熒光和磷光分析法

1、4/26/2022 第九章 第一節(jié) 分子熒光與磷光分析法molecular fluorescence and phosphorescencemolecular fluorescence and phosphorescence4/26/2022光制發(fā)光的基本原理 當物質(zhì)的分子吸收適當?shù)牡妮椛洌瑥碾娮踊鶓B(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)后，會以輻射（發(fā)光）的形式釋放出部分能量回到基態(tài)，這種發(fā)光稱為光制發(fā)光。最常見的兩種光制發(fā)光現(xiàn)象的是熒光和磷光。4/26/2022一、熒光與磷光的產(chǎn)生過程 luminescence process of molecular fluorescence phosphorescence 由分

2、子結構理論，主要討論熒光及磷光的產(chǎn)生機理。1. 1. 分子能級與躍遷分子能級與躍遷 分子能級比原子能級復雜； 在每個電子能級上，都存在振動、轉(zhuǎn)動能級； 基態(tài)(S0)激發(fā)態(tài)(S1、S2、激發(fā)態(tài)振動能級)：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； 第一、第二、電子激發(fā)單重態(tài) S1 、S2 ； 第一、第二、電子激發(fā)三重態(tài) T1 、 T2 ；4/26/20222.電子激發(fā)態(tài)的多重度 電子激發(fā)態(tài)的多重度：M=2S+1 S為電子自旋量子數(shù)的代數(shù)和(0或1)； 平行自旋比成對自旋穩(wěn)定(洪特規(guī)則)，三重態(tài)能級比相應單重態(tài)能級低；

3、 大多數(shù)有機分子的基態(tài)處于單重態(tài)； S0T1 禁阻躍遷；通過其他途徑進入(見能級圖)；進入的幾率??； 4/26/20222.激發(fā)態(tài)基態(tài)的能量傳遞途徑 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，通過輻射躍遷躍遷(發(fā)光發(fā)光)和無輻射躍遷等方式失去能量；和無輻射躍遷等方式失去能量；傳遞途徑傳遞途徑輻射躍遷熒光延遲熒光磷光內(nèi)轉(zhuǎn)移外轉(zhuǎn)移系間跨越振動弛預無輻射躍遷 激發(fā)態(tài)停留時間短、返回速度快的途徑，發(fā)生的幾率大，發(fā)光強度相對大；熒光熒光：10-710 -9 s,第一激發(fā)單重態(tài)單重態(tài)的最低振動能級基態(tài)；磷光磷光：10-410s；第一激發(fā)三重態(tài)三重態(tài)的最低振動能

4、級基態(tài)；4/26/2022S2S1S0T1吸吸收收發(fā)發(fā)射射熒熒光光發(fā)發(fā)射射磷磷光光系間跨越內(nèi)轉(zhuǎn)換振動弛豫能量l l 2l l 1l l 3 外轉(zhuǎn)換l l 2T2內(nèi)轉(zhuǎn)換振動弛豫4/26/2022非輻射能量傳遞過程 振動弛豫振動弛豫：同一電子能級內(nèi)以熱能量交換形式由高振動能級至低相鄰振動能級間的躍遷。發(fā)生振動弛豫的時間10 -12 s。 內(nèi)轉(zhuǎn)換內(nèi)轉(zhuǎn)換：同多重度電子能級中,等能級間的無輻射能級交換。 通過內(nèi)轉(zhuǎn)換和振動弛豫，高激發(fā)單重態(tài)的電子躍回第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動能級。 外轉(zhuǎn)換外轉(zhuǎn)換：激發(fā)分子與溶劑或其他分子之間產(chǎn)生相互作用而轉(zhuǎn)移能量的非輻射躍遷； 外轉(zhuǎn)換使熒光或磷光減弱或“猝滅”。系間跨越系間

5、跨越：不同多重態(tài),有重疊的轉(zhuǎn)動能級間的非輻射躍遷。 改變電子自旋，禁阻躍遷，通過自旋軌道耦合進行。4/26/2022輻射能量傳遞過程 熒光發(fā)射熒光發(fā)射：電子由第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動能級基態(tài)（ 多為 S1 S0躍遷），發(fā)射波長為 l 2的熒光； 10-710 -9 s 。 由圖可見，發(fā)射熒光的能量比分子吸收的能量小，波長長； l 2 l 2 l 1 ； 磷光發(fā)射磷光發(fā)射：電子由第一激發(fā)三重態(tài)的最低振動能級基態(tài)（ T1 S0躍遷）； 電子由S0進入T1的可能過程：（ S0 T1禁阻躍遷） S0 激發(fā)振動弛豫內(nèi)轉(zhuǎn)移系間跨越振動弛豫 T1 發(fā)光速度很慢： 10-4100 s 。 光照停止后，可持續(xù)一

6、段時間。4/26/2022二、激發(fā)光譜與熒光(磷光)光譜 excitation spectrum and fluore-scence spectrum 熒光(磷光)：光致發(fā)光，照射光波長如何選擇？1.1.熒光熒光( (磷光磷光) )的激發(fā)光譜曲線的激發(fā)光譜曲線 固定測量波長(選最大發(fā)射波長),化合物發(fā)射的熒光(磷光)強度與照射光波長的關系曲線 （圖中曲線I ） 。 激發(fā)光譜曲線的最高處，處于激發(fā)態(tài)的分子最多，熒光強度最大；4/26/20222.熒光光譜(或磷光光譜) 固定激發(fā)光波長(選最大激發(fā)波長), 化合物發(fā)射的熒光(或磷光強度)與發(fā)射光波長關系曲線(圖中曲線II或III)。4/26/202

7、2200260320380440500560620熒光激發(fā)光譜熒光激發(fā)光譜熒光發(fā)射光譜熒光發(fā)射光譜磷光光譜磷光光譜室溫下菲的乙醇溶液熒（磷）光光譜室溫下菲的乙醇溶液熒（磷）光光譜4/26/20223.激發(fā)光譜與發(fā)射光譜的關系 a.Stokesa.Stokes位移位移 激發(fā)光譜與發(fā)射光譜之間的波長差值。發(fā)射光譜的波長比激發(fā)光譜的長，振動弛豫消耗了能量。 b. .發(fā)射光譜的形狀與激發(fā)波長無關發(fā)射光譜的形狀與激發(fā)波長無關 電子躍遷到不同激發(fā)態(tài)能級，吸收不同波長的能量(如能級圖l 2 ,l 1)，產(chǎn)生不同吸收帶，但均回到第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動能級再躍遷回到基態(tài)，產(chǎn)生波長一定的熒光(如l 2 )。 c

8、. . 鏡像規(guī)則鏡像規(guī)則 通常熒光發(fā)射光譜與它的吸收光譜（與激發(fā)光譜形狀一樣）成鏡像對稱關系。 4/26/2022鏡像規(guī)則的解釋 基態(tài)上的各振動能級分布與第一激發(fā)態(tài)上的各振動能級分布類似； 基態(tài)上的零振動能級與第一激發(fā)態(tài)的二振動能級之間的躍遷幾率最大，相反躍遷也然。 4/26/2022200250300350400450500熒光激發(fā)光譜熒光激發(fā)光譜熒光發(fā)射光譜熒光發(fā)射光譜nm蒽的激發(fā)光譜和熒光光譜蒽的激發(fā)光譜和熒光光譜4/26/2022三、熒光的產(chǎn)生與分子結構的關系 relation between fluorescence and molecular structure 1. 1.分子產(chǎn)生

9、熒光必須具備的條件分子產(chǎn)生熒光必須具備的條件（1）具有合適的結構；（2）具有一定的熒光量子產(chǎn)率。 熒光量子產(chǎn)率（）：吸收的光量子數(shù)發(fā)射的光量子數(shù) 熒光量子產(chǎn)率與激發(fā)態(tài)能量釋放各過程的速率常數(shù)有關，如外轉(zhuǎn)換過程速度快，不出現(xiàn)熒光發(fā)射；4/26/20222.化合物的結構與熒光（1）躍遷類型：* 的熒光效率高，系間跨越過程的速率常數(shù)小，有利于熒光的產(chǎn)生；（2）共軛效應：提高共軛度有利于增加熒光效率并產(chǎn)生紅移（3）剛性平面結構：可降低分子振動，減少與溶劑的相互作用，故具有很強的熒光。如熒光素和酚酞有相似結構，熒光素有很強的熒光，酚酞卻沒有。（4）取代基效應：芳環(huán)上有供電基，使熒光增強。4/26/202

10、24/26/2022四、影響熒光強度的因素 relation between fluorescence and molecular structure 影響熒光強度的外部因素1、光源強度、光源強度 熒光光譜儀在工作一段時間后光源強度會逐漸減弱熒光光譜儀在工作一段時間后光源強度會逐漸減弱，使熒光強度下降，使熒光強度下降2 2、樣品濃度、樣品濃度 樣品濃度過大時，激發(fā)態(tài)分子發(fā)射的熒光被周圍基態(tài)樣品濃度過大時，激發(fā)態(tài)分子發(fā)射的熒光被周圍基態(tài)分子吸收，發(fā)生內(nèi)濾光效應，濃度增加熒光強度反而下降。分子吸收，發(fā)生內(nèi)濾光效應，濃度增加熒光強度反而下降。4/26/2022 3.3.溶劑的影響溶劑的影響 除一般溶

11、劑效應外，溶劑的極性、氫鍵、配位鍵的形成都將使化合物的熒光發(fā)生變化； 4.4.溫度的影響溫度的影響 熒光強度對溫度變化敏感，溫度增加，外轉(zhuǎn)換去活的幾率增加。 5. 5. 溶液溶液pHpH 對酸堿化合物，溶液pH的影響較大，需要嚴格控制；4/26/20226.內(nèi)濾光作用和自吸現(xiàn)象 自吸現(xiàn)象自吸現(xiàn)象：化合物的熒光發(fā)射光譜的短波長端與其吸收光譜的長波長端重疊，產(chǎn)生自吸收；如蒽化合物。 內(nèi)濾光作用內(nèi)濾光作用：溶液中含有能吸收激發(fā)光或熒光物質(zhì)發(fā)射的熒光，如色胺酸中的重鉻酸鉀；4/26/20227.溶液熒光的猝滅 碰撞猝滅； 氧的熄滅作用等。4/26/2022測定步驟 （1） 繪制激發(fā)光譜和發(fā)射光譜，根據(jù)光譜曲線確定最大激發(fā)波繪制激發(fā)光譜和發(fā)射光譜，根據(jù)光譜曲線確定最大激發(fā)波長和最大發(fā)射波長作為工作波長。如果溶液中有干擾物質(zhì)長和最大發(fā)射波長作為工作波長。如果溶液中有干擾物質(zhì)存在，則可以通過選擇合適的激發(fā)和發(fā)射波長提高測定的存在，則可以通過選擇合適的激發(fā)和發(fā)射波長提高測定的選擇性。選擇性。 （2 2） 確定適宜的分析條件：溶劑、試劑濃度、確定適宜的分析條件：溶劑、試劑濃度、PHPH、