第三章荧光分析法

1、2022-2-212022-2-22 3-1 3-1 概述概述 3-2 3-2 荧光分析基本原理荧光分析基本原理 3-3 3-3 荧光分析仪器荧光分析仪器 3-4 3-4 荧光分析方法及应用荧光分析方法及应用2022-2-23 分子发光分子发光 某些物质的分子吸收一定能量跃迁到较高的电子激发某些物质的分子吸收一定能量跃迁到较高的电子激发态后，在返回电子基态的过程中伴随有光辐射的现象。态后，在返回电子基态的过程中伴随有光辐射的现象。 光致发光光致发光 物质因吸收光能而激发发光的现象。物质因吸收光能而激发发光的现象。 荧光荧光 当紫外光照射到某些物质的时候，这些物质会发射出当紫外光照射到某些物质的

2、时候，这些物质会发射出各种颜色和不同强度的可见光，而当紫外线停止照射时，各种颜色和不同强度的可见光，而当紫外线停止照射时，所发射的光线也随之很快地消失，这种光线所发射的光线也随之很快地消失，这种光线荧光荧光。2022-2-24 发展史发展史u理论：理论： 第一次记录荧光现象：第一次记录荧光现象：15751575年，西班牙内科医生、植年，西班牙内科医生、植物学家莫纳德斯物学家莫纳德斯(N. Monardes )(N. Monardes )提到：一种木头切片提到：一种木头切片的水溶液呈的水溶液呈“可爱的天蓝色可爱的天蓝色”。 1717世纪，波义尔世纪，波义尔(Boyle)(Boyle)和牛顿和牛顿

3、(Newton)(Newton)等再次观察到等再次观察到荧光现象并给予了更详细的描述。荧光现象并给予了更详细的描述。 18521852年，斯托克斯年，斯托克斯(G.G.Stokes)(G.G.Stokes)用分光光度计考察奎用分光光度计考察奎宁和叶绿素时发现：宁和叶绿素时发现：吸吸 EE磷磷，荧荧 磷磷时间时间1010-4-4-10s-10s2022-2-220图图3.1 3.1 荧光和磷光体系能级图荧光和磷光体系能级图2022-2-221u外转换外转换激发分子通过与溶剂或其他溶质分子间的相互作用激发分子通过与溶剂或其他溶质分子间的相互作用和能量转换，使荧光或磷光强度减弱甚至消失的过和能量转换

4、，使荧光或磷光强度减弱甚至消失的过程称程称外转换外转换。这一现象称为这一现象称为“熄灭熄灭”或或“猝灭猝灭”。由较低的激发单重态及较低的三重态的由较低的激发单重态及较低的三重态的非辐射非辐射跃迁跃迁可包含外转换，也可包含内转换。可包含外转换，也可包含内转换。2022-2-222图图3.1 3.1 荧光和磷光体系能级图荧光和磷光体系能级图2022-2-223二、激发光谱和发射光谱二、激发光谱和发射光谱 任何荧光任何荧光( (磷光磷光) )化合物都具有两个化合物都具有两个特征光谱特征光谱：激发激发光谱光谱和和发射光谱发射光谱。它们是荧光。它们是荧光( (磷光磷光) )定性和定量分析的定性和定量分析

5、的基本参数和依据。基本参数和依据。u激发光谱激发光谱 选择：选择：荧光和磷光都是光致发光，因此必须选择合适荧光和磷光都是光致发光，因此必须选择合适的激发光波长，这可从它们的的激发光波长，这可从它们的激发光谱曲线激发光谱曲线来确定。来确定。 绘制：绘制：固定测量波长（选荧光固定测量波长（选荧光/ /磷光的最大发射波磷光的最大发射波长），改变激发光的波长，测量荧光强度的变化，以长），改变激发光的波长，测量荧光强度的变化，以激发光波长为横坐标、荧光强度为纵坐标作图，即得激发光波长为横坐标、荧光强度为纵坐标作图，即得到荧光到荧光( (磷光磷光) )化合物的激发光谱。化合物的激发光谱。2022-2-22

6、4 激发光谱的形状与吸收光谱的形状极为相似，经校激发光谱的形状与吸收光谱的形状极为相似，经校正后的真实激发光谱与吸收光谱不仅形状相同，而正后的真实激发光谱与吸收光谱不仅形状相同，而且波长位置也一样。这是因为物质分子吸收能量的且波长位置也一样。这是因为物质分子吸收能量的过程就是激发过程过程就是激发过程。u发射光谱：荧发射光谱：荧( (磷磷) )光光谱光光谱 绘制：绘制：将激发光波长固定在最大激发波长处，然后将激发光波长固定在最大激发波长处，然后扫描发射波长，测定不同发射波长处的荧扫描发射波长，测定不同发射波长处的荧( (磷磷) )光强光强度，即得到荧度，即得到荧( (磷磷) )光发射光谱。光发射

7、光谱。 例：例：图图3.23.2为萘的激发光谱、荧光发射光谱和磷光为萘的激发光谱、荧光发射光谱和磷光发射光谱。荧光发射光谱显示了若干普遍的特性：发射光谱。荧光发射光谱显示了若干普遍的特性：2022-2-225uStokesStokes位移位移在溶液中，分子荧光在溶液中，分子荧光的发射相对于吸收位的发射相对于吸收位移到较长的波长，称移到较长的波长，称为为StokesStokes位移。位移。这是由于受激分子通这是由于受激分子通过振动弛豫而失去振过振动弛豫而失去振动能，也由于溶液中动能，也由于溶液中溶剂分子与受激分子溶剂分子与受激分子的碰撞，也会有能量的碰撞，也会有能量的损失。因此在激发的损失。因此

8、在激发和发射之间产生了能和发射之间产生了能量损失。量损失。图图3.2 3.2 萘的激发光谱萘的激发光谱I I、荧光荧光IIII和磷光光谱和磷光光谱IIIIII激发激发/吸收光谱吸收光谱磷光光谱磷光光谱荧光光谱荧光光谱2022-2-226u荧光发射光谱的形状与激发波长无关。荧光发射光谱的形状与激发波长无关。这是因为分子吸收了不同能量的光子可以由基态激这是因为分子吸收了不同能量的光子可以由基态激发到几个不同的电子激发态，而具有几个吸收带。发到几个不同的电子激发态，而具有几个吸收带。由于较高激发态通过内转换及振动弛豫回到第一电由于较高激发态通过内转换及振动弛豫回到第一电子激发态的速率是很高的，远大于

9、由高能激发态直子激发态的速率是很高的，远大于由高能激发态直接发射光子的速率。接发射光子的速率。故在荧光发射时，不论用哪一个波长的光激发，电故在荧光发射时，不论用哪一个波长的光激发，电子都是从第一电子激发态的最低振动能层返回到基子都是从第一电子激发态的最低振动能层返回到基态的各个振动能层，所以荧光发射光谱与激发波长态的各个振动能层，所以荧光发射光谱与激发波长无关。无关。2022-2-227u镜像规则镜像规则 荧光发射光谱和它的吸收光谱呈镜像对称关系。荧光发射光谱和它的吸收光谱呈镜像对称关系。吸收光谱是物质分子由基态激发至第一电子激发态吸收光谱是物质分子由基态激发至第一电子激发态的各振动能层所致。

10、其形状决定于第一电子激发态的各振动能层所致。其形状决定于第一电子激发态中各振动能层的分布情况。中各振动能层的分布情况。荧光光谱是激发分子从第一电子激发态的最低振动荧光光谱是激发分子从第一电子激发态的最低振动能层回到基态中各不同能层所致。所以荧光光谱的能层回到基态中各不同能层所致。所以荧光光谱的形状决定于基态中各振动能层的分布情况。形状决定于基态中各振动能层的分布情况。基态中振动能层的分布和第一电子激发态中振动能基态中振动能层的分布和第一电子激发态中振动能层的分布的情况是类似的，因此荧光光谱的形状和层的分布的情况是类似的，因此荧光光谱的形状和吸收光谱极为相似。吸收光谱极为相似。2022-2-22

11、8图图3.3 3.3 蒽的乙醇溶液的荧光光谱（右）和吸收光谱（左）蒽的乙醇溶液的荧光光谱（右）和吸收光谱（左）=0=01 14 43 32 21 14 43 32 2=0=0S S1 1S S0 02022-2-229三、荧光和分子结构的关系三、荧光和分子结构的关系 分子产生荧光必须具备两个条件：分子产生荧光必须具备两个条件： (i)(i)分子必须具有与所照射的辐射频率相适应的分子必须具有与所照射的辐射频率相适应的 结构，才能吸收激发光。结构，才能吸收激发光。 (ii)(ii)吸收了与其本身特征频率相同的能量之后，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。必须具有一定

12、的荧光量子产率。 思考：什么样结构的物质会发生荧光？思考：什么样结构的物质会发生荧光？ 化学结构上的改变对物质荧光强度和荧光光谱化学结构上的改变对物质荧光强度和荧光光谱 有什么样的影响？有什么样的影响？2022-2-230u荧光量子产率荧光量子产率 : :它表示物质发荧光的能力它表示物质发荧光的能力吸收的光量子数发射的光量子数 许多吸光物质并不能发荧光，因为在激发态分子释放激发能许多吸光物质并不能发荧光，因为在激发态分子释放激发能的过程中除荧光发射外，还有许多上面提到的辐射和非辐射的过程中除荧光发射外，还有许多上面提到的辐射和非辐射的跃迁过程与之竞争。荧光的量子产率与上述的每个过程的的跃迁过程

13、与之竞争。荧光的量子产率与上述的每个过程的速率常数有关。表达式如下速率常数有关。表达式如下iffkkk荧光发射过程荧光发射过程的速率常数的速率常数 其他有关的过程速其他有关的过程速率常数总和率常数总和 凡是可以使凡是可以使 升高，升高， 降低的因素都可以增强荧光降低的因素都可以增强荧光 主要决定于化学结构，主要决定于化学结构， 主要决定于化学环境，也与主要决定于化学环境，也与化学结构有关。化学结构有关。ikfkfkik2022-2-231u跃迁类型跃迁类型 实验表明，大多数荧光化合物都是由实验表明，大多数荧光化合物都是由或或跃迁激发，然后经过振动弛豫或其他无辐射跃跃迁激发，然后经过振动弛豫或其

14、他无辐射跃迁，再发生迁，再发生或或跃迁而产生荧光，其中跃迁而产生荧光，其中的跃迁的量子效率较高。的跃迁的量子效率较高。 此外，在此外，在 跃迁过程中，通过系间跨越跃迁至跃迁过程中，通过系间跨越跃迁至三重态的速率常数也较小，也有利于荧光的发射。三重态的速率常数也较小，也有利于荧光的发射。u共轭效应共轭效应 含有含有跃迁能级的芳香族化合物的荧光最强。跃迁能级的芳香族化合物的荧光最强。这种体系中的这种体系中的电子共轭度越大，则电子共轭度越大，则电子非定域性电子非定域性越大，越易被激发，荧光也就越易发生，而且荧光光越大，越易被激发，荧光也就越易发生，而且荧光光谱将随共轭程度的增加向长波移动。谱将随共轭

15、程度的增加向长波移动。2022-2-232 绝大多数能发生荧光的物质含有芳香环或杂环。绝大多数能发生荧光的物质含有芳香环或杂环。 任何有利于任何有利于提高提高电子共轭度的结构改变都将电子共轭度的结构改变都将提高提高荧荧光效率，并使荧光波长向长波方向移动。光效率，并使荧光波长向长波方向移动。u刚性平面结构刚性平面结构 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，使分子与溶剂或其他溶质分子的相互作用减小，减少了碰撞与溶剂或其他溶质分子的相互作用减小，减少了碰撞去活的

16、可能性。去活的可能性。COOHHOOCCOOHHOOCO酚酞酚酞荧光素荧光素无荧光无荧光强荧光强荧光氧桥氧桥2022-2-233u取代基效应取代基效应 芳香族化合物苯环上的不同取代基对该化合的荧光芳香族化合物苯环上的不同取代基对该化合的荧光强度和荧光光谱有很大的影响。强度和荧光光谱有很大的影响。 给电子基团给电子基团，如，如-0H-0H、-OR-OR、-NH-NH2 2、-CN-CN、-NR-NR2 2等，使等，使荧光增强。荧光增强。 吸电子基团吸电子基团，如，如-COOH-COOH、-C=O-C=O、-NO-NO2 2、-NO-NO、卤素离卤素离子等，会减弱甚至猝灭荧光。子等，会减弱甚至猝灭

17、荧光。 如果将一个如果将一个高原子序数的原子高原子序数的原子引入到引入到电子体系中，电子体系中，往往会增强磷光而减弱荧光。往往会增强磷光而减弱荧光。 “ “重原子效应重原子效应”增加系间跨越速率所致。增加系间跨越速率所致。2022-2-234 如，卤代苯中如，卤代苯中 双取代和多取代物双取代和多取代物对非定域对非定域电子激发的影响较难预电子激发的影响较难预测。但若能增加分子的平面性，例如取代基之间能形测。但若能增加分子的平面性，例如取代基之间能形成氢键，则荧光增强；反之，则荧光减弱。成氢键，则荧光增强；反之，则荧光减弱。FClBrI溴苯溴苯无荧光无荧光氟苯氟苯氯苯氯苯碘苯碘苯16. 005.

18、001. 02022-2-235四、溶液的荧四、溶液的荧( (磷磷) )光强度光强度u荧光强度与溶液浓度的关系荧光强度与溶液浓度的关系 荧光量子产率荧光量子产率 荧光强度荧光强度I If f与溶液浓度与溶液浓度c c的关系：的关系： 根据根据BeerBeer定律，经定律，经推导推导可得：可得： 当当I I0 0和和 一定时：一定时：吸收的光量子数发射的光量子数afII吸收的光量吸收的光量 clIIf03 . 2cKIfl05. 0lc线性关系成立条件线性关系成立条件2022-2-236u影响荧光强度的因素影响荧光强度的因素 溶剂：溶剂：溶剂效应和特殊溶剂效应。溶剂效应和特殊溶剂效应。u溶剂效应

19、：溶剂效应：溶剂的折射率和介电常数的影响。溶剂的折射率和介电常数的影响。普遍存在。普遍存在。l溶剂对光的散射和折射。溶剂对光的散射和折射。l溶剂极性增大，对激发态的稳定作用增强，溶剂极性增大，对激发态的稳定作用增强，使荧光强度增加，光谱红移。使荧光强度增加，光谱红移。u特殊溶剂效应：特殊溶剂效应：荧光体和溶剂分子间的特殊化荧光体和溶剂分子间的特殊化学作用。如氢键的生成和化合作用。对荧光光学作用。如氢键的生成和化合作用。对荧光光谱的强度和形状影响大。谱的强度和形状影响大。 温度：温度：敏感，影响大。敏感，影响大。u下降：下降：碰撞失活几率减小，有利于荧光产生。碰撞失活几率减小，有利于荧光产生。u

20、分析时要控制好温度。分析时要控制好温度。2022-2-237 溶液溶液pHpH值：值：u带有酸性或碱性官能团的大多数芳香族化合物的荧带有酸性或碱性官能团的大多数芳香族化合物的荧光一般都与溶液的光一般都与溶液的pHpH有关。影响分子的存在形式。有关。影响分子的存在形式。 如，苯胺：如，苯胺：pH7-12pH7-12，分子形式，蓝色荧光分子形式，蓝色荧光 pH2pH13pH13，离子形式，无荧光离子形式，无荧光 u金属离子与有机试剂形成的发光螯合物也受到溶液金属离子与有机试剂形成的发光螯合物也受到溶液pHpH的影响。影响螯合物的形成和组成。的影响。影响螯合物的形成和组成。 如，镓与如，镓与2,2-

21、2,2-二羟基偶氮苯的螯合物：二羟基偶氮苯的螯合物： pH3-4pH3-4，1:11:1螯合物，有荧光螯合物，有荧光 pH6-7pH6-7，1:21:2螯合物，无荧光螯合物，无荧光 2022-2-238 内滤光作用和自吸收现象：内滤光作用和自吸收现象：u内滤光作用：内滤光作用：溶液中若存在着能吸收激发或荧光物质溶液中若存在着能吸收激发或荧光物质所发射光能的物质，就会使荧光减弱，这种现象称为所发射光能的物质，就会使荧光减弱，这种现象称为内滤光作用内滤光作用。 如，如，1 1ggcmcm-3-3的色氨酸溶液中，如有的色氨酸溶液中，如有K K2 2CrCr2 2O O7 7存在，存在，由于色氨酸的激

22、发和发射峰附近正好是由于色氨酸的激发和发射峰附近正好是K K2 2CrCr2 2O O7 7的的两个吸收峰，两个吸收峰，K K2 2CrCr2 2O O7 7吸收了色氨酸的激发能和发吸收了色氨酸的激发能和发射的荧光，使测得的色氨酸荧光大大减弱。射的荧光，使测得的色氨酸荧光大大减弱。 u自吸收现象：自吸收现象：内滤光作用的另一种情况是荧光物质的内滤光作用的另一种情况是荧光物质的荧光发射光谱的短波长一端与该物质的吸收光谱的长荧光发射光谱的短波长一端与该物质的吸收光谱的长波长一端有重叠，在溶液浓度较大时一部分荧光发射波长一端有重叠，在溶液浓度较大时一部分荧光发射被自身吸收，被自身吸收，这种现象称为这

23、种现象称为自吸收自吸收。2022-2-239u溶液的荧光猝灭溶液的荧光猝灭 荧光物质分子与溶剂分子或其他溶质分子的相互作用荧光物质分子与溶剂分子或其他溶质分子的相互作用引起荧光强度降低的现象称为引起荧光强度降低的现象称为荧光猝灭荧光猝灭。 能引起荧光强度降低的物质称为能引起荧光强度降低的物质称为荧光猝灭剂荧光猝灭剂。u猝灭形式：猝灭形式：碰撞猝灭碰撞猝灭静态猝灭（组成化合物的猝灭）静态猝灭（组成化合物的猝灭）转入三重态的猝灭转入三重态的猝灭发生电子转移反应的猝灭发生电子转移反应的猝灭荧光物质的自猝灭荧光物质的自猝灭2022-2-240 结构结构图图3.4 3.4 荧光分析仪基本部件示意图荧光分

24、析仪基本部件示意图2022-2-241u由光源发出的光经第一单色器得到所需要的激发由光源发出的光经第一单色器得到所需要的激发光波长。激发光通过样品池后，由于一部分光能光波长。激发光通过样品池后，由于一部分光能被荧光物质吸收，其透射光强度将减弱。被荧光物质吸收，其透射光强度将减弱。u荧光物质被激发后，将发射荧光。为了消除入射荧光物质被激发后，将发射荧光。为了消除入射光（透射光）和散射光的影响，荧光的测量通常光（透射光）和散射光的影响，荧光的测量通常在与激发光成在与激发光成直角直角的方向上进行。的方向上进行。u为消除可能共存的其他光线的干扰，如由激发光为消除可能共存的其他光线的干扰，如由激发光所产

25、生的反射光、所产生的反射光、RayleightRayleight( (瑞利瑞利) )散射光和散射光和Raman(Raman(拉曼拉曼) )光，以及为将溶液中杂质所发生的荧光，以及为将溶液中杂质所发生的荧光滤去，以获得所需要的荧光，在样品池和检测光滤去，以获得所需要的荧光，在样品池和检测器之间设置了第二单色器。器之间设置了第二单色器。u得到的荧光作用于检测器上，得到相应的电信号，得到的荧光作用于检测器上，得到相应的电信号，经放大后再记录下来。经放大后再记录下来。2022-2-242 组成组成u激发光源：激发光源：在紫外在紫外可见区范围，常用的光源是氙可见区范围，常用的光源是氙灯和高压汞灯。灯和高

26、压汞灯。u样品池：样品池：荧光用的样品池须用低荧光的材料制成，荧光用的样品池须用低荧光的材料制成，通常用通常用石英石英，形状以方形和长方形为宜。，形状以方形和长方形为宜。u单色器：单色器：较精密的荧光分光光度计均采用光栅，有较精密的荧光分光光度计均采用光栅，有两个：第一单色器用于选择激发波长；第二单色器用两个：第一单色器用于选择激发波长；第二单色器用于分离出荧光发射波长。于分离出荧光发射波长。u检测器：检测器：荧光的强度通常比较弱，因此要求检测器荧光的强度通常比较弱，因此要求检测器具有较高的灵敏度。一般由光电管或光电倍增管作检具有较高的灵敏度。一般由光电管或光电倍增管作检测器，并与激发光成测器

27、，并与激发光成直角直角。2022-2-243 荧光分析方法的特点荧光分析方法的特点u灵敏度高灵敏度高 与紫外与紫外可见分光光度法比较，荧光是从入射光可见分光光度法比较，荧光是从入射光的直角方向检测。即，在黑背景下检测荧光的发的直角方向检测。即，在黑背景下检测荧光的发射。所以灵敏度要比紫外射。所以灵敏度要比紫外可见分光光度法高可见分光光度法高2 24 4个数量级。个数量级。 它的测定下限在它的测定下限在0.10.10.0010.001ggcmcm-3-3之间。之间。2022-2-244 实际工作中用实际工作中用相对灵敏度相对灵敏度表示。表示。(i)(i)以喹宁在以喹宁在0.05moldm0.05

28、moldm-3-3H H2 2SOSO4 4溶液中的荧光强溶液中的荧光强度为标准，定为度为标准，定为1 1。然后与相同浓度荧光物质。然后与相同浓度荧光物质的荧光强度进行比较，即可求得该物质的相对的荧光强度进行比较，即可求得该物质的相对灵敏度。灵敏度。(ii)(ii)水的拉曼光信噪比表示。水的拉曼光信噪比表示。u选择性强选择性强 荧光法既能依据特征发射，又能依据特征吸收来荧光法既能依据特征发射，又能依据特征吸收来鉴定物质。鉴定物质。 假如某几个物质的发射光谱相似，可以从激发光假如某几个物质的发射光谱相似，可以从激发光谱的差异把它们区分开来；而如果它们的吸收光谱的差异把它们区分开来；而如果它们的吸

29、收光谱相同，则可用发射光谱将其区分。谱相同，则可用发射光谱将其区分。2022-2-245u试样量少和方法简便试样量少和方法简便u提供比较多的物理参数提供比较多的物理参数 提供：激发光谱和发射光谱以及荧光强度、荧光提供：激发光谱和发射光谱以及荧光强度、荧光效率、荧光寿命等许多物理参数。效率、荧光寿命等许多物理参数。 这些参数反映了分子的各种特性，能从不同角度这些参数反映了分子的各种特性，能从不同角度提供被研究分子的信息。提供被研究分子的信息。 荧光分析方法的弱点荧光分析方法的弱点u应用范围不够广：应用范围不够广：因为本身能发荧光的物质相对较因为本身能发荧光的物质相对较少，用加入某种试剂的方法将非

30、荧光物质转化为荧少，用加入某种试剂的方法将非荧光物质转化为荧光物质来进行分析，其数量也不是很多。光物质来进行分析，其数量也不是很多。u干扰因素多：干扰因素多：测定时需要严格控制条件。测定时需要严格控制条件。2022-2-246 定量测定方法定量测定方法u校准曲线法校准曲线法 用已知量的标准物质经过和试样一样的处理后，用已知量的标准物质经过和试样一样的处理后，配成一系列标淮溶液，在一定的仪器条件下测定配成一系列标淮溶液，在一定的仪器条件下测定这些溶液的荧光强度，作出校准曲线。这些溶液的荧光强度，作出校准曲线。 然后在同样的仪器条件下，测定试样溶液的荧光然后在同样的仪器条件下，测定试样溶液的荧光强度，从校准曲线上查出它们的浓度。强度，从校准曲线上查出它们的浓度。2022-2-247 荧光分析法的应用荧光分析法的应用 目前荧光分析大多用于定量测定。目前荧光分析大多用于定量测定。u基本方法基本方法 形成荧光配合物法：形成荧光配合物法：利用有机试剂与荧光较弱或不利用有机试剂与荧光较弱或不显荧光的物质共价或