第五章分子發(fā)光分析法

1、東東 北北 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 分分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課第五章第五章 分子發(fā)光分析法分子發(fā)光分析法前面一章我們學(xué)習(xí)了紫外可見吸收光譜法，分子吸收紫外可見光發(fā)生電子能級(jí)的躍遷，那么躍遷之后的情況怎么樣？（如何弛豫？）一個(gè)途徑就是產(chǎn)生光輻射（發(fā)光）熒光和磷光東東 北北 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 分分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課一、基本原理一、基本原理1、分子的激發(fā)態(tài)和基態(tài)：不論是分子軌道還是原子軌、分子的激發(fā)態(tài)和基態(tài)：不論是分子軌道還是原子軌道上的電子都有一套特有的描述其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的量子數(shù)。道上的電子都有一套特有的描述其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的量子數(shù)。根據(jù)根據(jù)Pauli Exclusio

2、n Principle，每個(gè)軌道上最多容納，每個(gè)軌道上最多容納2個(gè)自旋方向相反的電子。個(gè)自旋方向相反的電子。s = + 1/2 or - 1/2總自旋量子數(shù)：S = si東東 北北 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 分分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課能級(jí)的多重性：能級(jí)的多重性：2S1當(dāng)當(dāng)S0時(shí)，即時(shí)，即2S11，稱為單重態(tài)；，稱為單重態(tài)；當(dāng)當(dāng)S1/2時(shí)，即時(shí)，即2S12，稱為雙重態(tài)（只有一個(gè)電，稱為雙重態(tài)（只有一個(gè)電子）；子）；當(dāng)當(dāng)S1時(shí)，即時(shí)，即2S13，稱為叁重態(tài)，稱為叁重態(tài)基態(tài)單重態(tài)基態(tài)單重態(tài)S0 基態(tài)雙重態(tài)基態(tài)雙重態(tài)D0基態(tài)基態(tài)基態(tài)基態(tài)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)東東 北北 師師 范范 大大

3、學(xué)學(xué) 分分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課激發(fā)單重態(tài)激發(fā)單重態(tài) S1 激發(fā)叁重態(tài)激發(fā)叁重態(tài) T1Multiplicities:S0 - common, diamagnetic (not affected by B fields)D0 - unpaired electron, many radicals, two equal energy statesT1 - rare, paramagnetic (affected by B fields)(T0 - doesnt exist, not ground state)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)基態(tài)基態(tài)基態(tài)基態(tài)東東 北北 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 分

4、分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課S0S1T1S2分子的電子能級(jí)示意圖分子的電子能級(jí)示意圖東東 北北 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 分分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課注意注意:（1）沒有基態(tài)叁重態(tài)；）沒有基態(tài)叁重態(tài)；（2）從）從S0到到T1的躍遷是禁阻的；的躍遷是禁阻的；（3）Energy(S1)Energy(T1) (difference is energy required to flip electron spin)；（4）多數(shù)分子含有偶數(shù)電子，分子的電子基態(tài)多為單）多數(shù)分子含有偶數(shù)電子，分子的電子基態(tài)多為單重態(tài)；重態(tài)；（5）叁重態(tài)有順磁性。）叁重態(tài)有順磁性。東東 北北 師師 范范

5、大大 學(xué)學(xué) 分分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課2、熒光的產(chǎn)生、熒光的產(chǎn)生基態(tài)分子hv激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，如何回去？回到基態(tài)，如何回去？東東 北北 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 分分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課S2S0S1T1l2l1分子的吸收情況分子的吸收情況東東 北北 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 分分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課S2S0S1T1l2l1振動(dòng)弛豫：在同一電子能級(jí)（激發(fā)態(tài)）振動(dòng)弛豫：在同一電子能級(jí)（激發(fā)態(tài)）特點(diǎn)：無輻射；速率快（特點(diǎn)：無輻射；速率快（10-1410-12 s內(nèi)完成）內(nèi)完成）東東 北北 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 分分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課S2S0

6、S1T1l2l1內(nèi)轉(zhuǎn)移（內(nèi)轉(zhuǎn)移（internal conversion) ：相同多重：相同多重性的兩個(gè)電子能級(jí)之間的非輻射躍遷性的兩個(gè)電子能級(jí)之間的非輻射躍遷東東 北北 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 分分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課內(nèi)轉(zhuǎn)移的特點(diǎn)內(nèi)轉(zhuǎn)移的特點(diǎn)（1）無輻射；）無輻射；（2）速率取決于兩個(gè)能級(jí)之間的能量差，相鄰單重激）速率取決于兩個(gè)能級(jí)之間的能量差，相鄰單重激發(fā)態(tài)之間能級(jí)接近，振動(dòng)能級(jí)常常發(fā)生重疊，內(nèi)轉(zhuǎn)移發(fā)態(tài)之間能級(jí)接近，振動(dòng)能級(jí)常常發(fā)生重疊，內(nèi)轉(zhuǎn)移很快；很快；（3）分子無論被激發(fā)到哪一個(gè)電子激發(fā)態(tài)，在）分子無論被激發(fā)到哪一個(gè)電子激發(fā)態(tài)，在10-1310-11 s內(nèi)經(jīng)內(nèi)轉(zhuǎn)移和振動(dòng)弛

7、豫都會(huì)躍遷到最低的電子激內(nèi)經(jīng)內(nèi)轉(zhuǎn)移和振動(dòng)弛豫都會(huì)躍遷到最低的電子激發(fā)態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)上；發(fā)態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)上；（4）So到到S1的能級(jí)差較大，內(nèi)轉(zhuǎn)移的速率相對(duì)較小，的能級(jí)差較大，內(nèi)轉(zhuǎn)移的速率相對(duì)較小，故故S1的壽命較長(zhǎng)。的壽命較長(zhǎng)。東東 北北 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 分分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課S2S0S1T1l2l1l3l3熒光發(fā)射熒光發(fā)射Fluorescence東東 北北 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 分分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課l1l2l3l3 l1 l2 l3 l1 l2 Only l3l3東東 北北 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 分分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課S

8、2S0S1T1l2l1系間竄躍系間竄躍磷光發(fā)射磷光發(fā)射l4Intersystem CrossingPhosphorescence東東 北北 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 分分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課磷光發(fā)射的特點(diǎn)磷光發(fā)射的特點(diǎn)（1）禁阻躍遷，發(fā)光速率慢，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)）禁阻躍遷，發(fā)光速率慢，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)10-4100s；（2）從）從T1也有回到也有回到S1，然后，然后S1到到S0發(fā)出熒光，叫延發(fā)出熒光，叫延遲熒光；遲熒光；（3）電子由）電子由S0到到T1幾率極小，是禁阻躍遷。幾率極小，是禁阻躍遷。外轉(zhuǎn)移：指受激分子與溶劑或其它分子的相互作用及外轉(zhuǎn)移：指受激分子與溶劑或其它分子的相互作用及能量轉(zhuǎn)

9、移，使熒光或磷光強(qiáng)度減弱或消失的過程。能量轉(zhuǎn)移，使熒光或磷光強(qiáng)度減弱或消失的過程。東東 北北 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 分分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課S0S1T1l2l1外轉(zhuǎn)移外轉(zhuǎn)移 External Conversion東東 北北 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 分分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課東東 北北 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 分分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課S0S1T1l2l1系間竄躍系間竄躍l3l3延遲熒光延遲熒光東東 北北 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 分分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課東東 北北 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 分分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課二、熒

10、光效率及其影響因素二、熒光效率及其影響因素1、熒光效率：物質(zhì)吸收了紫外可見光后，躍遷至激發(fā)、熒光效率：物質(zhì)吸收了紫外可見光后，躍遷至激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)分子是以輻射躍遷還是以非輻射躍遷弛豫，態(tài)，激發(fā)態(tài)分子是以輻射躍遷還是以非輻射躍遷弛豫，決定了物質(zhì)能否發(fā)熒光。決定了物質(zhì)能否發(fā)熒光。熒光效率指的是以輻射躍遷弛豫的分子數(shù)目占總激發(fā)熒光效率指的是以輻射躍遷弛豫的分子數(shù)目占總激發(fā)態(tài)分子數(shù)目的比例。態(tài)分子數(shù)目的比例。F FfNfluoresence/Nexcited（0.01.0）東東 北北 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 分分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課F Ff越大，表示輻射躍遷的概率越大，發(fā)光強(qiáng)度越大！越

11、大，表示輻射躍遷的概率越大，發(fā)光強(qiáng)度越大！以各種躍遷的速率常數(shù)（熒光發(fā)射，以各種躍遷的速率常數(shù)（熒光發(fā)射，VR，IC，isc等）等）來代替來代替N表示表示F Ff，得，得F Ffkf/（kf+S Ski）其中：其中：kf表示熒光發(fā)射過程的速率常數(shù)；表示熒光發(fā)射過程的速率常數(shù)；S Ski表示其它非輻射躍遷過程的速率常數(shù)之和。表示其它非輻射躍遷過程的速率常數(shù)之和。一般而言，一般而言，kf主要取決于分子結(jié)構(gòu)。而主要取決于分子結(jié)構(gòu)。而S Ski 主要取決于主要取決于化學(xué)環(huán)境?；瘜W(xué)環(huán)境。東東 北北 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 分分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課2、熒光與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系：、熒光與分子結(jié)構(gòu)

12、的關(guān)系：物質(zhì)只有能夠吸收紫外可見光，才可能發(fā)射熒光；要物質(zhì)只有能夠吸收紫外可見光，才可能發(fā)射熒光；要吸收紫外可見光，分子中必須含有共軛雙鍵。吸收紫外可見光，分子中必須含有共軛雙鍵。（1）躍遷類型對(duì)熒光的影響：）躍遷類型對(duì)熒光的影響：吸收光：吸收光：n-p p* *，p-pp-p* *輻射光：輻射光： p p* * n ， p p* * p p（s）熒光）熒光東東 北北 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 分分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課什么情況下有利于熒光發(fā)射？什么情況下有利于熒光發(fā)射？（i）摩爾吸光系數(shù)大，有利于熒光：）摩爾吸光系數(shù)大，有利于熒光： p p* * p p躍遷比躍遷比p p* *

13、n強(qiáng)強(qiáng)1000倍；倍；（ii）壽命短）壽命短輻射光：輻射光： p p* * p p（1010-7-71010-9-9 s） p p* * n （ 1010-5-51010-7-7 s） （iii）系間竄躍至叁重態(tài)的速率常數(shù)小，有利于發(fā)熒光）系間竄躍至叁重態(tài)的速率常數(shù)小，有利于發(fā)熒光東東 北北 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 分分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課（2）共軛效應(yīng)對(duì)熒光的影響）共軛效應(yīng)對(duì)熒光的影響實(shí)驗(yàn)證明：芳香族化合物易產(chǎn)生熒光，且共軛體系越大，實(shí)驗(yàn)證明：芳香族化合物易產(chǎn)生熒光，且共軛體系越大，p p電子的離域性越強(qiáng)，越易被激發(fā)而產(chǎn)生熒光（熒光效電子的離域性越強(qiáng)，越易被激發(fā)而產(chǎn)生熒光（熒

14、光效率高。率高。注意：能夠發(fā)熒光的脂肪族和脂環(huán)族化合物極少。Ff: 0.29Ff: 0.46東東 北北 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 分分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課再如：再如：Ff: 0.28Ff: 0.68(CHCH)3(CHCH)2共軛體系增加，熒光效率增大！共軛體系增加，熒光效率增大！東東 北北 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 分分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課（3）熒光物質(zhì)的剛性和共平面性增加，可使分子與溶）熒光物質(zhì)的剛性和共平面性增加，可使分子與溶劑或其它溶質(zhì)分子的相互作用減?。赐廪D(zhuǎn)移能量損失劑或其它溶質(zhì)分子的相互作用減?。赐廪D(zhuǎn)移能量損失減小），有利于熒光發(fā)射。減?。欣跓?/p>

15、光發(fā)射。例如：例如：Ff: 0.20Ff: 1.0Fluorene（芴）東東 北北 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 分分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課再如：再如：8羥基喹啉（弱熒光），當(dāng)與羥基喹啉（弱熒光），當(dāng)與Mg2+絡(luò)合后，為絡(luò)合后，為強(qiáng)熒光物質(zhì)。強(qiáng)熒光物質(zhì)。又如：又如：紅色熒光紅色熒光滂鉻滂鉻BBR，無熒光，無熒光N=NOHOHSO3NaN=NSO3NaAlOOH2OOH2東東 北北 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 分分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課（4）取代基效應(yīng)）取代基效應(yīng)（i）給電子的取代基：如）給電子的取代基：如OH，NH2，NR2，OR等，等，p-p p共軛，使熒光增強(qiáng)。共軛，使熒

16、光增強(qiáng)。（ii）吸電子的取代基：如）吸電子的取代基：如NO2，COOH，NO等使熒光減弱。如：苯胺等使熒光減弱。如：苯胺苯，而硝基苯為非熒光物質(zhì)。苯，而硝基苯為非熒光物質(zhì)。（iii）鹵素取代基隨原子序數(shù)的增加，物質(zhì)的熒光減弱，）鹵素取代基隨原子序數(shù)的增加，物質(zhì)的熒光減弱，而磷光增強(qiáng)而磷光增強(qiáng)（重原子效應(yīng)）（重原子效應(yīng)）。東東 北北 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 分分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課（iv）空間取代基效應(yīng)）空間取代基效應(yīng)O3SN(CH3)2N(CH3)2SO3F Ff0.75F Ff0.03扭轉(zhuǎn)離開了平面構(gòu)型，影響了扭轉(zhuǎn)離開了平面構(gòu)型，影響了p-p p共軛作用共軛作用東東 北北 師

17、師 范范 大大 學(xué)學(xué) 分分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課（v）立體異構(gòu)現(xiàn)象）立體異構(gòu)現(xiàn)象無熒光無熒光強(qiáng)熒光強(qiáng)熒光CHCHCHCH東東 北北 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 分分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課3、環(huán)境因素對(duì)熒光的影響：、環(huán)境因素對(duì)熒光的影響：（1）溶劑的極性：電子激發(fā)態(tài)比基態(tài)的極性大，溶劑）溶劑的極性：電子激發(fā)態(tài)比基態(tài)的極性大，溶劑的極性增強(qiáng)，熒光強(qiáng)度增大，熒光波長(zhǎng)紅移。的極性增強(qiáng)，熒光強(qiáng)度增大，熒光波長(zhǎng)紅移。溶劑相對(duì)介電常數(shù)熒光峰l/nm熒光效率乙腈38.84100.064丙酮21.54050.055氯仿5.23980.041四氯化碳2.243900.002巰基喹啉在不同溶

18、劑中的熒光峰和熒光效率東東 北北 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 分分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課（2）溫度：溫度升高，）溫度：溫度升高，Kf不變，但非輻射躍遷的速不變，但非輻射躍遷的速率常數(shù)增大，是故熒光效率降低。率常數(shù)增大，是故熒光效率降低。（3）pH值：含酸性或堿性取代基的化合物熒光性質(zhì)值：含酸性或堿性取代基的化合物熒光性質(zhì)受受pH的影響。的影響。如：如：NH2NH3+ H+pH=4.83.4無熒光無熒光藍(lán)色熒光藍(lán)色熒光東東 北北 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 分分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課再如：再如：無熒光無熒光藍(lán)色熒光藍(lán)色熒光-O3SO-O3SOHpH=6.4-7.4-H+東東

19、北北 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 分分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課（4）表面活性劑：有利于熒光發(fā)射。）表面活性劑：有利于熒光發(fā)射。（5）O2的存在：的存在：O2為順磁性分子，溶液中溶解氧的為順磁性分子，溶液中溶解氧的存在，常常導(dǎo)致熒光降低，甚至熄滅，這可能是處于存在，常常導(dǎo)致熒光降低，甚至熄滅，這可能是處于單重激發(fā)態(tài)的熒光物質(zhì)的分子相互作用，加速系間竄單重激發(fā)態(tài)的熒光物質(zhì)的分子相互作用，加速系間竄躍（幾率增大）所致。躍（幾率增大）所致。東東 北北 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 分分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課三、熒光強(qiáng)度與溶液濃度的關(guān)系三、熒光強(qiáng)度與溶液濃度的關(guān)系以以If表示熒光強(qiáng)度，以

20、表示熒光強(qiáng)度，以Ia表示吸收光的強(qiáng)度，根據(jù)熒光表示吸收光的強(qiáng)度，根據(jù)熒光效率的定義，則效率的定義，則:If F FfIaIf F Ff（I0I）I0為入射光強(qiáng)度，為入射光強(qiáng)度，I為透射光強(qiáng)度。為透射光強(qiáng)度。根據(jù)比爾定律：根據(jù)比爾定律：AlogI0/I可得可得II010-A東東 北北 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 分分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課II010-A I0 10-e ebcIf F Ff（I0I） F Ff I0 （1 10-A ）級(jí)數(shù)展開級(jí)數(shù)展開If F Ff I0 （2.3A(-2.3A)2/2! (-2.3A)3/3! ）若溶液的濃度很稀，若溶液的濃度很稀，A600 nm)CO

21、 (NO,SO2等）等）OCO2*CO2*CO2hv（300-500 nm)靈敏度可測(cè)至靈敏度可測(cè)至1ppb東東 北北 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 分分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課（2）液相化學(xué)發(fā)光）液相化學(xué)發(fā)光用于此類化學(xué)發(fā)光分析的發(fā)光物質(zhì)有魯米諾（用于此類化學(xué)發(fā)光分析的發(fā)光物質(zhì)有魯米諾（luminol)、光澤堿、沒食子酸，洛粉堿等。光澤堿、沒食子酸，洛粉堿等。OXIDANTBASEluminol*3-Aminophthalate+3-APA東東 北北 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 分分 析析 化化 學(xué)學(xué) 精精 品品 課課l lmax = 425 nm氧化劑氧化劑: H2O2 O2 KMnO4 NaClO I2 Fe(CN)63-.與過氧化氫的反應(yīng)可被催化與過氧化氫的反應(yīng)可被催化: 過氧化酶過氧化酶 氧化血紅素氧化血紅素 過過渡金屬離子渡金屬離子(Co2+、 Cu2+、 Fe3+、 Ni、Cr、Ag、Mn、Hg、Os、Ru、Ir、Rh、V etc.)利用利用luminol與過氧化氫的反應(yīng)可測(cè)酶促反應(yīng)的底物，如與過氧