第1章結(jié)構(gòu)鑒定(2)UV、FS

1第一章結(jié)構(gòu)鑒定

1.1傅里葉紅外光譜

1.2激光拉曼散射光譜

1.3紫外光譜

1.4熒光光譜

1.5質(zhì)譜法

1.6氣相色譜法

1.7核磁共振波譜法

1.8毛細(xì)管電泳

1.9X射線(xiàn)分析

1.10X射線(xiàn)光電子能譜法3紫外光譜紫外-可見(jiàn)分光光度法也稱(chēng)紫外-可見(jiàn)吸收光譜法(UltravioletandVisibleSpectrophotometry)，屬于分子吸收光譜，是利用某些物質(zhì)對(duì)200-800nm光譜區(qū)輻射的吸收進(jìn)行分析測(cè)定的一種方法。紫外-可見(jiàn)吸收光譜主要產(chǎn)生于分子價(jià)電子在電子能級(jí)間的躍遷。特點(diǎn)：靈敏度高，準(zhǔn)確度好，儀器設(shè)備簡(jiǎn)便，價(jià)格低廉，且易于操作等優(yōu)點(diǎn)，故廣泛應(yīng)用于定性和定量測(cè)定。3.1紫外光譜基本原理

3.1.1分子吸收光譜的形成A是電子能級(jí)基態(tài)，B是電子能級(jí)最低激發(fā)態(tài)。電子能級(jí)能量差△Ee、振動(dòng)能級(jí)能量差△Ev和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)能量差△Eτ大小關(guān)系為△Ee＞△Ev＞△Eτ。圖1-25雙原子分子中電子能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)示意圖根據(jù)量子理論，如果分子從外界吸收的輻射能(hν)等于該分子的較高能級(jí)與較低能級(jí)的能量差時(shí)，即分子結(jié)構(gòu)不同，能級(jí)間隔也不相同，吸收光的波長(zhǎng)不同。改變波長(zhǎng)(λ)，記錄吸光度(A)，即得吸收光譜，又稱(chēng)吸收曲線(xiàn)。通過(guò)吸收曲線(xiàn)的波形、波峰的位置、波的強(qiáng)度及其數(shù)目，可研究物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。分子將從較低能級(jí)躍遷至較高能級(jí)。(1)同一溶液對(duì)不同波長(zhǎng)的光的吸收程度不同。存在一個(gè)最大吸收波長(zhǎng)，λmax(KMnO4，525nm)。(2)不同濃度的KMnO4溶液的吸收光譜形狀相似，λmax不變。λ與物質(zhì)的特性有關(guān)，定性分析。

(3)一定波長(zhǎng)處吸光度隨溶液濃度的增加而增大，定量分析。λmax處測(cè)定吸光度，其靈敏度最高。圖1-26四種不同濃度KMnO4溶液的吸收曲線(xiàn)3.1.2基本概念(1)生色團(tuán)分子中能吸收紫外或可見(jiàn)光的結(jié)構(gòu)單元稱(chēng)為生色團(tuán)。它是含有非鍵軌道和π分子軌道的電子體系，能引起n→π*和π→π*躍遷，例如碳碳雙健、共軛雙鍵、羰基、硝基等。表1-7常見(jiàn)生色團(tuán)的吸收特征(2)助色團(tuán)助色團(tuán)是指帶有非鍵電子對(duì)的能使生色團(tuán)吸收峰向長(zhǎng)波方向移動(dòng)并增強(qiáng)其強(qiáng)度的官能團(tuán)，如-OH、-NH2、-NHR、-SH、-Cl、-Br、-I等。含有孤對(duì)電子，本身不吸收大于200nm的光，但是當(dāng)它們與生色團(tuán)相連時(shí)，產(chǎn)生π電子共軛，使π→π*躍遷能量降低使其λmax發(fā)生移動(dòng)，并且增加其吸收強(qiáng)度。

(3)紅移與藍(lán)移在有機(jī)化合物中，常常因取代基的變更或溶劑的改變，使最大吸收波長(zhǎng)λmax移動(dòng)。如某些有機(jī)物引入含有未共用電子對(duì)的基團(tuán)(-NH2、-NR2、-OH、-Cl、-Br、-SH、-SR等)后，λmax將向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，這種效應(yīng)稱(chēng)為紅移效應(yīng)。這些會(huì)使某化合物的λmax向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)的基團(tuán)稱(chēng)為向紅基團(tuán)。與紅移效應(yīng)相反，有時(shí)在某些生色團(tuán)(如羰基)的碳原子一端引入一些取代基(如甲基等)之后，吸收峰的波長(zhǎng)會(huì)向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)，這種效應(yīng)稱(chēng)為藍(lán)移效應(yīng)。這些會(huì)使某化合物的λmax向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)的基團(tuán)稱(chēng)為向藍(lán)基團(tuán)。圖1-27溶劑極性對(duì)π→π*和n→π*躍遷能量的影響溶劑極性的不同也會(huì)引起某些化合物吸收光譜的紅移或藍(lán)移，這種作用稱(chēng)為溶劑效應(yīng)。在π→π*躍遷中，激發(fā)態(tài)極性大于基態(tài)，當(dāng)使用極性大的溶劑時(shí)，由于溶劑與溶質(zhì)相互作用，激發(fā)態(tài)π*比基態(tài)π的能量下降更多，因而激發(fā)態(tài)與基態(tài)之間的能量差減小(△E1’＜△E1)，導(dǎo)致吸收譜帶λmax紅移。在n→π*躍遷中，基態(tài)n電子與極性溶劑形成氫鍵，降低了基態(tài)能量，使激發(fā)態(tài)與基態(tài)之間的能量差變大(△E2’＞△E2)，導(dǎo)致吸收帶λmax藍(lán)移。由此可見(jiàn)，溶劑的極性增大時(shí)，π→π*躍遷的λmax發(fā)生紅移；而n→π*躍遷的λmax發(fā)生藍(lán)移。溶劑效應(yīng)：3.2分子軌道和電子躍遷

3.2.1有機(jī)化合物的分子軌道和電子躍遷有機(jī)化合物的紫外-可見(jiàn)吸收光譜取決于分子結(jié)構(gòu)及分子軌道上電子的性質(zhì)。按照分子軌道理論，有機(jī)化合物分子中的價(jià)電子包括單鍵σ電子、重鍵π電子和非成鍵n電子。當(dāng)分子吸收一定能量后，其價(jià)電子將從能量較低的軌道躍遷至能量較高的反鍵軌道。圖1-28各種電子躍遷相應(yīng)的吸收峰和能量一個(gè)有機(jī)化合物分子對(duì)紫外光或可見(jiàn)光的特征吸收，可以用吸收最大處的波長(zhǎng)，即吸收峰波長(zhǎng)(λmax)來(lái)表示，它取決于分子激發(fā)態(tài)與基態(tài)間的能量差。從化合物的性質(zhì)來(lái)看，與紫外-可見(jiàn)吸收光譜有關(guān)的電子躍遷是n→σ*、n→π*和π→π*。(1)n→σ*躍遷含有S、N、O、P、鹵素等雜原子的飽和有機(jī)化合物。吸收峰多出現(xiàn)在200nm以下，在紫外區(qū)不易觀察到這類(lèi)躍遷。(2)n→π*和π→π*躍遷含有不飽和基團(tuán)，大于200nm的紫外區(qū)。例如碳碳雙鍵、羰基、硝基等，均是含有π鍵的基團(tuán)。還有一些基團(tuán)例如-OH、-NH2、-SH及鹵素元素等，它們都含有未成鍵n電子。π→π*躍遷產(chǎn)生強(qiáng)吸收帶，摩爾吸光系數(shù)可達(dá)104L

mol

cm-1，而n→π*躍遷吸收光譜的強(qiáng)度小，摩爾吸光系數(shù)一般在500L

mol

cm-1以下。如果有機(jī)化合物含有幾個(gè)生色團(tuán)且不共軛，該吸收光譜基本上由這些生色團(tuán)的吸收帶所組成。生色團(tuán)相同，則吸收峰波長(zhǎng)基本不變，且摩爾吸光系數(shù)將隨生色團(tuán)數(shù)目增加而增大。若發(fā)生共軛，則原有吸收峰將發(fā)生位移，同時(shí)摩爾吸光系數(shù)增大。氣態(tài)有機(jī)物的吸收光譜反映的是孤立分子，因而其振動(dòng)光譜和轉(zhuǎn)動(dòng)光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)也能表現(xiàn)出來(lái)。當(dāng)有機(jī)物溶于某溶劑，則分子不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)動(dòng)光譜表現(xiàn)不出來(lái)。極性很大的溶劑會(huì)使振動(dòng)光譜消失。溶劑極性還會(huì)使吸收光譜發(fā)生移動(dòng)。極性溶劑一般會(huì)使π→π*躍遷譜帶紅移，n→π*躍遷譜帶藍(lán)移。某些有機(jī)化合物在引入孤對(duì)電子基團(tuán)后，也會(huì)發(fā)生紅移或藍(lán)移。3.2.2無(wú)機(jī)化合物的分子軌道和電子躍遷(1)電荷轉(zhuǎn)移吸收光譜某些無(wú)機(jī)化合物的分子同時(shí)具有電子給予體和電子接受體部分，在輻射照射下，電子從給予體外層軌道躍遷到接受體軌道，這種由于電子轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的吸收光譜，稱(chēng)為電荷轉(zhuǎn)移光譜。吸收強(qiáng)度大，摩爾吸光系數(shù)一般超過(guò)104L

mol

cm-1，具有高靈敏度。(2)配位體場(chǎng)吸收光譜過(guò)渡元素都有未填滿(mǎn)的d電子層，鑭系和錒系元素含有f電子層，這些電子軌道的能量通常是相等的(簡(jiǎn)并)。當(dāng)這些金屬離子處在配位體形成的負(fù)電場(chǎng)中時(shí)，會(huì)發(fā)生d電子躍遷和f電子躍遷，又稱(chēng)為配位體場(chǎng)躍遷，相應(yīng)的光譜稱(chēng)為配位體場(chǎng)吸收光譜。位于可見(jiàn)光區(qū)，強(qiáng)度弱，摩爾吸光系數(shù)約為0.1～100L

mol

cm-1，定性分析用處不大，多用于配合物的研究。3.3影響紫外光譜的因素

3.3.1Lambert-Beer定律Lambert-Beer定律是光吸收的基本定律，也是分光光度分析法的理論依據(jù)和計(jì)算基礎(chǔ)。Lambert和Beer分別于1760年和1852年獨(dú)立研究了光通過(guò)溶液的吸收程度與溶液層厚度和溶液濃度之間的定量關(guān)系。如果同時(shí)考慮溶液濃度與液層厚度對(duì)光吸收程度的影響，則可得Lambert-Beer定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式I0、I分別為入射光強(qiáng)度和透射光強(qiáng)度；b為光通過(guò)的液層厚度；c為吸光物質(zhì)的濃度；k為比例常數(shù)，與吸光物質(zhì)的性質(zhì)、入射光波長(zhǎng)及溫度等因素相關(guān)。lg(I0/I)表示溶液的吸收程度，定義為吸光度(A)；同時(shí)，(I0/I)是透射光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度之比，定義透射比(舊稱(chēng)透光度或透光率，T)，故有應(yīng)用Lambert-Beer定律的注意事項(xiàng)：①適用于單色光，是分光光度法定量分析的理論依據(jù)；②適用于均勻非散射的吸光物質(zhì)，包括液、氣和固；③吸光度具有加和性，指的是溶液的總吸光度等于各吸光物質(zhì)的吸光度之和。3.3.2吸光系數(shù)與摩爾吸光系數(shù)Lambert-Beer定律中比例常數(shù)k值與濃度c有關(guān)。如果c的單位為g

L-1，k常用a表示，a稱(chēng)為吸光系數(shù)，其單位是L

g-1

cm-1；如果c的單位為mol

L-1，常數(shù)k用ε表示，ε稱(chēng)為摩爾吸光系數(shù)，其單位是L

mol

cm-1。吸光系數(shù)a和摩爾吸光系數(shù)ε是吸光物質(zhì)在一定波長(zhǎng)和溶劑情況下的特征常數(shù)。最大吸收波長(zhǎng)處的摩爾吸光系數(shù)，εmax。ε越大表示該有色物質(zhì)對(duì)入射光的吸收能力越強(qiáng)，顯色反應(yīng)越靈敏。ε≥6×104，靈敏；ε＜2×104不靈敏。3.3.3偏離Lambert-Beer定律的因素根據(jù)Lambert-Beer定律，當(dāng)液層厚度(b)一定時(shí)，以吸光度(A)為縱坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)的濃度(c)為橫坐標(biāo)作圖，可得一過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)，稱(chēng)為校正曲線(xiàn)或工作曲線(xiàn)。圖1-29校正曲線(xiàn)對(duì)Lambert-Beer定律的偏離實(shí)際會(huì)發(fā)生偏離，特別是高濃度時(shí)。若溶液的實(shí)際吸光度比理論值大，則為正偏離；若吸光度比理論值小，則為負(fù)偏離。產(chǎn)生偏離的原因主要來(lái)源于以下三個(gè)方面：(1)Beer定律本身的局限性

Beer定律通常只有在稀溶液(小于0.01mol·L-1)中才適用。高濃度時(shí)，質(zhì)點(diǎn)間距縮小影響電荷分布，導(dǎo)致其吸光系數(shù)改變。(2)化學(xué)因素不同物質(zhì)，甚至同一物質(zhì)的不同型體對(duì)光的吸收程度可能不同。Beer定律假定，溶液中各組分之間無(wú)相互作用，這也是利用光吸收的加和性同時(shí)測(cè)定多組分混合物的基礎(chǔ)。高濃度時(shí)，溶液中的吸光物質(zhì)因離解、締合、溶劑化作用或化合物形式的改變，使吸收曲線(xiàn)的位置、形狀及峰高改變，從而引起對(duì)Beer定律的偏離。測(cè)定時(shí)要嚴(yán)格控制條件，使被測(cè)組分以一種形式存在。(3)儀器因素包括入射光不是真正的單色光、單色器內(nèi)的內(nèi)反射，以及因光源、檢測(cè)器波動(dòng)等引起的偏離，其中非單色光是最主要儀器因素。Lambert-Beer定律只適用于單色光，但單色光難以得到。由于物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收程度不同，因而導(dǎo)致對(duì)Lambert-Beer定律的偏離。實(shí)際工作不嚴(yán)格要求很純的單色光，而要求盡量入射光波長(zhǎng)選擇在最大吸收處，這不僅有較高的靈敏度，而且此處的吸收曲線(xiàn)較為平坦，吸光系數(shù)變化不大，非單色光引起的偏離比在其他波長(zhǎng)處小得多。3.3.4分析條件的選擇顯色反應(yīng)：與待測(cè)物質(zhì)反應(yīng)生成對(duì)紫外或可見(jiàn)光有較大吸收物質(zhì)的反應(yīng)；所用試劑稱(chēng)為顯色劑。配位、氧化還原以及生色基的衍生化等。顯色反應(yīng)要求：(1)生成物紫外—可見(jiàn)光區(qū)吸光能力強(qiáng)，即ε大。選擇性好，干擾少。在滿(mǎn)足靈敏度的前提下，主要依據(jù)選擇性。例如，F(xiàn)e(Ⅱ)與鄰二氮菲在pH＝2～9的水溶液中生成橙紅色配合物，靈敏度不高(ε508＝1.1×104L·mol-1·cm-1)，但選擇性好而應(yīng)用廣。(2)生成物組成恒定。(3)生成物性質(zhì)穩(wěn)定，顯色條件易控制，重現(xiàn)性好。(4)對(duì)照性要好，顯色劑與配合物λmax之差大于60nm。3.3.4.1顯色反應(yīng)的選擇試樣反應(yīng)條件和儀器測(cè)量條件3.3.4.2顯色反應(yīng)條件的選擇顯色劑、溶液酸度、顯色時(shí)間、顯色溫度、溶劑、試劑加入順序、有機(jī)配合物的穩(wěn)定性及共存離子的干擾等。(1)顯色劑決定靈敏度，多用有機(jī)顯色劑。用量通過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化。(2)反應(yīng)體系的酸度實(shí)驗(yàn)優(yōu)化：不同pH條件下顯色溶液和空白溶液吸光度之差值呈現(xiàn)最大而平坦的區(qū)域，即最佳pH范圍?？蓱?yīng)用緩沖溶液。(3)顯色反應(yīng)時(shí)間、溫度盡量選擇室溫，通過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化。(4)溶劑有機(jī)溶劑通常能降低有色化合物的解離度，提高顯色反應(yīng)的速率，從而提高顯色反應(yīng)的靈敏度。3.3.4.3儀器測(cè)量條件的選擇儀器測(cè)量誤差主要源于光源的發(fā)光強(qiáng)度不穩(wěn)定、光電效應(yīng)的非線(xiàn)性、雜散光的影響等因素。1、測(cè)量波長(zhǎng)“吸收最大，干擾最小”原則；λmax，靈敏度高，且曲線(xiàn)平坦，能夠減少誤差。2、狹縫寬度理論上越小越好，但太小會(huì)降低信噪比。3、參比溶液原則：使試液的吸光度真正反映待測(cè)組分的濃度。原理：吸光度具有加和性，選擇參比消除干擾。根據(jù)具體條件選擇溶劑參比、試劑參比、試樣參比、平行操作溶液參比。3.3.5控制合適的吸光度范圍濃度的相對(duì)誤差不僅與透射比的絕對(duì)誤差△T的大小有關(guān)，還與透射比本身的大小有關(guān)。不同T值時(shí)計(jì)算的濃度相對(duì)誤差作圖，得圖1-30。實(shí)際測(cè)定時(shí)，透射比T15％～65％之間，或吸光度A0.2～0.8之間，才能保證濃度測(cè)量的相對(duì)誤差較小(＜4％)。當(dāng)透射比T＝36.8％或A＝0.434時(shí)，濃度測(cè)量的相對(duì)誤差最小。圖1-30透射比對(duì)吸光度相對(duì)誤差的影響為使測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度較高，一般應(yīng)控制標(biāo)準(zhǔn)溶液和被測(cè)試液的吸光度使吸光度A在0.2～0.8之間。可控制濃度或選擇不同厚度的吸收池。3.3.6干擾及其消除方法干擾類(lèi)型：干擾物質(zhì)本身有顏色或反應(yīng)后有色，造成正干擾；干擾物質(zhì)反應(yīng)消耗被測(cè)組分或與顯色劑反應(yīng)，使顯色反應(yīng)不完全，會(huì)造成負(fù)干擾；干擾物質(zhì)析出使溶液變混濁，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)定溶液的吸光度。消除干擾：

(1)控制溶液酸度(2)加入掩蔽劑(3)利用氧化還原反應(yīng)(4)改變顯色劑用量(5)利用校正系數(shù)(6)利用參比溶液(7)選擇適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)(8)分離3.4紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)

3.4.1儀器主要組成紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)的基本結(jié)構(gòu)都是由五部分組成，如圖1-31。3.4.1.1光源光源的作用是提供分析所需的復(fù)合光。鎢燈(350～800nm，可見(jiàn)光區(qū))和氘燈(190～400nm，紫外光區(qū))。光源要有一定的強(qiáng)度且穩(wěn)定。圖1-31單波長(zhǎng)單光束分光光度計(jì)基本結(jié)構(gòu)示意圖單色器光源吸收池檢測(cè)器信號(hào)讀出裝置3.4.1.2單色器

把復(fù)合光分解為單色光，直接影響靈敏度、選擇性和校正曲線(xiàn)的線(xiàn)性等。關(guān)鍵部分是色散元件，包括棱鏡和光柵兩種。（1）棱鏡玻璃或石英。玻璃350～3200nm，會(huì)吸收紫外光。石英185～400nm，無(wú)紫外吸收。根據(jù)折射率不同分光。（2）光柵多用平面閃耀光柵，即在高度刨光的表面(如鋁)上刻劃平行線(xiàn)槽，600～2400條·mm-1。根據(jù)衍射角不同分光。3.4.1.3吸收池玻璃或石英。圖1-32棱鏡的色散作用圖1-33閃耀光柵衍射的原理示意圖3.4.1.4檢測(cè)器光電轉(zhuǎn)換元件，將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，多用光電管和光電倍增管。(1)光電管光電管是一個(gè)真空或充有少量惰性氣體的二極管。陽(yáng)極為一金屬絲，陰極為涂有光敏物質(zhì)金屬片。分紫敏和紅敏兩種。前者是鎳陰極涂有銻和銫，適用200～625nm；后者陰極表面涂銀和氧化銫，適用625～1000nm。靈敏度高、光敏范圍廣、不易疲勞等優(yōu)點(diǎn)。(2)光電倍增管是利用二次電子發(fā)射放大光電流的一種真空光敏器件。它由光電發(fā)射陰極、陽(yáng)極以及若干倍增極組成。陽(yáng)極電流與入射光強(qiáng)度及光電倍增管的增加成正比。3.4.1.5信號(hào)讀出裝置

數(shù)字電壓表，并配有計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)。3.4.2紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)的類(lèi)型單波長(zhǎng)和雙波長(zhǎng)；單光束和雙光束。（1）單波長(zhǎng)單光束分光光度計(jì)光源發(fā)出混合光經(jīng)單色器分光，單色光通過(guò)參比(或空白)吸收池后，照射在檢測(cè)器上轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，調(diào)節(jié)吸光度為零或透射比為100％，然后測(cè)吸光度。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，操作方便，維修容易，適用于在給定波長(zhǎng)處測(cè)量吸光度或透射比，一般不能作全波段光譜掃描，要求光源和檢測(cè)器具有很高的穩(wěn)定性。國(guó)產(chǎn)722型、751型、724型、英國(guó)SP500型等均屬于此類(lèi)光度計(jì)。圖1-31單波長(zhǎng)單光束分光光度計(jì)基本結(jié)構(gòu)示意圖單色器光源吸收池檢測(cè)器信號(hào)讀出裝置（2）單波長(zhǎng)雙光束分光光度計(jì)經(jīng)單色器分光后經(jīng)反射鏡分解為強(qiáng)度相等的兩束光，一束通過(guò)參比池，另一束通過(guò)樣品池。光度計(jì)自動(dòng)計(jì)算透射比并轉(zhuǎn)換成吸光度，作為波長(zhǎng)的函數(shù)記錄下來(lái)。能自動(dòng)記錄吸收光譜曲線(xiàn)，進(jìn)行快速全波段掃描。由于兩束光同時(shí)分別通過(guò)能消除光源強(qiáng)度所引起的誤差，特別適合于結(jié)構(gòu)分析。特點(diǎn)：儀器復(fù)雜，價(jià)格高。圖1-34雙光束分光光度計(jì)原理圖圖1-35雙波長(zhǎng)分光光度計(jì)原理圖（3）雙波長(zhǎng)分光光度計(jì)由同一光源發(fā)出的光被分成兩束，分別經(jīng)過(guò)兩個(gè)單色器，得到兩束不同波長(zhǎng)(λ1和λ2)的單色光，利用切光器使兩束光交替照射同一吸收池，然后經(jīng)過(guò)光電倍增管和電子控制系統(tǒng)，最后顯示出兩個(gè)波長(zhǎng)處的吸光度差值，△A(△A＝Aλ1-Aλ2)。定量依據(jù)：△A與吸光物質(zhì)的濃度成正比。通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，可轉(zhuǎn)化為單波長(zhǎng)工作方式。用同一吸收池，可消除參比誤差。用同一光源可消除光源強(qiáng)度誤差。適合于多組分混合物、渾濁試樣(如生物組織液)以及存在背景干擾或共存組分吸收干擾的情況。3.4.3紫外-可見(jiàn)分光光度法的應(yīng)用紫外-可見(jiàn)分光光度法不僅可以定性分析及結(jié)構(gòu)分析，而且可以定量分析及測(cè)定某些化合物的物理化學(xué)數(shù)據(jù)等，例如相對(duì)分子質(zhì)量、配合物的配位比及穩(wěn)定常數(shù)和解離常數(shù)等。紫外-可見(jiàn)光區(qū)的吸收光譜比較簡(jiǎn)單，特征性不強(qiáng)，并且大多數(shù)簡(jiǎn)單官能團(tuán)在近紫外光區(qū)只有微弱吸收或者無(wú)吸收，因此，定性鑒定和結(jié)構(gòu)分析應(yīng)用有局限性。但它可用于鑒定共軛生色團(tuán)，以此推斷未知物的結(jié)構(gòu)骨架。輔助紅外光譜、核磁共振譜等進(jìn)行定性簽定及結(jié)構(gòu)分析。紫外—可見(jiàn)分光光度法的定性方法：①比較法(比較吸收曲線(xiàn))

比較未知物與已知標(biāo)準(zhǔn)物的吸收曲線(xiàn)。吸收曲線(xiàn)的形狀、吸收峰數(shù)目以及位置和摩爾吸光系數(shù)，是定性依據(jù)。λmax及εmax是定性主要參數(shù)?？山柚鷺?biāo)準(zhǔn)譜圖。②用經(jīng)驗(yàn)規(guī)則計(jì)算最大吸收波長(zhǎng)，然后與實(shí)測(cè)值比較

可用經(jīng)驗(yàn)規(guī)則計(jì)算λmax并與實(shí)測(cè)值比較，然后確認(rèn)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。Woodward和Fieser對(duì)共軛分子的最大吸收波長(zhǎng)提出了一些經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，據(jù)此可對(duì)一些共軛分子的最大吸收波長(zhǎng)值進(jìn)行計(jì)算。3.4.3.1結(jié)構(gòu)分析確定一些化合物的構(gòu)型和構(gòu)象。一般來(lái)說(shuō)，順式異構(gòu)體λmax和εmax都比反式異構(gòu)體小。例如，在順、反式肉桂酸中，順式的空間位阻大，苯環(huán)與側(cè)鏈雙鍵共平面性差，不易產(chǎn)生共軛；反式則易產(chǎn)生共振。因而，反式λmax(295nm)和εmax(27000L·cm-1·mol-1)要大于順式λmax(280nm)和εmax(13500L·cm-1·mol-1)。一般來(lái)說(shuō)，互變異構(gòu)體中共軛體系λmax和εmax要大于非共軛體系。如乙酰乙酸乙酯有酮式和烯醇式間的互變異構(gòu)。在極性溶劑中該化合物以酮式存在，吸收峰弱；在非極性溶劑(如正己烷)中該化合物以烯醇式為主，吸收峰較強(qiáng)。表1-8某些有機(jī)化合物的互變異構(gòu)體的λmax和εmax3.4.3.2定量分析可對(duì)在紫外-可見(jiàn)光區(qū)有吸收的無(wú)機(jī)和有機(jī)化合物進(jìn)行定量分析，而且可利用“顯色反應(yīng)”擴(kuò)大分析范圍。靈敏度可達(dá)10-6～10-7mol

L-1，準(zhǔn)確度高，相對(duì)誤差在1%～3%。操作容易、簡(jiǎn)單。定量依據(jù)是Lambert-Beer定律，即物質(zhì)在一定波長(zhǎng)處的吸光度與它的濃度呈線(xiàn)性關(guān)系。由于最大吸收波長(zhǎng)λmax處的摩爾吸光系數(shù)εmax最大，所以通常都是測(cè)量λmax的吸光度，以獲得最大靈敏度。同時(shí)，吸收曲線(xiàn)在最大吸收波長(zhǎng)處常常是平坦的，使所得數(shù)據(jù)能更好地符合Beer定律。1、單組分定量分析(1)校正曲線(xiàn)法應(yīng)用最多。操作：配制一系列不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，以不含被測(cè)組分的空白溶液為參比。在相同條件下測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度，繪制吸光度對(duì)濃度曲線(xiàn)，這種曲線(xiàn)就是校正曲線(xiàn)，又稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。在相同條件下測(cè)定未知試樣的吸光度，從校正曲線(xiàn)上就可以找到與之對(duì)應(yīng)的未知試樣的濃度。適合于多樣品測(cè)定，且誤差較小。(2)比較法比較法是先配制與被測(cè)試液濃度相近的標(biāo)準(zhǔn)溶液，使標(biāo)準(zhǔn)溶液(cs)和被測(cè)試液(cx)在相同條件下顯色后，測(cè)其相應(yīng)的吸光度As和Ax，根據(jù)Lambert-Beer定律有:

As=εbscs;Ax=εbxcx

比較簡(jiǎn)便，適合于cx與cs相近的試樣。2、多組分定量分析根據(jù)吸光度的加和性，在試樣中含兩個(gè)組分時(shí)會(huì)出現(xiàn)如圖三種情況：(1)圖1-36(a)不重疊，不干擾，測(cè)定方法同單組分。(2)圖1-36(b)部分重疊，x對(duì)y有干擾，但y對(duì)x無(wú)干擾；可先求x濃度，然后根據(jù)吸光度的加和性原則：式中εx,2、εy,2分別為x和y在λ2的摩爾吸光系數(shù)，可用純組分x和y的標(biāo)準(zhǔn)溶液在λ2處測(cè)得，由上式即可cy。圖1-36多組分吸收光譜(3)圖1-36(c)相互重疊，相互干擾?？烧页觥鰽相差較大兩個(gè)波長(zhǎng)λ1和λ2，分別測(cè)定吸光度A1和A2，由吸光度的加和性得聯(lián)立方程：式中εx,1、εy,1分別為x和y在波長(zhǎng)λ1時(shí)的摩爾吸光系數(shù)；εx,2、εy,2分別為x和y在波長(zhǎng)λ2時(shí)的摩爾吸光系數(shù)，可用x和y的標(biāo)準(zhǔn)溶液測(cè)定，解聯(lián)立方程求cx和cy。原則上適合于任何數(shù)目的組分，實(shí)際僅限于兩個(gè)或三個(gè)組分。計(jì)算機(jī)能擴(kuò)大分析范圍。組分增多，誤差增大。圖1-36多組分吸收光譜3、雙波長(zhǎng)分光光度法對(duì)于有干擾的單組分(如顯色劑)或干擾多組分試樣、混濁試樣以及背景吸收較大的試樣，難以找到合適參比。利用雙波長(zhǎng)分光光度法，使兩束不同波長(zhǎng)的單色光以一定的時(shí)間間隔交替照射同一吸收池，測(cè)量?jī)晌舛鹊牟钪?。從而可從分析波長(zhǎng)的信號(hào)中扣除來(lái)自參比波長(zhǎng)的信號(hào)，消除上述各種干擾求得被測(cè)組分的含量。簡(jiǎn)化分析手續(xù)，提高靈敏度、選擇性及精密度。(1)單組分的測(cè)定以配合物吸收峰作測(cè)量波長(zhǎng)，參比波長(zhǎng)可選擇：等吸收點(diǎn)，有色配合物吸收曲線(xiàn)下端的第一波長(zhǎng)，顯色劑的吸收峰。(2)兩組分共存選擇波長(zhǎng)條件：待測(cè)組分在兩波長(zhǎng)處△A要足夠大，干擾組分在兩波長(zhǎng)處的A應(yīng)相等，即以等吸收點(diǎn)為參比波長(zhǎng)和測(cè)定波長(zhǎng)。這樣吸光度差值與待測(cè)組分的濃度成線(xiàn)性關(guān)系，消除了干擾。如圖，M和N共存時(shí)，其吸收光譜重疊。要測(cè)定M組分，λ1、λ2、λ3為N組分的等吸收點(diǎn)，λ1和λ2處組分M具有較大的△A，因而可選λ2作為測(cè)量波長(zhǎng)，λ1作為參比波長(zhǎng)。圖1-37用等吸收法選擇波長(zhǎng)組合

1，A1＝εM,1bcM+εN,1bcN

2，A2＝εM,2bcM+εN,2bcN

因εN,1=εN,2(等吸收點(diǎn))△A＝A2-A1＝(εM,2-εM,1)bcM可見(jiàn)△A與cM成正比，而與cN無(wú)關(guān)。同理，可另選兩波長(zhǎng)測(cè)定N組分而M組分不干擾。

(3)混濁試液中組分的測(cè)定

參比同濁度；雙波長(zhǎng)光度法中，直接以試液本身參比。用一個(gè)比色皿盛裝試液，用兩束不同波長(zhǎng)的光照射試液，兩束光都受到同樣的懸浮粒子的散射，當(dāng)λ1和λ2相距不大時(shí)，由同一試樣產(chǎn)生的散射可認(rèn)為大致相等，不影響吸光度差△A的值。一般選擇待測(cè)組分的最大吸收波長(zhǎng)λmax為測(cè)量波長(zhǎng)λ1，選擇與λ1相近而兩波長(zhǎng)相差在40～60nm范圍內(nèi)且又有較大的△A值的波長(zhǎng)(λ2)為參比波長(zhǎng)。3.5紫外吸收光譜在高分子材料研究中的應(yīng)用定量分析廣泛應(yīng)用，也可定性分析和結(jié)構(gòu)分析。在高分子材料研究中，紫外光譜法常用來(lái)鑒別聚合物中的某些官能團(tuán)和添加劑，還可以檢測(cè)聚合反應(yīng)前后的變化，從而探討聚合反應(yīng)機(jī)理等。在解析紫外吸收譜圖時(shí)，注意以下三點(diǎn)：（1）從譜帶的分類(lèi)、電子躍遷的方式來(lái)判別。注意吸收帶的波長(zhǎng)范圍(真空紫外、近紫外、可見(jiàn)區(qū)域)、吸收系數(shù)以及是否有精細(xì)結(jié)構(gòu)等。（2）從溶劑極性大小引起譜帶移動(dòng)的方向判別。（3）從溶液酸堿性的變化引起譜帶移動(dòng)的方向判別。3.5.1定性分析由于高分子材料的紫外吸收峰通常只有2～3個(gè)，且峰形平緩，選擇性遠(yuǎn)不如紅外光譜。而且紫外光譜主要決定于分子中生色團(tuán)和助色團(tuán)的特性，而不是決定整個(gè)分子的特性，所以紫外吸收光譜定性分析弱。圖1-38聚(苯基-二甲基)硅烷在環(huán)己烷溶劑中的紫外吸收光譜圖只有重鍵和芳香共軛體系才有近紫外活性，所以紫外光譜能測(cè)定的高分子材料種類(lèi)有局限。表1-9某些高分子材料的紫外特性表1-10典型生色團(tuán)的紫外吸特征定性規(guī)律：220～800nm無(wú)明顯吸收，它可能是脂肪族碳?xì)浠衔?、胺、腈、醇、醚、羧酸的二締體、氯代烴和氟代烴，不含直鏈或環(huán)狀的共軛體系，沒(méi)有醛基、酮基、Br或I；210～250nm具有強(qiáng)吸收帶(ε≈10000L

(mol.cm)-1)，可能是含有2單元共軛體系；260、300或330nm有強(qiáng)吸收帶，則可能相應(yīng)地具有3，4或5單元共軛體系；260～300nm間存在中等吸收峰(ε≈200～1000L

(mol.cm)-1)并有精細(xì)結(jié)構(gòu)，則表示有苯環(huán)存在；250～300nm有弱吸收峰(ε≈20～100L

(mol.cm)-1)，表示有羰基的存在；若化合物有顏色，則分子中所含共軛的生包團(tuán)和助色團(tuán)的總數(shù)將大于5。利用紫外譜圖，容易將具有特征官能團(tuán)的高分子材料與不具特征官能團(tuán)的高分子材料區(qū)別開(kāi)來(lái)。如聚二甲基硅氧烷(硅樹(shù)脂或硅橡膠)就易于與含有苯基的硅樹(shù)脂或硅橡膠區(qū)分：首先用堿溶液破壞這類(lèi)含硅高分子材料，配成適當(dāng)濃度的溶液進(jìn)行測(cè)定，含有苯基的在紫外區(qū)有B吸收帶，不含苯基的則沒(méi)有吸收。3.5.2定量分析紫外光譜法的吸收強(qiáng)度比紅外光譜法大得多，紅外的ε值很少超過(guò)103L

(mol.cm)-1，而紫外的ε值最高可達(dá)104-105L

(mol.cm)-1；紫外光譜法的靈敏度高(10-5-10-4mol

L-1)，測(cè)量準(zhǔn)確度高于紅外光譜法；紫外光譜法的儀器也比較簡(jiǎn)單，操作方便。紫外光譜法很適合研究共聚物的組成、聚合物濃度、微量物質(zhì)(單體個(gè)的雜質(zhì)、聚合物中的殘留單體或少量添加劑等)和聚合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。例：丁苯橡膠中共聚物的組成分析以氯仿為溶劑，260nm為測(cè)定波長(zhǎng)(含苯乙烯25%的丁苯共聚物λ

max260nm，隨苯乙烯增加向高波長(zhǎng)偏移)。在氯仿溶液中，當(dāng)λ＝260nm時(shí)，丁二烯吸收很弱，苯乙烯的1/50，可忽略。但丁苯橡膠中的芳胺類(lèi)防老劑的影響必須扣除。為此選定260nm和275nm兩個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)定，得到△ε＝ε260-ε275，消除防老化劑干擾。圖1-39丁苯共聚物中苯乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)與△ε值的關(guān)系將聚苯乙烯和聚丁二烯兩種均聚物以不同比例混合，以氯仿為溶劑測(cè)得一系列已知苯乙烯含量所對(duì)應(yīng)的△ε值。3.5.3結(jié)構(gòu)分析有規(guī)立構(gòu)的芳香族高分子有時(shí)會(huì)產(chǎn)生減色效應(yīng)。所謂減色是指紫外吸收強(qiáng)度降低，是由于鄰近發(fā)色基團(tuán)間色散相互作用的屏蔽效應(yīng)。紫外光照射在發(fā)色基團(tuán)而誘導(dǎo)了偶極，偶極作為很弱的振動(dòng)電磁場(chǎng)而影響到鄰近發(fā)色團(tuán)，減少發(fā)色團(tuán)間距離或使發(fā)色基團(tuán)的偶極矩平行排列，而使紫外吸收減弱。例如，芳香族偶氮化合物的順?lè)串悩?gòu)化。在對(duì)應(yīng)反式構(gòu)型吸收波長(zhǎng)的光照下，偶氮基團(tuán)會(huì)從反式轉(zhuǎn)變?yōu)轫樖剑煌瑯?，順式?gòu)型也可以轉(zhuǎn)變?yōu)榉词綐?gòu)型。當(dāng)聚合物中引入偶氮基團(tuán)后，偶氮基團(tuán)的順?lè)串悩?gòu)化可以使聚合物的性質(zhì)如粘度、溶解性、力學(xué)性能等發(fā)生變化。圖1-40為一種含偶氮基團(tuán)的雙酚A聚芳酯，具有光致異構(gòu)特性。根據(jù)紫外光譜，光照前后聚合物的構(gòu)型會(huì)發(fā)生可逆變化，從熱力學(xué)穩(wěn)定的E構(gòu)型逐步向能量較高的Z轉(zhuǎn)變，黑暗中則會(huì)慢慢恢復(fù)到E式構(gòu)型。圖1-40含偶氮基團(tuán)的雙酚A聚芳酯結(jié)構(gòu)式圖1-41含偶氮基團(tuán)的雙酚A聚芳酯的紫外光譜圖共聚物也有減色效應(yīng)，比如嵌段共聚物與無(wú)規(guī)共聚物相比就會(huì)因?yàn)檩^為有序而減色。結(jié)晶可能使紫外光譜發(fā)生的變化是譜帶的位移和分裂。4熒光光譜分子發(fā)光分析主要包括分子熒光分析、分子磷光分析和化學(xué)發(fā)光分析。分子由基態(tài)激發(fā)至激發(fā)態(tài)，所需激發(fā)能可由光能、化學(xué)能或電能等供給。若分子吸收了光能而被激發(fā)到較高能態(tài)，在返回基態(tài)時(shí)，發(fā)射出與吸收光波長(zhǎng)相等或不等的輻射，這種現(xiàn)象稱(chēng)為光致發(fā)光。熒光分析和磷光分析就是基于光致發(fā)光現(xiàn)象。物質(zhì)的基態(tài)分子受激發(fā)光源的照射，被激發(fā)至激發(fā)態(tài)后返回基態(tài)，產(chǎn)生波長(zhǎng)與入射光相同或較長(zhǎng)的熒光，通過(guò)熒光強(qiáng)度進(jìn)行分析的方法稱(chēng)為分子熒光分析。若在化學(xué)反應(yīng)中，產(chǎn)物分子吸收了反應(yīng)過(guò)程中釋放的化學(xué)能而被激發(fā)，在返回基態(tài)時(shí)發(fā)出光輻射稱(chēng)為化學(xué)發(fā)光或生物發(fā)光。根據(jù)發(fā)光強(qiáng)度來(lái)確定物質(zhì)含量的方法稱(chēng)為化學(xué)發(fā)光分析法。分子熒光分析可定性及定量分析。由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同，分子所能吸收的紫外光波長(zhǎng)不同，在返回基態(tài)時(shí)，所發(fā)射的熒光波長(zhǎng)也不同，定性依據(jù)；對(duì)物質(zhì)的稀溶液，熒光強(qiáng)度與濃度呈線(xiàn)性關(guān)系，定量依據(jù)。熒光分析法的主要特點(diǎn)：①靈敏度高。檢出限為10-7

10-9g

mL-1，比紫外-可見(jiàn)分光光度法高10

103倍。②選擇性強(qiáng)。能吸收光的物質(zhì)并不一定產(chǎn)生熒光，且不同物質(zhì)由于結(jié)構(gòu)不同，產(chǎn)生的熒光波長(zhǎng)卻不同。③用樣量少、操作簡(jiǎn)便。缺點(diǎn)：由于許多物質(zhì)不發(fā)射熒光，應(yīng)用受限。分子熒光分析在高分子材料、分子生物學(xué)、免疫學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品分析等方面應(yīng)用日益廣泛。4.1熒光光譜基本原理與方法熒光和磷光同屬發(fā)光光譜，反映分子在吸收輻射能被激發(fā)到較高電子能態(tài)后，返回基態(tài)而釋放出能量。熒光是分子在吸收輻射之后立即(在10-8s數(shù)量級(jí))發(fā)射的光，而磷光則是在吸收能量后延遲釋放的光。兩者區(qū)別：熒光是由單態(tài)—單態(tài)的躍遷產(chǎn)生的，而磷光所涉及的是三重態(tài)—單態(tài)躍遷。熒光光譜通過(guò)激發(fā)光譜和發(fā)射光譜提供包括熒光強(qiáng)度、量子產(chǎn)率、熒光壽命、熒光偏振等多個(gè)物理參數(shù)。尤其是熒光探針(probe)或標(biāo)記(label)的引入極大地?cái)U(kuò)展了熒光光譜在高聚物研究中的應(yīng)用。熒光光譜廣泛應(yīng)用于高聚物構(gòu)象、形態(tài)、動(dòng)態(tài)以及共混相容性等方面研究。4.1.1熒光光譜的基本原理熒光光譜與紫外光譜一樣都是電子光譜，不同的是前者為發(fā)射光譜，后者為吸收光譜。激發(fā)態(tài)有兩種電子態(tài)：一種為激發(fā)單線(xiàn)態(tài)，處于這種狀態(tài)的兩個(gè)電子的自旋是配對(duì)的(反相平行)，自旋量子數(shù)的代數(shù)和s＝0，保持單一量子態(tài)，即2s+1＝1；第二種為激發(fā)三線(xiàn)態(tài)，處于這種狀態(tài)的兩個(gè)電子的自旋不配對(duì)(同相平行)，自旋量子數(shù)的代數(shù)和s＝1，在激發(fā)時(shí)分裂為3個(gè)量子態(tài)，即2s+1＝3。一般對(duì)分析上有用的熒光體系幾乎都是含有一個(gè)或幾個(gè)苯環(huán)的復(fù)雜有機(jī)化合物。這些化合物中能產(chǎn)生最強(qiáng)熒光的吸收過(guò)程通常是π→π*躍遷。4.1.1.1分子的激發(fā)態(tài)大多數(shù)分子含有偶數(shù)個(gè)電子，在基態(tài)，成對(duì)電子在各個(gè)軌道上運(yùn)動(dòng)，方向相反。電子的自旋狀態(tài)可以用自旋量子數(shù)(ms)表示，ms＝

1/2。配對(duì)電子自旋總和是零。如果所有電子自旋成對(duì)，那么這個(gè)分子光譜項(xiàng)的多重性M＝2S+1＝1，單重態(tài)，S0。當(dāng)配對(duì)電子中一個(gè)電子被激發(fā)，將可能形成兩種激發(fā)態(tài)，一種是受激電子的自旋仍然與處于基態(tài)的電子配對(duì)(自旋相反)，激發(fā)單重態(tài)，S；另一種是受激電子與原基態(tài)電子相互平行，S＝1，2S+1＝3，激發(fā)三重態(tài)，T。激發(fā)單重態(tài)S與激發(fā)三重態(tài)T明顯不同：①S分子是抗磁性分子，而T分子則是順磁性的。②S平均壽命約為10-8s，而T平均壽命長(zhǎng)達(dá)10-4～1s③基態(tài)單重態(tài)到S容易激發(fā)，為允許躍遷，而基態(tài)單重態(tài)到T的激發(fā)幾率只相當(dāng)于前者的10-6，屬于禁阻躍遷。④T能量較S能量低。4.1.1.2分子的去活化過(guò)程激發(fā)態(tài)電子以輻射躍遷方式或無(wú)輻射躍遷方式最終回到基態(tài)的能量傳遞過(guò)程稱(chēng)為去活化過(guò)程。輻射躍遷主要是熒光和磷光的發(fā)射；無(wú)輻射躍遷是指分子以熱的形式失去多余能量，包括振動(dòng)弛豫、內(nèi)轉(zhuǎn)換、系間跨越、淬滅等。失活過(guò)程：（1）振動(dòng)弛豫同一電子能級(jí)內(nèi)以熱能量交換形式由高振動(dòng)能級(jí)至低振動(dòng)能級(jí)間的躍遷，這一過(guò)程屬無(wú)輻射躍遷，稱(chēng)為振動(dòng)弛豫。時(shí)間10-13～10-11s。（2）內(nèi)轉(zhuǎn)換相同多重態(tài)電子能級(jí)中，等能級(jí)間的無(wú)輻射能級(jí)交換稱(chēng)為內(nèi)轉(zhuǎn)換。如第二激發(fā)單重態(tài)的某一較低振動(dòng)能級(jí)，與第一激發(fā)單重態(tài)的較高振動(dòng)能級(jí)間有重疊時(shí)，位能相同，可能發(fā)生電子由高電子能級(jí)以無(wú)輻射躍遷的方式躍遷至低能級(jí)上。此過(guò)程效率高，速度快，一般只需10-13～10-11s。（3）系間跨越指激發(fā)單重態(tài)與激發(fā)三重態(tài)之間的無(wú)輻射躍遷。此時(shí)，激發(fā)態(tài)電子自旋反轉(zhuǎn)，分子的多重性發(fā)生變化。如單重態(tài)(S1)的較低振動(dòng)能級(jí)與三重態(tài)T1的較高振動(dòng)能級(jí)有重疊，電子有可能發(fā)生自旋狀態(tài)的改變而發(fā)生系間跨越。含有重原子(如碘、溴等)的分子中，系間跨越最為常見(jiàn)，這是由于高原子序數(shù)的原子中電子自旋與軌道運(yùn)動(dòng)之間相互作用較強(qiáng)，更有利于電子自旋發(fā)生改變。（4）熒光發(fā)射處于激發(fā)單重態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)的分子，也存在幾種可能的去活化過(guò)程。若以10-9～10-7s的時(shí)間發(fā)射光量子回到基態(tài)的各振動(dòng)能級(jí)，這一過(guò)程就有熒光發(fā)生，稱(chēng)為熒光發(fā)射。（5）磷光發(fā)射分子一旦發(fā)生系間跨越躍遷后，接著就會(huì)發(fā)生快速的振動(dòng)弛豫而達(dá)到三重激發(fā)態(tài)T1的最低振動(dòng)能級(jí)上，再經(jīng)輻射躍遷到基態(tài)的各振動(dòng)能級(jí)就能發(fā)射磷光，這一過(guò)程稱(chēng)為磷光發(fā)射。這種躍遷，在光照停止后，仍可持續(xù)一段時(shí)間，因此磷光比熒光的壽命長(zhǎng)。通過(guò)熱激發(fā)，可能發(fā)生T1→S1的系間跨越，然后由S1發(fā)射熒光，這種熒光稱(chēng)延遲熒光。第一電子激發(fā)態(tài)三重態(tài)與單重態(tài)之間能量差較小，隨振動(dòng)偶合增加而增加內(nèi)轉(zhuǎn)換的幾率，從而使磷光減弱或消失。另外，由于激發(fā)三重態(tài)的壽命較長(zhǎng)，增大了分子與溶劑分子間碰撞而失去激發(fā)能的可能性，因此室溫下不易觀察到磷光現(xiàn)象。（6）淬滅激發(fā)分子與溶劑分子或其他溶質(zhì)分子間相互作用，發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，使熒光或磷光強(qiáng)度減弱甚至消失，這一現(xiàn)象稱(chēng)為“淬滅”。激發(fā)態(tài)分子的去活化過(guò)程歸納如下：如果熒光發(fā)射過(guò)程比其他去活化過(guò)程速率更快，就可觀察到熒光現(xiàn)象。相反，如果無(wú)輻射躍遷過(guò)程具有更大的速率常數(shù)，熒光將消失或強(qiáng)度減弱。熒光和磷光能級(jí)圖系間跨越直接法和間接法兩種。直接測(cè)定法是利用高聚物自身發(fā)射的熒光進(jìn)行分析的方法，又稱(chēng)為“自熒光”或“內(nèi)源熒光”方法。間接測(cè)定法是引入熒光探針(即“探針”(probe)或“標(biāo)記”(label)化合物)，在分子水平上研究某些體系的物理、化學(xué)過(guò)程以及檢測(cè)某些特殊環(huán)境下材料的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)的方法。所謂“探針”是將含生色團(tuán)小分子用物理方法分散在高分子體系中，而“標(biāo)記”則是指生色團(tuán)以化學(xué)鍵連接在高分子鏈上。按不同研究目的，“標(biāo)記”基團(tuán)可以連接在鏈內(nèi)或鍵端，同一分子鏈上可以含一種或兩種不同的生色團(tuán)。間接法特點(diǎn)：高靈敏度和極寬的動(dòng)態(tài)時(shí)間響應(yīng)范圍，可用于體系穩(wěn)態(tài)性質(zhì)的研究和動(dòng)態(tài)過(guò)程的監(jiān)測(cè)。探針試劑濃度極稀(10-9mol

L-1)，須與高聚物微區(qū)結(jié)合牢固，同時(shí)探針試劑要對(duì)環(huán)境敏感，但又不能影響高聚物的結(jié)構(gòu)和特性。4.1.2高聚物熒光光譜的研究方法探針只與其自由體積相關(guān)。不同類(lèi)型的探針在激發(fā)后的構(gòu)象變化所涉及的體積大小不同，因此可估測(cè)體系中不同自由體積的分布。按照弛豫機(jī)制的不同，探針至少可分為5種類(lèi)型：①具有分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移態(tài)的給體-受體分子探針(TICT)；②可形成激基締合物的探針(Excimer)；③預(yù)扭曲TICT型探針；④異構(gòu)體類(lèi)Dewar型探針；⑤二苯乙烯類(lèi)化合物的順?lè)串悩?gòu)化探針。激基締合物的形成和順?lè)串悩?gòu)化的變化能測(cè)得高聚物中較大的自由體積，而預(yù)扭曲的TICT型及Dewar型探針則測(cè)定體系中較小的自由體積，TICT型探針的檢測(cè)范圍介于兩者之間。4.2分子熒光光譜儀

4.2.1熒光光譜分析儀基本結(jié)構(gòu)流程構(gòu)成：光源(激發(fā)光源)、樣品池、單色器系統(tǒng)及檢測(cè)器熒光分析儀器需要兩個(gè)獨(dú)立的波長(zhǎng)選擇系統(tǒng)，一個(gè)選擇激發(fā)波長(zhǎng)；另一個(gè)用來(lái)選擇發(fā)射波長(zhǎng)，或掃描測(cè)定各發(fā)射波長(zhǎng)下的熒光強(qiáng)度，可獲得試樣的發(fā)光光譜。檢測(cè)器與激發(fā)光源成直角。圖1-42熒光分析儀結(jié)構(gòu)示意圖(1)激發(fā)光源要求：強(qiáng)度大，穩(wěn)定性好、適用波長(zhǎng)范圍寬等。高壓汞燈、氙燈和鹵鎢燈。熒光計(jì)常用高壓汞燈，發(fā)射光強(qiáng)度大而穩(wěn)定。常用365、405、436nm三條譜線(xiàn)。分光熒光計(jì)常用150W和500W的高壓氙燈，發(fā)射強(qiáng)度大能在紫外-可見(jiàn)光區(qū)給出比較好的連續(xù)光譜，在200-400nm波段內(nèi)輻射線(xiàn)強(qiáng)度幾乎相等。(2)單色器激發(fā)單色器和發(fā)射單色器，分別位于光源和樣品池、試樣和檢測(cè)器之間。熒光計(jì)&分光熒光計(jì)。熒光計(jì)多用濾光片：激發(fā)濾光片和熒光濾光片。功能較簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，適用于常規(guī)分析。分光熒光計(jì)多用光柵作為單色器。在測(cè)定激發(fā)光譜時(shí)，應(yīng)固定發(fā)射單色器波長(zhǎng)，而掃描激發(fā)單色器波長(zhǎng)；而當(dāng)測(cè)定熒光物質(zhì)的熒光光譜時(shí)，則應(yīng)固定激發(fā)單色器波長(zhǎng)，掃描發(fā)射單色器的波長(zhǎng)。

(3)狹縫調(diào)節(jié)光通量和單色性。狹縫越小單色性越好，但光強(qiáng)和靈敏度降低。兩方面權(quán)衡。(4)樣品池低熒光材料，常用石英池?？杉友b恒溫裝置。低溫可用液氮石英套管。(5)檢測(cè)器熒光的強(qiáng)度比較弱，因此要求檢測(cè)器有高靈敏度。熒光計(jì)中常用光電池或光電管；分光熒光光度計(jì)常用光電倍增管。為了改善信噪比，常采用冷卻檢測(cè)器的辦法。二極管陣列和電荷轉(zhuǎn)移檢測(cè)器的使用，檢大程度上提高了儀器測(cè)定的靈敏度，并可以快速記錄激發(fā)和發(fā)射光譜，還可以記錄三維熒光光譜圖。熒光光譜儀與紫外光譜儀、紅外光譜儀的兩個(gè)不同點(diǎn)：一是兩個(gè)單色器，在樣品池前、后；二是為了避免激發(fā)單色器的輻射光被檢測(cè)，在垂直于入射光的方向測(cè)定熒光或磷光的相對(duì)強(qiáng)度。進(jìn)行磷光測(cè)定時(shí)，在樣品室內(nèi)必須裝有帶石英窗的特殊杜瓦瓶和石英試樣管。在樣品池前后的光路中分別加偏振器和檢偏器還可以測(cè)量偏振熒光。樣品形態(tài)：液體和固體。無(wú)機(jī)材料多為固體，可將樣品壓成片狀，樣品平面與入射角成45°放置；聚合物的研究多用溶液體系，濃度10-5-10-4mol

L-1。溶劑選擇：一是要選擇非極性或極性很小的溶劑；二是要求溶劑本身的吸光度小；三是要保證溶劑的純度。4.2.2熒光強(qiáng)度與熒光量子產(chǎn)率能產(chǎn)生熒光的分子稱(chēng)為熒光分子，分子結(jié)構(gòu)與熒光的發(fā)生及熒光強(qiáng)度的大小緊密相關(guān)。稀溶液中的熒光強(qiáng)度(I)可出下式計(jì)算：式中：ф為熒光量子產(chǎn)率，代表處在電子激發(fā)態(tài)的分子放出熒光的幾率；K‘為檢測(cè)效率，與熒光儀結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)，并與樣品和聚光鏡之間的距離、檢測(cè)器的靈敏度有關(guān)；A為吸光度；I0為入射光的強(qiáng)度。分子產(chǎn)生熒光必須具備兩個(gè)條件：①具有合適的結(jié)構(gòu)。含有苯環(huán)或稠環(huán)的剛性結(jié)構(gòu)，如熒光素。②具有一定的熒光量子產(chǎn)率(ΦF

)。

ΦF是一個(gè)物質(zhì)熒光特性的重要參數(shù)，反映發(fā)射熒光的能力，越大熒光越強(qiáng)。熒光量子產(chǎn)率定義：熒光過(guò)程涉及許多輻射和無(wú)輻射躍遷過(guò)程。熒光效率表示式：式中：kF熒光過(guò)程速率常數(shù)，主要取決于化學(xué)結(jié)構(gòu)；Σki其他過(guò)程速率常數(shù)的總和，主要取決于化學(xué)環(huán)境，也與結(jié)構(gòu)有關(guān)。高熒光物質(zhì)如熒光素，ΦF接近于1。說(shuō)明Σki很小。多數(shù)物質(zhì)ΦF小于1。熒光效率越大發(fā)射強(qiáng)度也大。外觀暗橙色/紅色粉末，溶于水或乙醇，在藍(lán)光或紫外線(xiàn)照射下，發(fā)出綠色熒光4.2.3熒光譜圖熒光激發(fā)(excitation)光譜和熒光發(fā)射(emission)光譜：熒光激發(fā)光譜是固定發(fā)射單色器的波長(zhǎng)λem及狹縫寬度，使激發(fā)單色器的波長(zhǎng)連續(xù)變化，從而得到譜圖，其縱坐標(biāo)為相對(duì)熒光強(qiáng)度，橫坐標(biāo)為激發(fā)光的波長(zhǎng)。熒光發(fā)射光譜通常稱(chēng)為熒光光譜，它是固定激發(fā)單色器的波長(zhǎng)λex及狹縫寬度，使發(fā)射單色器的波長(zhǎng)連續(xù)變化；縱坐標(biāo)為相對(duì)熒光強(qiáng)度，橫坐標(biāo)為發(fā)射光的波長(zhǎng)。熒光光譜與紫外-可見(jiàn)光譜同時(shí)使用：熒光激發(fā)單色器波長(zhǎng)λex可通過(guò)紫外-可見(jiàn)光譜的最大吸收波長(zhǎng)值確定；熒光發(fā)射單色器波長(zhǎng)λem可通過(guò)熒光發(fā)射光譜的最大強(qiáng)度的波長(zhǎng)值確定。圖1-43為蒽的甲醇溶液(0.3mg

L-1)測(cè)得的發(fā)射和激發(fā)光譜。激發(fā)光譜中每一譜帶的波長(zhǎng)位置與紫外-可見(jiàn)吸收光譜中譜帶的位置是一樣的。從圖中還可以看出，蒽的發(fā)射光譜與激發(fā)光譜互為映像。圖1-43蒽的發(fā)射（A）和激發(fā)光譜（B）4.2.4熒光與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系（1）躍遷類(lèi)型

π*→π和π*→n躍遷的熒光效率高，有利于熒光的產(chǎn)生。在這兩種躍遷類(lèi)型中，π*→π比π*

→n躍遷熒光效率大102～103倍，主要由于其具有較大的摩爾吸光系數(shù)。（2）共軛效應(yīng)共軛有利于增加熒光效率并產(chǎn)生紅移。如對(duì)苯基化、間苯基化和乙烯基化的作用會(huì)增加光強(qiáng)度，并使熒光光譜紅移，見(jiàn)表。表1-11共軛結(jié)構(gòu)對(duì)熒光光譜的影響（3）剛性平面結(jié)構(gòu)剛性不飽和平面結(jié)構(gòu)可降低分子振動(dòng)，減少與溶劑的相互作用，提高熒光效率并發(fā)生紅移。如酚酞和熒光素有相似結(jié)構(gòu)，但熒光素中多1個(gè)氧橋，使其具有剛性平面結(jié)構(gòu)，因而熒光素有強(qiáng)烈熒光，而酚酞的熒光卻很弱。再如8-羥基喹啉與Zn2+、Mg2+、Al3+離子螯合后，熒光就增強(qiáng)。相反，由于位阻使分子的共平面性下降，熒光會(huì)減弱。如表，1-二甲胺基萘-8-磺酸鹽中磺酸基團(tuán)與二甲胺基之間的位阻效應(yīng)，使熒光大大減弱。同理，對(duì)于順?lè)串悩?gòu)體，順式分子的兩個(gè)基團(tuán)在同一側(cè)，由于位阻原因不能共平面，而沒(méi)有熒光。如1,2-二苯乙烯。表1-20共平面性對(duì)熒光效率的影響1-二甲氨基萘-5-磺酰氯（4）取代基效應(yīng)芳香環(huán)上的不同取代基對(duì)熒光光譜有很大影響。通常給電子基團(tuán)使熒光增強(qiáng)，如—OH、—NH2、—NR2、—OR等；而同π電子體系相互作用較小的取代基如—SO3H和烷基對(duì)分子熒光影響不明顯；吸電子基團(tuán)，如—COOH、—C＝O、—NO2、—NO、—N＝N—及鹵素會(huì)減弱甚至破壞熒光。

了解熒光和物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系，可以幫助我們考慮如何將非熒光物質(zhì)轉(zhuǎn)化為熒光物質(zhì)，或?qū)晒鈴?qiáng)度不大或選擇性較差的熒光物質(zhì)轉(zhuǎn)化為熒光強(qiáng)度大及選擇性好的熒光物質(zhì)，以提高分析測(cè)定的靈敏度。4.2.5儀器的靈敏度分光熒光計(jì)的靈敏度與三個(gè)方面有關(guān)：①儀器的光源、單色器、放大系統(tǒng)和光電倍增管；②波長(zhǎng)及狹縫寬度；③空白溶劑的拉曼散射、激發(fā)光、雜質(zhì)熒光等。熒光分析儀器的靈敏度常用純水的拉曼峰信噪比(S/N)表示。以純水拉曼峰高為信號(hào)值(S)，確定發(fā)射波長(zhǎng)，使記錄儀進(jìn)行時(shí)間掃描，測(cè)出儀器的噪音信號(hào)(N)，用S/N的值作為衡量?jī)x器靈敏度的指標(biāo)。一般其值在20～200之間。4.2.6激發(fā)光譜和熒光光譜的形狀及其相互關(guān)系

(1)激發(fā)光譜如果將激發(fā)光的光源用單色器分光，測(cè)定不同波長(zhǎng)的激發(fā)光照射下，熒光最強(qiáng)的波長(zhǎng)處熒光強(qiáng)度的變化，以λex為橫坐標(biāo)，IF為縱坐標(biāo)作圖，激發(fā)光譜。(2)發(fā)射光譜簡(jiǎn)稱(chēng)熒光光譜。如果將激發(fā)光波長(zhǎng)固定在最大激發(fā)波長(zhǎng)處，而讓物質(zhì)發(fā)射的熒光通過(guò)單色器分光，以測(cè)定不同波長(zhǎng)的熒光強(qiáng)度。以λem作橫坐標(biāo)，IF為縱坐標(biāo)作圖，得到熒光光譜。最大λex、λem是熒光光譜定量測(cè)定時(shí)最靈敏條件。熒光光譜和激發(fā)光譜呈現(xiàn)大致的鏡像對(duì)稱(chēng)關(guān)系。蒽的乙醇溶液有兩個(gè)吸收帶：350、250nm分別是基態(tài)到第一、二激發(fā)態(tài)。但由于內(nèi)轉(zhuǎn)換及振動(dòng)弛豫的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于由S2返回基態(tài)發(fā)射熒光的速度，故不論用哪一個(gè)波長(zhǎng)的光輻射激發(fā)，電子都從第一激發(fā)態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)回至基態(tài)，即熒光光譜只能出現(xiàn)一個(gè)譜帶。熒光光譜形狀決定于基態(tài)的振動(dòng)能級(jí)的分布情況。由于激發(fā)態(tài)與基態(tài)的振動(dòng)能級(jí)分布類(lèi)似，因此熒光光譜和激發(fā)光譜呈鏡像對(duì)稱(chēng)。圖1-44蒽的乙醇溶液激發(fā)光譜和熒光光譜4.3分子熒光光譜的定量分析

4.3.1熒光強(qiáng)度與溶液濃度的關(guān)系當(dāng)強(qiáng)度I0紫外光照射濃度c、厚度l的液池時(shí)，熒光強(qiáng)度IF，透射光強(qiáng)度It，吸收光強(qiáng)度Ia。一般垂直方向測(cè)IF。溶液熒光強(qiáng)度和吸光強(qiáng)度及熒光效率ФF有關(guān)：Lambert-Beer定律

稀溶液，Taylor展開(kāi)圖1-45溶液的熒光ФF

、I0、l不變，IF與c成正比IF＝Kc定量基礎(chǔ)極稀溶液，當(dāng)εlc＜0.05時(shí)才成立。對(duì)于εlc＞0.05較濃的溶液，由于熒光淬滅現(xiàn)象和自吸收等原因，使熒光強(qiáng)度與濃度不呈線(xiàn)性關(guān)系，熒光強(qiáng)度偏向濃度軸。4.3.2測(cè)定條件的選擇（1）選擇合適的激發(fā)光波長(zhǎng)和熒光波長(zhǎng)一般選擇激發(fā)光譜中能產(chǎn)生最強(qiáng)熒光的入射光波長(zhǎng)作為激發(fā)光，稱(chēng)為最大激發(fā)波長(zhǎng)(λex)。根據(jù)熒光光譜選擇最強(qiáng)熒光的波長(zhǎng)λm作為熒光測(cè)定的波長(zhǎng)。（2）選擇線(xiàn)性范圍當(dāng)熒光物質(zhì)溶液的吸光度A≤0.05時(shí)，熒光強(qiáng)度和濃度才呈線(xiàn)性關(guān)系。當(dāng)高濃度(A＞0.05)時(shí)，由于自淬滅和自吸收等原因，使熒光強(qiáng)度和濃度不呈線(xiàn)性，發(fā)生負(fù)偏差。4.3.3定量分析方法（1）校正曲線(xiàn)法以相對(duì)熒光強(qiáng)度為縱坐標(biāo)、濃度為橫坐標(biāo)繪制校正曲線(xiàn)；常用穩(wěn)定的熒光物質(zhì)(其熒光峰與試樣的熒光峰相近)校正。如測(cè)定維生素B1時(shí)，用硫酸奎寧校正。（2）比較法取已知量純熒光物質(zhì)配成標(biāo)液，測(cè)出熒光強(qiáng)度(IF(S))，然后在同樣條件下測(cè)定試樣溶液的熒光強(qiáng)度(IF(x))。分別扣除空白(IF(0))，求試樣中熒光物質(zhì)。（3）多組分混合物的熒光分析不重疊則分別測(cè)量。A13+和Ga3+離子的8-羥基喹啉配合物的氯仿萃取液熒光峰均為520nm，但激發(fā)峰不同，可分別在365nm及435.8nm激發(fā)，在520nm處測(cè)定互不干擾。重疊，則利用加和性，在適宜波長(zhǎng)處測(cè)量混合物的熒光強(qiáng)度，列方程，求含量(可參見(jiàn)紫外-可見(jiàn)分光光度法)。4.4影響熒光光譜強(qiáng)度的因素

(1)溫度一般隨溫度降低，熒光效率和熒光強(qiáng)度增加。溫度降低，分子的活動(dòng)性減弱，溶劑化度降低，溶質(zhì)分子與溶劑分子間碰撞機(jī)會(huì)減少，降低了無(wú)輻射去活幾率，使熒光效率增加。如熒光素乙醇溶液在0℃以下每降低10℃，熒光效率增加3%；冷至-80℃，熒光效率為100%。(2)溶劑極性、氫鍵及配位鍵的形成等。溶劑極性增大時(shí)，通常紅移。氫鍵及配位鍵通常影響熒光強(qiáng)度和形狀。重原子的溶劑（如CBr4和CH3CH2I）可使熒光強(qiáng)度減弱。(3)

pH弱酸或弱堿熒光物質(zhì)受溶液pH的影響較大。例如苯胺pH7～12藍(lán)色熒光，pH＜2或pH＞13無(wú)熒光。(4)猝滅熒光物質(zhì)分子與溶劑分子或其他溶質(zhì)分子相互作用，引起熒光強(qiáng)度降低、