第三章分子熒光光譜法w

1第三章分子熒光光譜法MolecularFluorescenceSpectrometry2分子熒光光譜法3.1背景概述3.2分子熒光的產(chǎn)生過程熒光的激發(fā)光譜和發(fā)射光譜3.3影響熒光強(qiáng)度的因素3.4分子熒光光譜儀3.5分子熒光光譜法的應(yīng)用

某些物質(zhì)被一定波長的光照射時，會在一定時間內(nèi)發(fā)射出波長比入射光長的光，如果這個時間比較短，這種光就稱為熒光。熒光由一種能發(fā)熒光的礦物

螢石(fluospar)而得名。 我們這里要介紹的熒光，是指物質(zhì)在吸收紫外光和可見光后發(fā)出的波長較長的紫外熒光或可見熒光。 除了紫外光和可見光可能激發(fā)熒光外，其它的光如紅外光、X射線也可能激發(fā)出熒光，因此除紫外熒光或可見熒光外，還有紅外熒光、X射線熒光等。3.1背景概述4分子熒光光譜是一種發(fā)射光譜分析方法。分子熒光光譜法

分子吸收能量后，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。激發(fā)態(tài)通常是不穩(wěn)定的，會釋放能量而產(chǎn)生躍遷回到基態(tài)，如果是以光輻射的形式釋放能量，就稱為發(fā)光。相應(yīng)的光譜分析法就稱為分子發(fā)射光譜法。分子熒光是一種光致發(fā)光過程。熒光是指一種光致發(fā)光的冷發(fā)光現(xiàn)象。熒光物質(zhì)吸收外界高能光輻射（如紫外、X射線、日光短波段）后，導(dǎo)致內(nèi)部電子能級躍遷，重新釋放出低能長波光，即為熒光；而且一旦停止入射光，發(fā)光現(xiàn)象也隨之立即消失。具有這種性質(zhì)的出射光就被稱之為熒光。夜光通常指不用外界電能或使物體處于高溫狀態(tài)而發(fā)出的光，與冷光類似。如直接由化學(xué)能激發(fā)的熒火蟲發(fā)光、鬼火等，以及由放射性元素衰變產(chǎn)生的高能射線激發(fā)的熒光和紫外、X射線、日光短波段等高能光輻射激發(fā)的熒光。夜光包括熒光。光致發(fā)光

物體依賴外界光源進(jìn)行照射，從而獲得能量，產(chǎn)生激發(fā)導(dǎo)至發(fā)光的現(xiàn)象。它大致經(jīng)過吸收、能量傳遞及光發(fā)射三個主要階段，光的吸收及發(fā)射都發(fā)生于能級之間的躍遷，都經(jīng)過激發(fā)態(tài)。而能量傳遞則是由于激發(fā)態(tài)的運(yùn)動。紫外輻射、可見光及紅外輻射均可引起光致發(fā)光。如磷光與熒光。光致發(fā)光最普遍的應(yīng)用為日光燈。它是燈管內(nèi)氣體放電產(chǎn)生的紫外線激發(fā)管壁上的發(fā)光粉而發(fā)出可見光的。其效率約為白熾燈的5倍。磷光是一種緩慢發(fā)光的光致冷發(fā)光現(xiàn)象。當(dāng)某種常溫物質(zhì)經(jīng)某種波長的入射光（通常是紫外線）照射，吸收光能后進(jìn)入激發(fā)態(tài)（具有和基態(tài)不同的自旋多重度），然后緩慢地退激發(fā)并發(fā)出比入射光的的波長長的出射光，而且與熒光過程不同，當(dāng)入射光停止后，發(fā)光現(xiàn)象持續(xù)存在。發(fā)出磷光的退激發(fā)過程是被量子力學(xué)的躍遷選擇規(guī)則禁戒的，因此這個過程很緩慢。分子熒光光譜法的特點(diǎn)①靈敏度高

熒光分析是由試樣溶液所發(fā)生的熒光的強(qiáng)度來測定試樣溶液中熒光物質(zhì)的含量。熒光分析的靈敏度不僅與溶液的濃度有關(guān)，而且與紫外光照射強(qiáng)度及熒光分光光度計(jì)的靈敏度有關(guān)．因此熒光分析的靈敏度高于一般的分光光度法．最低檢出限比分光光度法低一個數(shù)量級以上，適合于痕量物質(zhì)的檢測。②選擇性好。凡是會發(fā)生熒光的物質(zhì)首先必須會吸收一定頻率的光，但會吸收光的物質(zhì)卻不—定會產(chǎn)生熒光。對于某一給定波長的激發(fā)光，產(chǎn)生熒光的物質(zhì)發(fā)出的熒光波長也不相同，只要控制熒光分光光度計(jì)中激發(fā)光和熒光單色器的波長便可得到選擇性良好的方法．③能夠引起熒光的化學(xué)物質(zhì)較少，應(yīng)用范圍小。大多數(shù)物質(zhì)本身不會產(chǎn)生熒光，一些物質(zhì)在加入某種試劑后能夠產(chǎn)生熒光。10

1.分子能級與躍遷

分子能級的每個電子能級上，都存在振動、轉(zhuǎn)動能級；

3.2分子熒光的產(chǎn)生過程基態(tài)→激發(fā)態(tài)：吸收特定頻率的輻射；量子化；躍遷一次到位；激發(fā)態(tài)→基態(tài)：多種途徑和方式(見能級圖)；速度最快、激發(fā)態(tài)壽命最短的途徑占優(yōu)勢；單重態(tài)：一個分子中所有電子自旋都配對的電子狀態(tài)。三重態(tài)：有兩個電子的自旋不配對而平行的狀態(tài)。激發(fā)三重態(tài)能量較激發(fā)單重態(tài)低。

大多數(shù)有機(jī)物分子含有偶數(shù)電子，這些電子成對且自旋方向相反地存在于各個原子或分子軌道上。所以大多數(shù)分子在基態(tài)時處于單重態(tài)。當(dāng)分子受光照射時，若光子能量恰好等于分子的某兩個能級的能量之差，則分子吸收光子并從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)或更高的激發(fā)態(tài)中的某個振動能級。但其自旋方向不會立刻改變，分子仍處于單重態(tài)。持續(xù)一段時間后，激發(fā)態(tài)電子的自旋可能倒轉(zhuǎn)，生成三重態(tài)。單重態(tài)能級間的躍遷符合光譜選律，躍遷概率大。分子通過吸收輻射而直接被激發(fā)到三重態(tài)的躍遷是禁阻的，概率很小。2激發(fā)態(tài)分子的失活:

激發(fā)態(tài)分子不穩(wěn)定，以輻射或無輻射躍遷的方式回到基態(tài)。

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電子處于激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定狀態(tài)，返回基態(tài)時，通過輻射躍遷(發(fā)光)和無輻射躍遷等方式失去能量，這個過程即為分子的去激發(fā)過程；傳遞途徑輻射躍遷熒光延遲熒光磷光內(nèi)轉(zhuǎn)移外轉(zhuǎn)移系間跨越振動弛豫無輻射躍遷3.分子的去激發(fā)過程15S2S1S0T1吸收發(fā)射熒光發(fā)射磷光系間跨越內(nèi)轉(zhuǎn)換振動弛豫能量l2l1l

3

外轉(zhuǎn)換l

2T2內(nèi)轉(zhuǎn)換振動弛豫振動弛豫：由于分子間的碰撞，激發(fā)態(tài)分子由同一電子能級中的較高振動能級轉(zhuǎn)至較低振動能級的過程，其效率較高。

激發(fā)態(tài)分子常常首先發(fā)生振動馳豫。內(nèi)轉(zhuǎn)換：相同多重態(tài)的兩個電子能級間，電子由高能級回到低能級的分子內(nèi)過程。

①無輻射躍遷

系間竄越：激發(fā)態(tài)分子的電子自旋發(fā)生倒轉(zhuǎn)而使分子的多重態(tài)發(fā)生變化的過程。含有重原子的分子中（如I、Br等），系間竄躍最常見。

外轉(zhuǎn)換：激發(fā)態(tài)分子與溶劑或其他溶質(zhì)相互作用和能量轉(zhuǎn)換而使熒光（或磷光）減弱甚至消失的過程。熒光強(qiáng)度的減弱或消失，稱為熒光熄滅或猝滅。

②輻射躍遷熒光：受光激發(fā)的分子經(jīng)振動馳豫、內(nèi)轉(zhuǎn)換、振動馳豫到達(dá)第一電子激發(fā)單重態(tài)的最低振動能級，以輻射的形式失活回到基態(tài)，發(fā)出熒光。

由于無輻射使分子吸收的能量有部分損失，因此熒光的能量比吸收的能量小，即熒光波長一般比激發(fā)光波長長。磷光：若第一激發(fā)單重態(tài)的分子通過系間竄躍到達(dá)第一激發(fā)三重態(tài)，再通過振動馳豫轉(zhuǎn)至該激發(fā)的最低振動能級，然后以輻射的形式回到基態(tài)，發(fā)出的光線稱為磷光。由于激發(fā)三重態(tài)能量較激發(fā)單重態(tài)低，所以磷光的波長比熒光的波長稍長。磷光僅在很低的溫度或黏性介質(zhì)中才能觀測到。因此磷光很少應(yīng)用于分析。4.熒光產(chǎn)生的過程：（1）處于基態(tài)最低振動能級的熒光物質(zhì)分子受到紫外線的照射，吸收了和它所具有的特征頻率相一致的光線，躍遷到第一電子激發(fā)態(tài)的各個振動能級；（2）被激發(fā)到第一電子激發(fā)態(tài)的各個振動能級的分子通過無輻射躍遷降落到第一電子激發(fā)態(tài)的最低振動能級；（3）降落到第一電子激發(fā)態(tài)的最低振動能級的分子繼續(xù)降落到基態(tài)的各個不同振動能級，同時發(fā)射出相應(yīng)的光量子，這就是熒光：（4）到達(dá)基態(tài)的各個不同振動能級的分子再通過無輻射躍遷最后回到基態(tài)的最低振動能級．5.分子產(chǎn)生熒光必須具備的條件（1）具有合適的結(jié)構(gòu)。只有少數(shù)具有某些結(jié)構(gòu)特性的體系才會產(chǎn)生熒光現(xiàn)象。①大的共軛π鍵結(jié)構(gòu)；②剛性的平面結(jié)構(gòu)；③取代基團(tuán)為給電子取代基。（2）具有一定的熒光量子產(chǎn)率。

判斷熒光生色團(tuán)的標(biāo)準(zhǔn)判斷化合物能否產(chǎn)生熒光，可以從以下幾個方面來分析：碳原子骨架：具有共軛雙鍵體系的分子容易產(chǎn)生熒光。絕大多數(shù)熒光物質(zhì)含有芳香環(huán)或雜環(huán)。任何有利于電子共軛度的結(jié)構(gòu)變化都將提高熒光效率，或使熒光波長紅移。分子的幾何排布：具有剛性平面結(jié)構(gòu)的有機(jī)分子容易發(fā)熒光。平面構(gòu)型或分子剛性增加，熒光增強(qiáng)。取代基的類型和位置。環(huán)境、溶劑、溫度、pH等均會影響分子結(jié)構(gòu)，從而影響熒光。熒光探針總的來說，天然的熒光生物分子種類很有限，而且熒光強(qiáng)度較弱，為了研究多數(shù)的不發(fā)光的生物分子，人們廣泛利用一類能產(chǎn)生穩(wěn)定熒光的分子，把這些小分子和大分子結(jié)合起來，或者插入大分子中，根據(jù)這些較小的熒光分子性質(zhì)的改變，分析大分子的結(jié)構(gòu)，這類小分子稱為熒光探針。6熒光與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系

電子躍遷類型

*→的熒光效率高，系間竄躍至三重態(tài)的的速率常數(shù)較小，有利于熒光的產(chǎn)生。共軛效應(yīng)含有*→躍遷能級的芳香族化合物的熒光最常見且最強(qiáng)。具有較大共軛體系或脂環(huán)羰基結(jié)構(gòu)的脂肪族化合物也可能產(chǎn)生熒光。取代基效應(yīng)：苯環(huán)上有吸電子基常常會妨礙熒光的產(chǎn)生；而給電子基會使熒光增強(qiáng)。

平面剛性結(jié)構(gòu)效應(yīng)

可降低分子振動，減少與溶劑的相互作用，故具有很強(qiáng)的熒光。如熒光素和酚酞有相似結(jié)構(gòu)，熒光素有很強(qiáng)的熒光，酚酞卻沒有。7熒光與熒光量子產(chǎn)率Φ

物質(zhì)分子發(fā)射熒光的能力用熒光量子產(chǎn)率（Φ）表示：Φ與失活過程的速率常數(shù)k有關(guān)：凡是使熒光速率常數(shù)kf增大而使其他失活過程（系間竄越、外轉(zhuǎn)換、內(nèi)轉(zhuǎn)換）的速率常數(shù)減小的因素（環(huán)境因素和結(jié)構(gòu)因素）都可使熒光增強(qiáng)。熒光是物質(zhì)吸收光子之后發(fā)出的輻射，熒光強(qiáng)度（F）與①熒光物質(zhì)的吸光程度及其②發(fā)射熒光的能力有關(guān)：

F=K′（I0—I）

I0

—入射光輻射強(qiáng)度；I

—透射光輻射強(qiáng)度；

K′—取決于熒光量子產(chǎn)率（Ф）。8.熒光強(qiáng)度與濃度的關(guān)系Lambert-Beer定律：=溶液濃度較低時：

當(dāng)入射光的λ1和I0一定時：

F=Kc

即：

在低濃度時，溶液的熒光強(qiáng)度與熒光物質(zhì)的濃度成正比。

————這是熒光法定量的基礎(chǔ)。

（1）內(nèi)部因素自猝滅——發(fā)光物質(zhì)分子間碰撞而發(fā)生的能量無輻射轉(zhuǎn)移。自猝滅隨溶液濃度的增加而增加。自吸收——熒光化合物的發(fā)射光譜的波長與其吸收光譜的波長重疊，溶液內(nèi)部激發(fā)態(tài)分子所發(fā)射的熒光在通過外部溶液時被同類分子吸收，從而使熒光被減弱。熒光強(qiáng)度F與光源的輻射強(qiáng)度I0有關(guān)，因此增大光源輻射功率I0可提高熒光測定的靈敏度。紫外-可見分光光度法無法通過改變?nèi)肷涔鈴?qiáng)度來提高靈敏度。3.3影響熒光強(qiáng)度的因素32

熒光猝滅

熒光分子與溶劑或其它溶質(zhì)分子之間相互作用，使熒光強(qiáng)度減弱的作用稱為熒光猝滅。包括碰撞猝滅、氧的猝滅、濃度（自）猝滅和自吸收等。能引起熒光強(qiáng)度降低的物質(zhì)稱為猝滅劑。33碰撞猝滅

是由處于激發(fā)單線態(tài)的熒光分子與猝滅劑碰撞后，使激發(fā)態(tài)分子以無輻射方式返回基態(tài)所造成的。

碰撞猝滅隨溶劑粘度的增大而減小，隨溫度升高而增加。34

氧的猝滅

溶液中的溶解氧常對熒光產(chǎn)生猝滅作用，這可能是由于順磁性的氧分子與處于單線激發(fā)態(tài)的熒光分子相作用，促進(jìn)形成順磁性的三線激發(fā)態(tài)分子，加速系間跨躍所致。

因此在較嚴(yán)格的熒光實(shí)驗(yàn)中，一般需要通氮除氧。353.3影響熒光強(qiáng)度的因素

濃度（自）猝滅

當(dāng)熒光物質(zhì)的濃度較大時，會產(chǎn)生自猝滅現(xiàn)象。

最簡單的情況是激發(fā)態(tài)的分子與未激發(fā)的分子碰撞而使能量降低引起的。

通常，液態(tài)純物質(zhì)的熒光都不強(qiáng)。36

自吸收

熒光物質(zhì)的熒光光譜曲線與吸收光譜曲線重疊時，基態(tài)分子將吸收熒光物質(zhì)所發(fā)出的熒光而產(chǎn)生自吸收。（2）環(huán)境因素

①溫度

溫度對熒光的影響很大。

溫度升高，熒光強(qiáng)度減弱的原因主要是溶液的粘度減小，溶劑與溶質(zhì)分子的動能增加，使得熒光分子的其它分子之間的碰撞幾率增加，激發(fā)態(tài)熒光分子通過分子間碰撞或分子內(nèi)能量的轉(zhuǎn)移，將自己的能量轉(zhuǎn)移出去。以非熒光發(fā)射的形式回到基態(tài)，這就造成熒光淬滅、量子產(chǎn)率降低的情況。如果溶液中有淬滅劑存在，則淬滅劑的作用也會隨溫度升高而增大。溫度降低會減少碰撞和非輻射失活的概率，因此會增加熒光強(qiáng)度。例如：熒光素的乙醇溶液在0℃以下每降低10℃，熒光產(chǎn)率增加3%，當(dāng)溫度降低至-80℃時，熒光產(chǎn)率為100%。為減少溫度對熒光強(qiáng)度的影響，可采用恒溫樣品架維持樣品溫度的恒定。

38(2)

pH的影響對于含有酸性或堿性基團(tuán)的熒光物質(zhì)而言，溶液的pH將對這類物質(zhì)的熒光強(qiáng)度產(chǎn)生較大的影響。

因此在熒光測量中往往需要控制溶液的pH值。pH<5無熒光5~12藍(lán)色熒光>12無熒光

苯胺陽離子苯胺分子苯胺陰離子393.4分子熒光光譜儀熒光光譜儀是由光源，激發(fā)單色器，樣品池，發(fā)射單色器，檢測器及記錄系統(tǒng)等組成。光源樣品池激發(fā)單色器檢測器數(shù)據(jù)處理儀器控制發(fā)射單色器403.4分子熒光光譜儀

光源發(fā)出的光經(jīng)激發(fā)單色器分光后得到特定波長激發(fā)光，入射到樣品使熒光物質(zhì)激發(fā)產(chǎn)生熒光，通常在90度方向上進(jìn)行熒光測量。光源樣品池激發(fā)單色器檢測器數(shù)據(jù)處理儀器控制發(fā)射單色器

發(fā)射單色器與激發(fā)單色器互成直角。經(jīng)發(fā)射單色器分光后使熒光達(dá)到檢測器而被檢測。41熒光分光光度計(jì)工作原理基及儀器結(jié)構(gòu)框圖問題：熒光分光光度計(jì)與紫外-可見分光光度計(jì)有何異同點(diǎn)？光源氙燈激發(fā)單色器樣品池光電倍增管數(shù)據(jù)處理儀器控制發(fā)射單色器3.4分子熒光光譜儀42紫外-可見分光光度計(jì):光源樣品池單色器檢測器數(shù)據(jù)處理儀器控制熒光分光光度計(jì):光源樣品池激發(fā)單色器檢測器數(shù)據(jù)處理儀器控制發(fā)射單色器3.4分子熒光光譜儀43二.光源1.光源的要求：發(fā)射強(qiáng)度足夠且穩(wěn)定的連續(xù)光譜光輻射強(qiáng)度隨波長的變化小有足夠長的使用壽命3.4分子熒光光譜儀44常用氣體放電燈類型：

氙燈光源高壓汞光源3.4分子熒光光譜儀45三.單色器激發(fā)單色器，

用于熒光激發(fā)光譜的掃描及選擇激發(fā)波長；發(fā)射單色器，

用于掃描熒光發(fā)射光譜及分離熒光發(fā)射波長。3.4分子熒光光譜儀46五.樣品池問題：紫外-可見分光光度計(jì)的吸收池與熒光分光光度計(jì)的樣品池有什么區(qū)別？四.檢測器光電倍增管電荷偶合元件檢測器

3.4分子熒光光譜儀47紫外-可見分光光度計(jì)

測量池(吸收池)熒光分光光度計(jì)樣品池I0ItI0ItIF,p1.材料：紫外-可見分光光度計(jì)——石英池、玻璃池?zé)晒夥止夤舛扔?jì)——石英池

2.形狀：紫外-可見分光光度計(jì)的吸收池——兩面透光熒光分光光度計(jì)的樣品池——四面透光493.5分子熒光光譜法的應(yīng)用

分子熒光光譜法具有高的靈敏度和好的選擇性。一般而言，與紫外－可見分光光度法相比，其靈敏度可高出2－4個數(shù)量級，其檢測下限通?？蛇_(dá)0.1～0.001

gcm-3。熒光分析法的應(yīng)用廣泛，可測定60余種元素，尤其適合對生物大分子的檢測。此外，還可作為高效液相色譜及毛細(xì)管電泳的檢測器。503.5分子熒光光譜法的應(yīng)用（1）熒光強(qiáng)度與濃度的基本關(guān)系式1.熒光定量分析光吸收定律（Lambert–BeerLaw）相應(yīng)的吸光分?jǐn)?shù)為：51熒光強(qiáng)度（IF）與吸收的激發(fā)光的光強(qiáng)及量子產(chǎn)率成正比：按照級數(shù)展開式：3.5分子熒光光譜法的應(yīng)用52對于稀溶液，當(dāng)bc<0.02時：IF----熒光強(qiáng)度F-----熒光量子產(chǎn)率b--吸收光程--摩爾吸光系數(shù)C--熒光物質(zhì)濃度當(dāng)I0一定時，3.5分子熒光光譜法的應(yīng)用53低濃度時，熒光強(qiáng)度與物質(zhì)的濃度呈線性關(guān)系，高濃度時，由于自熄滅和自吸收等原因，熒光強(qiáng)度與物質(zhì)的濃度不呈線性關(guān)系3.5分子熒光光譜法的應(yīng)用543.5分子熒光光譜法的應(yīng)用（2）單組分的熒光測定

測定方法

直接測定法：適用于有熒光的物質(zhì)間接測定法：適用于不發(fā)生熒光，或熒光量子效率很低物質(zhì)。

第一種間接方法是利用化學(xué)反應(yīng)使非熒光物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊晒馕镔|(zhì)；第二種間接方法是熒光猝滅法。若被測物質(zhì)具有熒光猝滅劑的作用，可測量熒光強(qiáng)度的降低來測定該熒光物質(zhì)的濃度。

55563.5分子熒光光譜法的應(yīng)用無機(jī)化合物

利用金屬離子，如鈹、鋁、硼、鎵、硒、鎂及某些稀土元素等，與有機(jī)試劑形成熒光配合物來進(jìn)行熒光分析。

具體如下：57與有機(jī)試劑配合物后測量；可測量約60多種元素。鈹、鋁、硼、鎵、硒、鎂、稀土常采用熒光分析法；氟、硫、鐵、銀、鈷、鎳采用熒光熄滅法測定；銅、鈹、鐵、鈷、鋨及過氧化氫采用催化熒光法測定；鉻、鈮、鈾、碲采用低溫?zé)晒夥y定；鈰、銪、銻、釩、鈾采用固體熒光法測定3.5分子熒光光譜法的應(yīng)用583.5分子熒光光譜法的應(yīng)用幾種常用的熒光試劑試劑測定的元素安息香B,Zn,Ge,Si2,2’-二羥基偶氮苯Al,F,Mg2-羥基-3-萘甲酸Al,Be8-羥基喹啉Al,Be593.5分子熒光光譜法的應(yīng)用有機(jī)化合物熒光分析可測定許多類有機(jī)化合物，在臨床、生物化學(xué)和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域中十分重要。芳香族化合物存在共軛的不飽和體系，是有機(jī)化合物熒光測