分子发光分析

第4章分子发光分析（MolecularLuminescenceAnalysis）4.1分子荧光及磷光分析一、基本原理

1.分子能级、荧光及磷光的产生

2.去活化过程

3.定性分析

4.影响荧光及荧强度的因素

5.定量分析二、荧光仪器三、磷光分析

1.磷光的特点：

2.低温荧光

3.室温荧光

4.磷光仪器荧光：16世纪：在矿物和植物提取液中发现荧光；1575年：Monardes——植物愈创木切片黄色水溶液——天兰色荧光；1852年：Stokes阐明荧光发射机制（分光计观测奎宁和叶绿素的荧光，发现波长稍长于入射光的波长——认识到荧光为“重新发光”而不是漫射光；1905年：Wood发现气体分子的共振荧光；1926年:Gaviola直接测定了荧光寿命；1923年：荧光X射线光谱；1964年：原子荧光光谱分析的建立；1965年：荧光分析在生物分析中广泛应用；磷光：15世纪被发现（重晶石在强烈阳光下的发光）1944年：Lewis提出磷光用于分析的可能性；1957年：Keirs将磷光分析用于定量分析及多组份混合物分析；1963年：广泛用于血液及尿液中痕量药物及农药残留量分析；特点：灵敏度高（1-100ppb)：有的可达0.01ppb。WHY??荧光灵敏度除待测物浓度有关外，还与入射光强度及光度计灵敏度有关；选择性好方法简单快速，用样量少应用不太广泛。4.1分子荧光分析及磷光分析一、基本原理分子发光：处于基态的分子吸收能量（电、热、化学和光能等）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。发光分析包括荧光、磷光、化学发光、生物发光等。物质吸收光能后所产生的光辐射称之为荧光和磷光。1.分子能级、荧光及磷光的产生分子能级=电子能级(Ee)+振动能级(Ev)+转动能级(Er)。其中电子能级包含振-转能级，如图。基态：电子自旋配对，多重度=2s+1=1，为单重态，以S0表示。激发单重态：分子吸收能量，电子自旋仍然配对，为单重态，称为激发单重态，以S1，S2…表示激发三重态：分子吸收能量，电子自旋不再配对，为三重态，称为激发三重态，以T1，T2….表示。三重态能级低于单重态（Hund规则）2.去活化过程（Deactivation）

处于激发态分子不稳定，通过辐射或非辐射跃迁等去活化过程返回至基态。这些过程包括：1）振动弛豫（VibrationalRelaxation,VR）在液相或压力足够高的气相中，处于激发态的分子因碰撞将能量以热的形式传递给周围的分子，从而从高振动能层失活至低振动能层的过程，称为振动弛豫。2）内转换（InternalConversion，IC）对于具有相同多重度的分子，若较高电子能级的低振动能层与较低电子能级的高振动能层相重叠时，则电子可在重叠的能层之间通过振动耦合产生无辐射跃迁，如S2-S1；T2-T1。3）外转换（ExternalConversion，EC）受激分子与溶剂或其它分子相互作用发生能量转换而使荧光或磷光强度减弱甚至消失的过程，也称“熄灭”或“猝灭”。4）系间跨跃（IntersystemConversion，ISC）系间跨跃是发生在两个不同多重态之间的无辐射跃迁，如从S1到T1，该跃迁是禁阻的。然而，当不同多重态的两个电子能层有较大重叠时，处于这两个能层上的受激电子的自旋方向发生变化，即可通过自旋-轨道耦合而产生无辐射跃迁，该过程称为系间跨跃。

5）荧光发射分子电子从单重激发态（Kasha规则）的最低振动能级在很短时间（10-9-10-6s）跃迁到基态各振动能层时所产生的光子辐射称为荧光。由于各种去活化过程的存在，荧光辐射能通常要比激发能量低，或者说，荧光波长大于激发波长（Stokes效应）。6）磷光发射从单重态到三重态分子间发生系间跨跃跃迁后，再经振动弛豫回到三重态最低振动能层，最后，在10-4-10s内跃迁到基态的各振动能层所产生的辐射。3.定性分析任何荧（磷）光都具有两种特征光谱：激发光谱与发射光谱。它们是荧（磷）光定性分析的基础。1）激发光谱改变激发波长，测量在最强荧（磷）光发射波长处的强度变化，以激发波长对荧光强度作图可得到激发光谱。激发光谱形状与吸收光谱形状完全相似，经校正后二者完全相同！这是因为分子吸收光能的过程就是分子的激发过程。激发光谱可用于鉴别荧光物质；在定量时，用于选择最适宜的激发波长。2）发射光谱发射光谱即荧光光谱。一定波长和强度的激发波长辐照荧光物质，产生不同波长的强度的荧光，以荧光强度对其波长作图可得荧光发射光谱。由于不同物质具不同的特征发射峰，因而使用荧光发射光谱可用于鉴别荧光物质。如右图所示。激发光谱荧光光谱磷光光谱3）激发光谱与发射光谱的关系i）波长比较与激发（或吸收）波长相比，荧光发射波长更长，即产生所谓Stokes位移。（振动弛豫失活所致）ii）形状比较荧光光谱形状与激发波长无关。尽管分子受激后可到达不同能层的激发态，但由于去活化（内转换和振动弛豫）到第一电子激发态的速率或几率很大，好像是分子受激只到达第一激发态一样。换句话说，不管激发波长如何，电子都是从第一电子激发态的最低振动能层跃迁到基态的各个振动能层。iii）镜像对称通常荧光光谱与吸收光谱呈镜像对称关系。解释1：能层结构相似性荧光为第一电子激发单重态的最低振动能层跃迁到基态的各个振动能层而形成，即其形状与基态振动能级分布有关。吸收光谱是由基态最低振动能层跃迁到第一电子激发单重态的各个振动能层而形成，即其形状与第一电子激发单重态的振动能级分布有关。由于激发态和基态的振动能层分布具有相似性，因而呈镜像对称。S1S0解释2：位能曲线（Frank-Condon原理）

由于电子吸收跃迁速率极快（10-15s），此时核的相对位置可视为不变（核较重）。当两个能层间吸收跃迁的几率越大，其相反跃迁的几率也越大，即产生的光谱呈镜像对称。4.影响荧光及荧光强度的因素产生并可观察到荧光的条件：i）分子具有与辐射频率相应的荧光结构（内因）；ii）吸收特征频率的光后，应可产生具一定量子效率的荧光。即量子效率

足够大：可见，凡是使kF增加，使其它去活化常数降低的因素均可增加荧光量子产率。通常，kF由分子结构决定（内因），而其它参数则由化学环境和结构共同决定。下面讨论影响荧光及强度的因素。

1）跃迁类型：通常，具有

—*及n—*跃迁结构的分子才会产生荧光。而且具

—*跃迁的量子效率比n—*跃迁的要大得多（前者大、寿命短、kISC小）。2）共轭效应：共轭度越大，荧光越强。3）刚性结构：分子刚性（Rigidity）越强，分子振动少，与其它分子碰撞失活的机率下降，荧光量子效率提高。

如荧光素（大）与酚酞（=0）；芴（=1）与联苯（=0.18）。4）取代基：

给电子取代基增强荧光（p-共轭），如-OH、-OR、

-NH2、-CN、NR2等；吸电子基降低荧光，如-COOH、

-C=O、-NO2、-NO、-X等；重原子降低荧光但增强磷光，如苯环被卤素取代，从氟苯到碘苯，荧光逐渐减弱到消失，该现象也称重原子效应。内因5）溶剂效应：溶剂极性可增加或降低荧光强度（改变

—*及

n—*

跃迁的能量）；与溶剂作用从而改变荧光物质结构来增加或降低荧光强度。6）温度：温度增加，荧光强度下降（因为内、外转换增加、粘度或“刚性”降低）。因此体系降低温度可增加荧光分析灵敏度。7）pH值：具酸或碱性基团的有机物质，在不同pH值时，其结构可能发生变化，因而荧光强度将发生改变；对无机荧光物质，因pH值会影响其稳定性，因而也可使其荧光强度发生改变。8）内滤光和自吸：体系内存在可以吸收荧光的物质，或荧光物质的荧光短波长与激发光长波长有重叠，均可使荧光强度下降，称为内滤光；当荧光物质浓度较大时，可吸收自身的荧光发射，称为荧光自吸。9）荧光猝灭：碰撞猝灭；静态猝灭；转入三重态的猝灭；电子转移猝灭；自猝灭。5.定量分析二、荧光仪器（光源与检测器处于相互垂直的位置）第一单色器或滤光片记录仪第二单色器或滤光片荧光光源激发样品池1）光源：氙灯、高压汞灯、激光；2）样品池：石英（低荧光材料）；3）两个单色器：选择激发光单色器；分离荧光单色器；4）检测器：光电倍增管。荧光分析的特点：灵敏度高：视不同物质，检测下限在0.1~0.001g/mL之间。可见比UV-Vis的灵敏度高得多！WHY？选择性好：可同时用激发光谱和荧光发射光谱定性。结构信息量多：包括物质激发光谱、发射光谱、光强、荧光量子效率、荧光寿命等。应用不广泛：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、干扰测量的因素较多。三、磷光分析1.磷光的特点：

磷光波长比荧光的长(T1<S1)；

磷光寿命比荧光的长(磷光为禁阻跃迁产生，速率常数小)；

磷光寿命和强度对重原子和氧敏感(自旋轨道耦合，使kISC增加)。2.低温磷光（液氮）由于磷光寿命长，T1的非辐射跃迁（内转换）几率增加，碰撞失活（振动弛豫）的几率、光化学反应几率都增加，从而降低磷光强度。因此有必要在低温下测量磷光。同时要求溶剂：易提纯且在分析波长区无强吸收和发射；低温下形成具足够粘度的透明的刚性玻璃体。常用的溶剂：

EPA——乙醇+异戊烷+二乙醚（2+2+5）

IEPA——CH3I+EPA（1+10）。3.室温磷光低温荧光需低温实验装置且受到溶剂选择的限制，1974年后发展了室温磷光（RTP）。1）固体基质：在室温下以固体基质（如纤维素等）吸附磷光体，增加分子刚性、减少三重态猝灭等非辐射跃迁，从而提高磷