcFF 0II II (1) II -II (1-10) (2)(2)(1) II (1-10)=I (1-e);(-2.3 bc)(-2.3 bc)e1-2.3 bc+.2!3!II 2.3 b荧光强度 正比与吸收的光量子数及荧光量子产率：由比尔定律：式代入，得：因为：所以： 23(2.3 bc)(2.3 bc)c-+-.2!3!bc0.05, 2.5%;当稀溶液时，上式第二项仅为第一项的以后各项更小，可忽略，则简化成：FF 0F0FI2.3IbcIb, Ikc、 、 均不变 则： 1. 定定量量

22、依依据据 010bcbcII0IA=-logI2021-9-192. 2. 特点特点（1 1）灵敏度高）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 2）选择性强）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 3）试样量少）试样量少 缺点缺点：应用范围小。2021-9-191.1.同步扫描技术同步扫描技术 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同步扫描技术

23、可简化光谱，谱带变窄，减少光谱重叠，提高分辨率； 如图。 合适的合适的可可减少光谱重叠减少光谱重叠；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、荧光分析方法三、荧光分析方法2021-9-19的选择非常重要，它直的选择非常重要，它直接影响同步荧光光谱的形接影响同步荧光光谱的形状、带宽和信号强度。状、带宽和信号强度。选择通常需多次试验后才选择通常需多次试验后才能确认。能确认。2021-9-192.2.时间分辨荧光光谱时间分辨荧光光谱 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：FF-t/

24、t0t0F-t/t0t0FN =N e Nt N tt II e lnI =lnI -t/式中， 为 时后激发体分子数；为激发体的总数目；为激发态分子的平均寿命；为时间。则在 时的荧光强度为：；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。2021-9-191、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 2021-9-19（1）测定

25、荧光衰变曲线 Al RGa Rns8 .10ns3 . 4ns5 . 6可利用上述两个荧光化合物的差异对它们进行同时测定。2021-9-19（2）计算含量铝配合物和镓配合铝配合物和镓配合物的衰变曲线物的衰变曲线铝配合物和镓配合铝配合物和镓配合物的对数衰变曲线物的对数衰变曲线比较（比较（1）和（）和（4）的荧光强度得）的荧光强度得Al的含量的含量比较（比较（2）和（）和（5）的荧光强度得）的荧光强度得Ga的含量的含量1: Al ; 2: Ga ; 3:混合4: 3外延(Al) ; 5: 3减4空白FF 0I2.3Ibc2021-9-193.3.荧光分析法的应用荧光分析法的应用(1)(1)无机化合

26、物的分析无机化合物的分析 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)(2)生物与有机化合物的分析生物与有机化合物的分析 见表 2021-9-192021-9-192021-9-19三、磷光分析法的应用三、磷光分析法的应用磷光的定量依据与荧光法类似。低浓度时，Ip=KpC。常见的几种分析方法：(1)低

27、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：2021-9-192.2.室温磷光室温磷光 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 1）固体基质室温磷光法（固体基质室温磷光法（SS-RTPSS-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、纤维

28、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。2021-9-19（2 2）胶束增稳的溶液室温磷光法（）胶束增稳的溶液室温磷光法（MS-RTPMS-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。2021-9-19外转换2021-

29、9-191.1.稠环芳烃分析稠环芳烃分析 采取固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2.2.农药、生物碱、植物生长激素的分析农药、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 3.3.药物分析和临床分析药物分析和临床分析 见表2021-9-192021-9-192021-9-19第三节第三节 化学发光分析法化学发光分析法Chemiluminescence analysis 利用化学反应所利用化学反应所引发分子发光现象而建立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。起来的分析方法，称为化学发光分析

30、。2021-9-19一、基本原理 principle1. 1. 化学发光反应化学发光反应 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 + D* D* D + h （1）化学反应须提供足够能量化学反应须提供足够能量,使基态分子激发；放热反应使基态分子激发；放热反应.（2）物质分子的激发能与反应能须相当）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；位于可见光区；（3）要有一定的发光效率；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

31、)。2021-9-192.2.化学发光效率化学发光效率化学激发效率：化学激发效率：clceem发射光子的分子数参加反应的分子数ce激发态分子数参加反应分子数发光效率：发光效率：em产生光子数激发态分子数时刻t 的化学发光强度(单位时间发射的光量子数)： clclclcld; ,ddcdcItIttt即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。化学发光强度的积分值与反应物浓度成正比。2021-9-193.3.化学发光反应的类型化学发光反应的类型（1 1）气相化学发光反应）气相化学发光反应a. 一氧化氮与一氧化氮与O3的发光反应的发光反应 NO + O3 NO2* NO

32、2* NO2 + h 发射的光谱范围：600875nm，灵敏度1ng/cm-3；b.氧原子与氧原子与SO2、NO、CO的发光反应的发光反应 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； 2021-9-19 O3 O2 + O （1000 C石英管中进行石英管中进行） NO + O NO2* NO2 * NO2 + h 发射光谱范围：发射光谱范围：4001400nm；灵敏度灵敏度1ng/cm-3；氧原子与氧原子与CO的发光反应：的发光反应： CO + O CO2* CO2 * CO2 + h 发射光谱范围：发射光谱范围：300500nm；灵敏度灵敏度1ng/cm-3； 氧原子与氧原子与NO的发光反应：的发光反应：2021-9-19c. 乙烯与乙烯与O3的发光反应的发光反应 乙烯与乙烯与O3反应，生成激发态乙醛：反应，生成激发态乙醛： CH2O* CH2O + h 最大发射波长：最大发射波长：435nm；对对O3的特效反应；线性响应的特效反应；线性响应范围范围1 ng/cm-3 1 g/cm-3；2021-9-19（2 2）液相中的化学发光反应）液相中的化学发光反应