第三章熒光分析法

第三章熒光分析法2/6/20231目錄§3-1概述§3-2熒光分析基本原理§3-3熒光分析儀器

§3-4熒光分析方法及應用2/6/20232§3-1概述分子發(fā)光

某些物質(zhì)的分子吸收一定能量躍遷到較高的電子激發(fā)態(tài)后，在返回電子基態(tài)的過程中伴隨有光輻射的現(xiàn)象。光致發(fā)光

物質(zhì)因吸收光能而激發(fā)發(fā)光的現(xiàn)象。熒光

當紫外光照射到某些物質(zhì)的時候，這些物質(zhì)會發(fā)射出各種顏色和不同強度的可見光，而當紫外線停止照射時，所發(fā)射的光線也隨之很快地消失，這種光線——熒光。2/6/20233發(fā)展史理論：第一次記錄熒光現(xiàn)象：1575年，西班牙內(nèi)科醫(yī)生、植物學家莫納德斯(N.Monardes)提到：一種木頭切片的水溶液呈“可愛的天藍色”。17世紀，波義爾(Boyle)和牛頓(Newton)等再次觀察到熒光現(xiàn)象并給予了更詳細的描述。1852年，斯托克斯(G.G.Stokes)用分光光度計考察奎寧和葉綠素時發(fā)現(xiàn)：λ吸<λ熒（斯托克斯定則），所以判斷熒光是先吸光再發(fā)光，即熒光是發(fā)射光。并且根據(jù)發(fā)熒光的礦物“螢石”→熒光。此外他還研究了熒光強度與濃度之間的關系；描述了高濃度時及有外來物質(zhì)存在時的熒光猝滅現(xiàn)象。他也是第一個提出應用熒光作分析手段的人。2/6/202341867年，瑞士，高貝爾斯萊德(F.Goppelsr?der)進行了首次的熒光分析工作，應用鋁-桑色素配合物的熒光進行鋁的測定。1880年，萊伯曼(Liebeman)提出了最早關于熒光與化學結構關系的經(jīng)驗法則。19世紀末，人們已經(jīng)知道了600種以上的熒光化合物。

20世紀以來，熒光現(xiàn)象的研究就更多了：1905年，伍德(Wood)發(fā)現(xiàn)共振熒光。1914年，弗蘭克(Frank)和赫茲(Hertz)利用電子沖擊發(fā)光進行定量研究。1922年，Wawillous

進行熒光產(chǎn)率的絕對測定。1926年，蓋維奧拉(Gaviola)進行了熒光壽命的直接測定。……2/6/20235儀器：19世紀前，熒光觀察靠肉眼。1928年，哲蒂(Jette)和維斯特(West)研制出第一臺光電熒光計。如今，已有各式各樣新型的熒光分析儀問世。熒光分析已成為一種十分重要且有效的光譜分析手段2/6/20236§3-2熒光分析基本原理一、熒光和磷光的產(chǎn)生發(fā)光

室溫下，大多數(shù)分子處在基態(tài)的最低振動能層。處于基態(tài)的分子吸收能量(電能、熱能、化學能或光能等)后被激發(fā)，躍遷到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，分子將很快衰變到基態(tài)。若返回到基態(tài)時伴隨著光子的輻射，這種現(xiàn)象稱為“發(fā)光”。2/6/20237

◆

原理：1.分子能級每個分子具有一系列嚴格分立的能級，稱為電子能級，而每個電子能級中又包含一系列的振動能層和轉動能層。

So：基態(tài)

S1:第一電子激發(fā)單重態(tài)

S2:第二電子激發(fā)單重態(tài)

T1:第一電子激發(fā)三重態(tài)

T2:第二電子激發(fā)三重態(tài)

ν=0,1,2,3…振動能層圖3.1熒光和磷光體系能級圖2/6/202382.電子激發(fā)多重度M

s:電子自旋量子數(shù)代數(shù)和，數(shù)值為0或1。單重態(tài)分子軌道中的電子都是自旋配對的,自旋方向相反.s=0，M=1用符號S表示三重態(tài)電子躍遷過程中伴有自旋方向的改變s=1，M=3用符號T表示2/6/202393.分子去活化處在激發(fā)態(tài)的分子是不穩(wěn)定的，它可能通過輻射躍遷和非輻射躍遷等去活化過程返回基態(tài)，其中以速度最快、激發(fā)態(tài)壽命最短的途徑占優(yōu)勢。有以下幾種基本的去活化過程。振動馳豫內(nèi)轉換熒光發(fā)射系間跨越磷光發(fā)射外轉換圖3.1熒光和磷光體系能級圖2/6/202310振動馳豫當分子吸收光輻射后可能從基態(tài)的最低振動能層S0(ν=0)躍遷到激發(fā)態(tài)Sn(ν=i)的較高的振動能層上去。然而在液相或壓力足夠高的氣相中，分子間碰撞的幾率很大，激發(fā)態(tài)分子可能將過剩的振動能量以熱的形式傳遞給周圍的分子，而自身從Sn或Tn的高振動能層(ν=i)失活到該電子能級的最低振動能層(ν=0)上，這一過程稱為振動弛豫（振動松弛）。時間10-12sSn或Tn的νi→

ν0

，即各振動能級間的小箭頭。2/6/202311圖3.1熒光和磷光體系能級圖2/6/202312內(nèi)轉換相同多重度等能態(tài)間的一種無輻射躍遷過程稱為內(nèi)轉換。當兩個相同多重度電子能級的振動能層間有重疊時，則可能發(fā)生電子由高能層電子激發(fā)態(tài)以無輻射躍遷方式躍遷到低能層的電子激發(fā)態(tài)。如由S2→S1

，T2→T1。時間10-13-10-11s分子最初無論在哪一個激發(fā)單重態(tài)，都能通過振動弛豫和內(nèi)轉換到達最低激發(fā)單重態(tài)(或三重態(tài))的最低振動能層上。2/6/202313圖3.1熒光和磷光體系能級圖2/6/202314熒光發(fā)射當分子處于單重激發(fā)態(tài)的最低振動能級S1(ν=0)時，發(fā)射一個光子返回基態(tài)S0(ν=i)，這一過程稱為熒光發(fā)射。由于溶液中振動弛豫效率很高，它在熒光發(fā)射之前和發(fā)射之后都可能發(fā)生。因此發(fā)射熒光的能量比分子所吸收的能量要小，即熒光的特征波長比它所吸收的特征波長要長。時間10-9-10-7s熒光多為S1→

S0

躍遷。2/6/202315圖3.1熒光和磷光體系能級圖2/6/202316系間跨越不同多重度狀態(tài)間的一種無輻射躍遷過程稱為系間跨越。它涉及受激電子自旋狀態(tài)的改變。如S1→T1，使原來兩個自旋配對的電子不再配對，這種躍遷一般是禁阻的。但如果兩個不同多重度電子能態(tài)的振動能層有較大的重疊時則可能通過自旋—軌道耦合等作用使其實現(xiàn)。2/6/202317圖3.1熒光和磷光體系能級圖2/6/202318磷光發(fā)射當從單重態(tài)到三重態(tài)的分子系間跨越躍遷發(fā)生后，接著發(fā)生快速的振動弛豫而到達三重態(tài)的最低振動能層上，當沒有其他過程同它競爭時，分子將發(fā)生磷光躍遷回基態(tài)，這一過程稱為磷光發(fā)射。熒光與磷光的根本區(qū)別是：熒光：由激發(fā)單重態(tài)最低振動能層至基態(tài)各振動能層的躍遷產(chǎn)生。磷光：由激發(fā)三重態(tài)最低振動能層至基態(tài)各振動能層的躍遷產(chǎn)生的。

E熒>E磷，λ熒<λ磷時間10-4-10s2/6/202319圖3.1熒光和磷光體系能級圖2/6/202320外轉換激發(fā)分子通過與溶劑或其他溶質(zhì)分子間的相互作用和能量轉換，使熒光或磷光強度減弱甚至消失的過程稱外轉換。這一現(xiàn)象稱為“熄滅”或“猝滅”。由較低的激發(fā)單重態(tài)及較低的三重態(tài)的非輻射躍遷可包含外轉換，也可包含內(nèi)轉換。2/6/202321二、激發(fā)光譜和發(fā)射光譜

任何熒光(磷光)化合物都具有兩個特征光譜：激發(fā)光譜和發(fā)射光譜。它們是熒光(磷光)定性和定量分析的基本參數(shù)和依據(jù)。激發(fā)光譜選擇：熒光和磷光都是光致發(fā)光，因此必須選擇合適的激發(fā)光波長，這可從它們的激發(fā)光譜曲線來確定。繪制：固定測量波長（選熒光/磷光的最大發(fā)射波長），改變激發(fā)光的波長，測量熒光強度的變化，以激發(fā)光波長為橫坐標、熒光強度為縱坐標作圖，即得到熒光(磷光)化合物的激發(fā)光譜。2/6/202322激發(fā)光譜的形狀與吸收光譜的形狀極為相似，經(jīng)校正后的真實激發(fā)光譜與吸收光譜不僅形狀相同，而且波長位置也一樣。這是因為物質(zhì)分子吸收能量的過程就是激發(fā)過程。發(fā)射光譜：熒(磷)光光譜繪制：將激發(fā)光波長固定在最大激發(fā)波長處，然后掃描發(fā)射波長，測定不同發(fā)射波長處的熒(磷)光強度，即得到熒(磷)光發(fā)射光譜。例：圖3.2為萘的激發(fā)光譜、熒光發(fā)射光譜和磷光發(fā)射光譜。熒光發(fā)射光譜顯示了若干普遍的特性：2/6/202323Stokes位移在溶液中，分子熒光的發(fā)射相對于吸收位移到較長的波長，稱為Stokes位移。這是由于受激分子通過振動弛豫而失去振動能，也由于溶液中溶劑分子與受激分子的碰撞，也會有能量的損失。因此在激發(fā)和發(fā)射之間產(chǎn)生了能量損失。圖3.2萘的激發(fā)光譜I、熒光II和磷光光譜III激發(fā)/吸收光譜磷光光譜熒光光譜2/6/202324熒光發(fā)射光譜的形狀與激發(fā)波長無關。這是因為分子吸收了不同能量的光子可以由基態(tài)激發(fā)到幾個不同的電子激發(fā)態(tài)，而具有幾個吸收帶。由于較高激發(fā)態(tài)通過內(nèi)轉換及振動弛豫回到第一電子激發(fā)態(tài)的速率是很高的，遠大于由高能激發(fā)態(tài)直接發(fā)射光子的速率。故在熒光發(fā)射時，不論用哪一個波長的光激發(fā)，電子都是從第一電子激發(fā)態(tài)的最低振動能層返回到基態(tài)的各個振動能層，所以熒光發(fā)射光譜與激發(fā)波長無關。2/6/202325圖3.1熒光和磷光體系能級圖2/6/202326鏡像規(guī)則

熒光發(fā)射光譜和它的吸收光譜呈鏡像對稱關系。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)的各振動能層所致。其形狀決定于第一電子激發(fā)態(tài)中各振動能層的分布情況。熒光光譜是激發(fā)分子從第一電子激發(fā)態(tài)的最低振動能層回到基態(tài)中各不同能層所致。所以熒光光譜的形狀決定于基態(tài)中各振動能層的分布情況?；鶓B(tài)中振動能層的分布和第一電子激發(fā)態(tài)中振動能層的分布的情況是類似的，因此熒光光譜的形狀和吸收光譜極為相似。2/6/202327圖3.3蒽的乙醇溶液的熒光光譜（右）和吸收光譜（左）ν=014321432ν=0S1S02/6/202328休息！2/6/202329三、熒光和分子結構的關系

分子產(chǎn)生熒光必須具備兩個條件：

(i)分子必須具有與所照射的輻射頻率相適應的結構，才能吸收激發(fā)光。

(ii)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。思考：什么樣結構的物質(zhì)會發(fā)生熒光？化學結構上的改變對物質(zhì)熒光強度和熒光光譜有什么樣的影響？2/6/202330熒光量子產(chǎn)率:它表示物質(zhì)發(fā)熒光的能力許多吸光物質(zhì)并不能發(fā)熒光，因為在激發(fā)態(tài)分子釋放激發(fā)能的過程中除熒光發(fā)射外，還有許多上面提到的輻射和非輻射的躍遷過程與之競爭。熒光的量子產(chǎn)率與上述的每個過程的速率常數(shù)有關。表達式如下熒光發(fā)射過程的速率常數(shù)

其他有關的過程速率常數(shù)總和凡是可以使升高，降低的因素都可以增強熒光主要決定于化學結構，主要決定于化學環(huán)境，也與化學結構有關。2/6/202331躍遷類型實驗表明，大多數(shù)熒光化合物都是由π→π＊或ｎ→π＊躍遷激發(fā)，然后經(jīng)過振動弛豫或其他無輻射躍遷，再發(fā)生π＊→π或π＊→ｎ躍遷而產(chǎn)生熒光，其中π＊→π的躍遷的量子效率較高。此外，在π＊→π

躍遷過程中，通過系間跨越躍遷至三重態(tài)的速率常數(shù)也較小，也有利于熒光的發(fā)射。共軛效應含有π→π＊躍遷能級的芳香族化合物的熒光最強。這種體系中的π電子共軛度越大，則π電子非定域性越大，越易被激發(fā)，熒光也就越易發(fā)生，而且熒光光譜將隨共軛程度的增加向長波移動。絕大多數(shù)能發(fā)生熒光的物質(zhì)含有芳香環(huán)或雜環(huán)。任何有利于提高π電子共軛度的結構改變都將提高熒光效率，并使熒光波長向長波方向移動。2/6/202332剛性平面結構實驗發(fā)現(xiàn)多數(shù)具有剛性平面結構的有機分子具有強烈的熒光。因為這種結構可以減少分子的振動，使分子與溶劑或其他溶質(zhì)分子的相互作用減小，減少了碰撞去活的可能性。酚酞熒光素無熒光強熒光氧橋2/6/202333取代基效應芳香族化合物苯環(huán)上的不同取代基對該化合物的熒光強度和熒光光譜有很大的影響。給電子基團，如-0H、-OR、-NH2、-CN、-NR2等，使熒光增強。吸電子基團，如-COOH、-C=O、-NO2、-NO、鹵素離子等，會減弱甚至猝滅熒光。如果將一個高原子序數(shù)的原子引入到π電子體系中，往往會增強磷光而減弱熒光?！爸卦有薄黾酉甸g跨越速率所致。2/6/202334如，鹵代苯中雙取代和多取代物對非定域π電子激發(fā)的影響較難預測。但若能增加分子的平面性，例如取代基之間能形成氫鍵，則熒光增強；反之，則熒光減弱。溴苯無熒光氟苯氯苯碘苯2/6/202335四、溶液的熒(磷)光強度熒光強度與溶液濃度的關系熒光量子產(chǎn)率熒光強度If與溶液濃度c的關系：根據(jù)Beer定律，經(jīng)推導可得：當I0和

一定時：吸收的光量

線性關系成立條件2/6/202336影響熒光強度的因素溶劑：溶劑效應和特殊溶劑效應。溶劑效應：溶劑的折射率和介電常數(shù)的影響。普遍存在。溶劑對光的散射和折射。溶劑極性增大，對激發(fā)態(tài)的穩(wěn)定作用增強，使熒光強度增加，光譜紅移。特殊溶劑效應：熒光體和溶劑分子間的特殊化學作用。如氫鍵的生成和化合作用。對熒光光譜的強度和形狀影響大。溫度：敏感，影響大。下降：碰撞失活幾率減小，有利于熒光產(chǎn)生。分析時要控制好溫度。———（？）2/6/202337溶液pH值：帶有酸性或堿性官能團的大多數(shù)芳香族化合物的熒光一般都與溶液的pH有關。影響分子的存在形式。如，苯胺：pH7-12，分子形式，藍色熒光

pH<2或pH>13，離子形式，無熒光金屬離子與有機試劑形成的發(fā)光螯合物也受到溶液pH的影響。影響螯合物的形成和組成。如，鎵與2,2’-二羥基偶氮苯的螯合物：

pH3-4，1:1螯合物，有熒光

pH6-7，1:2螯合物，無熒光2/6/202338內(nèi)濾光作用和自吸收現(xiàn)象：內(nèi)濾光作用：溶液中若存在著能吸收激發(fā)或熒光物質(zhì)所發(fā)射光能的物質(zhì)，就會使熒光減弱，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)濾光作用。

如：1μg·cm-3的色氨酸溶液中，如有K2Cr2O7存在，由于色氨酸的激發(fā)和發(fā)射峰附近正好是K2Cr2O7的兩個吸收峰，K2Cr2O7吸收了色氨酸的激發(fā)能和發(fā)射的熒光，使測得的色氨酸熒光大大減弱。

自吸收現(xiàn)象：內(nèi)濾光作用的另一種情況是熒光物質(zhì)的熒光發(fā)射光譜的短波長一端與該物質(zhì)的吸收光譜的長波長一端有重疊，在溶液濃度較大時一部分熒光發(fā)射被自身吸收，這種現(xiàn)象稱為自吸收。2/6/202339溶液的熒光猝滅熒光物質(zhì)分子與溶劑分子或其他溶質(zhì)分子的相互作用引起熒光強度降低的現(xiàn)象稱為熒光猝滅。能引起熒光強度降低的物質(zhì)稱為熒光猝滅劑。猝滅形式：碰撞猝滅靜態(tài)猝滅（組成化合物的猝滅）轉入三重態(tài)的猝滅發(fā)生電子轉移反應的猝滅熒光物質(zhì)的自猝滅2/6/202340§3-3熒光分析儀結構圖3.4熒光分析儀基本部件示意圖2/6/202341由光源發(fā)出的光經(jīng)第一單色器得到所需要的激發(fā)光波長。激發(fā)光通過樣品池后，由于一部分光能被熒光物質(zhì)吸收，其透射光強度將減弱。熒光物質(zhì)被激發(fā)后，將發(fā)射熒光。為了消除入射光（透射光）和散射光的影響，熒光的測量通常在與激發(fā)光成直角的方向上進行。為消除可能共存的其他光線的干擾，如由激發(fā)光所產(chǎn)生的反射光、Rayleight(瑞利)散射光和Raman(拉曼)光，以及為將溶液中雜質(zhì)所發(fā)生的熒光濾去，以獲得所需要的熒光，在樣品池和檢測器之間設置了第二單色器。得到的熒光作用于檢測器上，得到相應的電信號，經(jīng)放大后再記錄下來。2/6/202342組成激發(fā)光源：在紫外—可見區(qū)范圍，常用的光源是氙燈和高壓汞燈。樣品池：熒光用的樣品池須用低熒光的材料制成，通常用石英，形狀以方形和長方形為宜。單色器：較精密的熒光分光光度計均采用光柵，有兩個：第一單色器用于選擇激發(fā)波長；第二單色器用于分離出熒光發(fā)射波長。檢測器：熒光的強度通常比較弱，因此要求檢測器具有較高的靈敏度。一般由光電管或光電倍增管作檢測器，并與激發(fā)光成直角。(復合光源)直角2/6/202343§3-4熒光分析方法及應用熒光分析方法的特點靈敏度高與紫外—可見分光光度法比較，熒光是從入射光的直角方向檢測。即，在黑背景下檢測熒光的發(fā)射。所以靈敏度要比紫外—可見分光光度法高2～4個數(shù)量級。它的測定下限在0.1～0.001μg·cm-3之間。2/6/202344實際工作中用相對靈敏度表示。(i)以喹寧在0.05mol·dm-3H2SO4溶液中的熒光強度為標準，定為1。然后與相同濃度熒光物質(zhì)的熒光強度進行比較，即可求得該物質(zhì)的相對靈敏度。(ii)水的拉曼光信噪比表示。選擇性強熒光法既能依據(jù)特征發(fā)射，又能依據(jù)特征吸收來鑒定物質(zhì)。假如某幾個物質(zhì)的發(fā)射光譜相似，可以從激發(fā)光譜的差異把它們區(qū)分開來；而如果它們的吸收光譜相同，則可用發(fā)射光譜將其區(qū)分。2/6/202345試樣量少和方法簡便提供比較多的物理參數(shù)提供：激發(fā)光譜和發(fā)射光譜以及熒光強度、熒光效率、熒光壽命等許多物理參數(shù)。這些參數(shù)反映了分子的各種特性，能從不同角度提供被研究分子的信息。熒光分析方法的弱點應用范圍不夠廣：因為本身能發(fā)熒光的物質(zhì)相對較少，用加入某種試劑的方法將非熒光物質(zhì)轉化為熒光物質(zhì)來進行分析，其數(shù)量也不是很多。干擾因素多：測定時需要嚴格控制條件。2/6/202346定量測定方法

——標準曲線法用已知量的標準物質(zhì)經(jīng)過和試樣一樣的處理后，配成一系列標淮溶液，在一定的儀器條件下測定這些溶液的熒光強度，作出標準曲線。然后在同樣的儀器條件下，測定試樣溶液的熒光強度，從標準曲線上查出它們的濃度。2/6/202347熒光分析法的應用目前熒光分析大多用于定量測定?；痉椒ㄐ纬蔁晒馀浜衔锓ǎ豪糜袡C試劑與熒光較弱或不顯熒光的物質(zhì)共價或非共價結合形成發(fā)熒光的配合物來進行測定。很多無機陽離子的測定都用此法。熒光猝滅法：某些元素雖不與有機試劑組成發(fā)生熒