武汉大学分析化学分子光谱ppt课件

1、九九 分子发光荧光、磷光和化学发光分子发光荧光、磷光和化学发光基于价电子的跃迁基于价电子的跃迁9.1 荧光和磷光光谱法荧光和磷光光谱法S2S1S0T1吸吸收收发发射射荧荧光光发发射射磷磷光光系间跨越内转换振动弛豫能量l 2l 2l 1l 1l 3l 3 外转换l l 2 2T2内转换振动弛豫1 荧光和磷光的产生荧光和磷光的产生辐射跃迁辐射跃迁荧光：荧光：10-710 -9 s,第一激发单重态的最低振动能级第一激发单重态的最低振动能级基态；基态；磷光：磷光：10-410s；第一激发三重态的最低振动能级；第一激发三重态的最低振动能级基态；基态；非辐射跃迁非辐射跃迁 振动弛豫：同一电子能级内以热能量

2、交换方式由高振动能级至低相邻振振动弛豫：同一电子能级内以热能量交换方式由高振动能级至低相邻振 动能级间的跃迁。动能级间的跃迁。内转换：同多重度电子能级中内转换：同多重度电子能级中, ,等能级间的无辐射能级交换。等能级间的无辐射能级交换。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；射跃迁； 外转换使荧光或磷光减弱或外转换使荧光或磷光减弱或“猝灭。猝灭。系间跨越：不同多重态系间跨越：不同多重态, ,有重叠的转动能级间的非辐射跃迁。有重叠的转动能级间的非辐射跃迁。 改动电子自旋，禁阻跃迁，经过自旋改动电子自

3、旋，禁阻跃迁，经过自旋轨道耦合进轨道耦合进展。展。2 荧光与分子构造的关系荧光与分子构造的关系荧光量子产率荧光量子产率：吸收的光量子数发射的光量子数 荧光量子产率与激发态能量释放各过程的速率常数有关，如外转换过程(猝灭)速度快，不出现荧光发射化合物构造与荧光的关系化合物构造与荧光的关系1跃迁类型：跃迁类型：* 的荧光效率高，系间跨越过程的速率常数小的荧光效率高，系间跨越过程的速率常数小2共轭效应：提高共轭度有利于添加荧光效率并产生红移共轭效应：提高共轭度有利于添加荧光效率并产生红移3刚性平面构造：可降低分子振动，减少与溶剂的相互作用，故具有刚性平面构造：可降低分子振动，减少与溶剂的相互作用，故

4、具有很强的荧光。如荧光素和酚酞有类似构造，荧光素有很强的荧光，酚酞很强的荧光。如荧光素和酚酞有类似构造，荧光素有很强的荧光，酚酞却没有。却没有。4取代基效应：芳环上有取代基效应：芳环上有供电基，使荧光加强。供电基，使荧光加强。有机化合物有机化合物n 鳌合物中配体发光：鳌合后使配体具有刚性平面构造鳌合物中配体发光：鳌合后使配体具有刚性平面构造n 鳌合物中金属离子发光：配体接受能量后传送给金属，产生鳌合物中金属离子发光：配体接受能量后传送给金属，产生d d*, f f* 跃迁，发射荧光跃迁，发射荧光无机化合物金属鳌合物无机化合物金属鳌合物3 3 影响荧光强度的要素影响荧光强度的要素1) 1) 溶剂

5、的影响溶剂的影响 除普通溶剂效应外，溶剂的极性、氢键、配位键的构成都将使化除普通溶剂效应外，溶剂的极性、氢键、配位键的构成都将使化合物的荧光发生变化合物的荧光发生变化2) 2) 温度的影响温度的影响 荧光强度对温度变化敏感，温度添加，外转换去活的几率添加荧光强度对温度变化敏感，温度添加，外转换去活的几率添加3) 3) 溶液溶液pHpH 对酸碱化合物，溶液对酸碱化合物，溶液pHpH的影响较大，需求严厉控制的影响较大，需求严厉控制4) 4) 荧光的猝灭荧光的猝灭 碰撞猝灭：碰撞猝灭： M M* * Q M Q M Q Q 热猝灭热猝灭 能量转移能量转移 M M* * Q M Q M Q Q* *

6、猝灭猝灭 氧的熄灭氧的熄灭 自猝灭与自吸收自猝灭与自吸收4.4.荧光强度与浓度关系定量根据荧光强度与浓度关系定量根据荧光强度荧光强度 If正比于吸收的光强正比于吸收的光强Ia和荧光量子效率和荧光量子效率 ： If = Ia 由朗由朗-比耳定律：比耳定律： Ia = I0(1-10- l c ) If = I0(1-10- l c ) = I0(1-e-2.3 l c ) 浓度很低时，将括号项近似处置后：浓度很低时，将括号项近似处置后： If = 2.303 I0 l c = Kc5.5.激发光谱与荧光磷光光谱激发光谱与荧光磷光光谱200260320380440500560620荧光激发光谱荧光

7、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6. 6. 荧光磷光光谱仪荧光磷光光谱仪由四个部分组成：光源、样品池、双单色器系统、检测器。由四个部分组成：光源、样品池、双单色器系统、检测器。 特殊点：有两个单色器，光源与检测器通常成直角。特殊点：有两个单色器，光源与检测器通常成直角。光源：高压汞灯、氙灯或染料激光源：高压汞灯、氙灯或染料激光器光器检测器：光电倍增管灯检测器：光电倍增管灯7. 7. 荧光光谱法的特点荧光光谱法的特点1 1灵敏度高灵敏度高 2 2选择性强选择性强 既可根据特征发射光谱，又可根据特征吸收光谱；既可根据特

8、征发射光谱，又可根据特征吸收光谱；3 3试样量少试样量少9.2 化学发光化学发光1 根本原理根本原理 化学发光反响化学发光反响 在化学反响过程中，某些化合物接受能量而被激发在化学反响过程中，某些化合物接受能量而被激发，从激发态前往基态时，发射出一定波长的光。，从激发态前往基态时，发射出一定波长的光。 A +B = C + D A +B = C + D* * D D* * D + h D + hn n1 1可以发光的化合物大多为有机化合物，芳香族化合物可以发光的化合物大多为有机化合物，芳香族化合物2 2化学发光反响多为氧化复原反响，激发能与反响能相当化学发光反响多为氧化复原反响，激发能与反响能相

9、当3 3发光继续时间较长，反响继续进展发光继续时间较长，反响继续进展 化学发光效率化学发光效率化学效率：化学效率：emcecl 参加反应的分子数参加反应的分子数发射光子的分子数发射光子的分子数发光效率：发光效率：激激发发态态分分子子数数产产生生光光子子数数 em 时辰时辰t t 的化学发光强度的化学发光强度( (单位时间发射的光量子数单位时间发射的光量子数) )： tctIddclcl dc/dt dc/dt 分析物参与反响的速率；分析物参与反响的速率；参加反应分子数参加反应分子数激发态分子数激发态分子数 ce = = K c K c 定量分析根据定量分析根据2 2 化学发光反响的类型化学发光

10、反响的类型1 1气相化学发光反响气相化学发光反响 O3 O3的发光反响的发光反响 一氧化氮与一氧化氮与O3O3的发光反响的发光反响 NO + O3 NO2 NO + O3 NO2* * NO2 NO2* * NO2 + NO2 + h hn n 氧原子与氧原子与SO2SO2、NONO、COCO的发光反响的发光反响 SO2 + O + O SO2 SO2 + O + O SO2* * + O2 SO2 + O2 SO2 * * SO2SO2* * + h + hn n 火焰中的化学发光反响火焰中的化学发光反响 一氧化氮一氧化氮 NO + H HNO NO + H HNO* * HNO HNO *

11、 * HNO + hHNO + hn n 挥发性硫化物挥发性硫化物 SO2+2H2 S + 2H2O S + S S2 SO2+2H2 S + 2H2O S + S S2 * * S2 S2 * * S2 + h S2 + hn n 2 2液相中的化学发光反响液相中的化学发光反响常用发光试剂：鲁米诺3-氨基苯二甲酰肼，光泽精，过氧草酸盐 鲁米诺在碱性溶液中与双氧水的反响过程： 该发光反响速度慢，某些金属离子可催化反响；利用这一景象可测定这些金属离子，也可用于有H2O2参与的化学反响3 化学发光的特点化学发光的特点1. 1. 灵敏度极高灵敏度极高 例：荧光素酶和磷酸三腺甙例：荧光素酶和磷酸三腺甙

12、(ATP)(ATP)的化学发光分析，可测定的化学发光分析，可测定2 210-10-17 mol/L17 mol/L的的ATPATP，即可检测出一个细菌中的，即可检测出一个细菌中的ATPATP含量含量2. 2. 仪器设备简单仪器设备简单 不需求光源、单色器和背景校正；不需求光源、单色器和背景校正；3. 3. 发射光强度丈量无干扰发射光强度丈量无干扰 无背景光、散射光等干扰；无背景光、散射光等干扰；4. 4. 线性范围宽线性范围宽5. 5. 分析速度快分析速度快缺陷：可供发光用的试剂少；发光反响效率低大大低于生物体中的发缺陷：可供发光用的试剂少；发光反响效率低大大低于生物体中的发光；机理研讨少。光

13、；机理研讨少。 十十 红外吸收光谱法红外吸收光谱法分子中基团的振动和转动能级跃迁产生：振分子中基团的振动和转动能级跃迁产生：振- -转光谱转光谱10.1 根本原理根本原理2 分子的振动分子的振动双原子分子的简谐振动双原子分子的简谐振动分子的振动能级量子化：分子的振动能级量子化： E振振=V+1/2hV ：化学键的振动频率：化学键的振动频率 ：振动量子数：振动量子数 l l kkckhhE13072112 振动的类型振动的类型伸缩振动伸缩振动 无键角变化无键角变化变形振动变形振动 有键角变化有键角变化吸收峰数少于振动自在度的缘由：吸收峰数少于振动自在度的缘由：发生了简并发生了简并即振动频率一样的

14、峰重叠即振动频率一样的峰重叠 红外非活性振动红外非活性振动u分子吸收红外辐射的频率恰等于分子振动频率整数倍分子吸收红外辐射的频率恰等于分子振动频率整数倍u分子在振、转过程中的净偶极矩的变化不为分子在振、转过程中的净偶极矩的变化不为0，u 即分子产生红外活性振动即分子产生红外活性振动10.2 红外光谱红外光谱官能团区官能团区 ：40001300cm-1 指纹区指纹区 1300600cm-1 与一定构造单元相联络的基团特征与一定构造单元相联络的基团特征频率特征吸收峰频率特征吸收峰C-O,C-F 等单键伸缩振等单键伸缩振动，及变形振动，复杂动，及变形振动，复杂内部要素内部要素诱导效应：电子分布变化，

15、吸电子基团使吸收峰向高波数方向诱导效应：电子分布变化，吸电子基团使吸收峰向高波数方向挪动挪动中介效应：孤对电子与中介效应：孤对电子与电子重叠，电子云平均化，低波数方电子重叠，电子云平均化，低波数方向挪动向挪动共轭效应：电子云平均化，低波数方向挪动共轭效应：电子云平均化，低波数方向挪动氢键：氢键： 分子间氢键，分子内氢键，使伸缩振动频率向分子间氢键，分子内氢键，使伸缩振动频率向低波数方向挪动低波数方向挪动振动巧合：振动巧合：外部要素：溶剂效应，物质形状等外部要素：溶剂效应，物质形状等影响基团频率变化的要素影响基团频率变化的要素化学键的振动频率不仅与其性质有关，还受分子的内部构造和外部要素影响。一

16、样基团的特征吸收并不总在一个固定频率上。10.3 红外光谱仪红外光谱仪Nicolet公司的AVATAR 360 FT-IR色散型色散型干涉型干涉型FTIR光源样品架单色器检测及读出安装光源样品架单色器检测及读出安装光源光源 干涉仪样品架检测及读出安装干涉仪样品架检测及读出安装光源光源 能斯特灯：氧化锆、氧化钇和氧化钍烧结制成的中空或能斯特灯：氧化锆、氧化钇和氧化钍烧结制成的中空或实心圆棒实心圆棒 硅碳棒：硅碳棒：检测器检测器 热检测器：真空热电偶，辐射热丈量计，热电检测器热检测器：真空热电偶，辐射热丈量计，热电检测器 光导电监测器：碲镉汞光导电监测器：碲镉汞(MCT)检测器检测器 制样方法制样

17、方法1气体气体气体池气体池2液体：液体：液膜法液膜法难挥发液体难挥发液体BP80C溶液法溶液法液体池液体池溶剂：溶剂： CCl4 ，CS2常用。常用。3) 固体固体:研糊法液体石腊法研糊法液体石腊法KBr压片法压片法薄膜法薄膜法10.4 红外光谱的运用红外光谱的运用有机物构造确定IR光谱解析不饱和度不饱和度 = 1+ n4 + n3 n1 / 2 n4 ， n3 ， n1 分别为分子中四价，三价，一价元素数目。分别为分子中四价，三价，一价元素数目。 十二十二 核磁共振波谱法核磁共振波谱法自旋核的跃迁自旋核的跃迁12.1 根本原理根本原理 质量数（a） 原子序数（Z） 自旋量子（I）例子奇数奇或

18、偶25,23,21,2111HI 715919613,NFC8171735511,25,23OIClBI偶数偶数01632816612,SOC偶数奇数1，2，351071412, 3, 1BINHI1 1 原子核的自旋原子核的自旋 自旋 核磁矩 自旋角动量： 核磁子=eh/2M c；自旋量子数I不为零的核都具有磁矩，)1(2 IIh )1( IIg 核 磁 矩：E=-mB0/IE-1/2=B0E1/2=-B02 2 核磁共振与驰豫过程核磁共振与驰豫过程E=B0/I =hv核磁共振：在外磁场中，原子核能级产生裂分，吸收能量，由核磁共振：在外磁场中，原子核能级产生裂分，吸收能量，由低能级向高能级跃

19、迁低能级向高能级跃迁 驰豫：高能态的核以非辐射的方式回到低能态驰豫：高能态的核以非辐射的方式回到低能态 自旋晶格驰豫自旋晶格驰豫: 与其他磁性核进展能量传送与其他磁性核进展能量传送 自旋自旋驰豫：等价核间的能量交换自旋自旋驰豫：等价核间的能量交换12.2 NMR仪仪1. 磁铁2. 探头样品管3. 射频振荡器4. 频率和磁场扫描单元5. 检测和读出单元12.3 化学位移与核磁共振谱化学位移与核磁共振谱化学位移：在有机化合物中，各化学位移：在有机化合物中，各种氢核周围的电子云密度不同种氢核周围的电子云密度不同构造中不同位置，共振频率构造中不同位置，共振频率有差别，即引起共振吸收峰的位有差别，即引起

20、共振吸收峰的位移。移。1 化学位移产生的缘由：电子屏蔽效应化学位移产生的缘由：电子屏蔽效应使氢核实践遭到的外磁场作用减小使氢核实践遭到的外磁场作用减小B=B0-B1- B0 ：屏蔽常数BB02 2 化学位移的表示方法化学位移的表示方法 = 样样 - TMS) / TMS 106 相对规范：四甲基硅烷Si(CH3)4 TMS内标 位移常数 TMS=0为什么用TMS作为基准? a. 12个氢处于完全一样的化学环境，只产生一个尖峰； b.屏蔽剧烈，位移最大。与有机化合物中的质子峰不重迭； c.化学惰性；易溶于有机溶剂；沸点低，易回收。3 影响化学位移的要素影响化学位移的要素u 诱导效应吸电子作用使价电子偏离质子，屏蔽作用减弱，往低诱导效应吸电子