第十一章-分子熒光與分子磷光光譜法.ppt

1 單重態(tài)和三重態(tài) 分子中的電子運(yùn)動(dòng)包括電子軌道的運(yùn)動(dòng)和電子的自旋運(yùn)動(dòng) 分子中電子的自旋狀態(tài)可用多重態(tài)2S 1描述 電子激發(fā)態(tài)的多重度用M 2S 1表示 S為總自旋量子數(shù) 其數(shù)值為0和1 若分子中沒(méi)有未配對(duì)的電子 即S 0 則2S 1 1稱為單重態(tài) Pauli 若分子中有兩個(gè)自旋平行的未配對(duì)電子 即S 1 則2S 1 3稱為三重態(tài) 用T表示 電子通常的情況下分子的電子處于最低的能級(jí)狀態(tài) 大多數(shù)有機(jī)物的分子的基態(tài)是處于單重態(tài)的 用S0表示 若分子受激發(fā) 其電子從基態(tài)的電子能級(jí)躍遷到較高的電子能級(jí) 即激發(fā)態(tài) 用S1 S2 表示 一 熒光和磷光的產(chǎn)生處于分子基態(tài)單重態(tài)中的電子對(duì) 其自旋方向相反 當(dāng)分子吸收能量 若電子在躍遷過(guò)程中不發(fā)生自旋方向的改變 通常躍遷至第一激發(fā)態(tài)單重態(tài)軌道上 也可能躍遷至能級(jí)更高的單重態(tài)上 這種躍遷是符合光譜選律的 如果電子在躍遷過(guò)程中還伴隨著自旋方向的改變 即躍遷至第一或更高的激發(fā)三重態(tài)軌道上 這屬于禁阻躍遷 單重態(tài)與三重態(tài)的區(qū)別在于電子自旋方向不同 激發(fā)三重態(tài)具有較低能級(jí) 處于分立軌道上的非成對(duì)電子 平行自旋要比成對(duì)自旋更穩(wěn)定些 洪特規(guī)則 2 3 在單重激發(fā)態(tài)中 兩個(gè)電子平行自旋 單重態(tài)分子具有抗磁性 其激發(fā)態(tài)的平均壽命大約為10 8s 而三重態(tài)分子具有順磁性 其激發(fā)態(tài)的平均壽命為10 4 1s以上 通常用S和T分別表示單重態(tài)和三重態(tài) 處于激發(fā)態(tài)的電子 通常以輻射躍遷方式或無(wú)輻射躍遷方式再回到基態(tài) 輻射躍遷主要涉及到熒光 延遲熒光或磷光的發(fā)射 無(wú)輻射躍遷則是指以熱的形式輻射其多余的能量 包括振動(dòng)弛豫 VR 內(nèi)部轉(zhuǎn)移 IR 系間竄躍 IX 及外部轉(zhuǎn)移 EC 等 各種躍遷方式發(fā)生的可能性及程度 與熒光物質(zhì)本身的結(jié)構(gòu)及激發(fā)時(shí)的物理和化學(xué)環(huán)境等因素有關(guān) 下面結(jié)合熒光和磷光的產(chǎn)生過(guò)程 進(jìn)一步說(shuō)明各種能量傳遞方式在其中所起的作用 設(shè)處于基態(tài)單重態(tài)中的電子吸收波長(zhǎng)為 1和 2的輻射光之后 分別激發(fā)至第二單重態(tài)S2及第一單重態(tài)S1 4 去活化過(guò)程 Deactivation 處于激發(fā)態(tài)分子不穩(wěn)定 通過(guò)輻射或非輻射躍遷等去活化過(guò)程返回至基態(tài) 這些過(guò)程包括 振動(dòng)弛豫 VibrationalRelaxation VR 它是指在同一電子能級(jí)中 電子由高振動(dòng)能級(jí)轉(zhuǎn)至低振動(dòng)能級(jí) 而將多余的能量以熱的形式發(fā)出 發(fā)生振動(dòng)弛豫的時(shí)間為10 12s數(shù)量級(jí) 熒光 磷光能級(jí)圖 振動(dòng)弛豫 5 內(nèi)轉(zhuǎn)換 InternalConversion IC 當(dāng)兩個(gè)電子能級(jí)非常靠近以至其振動(dòng)能級(jí)有重疊時(shí) 常發(fā)生電子由高能級(jí)以無(wú)輻射躍遷方式轉(zhuǎn)移至低能級(jí) 右圖中指出 處于高激發(fā)單重態(tài)的電子 通過(guò)內(nèi)轉(zhuǎn)移及振動(dòng)弛豫 均躍回到第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí) 熒光 磷光能級(jí)圖 6 熒光發(fā)射處于第一激發(fā)單重態(tài)中的電子躍回至基態(tài)各振動(dòng)能級(jí)時(shí) 將得到最大波長(zhǎng)為 3的熒光 注意 基態(tài)中也有振動(dòng)馳豫躍遷 很明顯 3的波長(zhǎng)較激發(fā)波長(zhǎng) 1或 2都長(zhǎng) 而且不論電子開(kāi)始被激發(fā)至什么高能級(jí) 最終將只發(fā)射出波長(zhǎng) 3為的熒光 熒光的產(chǎn)生在10 7 10 9s內(nèi)完成 熒光 7 系間竄躍 系間竄躍 IntersystemConversion ISC 系間跨躍指不同多重態(tài)間的無(wú)輻射躍遷 例如S1 T1就是一種系間竄躍 通常 發(fā)生系間竄躍時(shí) 電子由S1的較低振動(dòng)能級(jí)轉(zhuǎn)移至T1的較高振動(dòng)能級(jí)處 有時(shí) 通過(guò)熱激發(fā) 有可能發(fā)生T1 S1 然后由S1發(fā)生熒光 這是產(chǎn)生延遲熒光的機(jī)理 熒光 磷光能級(jí)圖 8 磷光 熒光 磷光能級(jí)圖 磷光發(fā)射電子由基態(tài)單重態(tài)激發(fā)至第一激發(fā)三重態(tài)的幾率很小 因?yàn)檫@是禁阻躍遷 但是 由第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí) 有可能以系間竄躍方式轉(zhuǎn)至第一激發(fā)三重態(tài) 再經(jīng)過(guò)振動(dòng)馳豫 轉(zhuǎn)至其最低振動(dòng)能級(jí) 由此激發(fā)態(tài)躍回至基態(tài)時(shí) 便發(fā)射磷光 這個(gè)躍遷過(guò)程 T1 S0 也是自旋禁阻的 其發(fā)光速率較慢 約為10 4 10s 因此 這種躍遷所發(fā)射的光 在光照停止后 仍可持續(xù)一段時(shí)間 9 外轉(zhuǎn)移 ExternalConversion EC 外轉(zhuǎn)換指激發(fā)分子與溶劑分子或其它溶質(zhì)分子的相互作用及能量轉(zhuǎn)移 使熒光或磷光強(qiáng)度減弱甚至消失 這一現(xiàn)象稱為 熄滅 或 猝滅 熒光與磷光的根本區(qū)別 熒光是由激發(fā)單重態(tài)最低振動(dòng)能層至基態(tài)各振動(dòng)能層間躍遷產(chǎn)生的 而磷光是由激發(fā)三重態(tài)的最低振動(dòng)能層至基態(tài)各振動(dòng)能層間躍遷產(chǎn)生的 10 11 二 激發(fā)光譜曲線和熒光 磷光光譜曲線熒光和磷光均為光致發(fā)光 因此必須選擇合適的激發(fā)光波長(zhǎng) 可根據(jù)它們的激發(fā)光譜曲線來(lái)確定 繪制激發(fā)光譜曲線時(shí) 固定測(cè)量波長(zhǎng)為熒光 或磷光 最大發(fā)射波長(zhǎng) 然后改變激發(fā)波長(zhǎng) 根據(jù)所測(cè)得的熒光 磷光 強(qiáng)度與激發(fā)光波長(zhǎng)的關(guān)系 即可繪制激發(fā)光譜曲線 應(yīng)該指出 激發(fā)光譜曲線與其吸收曲線可能相同 但激發(fā)光譜曲線是熒光強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線 吸收曲線則是吸光度與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線 兩者在性質(zhì)上是不同的 當(dāng)然 在激發(fā)光譜曲線的最大波長(zhǎng)處 處于激發(fā)態(tài)的分子數(shù)目是最多的 這可說(shuō)明所吸收的光能量也是最多的 自然能產(chǎn)生最強(qiáng)的熒光 12 如果固定激發(fā)光波長(zhǎng)為其最大激發(fā)波長(zhǎng) 然后測(cè)定不同的波長(zhǎng)時(shí)所發(fā)射的熒光或磷光強(qiáng)度 即可繪制熒光或磷光光譜曲線 在熒光和磷光的產(chǎn)生過(guò)程中 由于存在各種形式的無(wú)輻射躍遷 損失能量 所以它們的最大發(fā)射波長(zhǎng)都向長(zhǎng)波方向移動(dòng) 以磷光波長(zhǎng)的移動(dòng)最多 而且它的強(qiáng)度也相對(duì)較弱 13 熒光發(fā)射光譜的普遍特性 1 Stokes位移在溶液中 分子熒光的發(fā)射相對(duì)于吸收位移到較長(zhǎng)的波長(zhǎng) 稱為Stokes位移 這是由于受激分子通過(guò)振動(dòng)弛豫而失去轉(zhuǎn)動(dòng)能 也由于溶液中溶劑分子與受激分子的碰撞 也會(huì)有能量的損失 因此 在激發(fā)和發(fā)射之間產(chǎn)生了能量損失 2 熒光發(fā)射光譜的形狀與激發(fā)波長(zhǎng)無(wú)關(guān)因?yàn)榉肿游樟瞬煌芰康墓庾涌梢杂苫鶓B(tài)激發(fā)到幾個(gè)不同的電子激發(fā)態(tài) 而具有幾個(gè)吸收帶 由于較高激發(fā)態(tài)通過(guò)內(nèi)轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)動(dòng)弛豫回到第一電子激發(fā)態(tài)的幾率較高 遠(yuǎn)大于由高能激發(fā)態(tài)直接發(fā)射光子的速度 故在熒光發(fā)射時(shí) 不論用哪一個(gè)波長(zhǎng)的光輻射激發(fā) 電子都從第一電子激發(fā)態(tài)的最低振動(dòng)能層返回到基態(tài)的各個(gè)振動(dòng)能層 所以熒光發(fā)射光譜與激發(fā)波長(zhǎng)無(wú)關(guān) 14 3 鏡像規(guī)則通常熒光發(fā)射光譜和它的吸收光譜呈鏡像對(duì)稱關(guān)系 吸收光譜是物質(zhì)分子由基態(tài)激發(fā)至第一電子激發(fā)態(tài)的各振動(dòng)能層形成的 其形狀決定于第一電子激發(fā)態(tài)中各振動(dòng)能層的分布情況 熒光光譜是激發(fā)分子從第一電子激發(fā)態(tài)的最低振動(dòng)能層回到基態(tài)中各不同能層形成的 所以熒光光譜的形狀決定于基態(tài)中各振動(dòng)能層的分布情況 基態(tài)中振動(dòng)能層的分布和第一電子激發(fā)態(tài)中振動(dòng)能層的分布情況是類似的 因此熒光光譜的形狀和吸收光譜的形狀極為相似 15 熒光光譜與吸收光譜呈鏡像對(duì)稱關(guān)系 16 由基態(tài)最低振動(dòng)能層躍遷到第一電子激發(fā)態(tài)各個(gè)振動(dòng)能層的吸收過(guò)程中 振動(dòng)能層越高 兩個(gè)能層之間的能量差越大 即激發(fā)所需的能量越高 所以吸收峰的波長(zhǎng)越短 反之 由第一電子激發(fā)態(tài)的最低振動(dòng)能層降落到基態(tài)各個(gè)振動(dòng)能層的熒光發(fā)射過(guò)程中 基態(tài)振動(dòng)能層越高 兩個(gè)能層之間的能量差越小 熒光峰的波長(zhǎng)越長(zhǎng) 另外 也可以從位能曲線解釋鏡像規(guī)則 由于光吸收在大約10 15的短時(shí)間內(nèi)發(fā)生 原子核沒(méi)有發(fā)生明顯的位移 即電子與核之間的位移沒(méi)有發(fā)生變化 假如在吸收過(guò)程中 基態(tài)的零振動(dòng)能層與激發(fā)態(tài)的第二振動(dòng)能層之間的躍遷幾率最大 那么 在熒光發(fā)射過(guò)程中 其相反躍遷的幾率也應(yīng)該最大 也就是說(shuō) 吸收和發(fā)射的能量都最大 17 三 熒光和分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系分子產(chǎn)生熒光必須具備兩個(gè)條件 分子必須具有與所照射的輻射頻率相適應(yīng)的結(jié)構(gòu) 才能吸收激發(fā)光 吸收了與其本身特征頻率相同的能量之后 必須具有一定的熒光量子產(chǎn)率 1 量子產(chǎn)率熒光量子產(chǎn)率也叫熒光效率或量子效率 它表示物質(zhì)發(fā)射熒光的能力 通常用下式表示 發(fā)射熒光分子數(shù) 激發(fā)分子總數(shù)或 發(fā)射熒光量子數(shù) 吸收光量子數(shù)在產(chǎn)生熒光的過(guò)程中 涉及到許多輻射和無(wú)輻射躍遷過(guò)程 如熒光發(fā)射 內(nèi)轉(zhuǎn)移 系間竄躍和外轉(zhuǎn)移等 很明顯 熒光的量子產(chǎn)率 將與上述每一個(gè)過(guò)程的速率常數(shù)有關(guān) 18 若用數(shù)學(xué)式來(lái)表達(dá)這些關(guān)系 得到 kf kf ki 式中kf為熒光發(fā)射過(guò)程的速率常數(shù) ki為其它有關(guān)過(guò)程的速率常數(shù)的總和 凡是能使kf值升高而使其它ki值降低的因素 都可增強(qiáng)熒光 實(shí)際上 對(duì)于高熒光分子 例如熒光素 其量子產(chǎn)率在某些情況下接近1 說(shuō)明 ki很小 可以忽略不計(jì) 一般來(lái)說(shuō) kf主要取決于化學(xué)結(jié)構(gòu) 而 ki則主要取決于化學(xué)環(huán)境 同時(shí)也與化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān) 磷光的量子產(chǎn)率與此類似 19 2 熒光與有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu) 1 躍遷類型實(shí)驗(yàn)證明 對(duì)于大多數(shù)熒光物質(zhì) 首先經(jīng)歷 或n 非鍵電子軌道 激發(fā) 然后經(jīng)過(guò)振動(dòng)弛豫或其他無(wú)輻射躍遷 再發(fā)生 或 n躍遷而得到熒光 在這兩種躍遷類型中 躍遷常能發(fā)出較強(qiáng)的熒光 較大的量子產(chǎn)率 這是由于 躍遷具有較大的摩爾吸光系數(shù) 一般比n 大100 1000倍 其次 躍遷的壽命約為10 7 10 9s 比n 躍遷的壽命10 5 10 7s要短 在各種躍遷過(guò)程的競(jìng)爭(zhēng)中 它是有利于發(fā)射熒光的 此外 在 躍遷過(guò)程中 通過(guò)系間竄躍至三重態(tài)的速率常數(shù)也較小 S1 T 能級(jí)差較大 這也有利于熒光的發(fā)射 總之 躍遷是產(chǎn)生熒光的主要躍遷類型 20 2 共軛效應(yīng)實(shí)驗(yàn)證明 容易實(shí)現(xiàn) 激發(fā)的芳香族化合物容易發(fā)生熒光 能發(fā)生熒光的脂肪族和脂環(huán)族化合物極少 僅少數(shù)高度共軛體系化合物除外 此外 增加體系的共軛度 熒光效率一般也將增大 例如 在多烯結(jié)構(gòu)中 ph CH CH 3ph和ph CH CH 2ph在苯中的熒光效率分別為0 68和0 28 共軛效應(yīng)使熒光增強(qiáng)的原因 主要是由于增大熒光物質(zhì)的摩爾吸光系數(shù) 有利于產(chǎn)生更多的激發(fā)態(tài)分子 從而有利于熒光的發(fā)生 3 剛性平面結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) 多數(shù)具有剛性平面結(jié)構(gòu)的有機(jī)分子具有強(qiáng)烈的熒光 因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)可以減少分子的振動(dòng) 使分子與溶劑或其它溶質(zhì)分子的相互作用減少 也就減少了碰撞去活的可能性 21 4 取代基效應(yīng)芳香族化合物苯環(huán)上的不同取代基對(duì)該化合物的熒光強(qiáng)度和熒光光譜有很大的影響 給電子基團(tuán) 如 OH OR CN NH2 NR2等 使熒光增強(qiáng) 因?yàn)楫a(chǎn)生了p 共軛作用 增強(qiáng)了 電子共軛程度 使最低激發(fā)單重態(tài)與基態(tài)之間的躍遷幾率增大 吸電子基團(tuán) 如 COOH NO C O 鹵素等 會(huì)減弱甚至?xí)鐭晒?鹵素取代基隨原子序數(shù)的增加而熒光降低 這可能是由所謂 重原子效應(yīng) 使系間跨越速率增加所致 在重原子中 能級(jí)之間的交叉現(xiàn)象比較嚴(yán)重 因此容易發(fā)生自旋軌道的相互作用 增加了由單重態(tài)轉(zhuǎn)化為三重態(tài)的速率 取代基的空間障礙對(duì)熒光也有影響 立體異構(gòu)現(xiàn)象對(duì)熒光強(qiáng)度有顯著的影響 22 3 金屬螯合物的熒光除過(guò)渡元素的順磁性原子會(huì)發(fā)生線狀熒光光譜外 大多數(shù)無(wú)機(jī)鹽類金屬離子 在溶液中只能發(fā)生無(wú)輻射躍遷 因而不產(chǎn)生熒光 但是 在某些情況下 金屬螯合物卻能產(chǎn)生很強(qiáng)的熒光 并可用于痕量金屬元素分析 1 螯合物中配位體的發(fā)光不少有機(jī)化合物雖然具有共軛雙鍵 但由于不是剛性結(jié)構(gòu) 分子處于非同一平面 因而不發(fā)生熒光 若這些化合物和金屬離子形成螯合物 隨著分子的剛性增強(qiáng) 平面結(jié)構(gòu)的增大 常會(huì)發(fā)生熒光 如8 羥基喹啉本身有很弱的熒光 但其金屬螯合物具有很強(qiáng)的熒光 2 螯合物中金屬離子的特征熒光這類發(fā)光過(guò)程通常是螯合物首先通過(guò)配位體的 躍遷激發(fā) 接著配位體把能量轉(zhuǎn)給金屬離子 導(dǎo)致d d 躍遷和f f 躍遷 最終發(fā)射的是d d 躍遷和f f 躍遷光譜 23 四 溶液的熒光 或磷光 強(qiáng)度1 熒光強(qiáng)度與溶液濃度的關(guān)系熒光強(qiáng)度If正比于吸收的光量Ia與熒光量子產(chǎn)率 If Ia式中 為熒光量子效率 又根據(jù)Beer定律Ia I0 It I0 1 10 lC I0和It分別是入射光強(qiáng)度和透射光強(qiáng)度 代入上式得If I0 1 10 lc I0 1 e 2 3 lc 整理得 If 2 3 I0 lc當(dāng)入射光強(qiáng)度I0和l一定時(shí) 上式為 If Kc即熒光強(qiáng)度與熒光物質(zhì)的濃度成之正比 但這種線性關(guān)系只有在極稀的溶液中 當(dāng) lc 0 05時(shí)才成立 對(duì)于較濃溶液 由于猝滅現(xiàn)象和自吸收等原因 使熒光強(qiáng)度和濃度不呈線性關(guān)系 24 2 影響熒光強(qiáng)度的因素 溶劑對(duì)熒光強(qiáng)度的影響 溶劑的影響可分為一般溶劑效應(yīng)和特殊溶劑效應(yīng) 一般溶劑效應(yīng)指的是溶劑的折射率和介電常數(shù)的影響 特殊溶劑效應(yīng)指的是熒光體和溶劑分子間的特殊化學(xué)作用 如氫鍵的生成和化合作用 一般溶劑效應(yīng)是普遍的 而特殊溶劑效應(yīng)則決定于溶劑和熒光體的化學(xué)結(jié)構(gòu) 特殊溶劑效應(yīng)所引起熒光光譜的移動(dòng)值 往往大于一般溶劑效應(yīng)所引起的影響 由于溶質(zhì)分子與溶劑分子間的作用 使同一種熒光物質(zhì)在不同的溶劑中的熒光光譜可能會(huì)有顯著不同 有的情況 增大溶劑的極性 將使n 躍遷的能量增大 躍遷的能量減小 而導(dǎo)致熒光增強(qiáng) 熒光峰紅移 但也有相反的情況 例如 苯胺奈磺酸類化合物在戊醇 丁醇 丙醇 乙醇和甲醇中 隨著醇的極性增大 熒光強(qiáng)度減小 熒光峰藍(lán)移 因此熒光光譜的位置和強(qiáng)度與溶劑極性之間的關(guān)系 應(yīng)根據(jù)熒光物質(zhì)與溶劑的不同而異 如果溶劑和熒光物質(zhì)形成了化合物 或溶劑使熒光物質(zhì)的電離狀態(tài)改變 則熒光峰位和強(qiáng)度都會(huì)發(fā)生較大的變化 25 溫度對(duì)熒光強(qiáng)度的影響溫度上升使熒光強(qiáng)度下降 其中一個(gè)原因是分子的內(nèi)部能量轉(zhuǎn)化作用 當(dāng)激發(fā)分子接受額外熱能時(shí) 有可能使激發(fā)能轉(zhuǎn)換為基態(tài)的振動(dòng)能量 隨后迅速振動(dòng)弛豫而喪失振動(dòng)能量 另一個(gè)原因是碰撞頻率增加 使外轉(zhuǎn)換的去活幾率增加 溶液pH值對(duì)熒光強(qiáng)度的影響帶有酸性或堿性官能團(tuán)的大多數(shù)芳香族化合物的熒光與溶液的pH有關(guān) 不同的pH值 化合物所處狀態(tài)不同 不同的化合物或化合物的分子與其離子在電子構(gòu)型上有所不同 因此 它們的熒光強(qiáng)度和熒光光譜就有一定的差別 對(duì)于金屬離子與有機(jī)試劑形成的發(fā)光鏊合物 一方面pH會(huì)影響鏊合物的形成 另一方面還會(huì)影響鏊合物的組成 因而影響它們的熒光性質(zhì) 26 內(nèi)濾光作用和自吸收現(xiàn)象溶液中若存在能吸收激發(fā)或熒光物質(zhì)所發(fā)射光能的物質(zhì) 就會(huì)使熒光減弱 這種現(xiàn)象稱為 內(nèi)濾光作用 內(nèi)濾光作用的另一種情況是熒光物質(zhì)的熒光發(fā)射光的短波長(zhǎng)的一端與該物質(zhì)的吸收光譜的長(zhǎng)波長(zhǎng)一端有重疊 在溶液濃度較大時(shí) 一部分熒光發(fā)射被自身吸收 產(chǎn)生 自吸收 現(xiàn)象而降低了溶液的熒光強(qiáng)度 27 3 溶液熒光猝滅熒光物質(zhì)分子與溶劑分子或其它溶質(zhì)分子的相互作用引起熒光強(qiáng)度降低的現(xiàn)象稱為熒光猝滅 能引起熒光強(qiáng)度降低的物質(zhì)稱為猝滅劑 導(dǎo)致熒光猝滅的主要類型 碰撞猝滅碰撞猝滅是指處于激發(fā)單重態(tài)的熒光分子與猝滅劑分子相碰撞 使激發(fā)單重態(tài)的熒光分子以無(wú)輻射躍遷的方式回到基態(tài) 產(chǎn)生猝滅作用 靜態(tài)猝滅 組成化合物的猝滅 由于部分熒光物質(zhì)分子與猝滅劑分子生成非熒光的配合物而產(chǎn)生的 此過(guò)程往往還會(huì)引起溶液吸收光譜的改變 28 轉(zhuǎn)入三重態(tài)的猝滅分子由于系間的跨越躍遷 由單重態(tài)躍遷到三重態(tài) 轉(zhuǎn)入三重態(tài)的分子在常溫下不發(fā)光 它們?cè)谂c其它分子的碰撞中消耗能量而使熒光猝滅 溶液中的溶解氧對(duì)有機(jī)化合物的熒光產(chǎn)生猝滅效應(yīng)是由于三重態(tài)基態(tài)的氧分子和單重激發(fā)態(tài)的熒光物質(zhì)分子碰撞 形成了單重激發(fā)態(tài)的氧分子和三重態(tài)的熒光物質(zhì)分子 使熒光猝滅 發(fā)生電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的猝滅某些猝滅劑分子與熒光物質(zhì)分子相互作用時(shí) 發(fā)生了電子轉(zhuǎn)移反應(yīng) 因而引起熒光猝滅 熒光物質(zhì)的自猝滅在濃度較高的熒光物質(zhì)溶液中 單重激發(fā)態(tài)的分子在發(fā)生熒光之前和未激發(fā)的熒光物質(zhì)分子碰撞而引起的自猝滅 有些熒光物質(zhì)分子在溶液濃度較高時(shí)會(huì)形成二聚體或多聚體 使它們的吸收光譜發(fā)生變化 也引起溶液熒光強(qiáng)度的降低或消失 29 二 熒光分析儀用于測(cè)量熒光的儀器由激發(fā)光源 樣品池 用于選擇激發(fā)光波長(zhǎng)和熒光波長(zhǎng)的單色器以及檢測(cè)器四部分組成 目前常用的國(guó)內(nèi)外熒光光譜儀 Jasco日本分光FP 6500 30 熒光分光光度計(jì)RF 5301PC 分子熒光光譜 FS 儀器 930A熒光光度計(jì) 31 32 F95 96熒光分光光度計(jì)中國(guó)上海 33 測(cè)定原理 由光源發(fā)射的光經(jīng)第一單色器得到所需的激發(fā)光波長(zhǎng) 通過(guò)樣品池后 一部分光能被熒光物質(zhì)所吸收 熒光物質(zhì)被激發(fā)后 發(fā)射熒光 為了消除入射光和散射光的影響 熒光的測(cè)量通常在與激發(fā)光成直角的方向上進(jìn)行 為消除可能共存的其它光線的干擾 如由激發(fā)所產(chǎn)生的反射光 Raman光以及為將溶液中雜質(zhì)濾去 以獲得所需的熒光 在樣品池和檢測(cè)器之間設(shè)置了第二單色器 熒光作用于檢測(cè)器上 得到響應(yīng)的電信號(hào) 熒光分析儀器基本部件示意圖 34 1 激發(fā)光源在紫外 可見(jiàn)區(qū)范圍 通常的光源是氙燈和高壓汞燈 3 單色器光柵 4 檢測(cè)器由光電管和光電倍曾管作檢測(cè)器 并與激發(fā)光成直角 2 樣品池?zé)晒庥玫臉悠烦仨氂玫蜔晒獾牟牧现瞥?通常用石英 形狀以方形和長(zhǎng)方形為宜 三 分子熒光分析法及其應(yīng)用 1 熒光分析方法的特點(diǎn) 1 靈敏度高 2 選擇性強(qiáng) 3 試樣量少和方法簡(jiǎn)單 4 提供比較多的物理參數(shù) 35 熒光分析法的弱點(diǎn)是它的應(yīng)用范圍小 因?yàn)楸旧砟馨l(fā)熒光的物質(zhì)相對(duì)較少 用加入某種試劑的方法將非熒光物質(zhì)轉(zhuǎn)化為熒光物質(zhì)進(jìn)行分析 其數(shù)量也不多 另一方面 由于熒光分析的靈敏度高 測(cè)定對(duì)環(huán)境因素敏感 干擾因素較多 2 定量分析方法 1 校準(zhǔn)曲線法 2 比較法 3 應(yīng)用 1 元素的熒光測(cè)定 2 有機(jī)化合物的熒光測(cè)定 36 2 定性分析任何熒 磷 光都具有兩種特征光譜 激發(fā)光譜與發(fā)射光譜 它們是熒 磷 光定性分析的基礎(chǔ) 1 激發(fā)光譜改變激發(fā)波長(zhǎng) 測(cè)量在最強(qiáng)熒 磷 光發(fā)射波長(zhǎng)處的強(qiáng)度變化 以激發(fā)波長(zhǎng)對(duì)熒光強(qiáng)度作圖可得到激發(fā)光譜 激發(fā)光譜形狀與吸收光譜形狀完全相似 經(jīng)校正后二者完全相同 這是因?yàn)榉肿游展饽艿倪^(guò)程就是分子的激發(fā)過(guò)程 激發(fā)光譜可用于鑒別熒光物質(zhì) 在定量時(shí) 用于選擇最適宜的激發(fā)波長(zhǎng) 37 2 發(fā)射光譜 發(fā)射光譜即熒光光譜 一定波長(zhǎng)和強(qiáng)度的激發(fā)波長(zhǎng)輻照熒光物質(zhì) 產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的強(qiáng)度的熒光 以熒光強(qiáng)度對(duì)其波長(zhǎng)作圖可得熒光發(fā)射光譜 由于不同物質(zhì)具不同的特征發(fā)射峰 因而使用熒光發(fā)射光譜可用于鑒別熒光物質(zhì) 如右圖所示 38 四 磷光分析法 分子磷光與分子熒光光譜的主要差別是磷光是第一激發(fā)單重態(tài)的最低能層 經(jīng)系間跨越躍遷到第一激發(fā)三重態(tài) 并經(jīng)振動(dòng)弛豫至最低振動(dòng)能層 然后躍遷回到基態(tài)發(fā)生的 與熒光相比 磷光具有如下三個(gè)特點(diǎn) 1 磷光輻射的波長(zhǎng)比熒光長(zhǎng)分子的T1態(tài)能量比S1態(tài)低 2 磷光的壽命比熒光長(zhǎng)由于熒光是S1 S0躍遷產(chǎn)生的 這種躍遷是自旋許可的躍遷 因而S1態(tài)的輻射壽命通常在10 7 10 9s 磷光是T1 S0躍遷產(chǎn)生的 這種躍遷屬自旋禁阻的躍遷 其速率常數(shù)要小 因而輻射壽命要長(zhǎng) 大約為10 4 10s 39 3 磷光的壽命和輻射強(qiáng)度對(duì)于重原子和順磁性離子敏感 低溫磷光分析中 液氮是最常用的合適的冷卻劑 因此要求所使用的溶劑 在液氮溫度 77K 下應(yīng)具有足夠的粘度并能形成透明的剛性玻璃體 對(duì)所分析的試樣應(yīng)具有良好的溶解特性 試樣的剛性可減少熒光的碰撞猝滅 溶劑應(yīng)易于提純 以除去芳香族和雜環(huán)化合物等雜質(zhì) 溶劑應(yīng)在所研究的光譜區(qū)域內(nèi)沒(méi)有很強(qiáng)的吸收和發(fā)射 最常用的溶劑是EPA 它由乙醇 異戊烷和二乙醚按體積比為2 5 5混合而成 使用含有重原子的混合溶劑IEPA 由EPA 碘甲烷 10 1組成 有利于系間跨越躍遷 可以增加磷光效應(yīng) 1 低溫磷光由于激發(fā)三重態(tài)的壽命長(zhǎng) 使激發(fā)態(tài)分子發(fā)生T1 S0這種分子內(nèi)部的內(nèi)轉(zhuǎn)化非輻射去活化過(guò)程以及激發(fā)態(tài)分子與周?chē)娜軇┓肿娱g發(fā)生碰撞和能量轉(zhuǎn)移過(guò)程 或發(fā)生某些光化學(xué)反應(yīng)的幾率增大 這些都將使磷光強(qiáng)度減弱 甚至完全消失 為減少這些去活化過(guò)程的影響 通常應(yīng)在低溫下測(cè)量磷光 40 含重原子的溶劑 由于重原子的高核電荷引起或增強(qiáng)了溶質(zhì)分子的自旋 軌函耦合作用 從而增大了S0 T1吸收躍遷和S1 T1系間跨越躍遷的幾率 有利于磷光的發(fā)生和增大磷光的量子產(chǎn)率 這種作用稱為外部重原子效應(yīng) 當(dāng)分子中引入重原子取代基 例如 當(dāng)芳烴分子中引入雜原子或重原子取代基時(shí) 也會(huì)發(fā)生內(nèi)部重原子效應(yīng) 導(dǎo)致磷光量子效率的提高 4