分子光分析法(2)课件

1、2010.09.03化学化工学院分析化学教研室 分子发光：处于基态的分子吸收能量分子发光：处于基态的分子吸收能量(电、热、化学电、热、化学和光能等和光能等)被激发至激发态，然后从不稳定的激发态返回被激发至激发态，然后从不稳定的激发态返回至基态并发射出光子，此种现象称为发光。发光分析至基态并发射出光子，此种现象称为发光。发光分析 包括包括荧光、磷光、化学发光、生物发光等。荧光、磷光、化学发光、生物发光等。 物质吸收光能后所物质吸收光能后所产生的光辐射称之为荧光和磷光。产生的光辐射称之为荧光和磷光。第六章第六章 分子发光分析法分子发光分析法2010.09.03化学化工学院分析化学教研室2010.0

2、9.03化学化工学院分析化学教研室2010.09.03化学化工学院分析化学教研室一、概述一、概述第一节第一节 荧光分析法荧光分析法2010.09.03化学化工学院分析化学教研室2010.09.03化学化工学院分析化学教研室荧光分析的特点：荧光分析的特点： 灵敏度高灵敏度高：视不同物质，检测下限在：视不同物质，检测下限在0.1 0.001 g/mL之间。之间。可见比可见比UV-Vis的灵敏度高得多。的灵敏度高得多。 选择性好选择性好：可同时用激发光谱和荧光发射光谱定性。：可同时用激发光谱和荧光发射光谱定性。 结构信息量多结构信息量多：包括物质激发光谱、发射光谱、光强、荧光：包括物质激发光谱、发射

3、光谱、光强、荧光量子效率、荧光寿命等。量子效率、荧光寿命等。 应用不广泛：应用不广泛：主要是因为能发荧光的物质不具普遍性、增强主要是因为能发荧光的物质不具普遍性、增强荧光的方法有限、外界环境对荧光量子效率影响大、干扰测量荧光的方法有限、外界环境对荧光量子效率影响大、干扰测量的因素较多的因素较多。2010.09.03化学化工学院分析化学教研室二、基本原理二、基本原理1、分子的激发态和基态：不论是分子轨道还是原子轨、分子的激发态和基态：不论是分子轨道还是原子轨道上的电子都有一套特有的描述其运动状态的量子数。道上的电子都有一套特有的描述其运动状态的量子数。根据根据Pauli Exclusion Pr

4、inciple，每个轨道上最多容纳，每个轨道上最多容纳2个自旋方向相反的电子。个自旋方向相反的电子。s = + 1/2 or - 1/2总自旋量子数：S = si2010.09.03化学化工学院分析化学教研室能级的多重性：能级的多重性：2S1当当S0时，即时，即2S11，称为单重态；，称为单重态；当当S1/2时，即时，即2S12，称为双重态（只有一个电子）；，称为双重态（只有一个电子）；当当S1时，即时，即2S13，称为叁重态，称为叁重态基态单重态基态单重态S0 基态双重态基态双重态D0基态基态基态基态激发态激发态激发态激发态2010.09.03化学化工学院分析化学教研室激发单重态激发单重态

5、S1 激发叁重态激发叁重态 T1Multiplicities:S0 - common, diamagnetic (not affected by B fields)D0 - unpaired electron, many radicals, two equal energy statesT1 - rare, paramagnetic (affected by B fields)(T0 - doesnt exist, not ground state)激发态激发态激发态激发态基态基态基态基态2010.09.03化学化工学院分析化学教研室S0S1T1S2分子的电子能级示意图分子的电子能级示意图20

6、10.09.03化学化工学院分析化学教研室注意注意:（1）没有基态叁重态没有基态叁重态；（2）从）从S0到到T1的跃迁是的跃迁是禁阻禁阻的；的；（3）Energy(S1)Energy(T1) (difference is energy required to flip electron spin)；（4）多数分子含有偶数电子，分子的电子）多数分子含有偶数电子，分子的电子基态多为单基态多为单重态重态；（5）叁重态有顺磁性。）叁重态有顺磁性。2010.09.03化学化工学院分析化学教研室2、荧光的产生、荧光的产生基态分子hv激发态回到基态，如何回去？回到基态，如何回去？2010.09.03化学化工

7、学院分析化学教研室S2S0S1T1l2l1分子的吸收情况分子的吸收情况2010.09.03化学化工学院分析化学教研室S2S0S1T1l2l1振动弛豫：在同一电子能级（激发态）振动弛豫：在同一电子能级（激发态）特点：无辐射；速率快（特点：无辐射；速率快（10-1410-12 s内完成）内完成）2010.09.03化学化工学院分析化学教研室S2S0S1T1l2l1内转移（内转移（internal conversion) ：相同多重：相同多重性的两个电子能级之间的非辐射跃迁性的两个电子能级之间的非辐射跃迁2010.09.03化学化工学院分析化学教研室内转移的特点内转移的特点（1）无辐射无辐射；（2）

8、速率取决于两个能级之间的能量差，相邻单重激发态）速率取决于两个能级之间的能量差，相邻单重激发态之间能级接近，振动能级常常发生重叠，内转移很快；之间能级接近，振动能级常常发生重叠，内转移很快；（3）分子无论被激发到哪一个电子激发态，在）分子无论被激发到哪一个电子激发态，在10-1310-11 s内经内转移和振动弛豫都会跃迁到内经内转移和振动弛豫都会跃迁到最低的电子激发态的最低最低的电子激发态的最低振动能级上振动能级上；（4）So到到S1的能级差较大，内转移的速率相对较小，故的能级差较大，内转移的速率相对较小，故S1的寿命较长的寿命较长。2010.09.03化学化工学院分析化学教研室S2S0S1T

9、1l2l1l3l3荧光发射荧光发射Fluorescence2010.09.03化学化工学院分析化学教研室S2S0S1T1l2l1系间窜跃系间窜跃磷光发射磷光发射l4Intersystem CrossingPhosphorescence2010.09.03化学化工学院分析化学教研室磷光发射的特点磷光发射的特点（1）禁阻跃迁，发光速率慢，）禁阻跃迁，发光速率慢，持续时间长持续时间长10-4100s；（2）从）从T1也有回到也有回到S1，然后，然后S1到到S0发出荧光，发出荧光，叫延叫延迟荧光迟荧光；（3）电子由）电子由S0到到T1几率极小，是几率极小，是禁阻跃迁禁阻跃迁。外转移：指受激分子与溶剂或

10、其它分子的相互作用及外转移：指受激分子与溶剂或其它分子的相互作用及能量转移，使荧光或磷光强度减弱或消失的过程。能量转移，使荧光或磷光强度减弱或消失的过程。2010.09.03化学化工学院分析化学教研室S0S1T1l2l1外转移外转移 External Conversion2010.09.03化学化工学院分析化学教研室S0S1T1l2l1系间窜跃系间窜跃l3l3延迟荧光延迟荧光2010.09.03化学化工学院分析化学教研室2010.09.03化学化工学院分析化学教研室200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900040080

11、01200160020002400280032003600400044004800 IFl l*MXMX+ + = =n1iihv = =+ +n1jjhvMXMX*2010.09.03化学化工学院分析化学教研室200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 90004008001200160020002400280032003600400044004800 IFl l2010.09.03化学化工学院分析化学教研室200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900

12、04008001200160020002400280032003600400044004800 IFl l2010.09.03化学化工学院分析化学教研室四、荧光效率及其影响因素四、荧光效率及其影响因素1、荧光效率：物质吸收了紫外可见光后，跃迁至激发、荧光效率：物质吸收了紫外可见光后，跃迁至激发态，激发态分子是以辐射跃迁还是以非辐射跃迁弛豫，态，激发态分子是以辐射跃迁还是以非辐射跃迁弛豫，决定了物质能否发荧光。决定了物质能否发荧光。荧光效率指的是以辐射跃迁弛豫的分子数目占总激发荧光效率指的是以辐射跃迁弛豫的分子数目占总激发态分子数目的比例。态分子数目的比例。FfNfluoresence/Nexc

13、ited（0.01.0）2010.09.03化学化工学院分析化学教研室Ff越大，表示辐射跃迁的概率越大，发光强度越大！越大，表示辐射跃迁的概率越大，发光强度越大！以各种跃迁的速率常数（荧光发射，以各种跃迁的速率常数（荧光发射，VR，IC，isc等）等）来代替来代替N表示表示Ff，得，得Ffkf/（kf+Ski）其中：其中：kf表示荧光发射过程的速率常数；表示荧光发射过程的速率常数；Ski表示其它非辐射跃迁过程的速率常数之和。表示其它非辐射跃迁过程的速率常数之和。一般而言，一般而言，kf主要取决于分子结构。而主要取决于分子结构。而Ski 主要取决于主要取决于化学环境。化学环境。2010.09.0

14、3化学化工学院分析化学教研室 强荧光的有机化合物具备下特征强荧光的有机化合物具备下特征:具有大的共轭具有大的共轭键结构；键结构；具有刚性的平面结构；具有刚性的平面结构；具有最低的单重电子激发态为具有最低的单重电子激发态为S1为为 * 型；型；取代基团为给电子取代基。取代基团为给电子取代基。2010.09.03化学化工学院分析化学教研室2010.09.03化学化工学院分析化学教研室N NN NCCOO-O-OCOCOO-O-OCH2OHCH3H3C2010.09.03化学化工学院分析化学教研室ONO22010.09.03化学化工学院分析化学教研室NCH3H3C-O3SNCH3H3CSO3-CCH

15、HCCHHOHO-OHO-2010.09.03化学化工学院分析化学教研室2010.09.03化学化工学院分析化学教研室6 6、环境因素对荧光的影响：、环境因素对荧光的影响：（1 1）溶剂的极性溶剂的极性：电子激发态比基态的极性大，溶剂：电子激发态比基态的极性大，溶剂的的极性增强，荧光强度增大，荧光波长红移极性增强，荧光强度增大，荧光波长红移。溶剂相对介电常数荧光峰l/nm荧光效率乙腈38.84100.064丙酮21.54050.055氯仿5.23980.041四氯化碳2.243900.002巯基喹啉在不同溶剂中的荧光峰和荧光效率2010.09.03化学化工学院分析化学教研室（2）温度：温度升高

16、，）温度：温度升高，Kf不变，但不变，但非辐射跃迁的速非辐射跃迁的速率常数增大，是故荧光效率降低率常数增大，是故荧光效率降低。（3）pH值：含值：含酸性或碱性取代基酸性或碱性取代基的化合物荧光性质的化合物荧光性质受受pH的影响。的影响。如：如：NH2NH3+ H+pH=4.83.4无荧光无荧光蓝色荧光蓝色荧光2010.09.03化学化工学院分析化学教研室再如：再如：无荧光无荧光蓝色荧光蓝色荧光-O3SO-O3SOHpH=6.4-7.4-H+2010.09.03化学化工学院分析化学教研室（4）表面活性剂：有利于荧光发射。）表面活性剂：有利于荧光发射。（5）O2的存在：的存在：O2为顺磁性分子，溶

17、液中溶解氧的为顺磁性分子，溶液中溶解氧的存在，常常导致荧光降低，甚至熄灭，这可能是处于存在，常常导致荧光降低，甚至熄灭，这可能是处于单重激发态的荧光物质的分子相互作用，加速系间窜单重激发态的荧光物质的分子相互作用，加速系间窜跃（几率增大）所致。跃（几率增大）所致。2010.09.03化学化工学院分析化学教研室bC303. 20teT,bCIIlgTlgA - -= = =- -= =- -= =bC303.20te1T1II1- - -= =- -= =- -)e1(IIIbC303.20t0- - -= =- -)e1(I)II(IbC303.20t0F- - -= =- -= = !nx!

18、4x!3x!2x!1x1en432x+ + + + + + + += =2010.09.03化学化工学院分析化学教研室)! 4)30. 2(! 3)30. 2(! 2)30. 2(30. 2(4320 +-+-=bCbCbCbCIIFCbIk30. 2I0FF = =CbIk30. 2I0PP = =CKIF= =KCIP= =2010.09.03化学化工学院分析化学教研室但在高浓度时，但在高浓度时，If KC不成立不成立IfC原因：（1）高次项（2）自熄灭现象，自吸收现象2010.09.03化学化工学院分析化学教研室2010.09.03化学化工学院分析化学教研室2010.09.03化学化工学

19、院分析化学教研室2010.09.03化学化工学院分析化学教研室2010.09.03化学化工学院分析化学教研室2010.09.03化学化工学院分析化学教研室2010.09.03化学化工学院分析化学教研室2010.09.03化学化工学院分析化学教研室2010.09.03化学化工学院分析化学教研室2010.09.03化学化工学院分析化学教研室化学发光分析法的简介化学发光分析法的简介1、概述：、概述：某些物质在进行化学反应时，由于吸收了反应时产生的化学能，而使反应产物分子激发至激发态，受激分子由激发态回到基态时，便发出一定波长的光。这种吸收化学能使分子发光的过程称为化学发光。利用化学发光反应而建立起来

20、的分析方法称为化学发光分析法。DHMM*2010.09.03化学化工学院分析化学教研室2010.09.03化学化工学院分析化学教研室化学发光也发生于生命体系，这种发光称为生物发光化学发光也发生于生命体系，这种发光称为生物发光。萤火虫发光萤火虫发光2010.09.03化学化工学院分析化学教研室 化学发光是吸收化学反应过程产生的化学能，而使化学发光是吸收化学反应过程产生的化学能，而使反应产物分子激发所发射的光。任何一个化学发光反应反应产物分子激发所发射的光。任何一个化学发光反应都应包括化学激发和发光两个步骤，必须满足如下都应包括化学激发和发光两个步骤，必须满足如下条件条件：（1）化学反应必须提供足

21、够的激发能化学反应必须提供足够的激发能，激发能主要来，激发能主要来源于反应焓，源于反应焓，170300 KJ/mol。（2）反应途径反应途径要有利于激发态产物的形成要有利于激发态产物的形成，使化学反，使化学反应的能量至少能被一种物质所接受并生成激发态。应的能量至少能被一种物质所接受并生成激发态。2010.09.03化学化工学院分析化学教研室（3）激发态分子跃迁回基态时要释放光子，而不是以）激发态分子跃迁回基态时要释放光子，而不是以热的形式释放能量。热的形式释放能量。问题：问题：i、有多少参加化学反应的分子被激发？、有多少参加化学反应的分子被激发？ii、是不是所有的激发态分子都发光？、是不是所有

22、的激发态分子都发光？iii、综合起来，参加化学反应的分子有多少发光？、综合起来，参加化学反应的分子有多少发光？2010.09.03化学化工学院分析化学教研室i、有多少参加化学反应的分子被激发？、有多少参加化学反应的分子被激发？定义：定义： r r为生成激发态分子的化学效率激发态分子为生成激发态分子的化学效率激发态分子数数/ /参加反应的分子数参加反应的分子数 r r取决于化学反应，对于特定的反应在一定的实验条件取决于化学反应，对于特定的反应在一定的实验条件下化学效率为常数。下化学效率为常数。2010.09.03化学化工学院分析化学教研室ii、是不是所有的激发态分子都发光？、是不是所有的激发态分

23、子都发光？ 定义：定义： f f为激发态分子的发光效率发射的光子数为激发态分子的发光效率发射的光子数/ /激激发态的分子数发态的分子数 f f的影响因素：的影响因素：（1 1）发光体本身的结构和性质；（发光体本身的结构和性质；（2 2）环境。环境。2010.09.03化学化工学院分析化学教研室iii、参加化学反应的分子有多少发光？、参加化学反应的分子有多少发光？定义：定义： clcl为化学发光效率发射的光子数为化学发光效率发射的光子数/ /参加反应的参加反应的分子总数分子总数 clcl r r f f最高效率为最高效率为100100：生物发光：生物发光化学发光的效率一般小于化学发光的效率一般小

24、于5 5。2010.09.03化学化工学院分析化学教研室化学发光强度化学发光强度I Iclcl化学发光反应的发光强度化学发光反应的发光强度I Iclcl是以单位时间内发射的光是以单位时间内发射的光子数表示。它与化学发光反应的速率有关，而反应速率子数表示。它与化学发光反应的速率有关，而反应速率又与反应分子浓度有关。即：又与反应分子浓度有关。即：I Iclcl（t t） cl cl dc/dtdc/dtI Iclcl（t t）表示）表示t t时刻的化学发光强度，时刻的化学发光强度，dc/dtdc/dt是分析物参是分析物参加反应的速率。加反应的速率。2010.09.03化学化工学院分析化学教研室对上

25、式积分对上式积分发光强度与分析物浓度成正比。发光强度与分析物浓度成正比。CdtdtdcdtICLCLCL=也可以用峰高定量！也可以用峰高定量！2010.09.03化学化工学院分析化学教研室按反应体系的状态分类，如化学发光反应在气相中进行按反应体系的状态分类，如化学发光反应在气相中进行称为气相化学发光；在液相或固相中进行称为液相或固称为气相化学发光；在液相或固相中进行称为液相或固相化学发光；在两个不同相中进行则称为异相化学发光。相化学发光；在两个不同相中进行则称为异相化学发光。（1）气相化学发光）气相化学发光 主要有主要有O3、NO、S的化学发光反应，可用于监测空的化学发光反应，可用于监测空气中

26、的气中的O3、NO、SO2、H2S、CO、NO2等。等。2010.09.03化学化工学院分析化学教研室NOO3NO2*O2，NO2*NO2hv（600 nm)CO (NO,SO2等）等）OCO2*CO2*CO2hv（300-500 nm)灵敏度可测至灵敏度可测至1ppb2010.09.03化学化工学院分析化学教研室（2）液相化学发光）液相化学发光用于此类化学发光分析的发光物质有鲁米诺（用于此类化学发光分析的发光物质有鲁米诺（luminol)、光泽碱、没食子酸，洛粉碱等。光泽碱、没食子酸，洛粉碱等。OXIDANTBASEluminol*3-Aminophthalate+3-APA2010.09.03化学化工学院分析化学教研室l lmax = 425 nm氧化剂氧