chapter4分子發(fā)光-熒光與磷光

第四章分子熒光:MolecularFluorescence分子磷光:MolecularPhosphorescence分子發(fā)光-----熒光、磷光§4.1分子發(fā)光的基本原理第一次記錄熒光現(xiàn)象的是16世紀(jì)西班牙的內(nèi)科醫(yī)生和植物學(xué)家N.Monardes，1575年他提到在一種稱為“LignumNephriticum”的木頭切片的水溶液中，呈現(xiàn)了極為可愛的天藍(lán)色。直到1852年，Stokes在考察奎寧和葉綠素的熒光時(shí)，用分光光度計(jì)觀察到其熒光的波長比入射光的波長稍微長些，才判斷這種現(xiàn)象是這些物質(zhì)在吸收光能后重新發(fā)射不同波長的光，而不是由光的漫射作用所引起的，從而導(dǎo)入了熒光是光發(fā)射的概念，他還由發(fā)熒光的礦石“螢石”推演而提出“熒光”這一術(shù)語。1867年，Goppelsroder進(jìn)行了歷史上首次的熒光分析工作，應(yīng)用鋁—桑色素配合物的熒光進(jìn)行鋁的測定。20世紀(jì)以前，熒光的觀察是靠肉眼進(jìn)行的，直到1928年，才由Jette和West提出了第一臺(tái)熒光計(jì)。一.分子熒光與磷光的產(chǎn)生1.單重態(tài)與三重態(tài)單重態(tài)(S):

分子中全部軌道里的電子都是自旋成對(duì)的，即s=0,則M=1。S0:

基態(tài)單重態(tài)，S1:第一激發(fā)單重態(tài)，S2:

第二激發(fā)單重態(tài)三重態(tài)(T):

激發(fā)態(tài)分子中具有兩個(gè)自旋不成對(duì)的電子，即s=1,則M=3。T1：第一激發(fā)三重態(tài)，T2：第二激發(fā)三重態(tài)。T1基態(tài)激發(fā)態(tài)基態(tài)單重態(tài)激發(fā)單重態(tài)激發(fā)三重態(tài)S1S0

T1的能量低于S1的能量2.分子的活化與去活化S0S1T1S2外轉(zhuǎn)換內(nèi)轉(zhuǎn)換熒光系間竄躍磷光振動(dòng)弛豫２.無輻射躍遷的類型振動(dòng)弛豫:10-12sec外轉(zhuǎn)移:無輻射躍遷回到基態(tài)內(nèi)轉(zhuǎn)移:S2~S1系間竄躍:

S1~T1１.輻射躍遷的類型熒光：10-8sec磷光：10~10-4sec二.分子熒光(磷光)光譜1.熒光(磷光)激發(fā)光譜與發(fā)射光譜熒光(磷光)均為光致發(fā)光，在光輻射的作用下，熒光物質(zhì)發(fā)射出不同波長的熒光。A.激發(fā)光譜固定em=620nm(MAX)ex=290nm(MAX)固定發(fā)射波長掃描激發(fā)波長分子的激發(fā)光譜可能含有幾個(gè)激發(fā)帶，但發(fā)射光譜只含一個(gè)發(fā)射帶；即使分子被激發(fā)到高于S1的電子態(tài)，由于經(jīng)過極快的內(nèi)轉(zhuǎn)換和振動(dòng)弛豫降到S1電子態(tài)的最低振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，然后以輻射形式釋放能量回到基態(tài)。發(fā)射光譜的形狀與激發(fā)波長無關(guān)：固定激發(fā)波長掃描發(fā)射波長B.發(fā)射光譜(熒光光譜)ex=290nm(MAX)固定em=620nm(MAX)固定ex=290nm(MAX)em=620nm(MAX)C.激發(fā)光譜與發(fā)射光譜的鏡像關(guān)系S04321S143211→

41→

31→

21→11

→11

→21

→31

→4D.磷光光譜與發(fā)射光譜相同條件下的磷光光譜激發(fā)光譜發(fā)射光譜三維熒光光譜IF

∝f(λex

、λem)蒽的激發(fā)光譜固定發(fā)射波長、掃描激發(fā)波長IF

∝f(λex

、λem)蒽的發(fā)射光譜固定激發(fā)波長、掃描發(fā)射波長VB的三維熒光光譜1.熒光(磷光)的量子產(chǎn)率熒光量子產(chǎn)率的定義：kF、kp主要取決于熒光物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)；st系間跨越效率。ki主要取決化學(xué)環(huán)境，同時(shí)也與熒光物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)?！?.2分子熒光與磷光強(qiáng)度的影響因素磷光量子產(chǎn)率的定義：大多數(shù)的熒光物質(zhì)的量子產(chǎn)率在0.1~1之間；例如：0.05mol/L的硫酸喹啉，F(xiàn)=0.55；

熒光素F=1化合物F0.110.290.460.600.521.躍遷的類型二.熒光與有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)對(duì)于有機(jī)熒光物質(zhì):n→π*εmax＜

100平均壽命10-5~10-7secπ→π*

εmax≥104平均壽命10-7~10-9seckS→T小π*→π是有機(jī)化合物產(chǎn)生熒光的主要躍遷類型。強(qiáng)熒光的有機(jī)化合物具備下特征:①具有大的共軛π鍵結(jié)構(gòu)；②具有剛性的平面結(jié)構(gòu)；③具有最低的單重電子激發(fā)態(tài)S1為π*

→π型；④取代基團(tuán)為給電子取代基。2.共軛效應(yīng)

產(chǎn)生熒光的有機(jī)物質(zhì)，都含有共軛雙鍵體系，共軛體系越大，離域大π鍵的電子越容易激發(fā)，熒光與磷光越容易產(chǎn)生。化合物

λexmax(nm)205286365390580λemmax

(nm)278321400480640F0.110.290.460.600.523.剛性平面結(jié)構(gòu)熒光物質(zhì)的剛性和平面性增加，有利于熒光發(fā)射。芴F=1聯(lián)苯F=0.2不產(chǎn)生熒光產(chǎn)生熒光產(chǎn)生熒光不產(chǎn)生熒光F=0.92萘VAF(萘)=5F(VA)

熒光黃酚酞偶氮菲偶氮苯1）給電子取代基加強(qiáng)熒光4.取代基效應(yīng)—NH2，—NHR，—NR2，—OH，—OR，—CN產(chǎn)生n→π共軛二苯甲酮：弱熒光、強(qiáng)磷光S1→T1的系間竄躍產(chǎn)率接近1化合物苯苯酚苯胺苯基氰苯甲醚λemmax(nm)278~310285~365310~405280~390285~345相對(duì)熒光強(qiáng)度10182020202）得電子取代基減弱熒光、加強(qiáng)磷光—C=O，—COOH，—NO2不產(chǎn)生n→π共軛硝基苯：不產(chǎn)生熒光、弱磷光空間位阻對(duì)熒光發(fā)射的影響3）取代基的位置反式二苯乙烯強(qiáng)熒光物質(zhì)F=0.75F=0.03立體異構(gòu)體對(duì)熒光發(fā)射的影響順式二苯乙烯非熒光物質(zhì)4）電離效應(yīng)對(duì)熒光發(fā)射的影響OH-H+pH=1,有熒光pH=13,無熒光含有重原子的溶劑，由于重原子效應(yīng)熒光減弱、磷光增強(qiáng)。5.重原子取代基效應(yīng)—Cl，—Br，—IS1→T1的系間跨越由于重原子的存在增強(qiáng)化合物萘1-甲基萘1-氟萘1-氯萘1-溴萘1-碘萘λFmax(nm)315318316319320~λPmax(nm)470476473483484488P/F0.0930.0530.0685.26.4>10006.溶劑效應(yīng)在極性溶劑中：紅移:△

Eπ→π*

＞△

Eπ→π*無溶劑化作用有溶劑化作用藍(lán)移:△

En→π*

＜△

En→π*三.熒光的熄滅1.碰撞熄滅熒光熄滅：熒光分子與溶劑分子或其它溶質(zhì)分子相互作用引起熒光強(qiáng)度降低或消失的現(xiàn)象。熒光熄滅劑：這些引起熒光強(qiáng)度降低的物質(zhì)稱為熒光熄滅劑。相對(duì)速率

1K1[M*]K2[M*][Q]與分子的直徑、粘度、溫度等因素有關(guān)。激發(fā)發(fā)射熄滅hv分子內(nèi)能量轉(zhuǎn)移：再吸收過程：共振能量轉(zhuǎn)移：2.能量轉(zhuǎn)移熄滅氧分子是熒光、磷光的熄滅劑，沒有除氧，溶液中難以觀察到磷光3.氧的熄滅作用4.自熄滅與自吸收當(dāng)熒光物質(zhì)的濃度大于1g/L時(shí)，常發(fā)生熒光的自熄滅(濃度熄滅)自吸收：由于F<1，使熒光強(qiáng)度減弱或消失.形成二聚體：由于二聚體不發(fā)熒光，或發(fā)射熒光的能量有改變，造成自熄滅現(xiàn)象。四.分子熒光(磷光)強(qiáng)度與熒光物質(zhì)濃度的關(guān)系光吸收定律（Lambert–BeerLaw）相應(yīng)的吸光分?jǐn)?shù)為：熒光強(qiáng)度（IF）與相應(yīng)的吸光分?jǐn)?shù)成正比：按照級(jí)數(shù)展開式：對(duì)于稀溶液，當(dāng)bc<0.05（磷光bc<0.01）時(shí)：IF----熒光強(qiáng)度F-----熒光量子產(chǎn)率k--與儀器靈敏度有關(guān)的參數(shù)I0--入射光強(qiáng)度。IP----磷光強(qiáng)度P-----磷光量子產(chǎn)率b--吸收光程--摩爾吸光系數(shù)C--熒光物質(zhì)濃度§4.3熒光(磷光)分光光度計(jì)一.主要組成及部件的功能光源氙燈激發(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常用氣體放電燈類型：

氙燈光源高壓汞光源2.氙燈光源波長范圍：200~700nm工作壓力：5~20atm啟動(dòng)電壓：20~40KV使用壽命：1000~2000h最廣泛應(yīng)用的連續(xù)光源：

發(fā)射波長范圍寬發(fā)射光強(qiáng)度大3.高壓汞燈光源應(yīng)用廣泛的線光源：253.7296.5302.2312.6313.2365.0365.5366.3404.7435.8546.1557.0579.0(nm)光源樣品池激發(fā)濾光片檢測器數(shù)據(jù)處理儀器控制發(fā)射單色器三.單色器平面衍射光柵四.檢測器光電倍增管放大倍數(shù)：103~107，最大108~109五.樣品池：液池、熒光池1.樣品池的材料：石英2.樣品池的形狀：長方形，四面透光3.使用注意事項(xiàng)波長范圍容易破碎沾污問題六.磷光分光光度計(jì)1.光學(xué)系統(tǒng)與熒光分光光度計(jì)的區(qū)別光源樣品池激發(fā)單色器檢測器數(shù)據(jù)處理儀器控制發(fā)射單色器切光器（斬波器）熒光：10-8sec磷光：10~10-4sec2.樣品池與熒光分光光度計(jì)的區(qū)別通常情況下，樣品池需要放在盛液氮的石英杜瓦瓶內(nèi)，來測定低溫磷光?！?.４熒光分析法的應(yīng)用一.工作曲線法熒光熄滅工作曲線法FxFCsCx直接熒光標(biāo)準(zhǔn)曲線法FCsFxCx二.熒光分析法的靈敏度在紫外光照射下會(huì)發(fā)生熒光的無機(jī)化合物很少，主要依賴于有機(jī)試劑形成的螯合物。三.熒光分析的應(yīng)用1.無機(jī)化合物直接熒光測定法其中，較常測定的元素有：Be、Al、B、Ga、Se、Mg、Zn、Cd與某些稀土元素；測定的靈敏度有些可以達(dá)到10-10。

自從1867年Goppelsroder進(jìn)行了歷史上首次的熒光分析工作，應(yīng)用鋁—桑色素配合物的熒光進(jìn)行鋁的測定以來，采用有機(jī)試劑可以測定70多種元素。某些元素雖然不與有機(jī)試劑形成發(fā)熒光的配合物，但是它會(huì)與發(fā)熒光的配合物爭奪配位體，組成不發(fā)熒光的配合物，產(chǎn)生熒光熄滅，由熒光熄滅的強(qiáng)度測該元素的含量。較常測定的元素有：F、S、Fe、Ag、Co、Ni、Cu、Mo、W熒光熄滅測定法低溫?zé)晒鉁y定法溶液溫度的降低，顯著增強(qiáng)溶液的熒光強(qiáng)度。液氮－1960C較常測定的元素有：Cr、Nb、U、Te、Pb催化熒光測定法某些元素雖然與有機(jī)試劑形成發(fā)熒光的配合物，但是反應(yīng)速度慢，在某些微量元素的催化下，反應(yīng)速度會(huì)加快，在特定的時(shí)間內(nèi)可用來測定微量元素。常測定的元素有：Cu、Be、Fe、Co、Os、Ag、Au、Zn、Al、Ti、V、Mn、Er、H2O2、CN某些微量元素存在，會(huì)催化發(fā)熒光的配合物產(chǎn)生熒光熄滅，在特定的時(shí)間內(nèi)可用來測定微量元素。較常測定的元素有：Ce、Sm、Tb等稀土元素

Sb、V、Pb、Bi、Nb、Mn固體熒光測定法芳香族化合物存在共軛的不飽和體系，是有機(jī)化合物熒光測定的主要類型。２.有機(jī)化合物待測物試劑λe