荧光光谱分析

1、第九章第九章 分子荧光光谱法分子荧光光谱法Molecular fluorescence spectroscopy 光致发光和分子荧光光谱法光致发光和分子荧光光谱法9.1 荧光光谱法基本原理荧光光谱法基本原理 9.2 荧光分析仪器和荧光法的应用荧光分析仪器和荧光法的应用光致发光（光致发光（Photoluminescence）: 荧光和磷光是分子吸光荧光和磷光是分子吸光成为激发态分子，在返回基态时的发光现象，称为光致发光。成为激发态分子，在返回基态时的发光现象，称为光致发光。特点：特点：灵敏度高。检测限比吸收光谱法低灵敏度高。检测限比吸收光谱法低13个数量级；个数量级；线性范围宽；线性范围宽；选择

2、性比吸收光谱法好。因为能产生紫外可见吸收的分子不选择性比吸收光谱法好。因为能产生紫外可见吸收的分子不一定发射荧光或磷光；一定发射荧光或磷光；应用范围不如吸收光谱法广，因为有的分子不发荧光。应用范围不如吸收光谱法广，因为有的分子不发荧光。基于化合物的荧光测量而建立起来的分析方法称为基于化合物的荧光测量而建立起来的分析方法称为分子荧光光分子荧光光谱法。谱法。9.1 9.1 荧光光谱法基本原理荧光光谱法基本原理 9.1.1 9.1.1 分子的激发与失活分子的激发与失活1. 1. 分子的多重态分子的多重态单重态单重态 一个所有电子自旋都配对一个所有电子自旋都配对的分子的电子状态。大多数有机的分子的电子

3、状态。大多数有机物分子的基态是单重态。当基态物分子的基态是单重态。当基态一对电子中的一个被激发到较高一对电子中的一个被激发到较高能级，其自旋方向不会立刻改变，能级，其自旋方向不会立刻改变，分子仍处于单重态。分子仍处于单重态。三重态三重态 有两个电子的自旋不配对有两个电子的自旋不配对而平行的状态。激发三重态能量而平行的状态。激发三重态能量较激发单重态低。较激发单重态低。2. 2. 激发态分子的失活激发态分子的失活: : 激发态分子不稳定，它要以辐射激发态分子不稳定，它要以辐射或无辐射跃迁的方式回到基态。或无辐射跃迁的方式回到基态。无辐射跃迁无辐射跃迁振动弛豫：振动弛豫：激发态分子由同一电子能级中

4、的较高振动能级激发态分子由同一电子能级中的较高振动能级转至较低振动能级的过程，其效率较高。转至较低振动能级的过程，其效率较高。 内转换：内转换：相同多重态的两个电子能级间，电子由高能级回相同多重态的两个电子能级间，电子由高能级回到低能级的分子内过程。到低能级的分子内过程。 系间窜越：系间窜越： 激发态分子的电子自旋发生倒转而使分子的多激发态分子的电子自旋发生倒转而使分子的多重态发生变化的过程。重态发生变化的过程。 外转换：外转换：激发态分子与溶剂与其他溶质相互作用、能量转激发态分子与溶剂与其他溶质相互作用、能量转换而使荧光换而使荧光 （或磷光）减弱甚至消失的过程。荧光强度的（或磷光）减弱甚至消

5、失的过程。荧光强度的减弱或消失，称为荧光熄灭（或猝灭）减弱或消失，称为荧光熄灭（或猝灭）。 辐射跃迁辐射跃迁:荧光：荧光：受光激发的分子从第一激发单重态的最低振受光激发的分子从第一激发单重态的最低振动能级回到基态所发出的辐射。寿命为动能级回到基态所发出的辐射。寿命为10-8 10 -11s。由于是相同多重态之间的跃迁，几率较大，速度大，由于是相同多重态之间的跃迁，几率较大，速度大，速率常数速率常数kf为为106109s-1。 磷光：磷光： 从第一激发三重态的最低振动能级回到基态从第一激发三重态的最低振动能级回到基态所发出的辐射。由于磷光的产生伴随自旋多重态的所发出的辐射。由于磷光的产生伴随自旋

6、多重态的改变，辐射速度远小于荧光，磷光寿命为改变，辐射速度远小于荧光，磷光寿命为10-4 10s。1. 1. 荧光强度与浓度的关系荧光强度与浓度的关系F = KF = K（I I0 0I I）I I0 0入射光辐射功率；入射光辐射功率；I I透射光辐射功率；荧光透射光辐射功率；荧光量子产率（量子产率（）。）。 9.1.2 9.1.2 荧光强度及影响荧光的因素荧光强度及影响荧光的因素荧光是物质吸收光子之后发出的辐射，荧光强度（荧光是物质吸收光子之后发出的辐射，荧光强度（F F）与荧光物质的吸光程度及其发射荧光的能力有关与荧光物质的吸光程度及其发射荧光的能力有关。 bceII303. 20)1 (

7、303. 20bceIKFF = KF = K（I I0 0I I）根据朗伯根据朗伯-比尔定律，比尔定律，0lgII=bc则则假设假设bc0.05F = KI02.303 bc当当I0一定时一定时 F = KC (K =KI02.303 b)即在低浓度时，溶液的荧光强度与荧光物质的浓度即在低浓度时，溶液的荧光强度与荧光物质的浓度成正比，这是荧光法定量的基础。成正比，这是荧光法定量的基础。2. 2. 荧光量子产率荧光量子产率物质分子发射荧光的能力用荧光量子产率（物质分子发射荧光的能力用荧光量子产率（）表示：）表示：吸收的光子数发射的光子数激发态的分子数发射荧光的分子数iceciffkkkkk 凡

8、是使荧光速率常数凡是使荧光速率常数k kf f增大而使其他失活过程（系间窜越、增大而使其他失活过程（系间窜越、外转换、内转换）的速率常数减小的因素都可使荧光增强。外转换、内转换）的速率常数减小的因素都可使荧光增强。与失活过程的速率常数与失活过程的速率常数k k有关：有关：荧光与结构的关系荧光与结构的关系 （1 1）电子跃迁类型）电子跃迁类型 发射发射 *跃迁比跃迁比*n跃迁更常见跃迁更常见（2 2）共轭效应）共轭效应 芳香族化合物的荧光最常见且最强，大多芳香族化合物的荧光最常见且最强，大多数未取代芳烃在溶液中发荧光，随着环的数目和稠合程数未取代芳烃在溶液中发荧光，随着环的数目和稠合程度增加，荧

9、光峰红移，度增加，荧光峰红移，。简单杂环化合物不发荧光，。简单杂环化合物不发荧光，但具有稠环结构的杂环化合物都发荧光。但具有稠环结构的杂环化合物都发荧光。（3 3）平面刚性结构效应）平面刚性结构效应 有刚性结构的分子容易发荧光，有刚性结构的分子容易发荧光，刚性和共平面性的增加有利于荧光发射。刚性和共平面性的增加有利于荧光发射。CH2联苯联苯 =0.2 芴芴 =1 化合物化合物 相对荧光强度相对荧光强度 苯苯 10 10 C6H5COOHC6H5NO230C6H5CH3C6H5OHC6H5OCH3C6H5NH2C6H5CN1718202020C6H5ClC6H5BrC6H5I750(4)(4)取

10、代基的影响取代基的影响芳环上有羧基、羰基或芳环上有羧基、羰基或亚硝基等亚硝基等吸电子基团吸电子基团取取代时，荧光减弱；代时，荧光减弱；给电子取代基给电子取代基如如-OH-OH、- -NHNH2 2、-CN-CN、-OCH-OCH3 3等会使等会使荧光强度增加。荧光强度增加。 重原子效应重原子效应 含有重原含有重原子的分子中，系间窜跃子的分子中，系间窜跃的几率大的几率大, ,使荧光减弱，使荧光减弱，磷光增强。磷光增强。 荧光与环境因素的关系荧光与环境因素的关系温度温度降低会使荧光强度增大；降低会使荧光强度增大；带有酸性或碱性取代基的芳香化带有酸性或碱性取代基的芳香化合物的荧光与合物的荧光与pHp

11、H有关；有关；溶剂溶剂 溶剂极性增加有时会使荧溶剂极性增加有时会使荧光强度增加，荧光波长红移；光强度增加，荧光波长红移；若溶剂和荧光物质形成氢键或若溶剂和荧光物质形成氢键或使荧光物质电离状态改变，会使荧光物质电离状态改变，会使荧光强度、荧光波长改变；使荧光强度、荧光波长改变；含重原子的溶剂（碘乙烷、四含重原子的溶剂（碘乙烷、四溴化碳）使荧光减弱。溴化碳）使荧光减弱。溶解氧溶解氧的存在往往使荧光强度降的存在往往使荧光强度降低。低。化合物 相对荧光强度 C6H5OH 18 C6H5O 10C6H5NH2 20 +C6H5NH3 09.1.3 9.1.3 激发光谱和荧光光谱激发光谱和荧光光谱 任何荧

12、光化合物都具有两种特征任何荧光化合物都具有两种特征光谱：光谱：荧光激发光谱（吸收光谱）荧光激发光谱（吸收光谱）固定某一发射波长，测定该波固定某一发射波长，测定该波长下的荧光发射强度随激发波长长下的荧光发射强度随激发波长变化所得的光谱。变化所得的光谱。荧光发射光谱（荧光光谱）荧光发射光谱（荧光光谱）固定某一激发波长，测定荧光固定某一激发波长，测定荧光发射强度随发射波长变化得到的发射强度随发射波长变化得到的光谱。光谱。荧光光谱的特点：荧光光谱的特点：斯托克斯位移（斯托克斯位移（Stokes shift)。与激发光谱相比，与激发光谱相比，荧光光谱的波长总是出现在更长的波长处；荧光光谱的波长总是出现在

13、更长的波长处；荧光光谱与激发波长无关。荧光光谱与激发波长无关。无论用无论用=250和和350nm作激发光源，所得荧光光谱形状和峰的位置都是相同；作激发光源，所得荧光光谱形状和峰的位置都是相同；吸收光谱与发射光谱大致成镜像对称。吸收光谱与发射光谱大致成镜像对称。9.2 9.2 荧光分析仪器和荧光法的应用荧光分析仪器和荧光法的应用 9.2.1 9.2.1 荧光分光光度计荧光分光光度计荧光分光光度计既可用于定量分荧光分光光度计既可用于定量分析，也可用于测绘激发光谱和荧析，也可用于测绘激发光谱和荧光光谱。第一单色器选择激发光光光谱。第一单色器选择激发光波长（波长（250nm250nm的紫外光），故的紫

14、外光），故称为激发单色器。第二单色器称为激发单色器。第二单色器（荧光单色器）与激发光入射方（荧光单色器）与激发光入射方向垂直，并选择荧光波长，可提向垂直，并选择荧光波长，可提高方法的选择性和准确度。高方法的选择性和准确度。 9 9.2.2 .2.2 荧光法的应用荧光法的应用荧光法灵敏度高、选择性好，可用于痕量分析，但是荧光法灵敏度高、选择性好，可用于痕量分析，但是能发生荧光的化学体系不多，这是荧光法的应用特点。能发生荧光的化学体系不多，这是荧光法的应用特点。无机物通过与荧光试剂作用生成荧光螯合物而进行荧无机物通过与荧光试剂作用生成荧光螯合物而进行荧光分析，非过渡金属离子的荧光螯合物较多，荧光试光分析，非过渡金属离子的荧光螯合物较多，荧光试剂具有两个（或以上）与剂具有两个（或以上）与M MZ+Z+形成螯合物的电子给予体形成螯合物的电子给予体官