第五章分子發(fā)光分析法

第五章分子發(fā)光分析法前面一章我們學習了紫外－可見吸收光譜法，分子吸收紫外可見光發(fā)生電子能級的躍遷，那么躍遷之后的情況怎么樣？（如何弛豫？）一個途徑就是產生光輻射（發(fā)光）——熒光和磷光一、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道上的電子都有一套特有的描述其運動狀態(tài)的量子數。根據PauliExclusionPrinciple，每個軌道上最多容納2個自旋方向相反的電子。s=+1/2or-1/2總自旋量子數：S=?si能級的多重性：2S＋1當S＝0時，即2S＋1＝1，稱為單重態(tài)；當S＝1/2時，即2S＋1＝2，稱為雙重態(tài)（只有一個電子）；當S＝1時，即2S＋1＝3，稱為叁重態(tài)基態(tài)單重態(tài)S0基態(tài)雙重態(tài)D0基態(tài)基態(tài)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)激發(fā)單重態(tài)S1激發(fā)叁重態(tài)T1Multiplicities:S0-common,diamagnetic(notaffectedbyBfields)D0-unpairedelectron,manyradicals,twoequalenergystatesT1-rare,paramagnetic(affectedbyBfields)(T0-doesn'texist,notgroundstate)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)基態(tài)基態(tài)S0S1T1S2分子的電子能級示意圖注意:（1）沒有基態(tài)叁重態(tài)；（2）從S0到T1的躍遷是禁阻的；（3）Energy(S1)>Energy(T1)(differenceisenergyrequiredtoflipelectronspin)；（4）多數分子含有偶數電子，分子的電子基態(tài)多為單重態(tài)；（5）叁重態(tài)有順磁性。2、熒光的產生基態(tài)分子hv激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，如何回去？S2S0S1T1l2l1分子的吸收情況S2S0S1T1l2l1振動弛豫：在同一電子能級（激發(fā)態(tài)）…特點：無輻射；速率快（10-14～10-12s內完成）S2S0S1T1l2l1內轉移（internalconversion)：相同多重性的兩個電子能級之間的非輻射躍遷內轉移的特點（1）無輻射；（2）速率取決于兩個能級之間的能量差，相鄰單重激發(fā)態(tài)之間能級接近，振動能級常常發(fā)生重疊，內轉移很快；（3）分子無論被激發(fā)到哪一個電子激發(fā)態(tài)，在10-13～10-11s內經內轉移和振動弛豫都會躍遷到最低的電子激發(fā)態(tài)的最低振動能級上；（4）So到S1的能級差較大，內轉移的速率相對較小，故S1的壽命較長。S2S0S1T1l2l1l3熒光發(fā)射Fluorescencel1l2l3l3>l1>l2Onlyl3S2S0S1T1l2l1系間竄躍磷光發(fā)射l4IntersystemCrossingPhosphorescence磷光發(fā)射的特點（1）禁阻躍遷，發(fā)光速率慢，持續(xù)時間長10-4～100s；（2）從T1也有回到S1，然后S1到S0發(fā)出熒光，叫延遲熒光；（3）電子由S0到T1幾率極小，是禁阻躍遷。外轉移：指受激分子與溶劑或其它分子的相互作用及能量轉移，使熒光或磷光強度減弱或消失的過程。S0S1T1l2l1外轉移ExternalConversionS0S1T1l2l1系間竄躍l3延遲熒光二、熒光效率及其影響因素1、熒光效率：物質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，決定了物質能否發(fā)熒光。熒光效率指的是以輻射躍遷弛豫的分子數目占總激發(fā)態(tài)分子數目的比例。Ff＝Nfluoresence/Nexcited

（0.0～1.0）Ff越大，表示輻射躍遷的概率越大，發(fā)光強度越大！以各種躍遷的速率常數（熒光發(fā)射，VR，IC，isc等）來代替N表示Ff，得Ff＝kf/（kf+Ski）其中：kf表示熒光發(fā)射過程的速率常數；Ski表示其它非輻射躍遷過程的速率常數之和。一般而言，kf主要取決于分子結構。而Ski

主要取決于化學環(huán)境。2、熒光與分子結構的關系：物質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。（1）躍遷類型對熒光的影響：吸收光：n-p*，p-p*輻射光：p*－n，p*

－p（s）熒光什么情況下有利于熒光發(fā)射？（i）摩爾吸光系數大，有利于熒光：p*

－p躍遷比p*－n強1000倍；（ii）壽命短輻射光：p*

－p（10-7～10-9

s）p*－n（10-5～10-7

s）（iii）系間竄躍至叁重態(tài)的速率常數小，有利于發(fā)熒光（2）共軛效應對熒光的影響實驗證明：芳香族化合物易產生熒光，且共軛體系越大，p電子的離域性越強，越易被激發(fā)而產生熒光（熒光效率高。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再如：Ff:0.28Ff:0.68共軛體系增加，熒光效率增大！（3）熒光物質的剛性和共平面性增加，可使分子與溶劑或其它溶質分子的相互作用減?。赐廪D移能量損失減小），有利于熒光發(fā)射。例如：Ff:0.20Ff:1.0Fluorene（芴）再如：8－羥基喹啉（弱熒光），當與Mg2+絡合后，為強熒光物質。又如：紅色熒光滂鉻BBR，無熒光（4）取代基效應（i）給電子的取代基：如－OH，－NH2，－NR2，－OR等，p-p共軛，使熒光增強。（ii）吸電子的取代基：如－NO2，－COOH，－NO等使熒光減弱。如：苯胺>苯，而硝基苯為非熒光物質。（iii）鹵素取代基隨原子序數的增加，物質的熒光減弱，而磷光增強（重原子效應）。（iv）空間取代基效應Ff＝0.75Ff＝0.03扭轉離開了平面構型，影響了p-p共軛作用（v）立體異構現象無熒光強熒光3、環(huán)境因素對熒光的影響：（1）溶劑的極性：電子激發(fā)態(tài)比基態(tài)的極性大，溶劑的極性增強，熒光強度增大，熒光波長紅移。溶劑相對介電常數熒光峰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巰基喹啉在不同溶劑中的熒光峰和熒光效率（2）溫度：溫度升高，Kf不變，但非輻射躍遷的速率常數增大，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受pH的影響。如：無熒光藍色熒光再如：無熒光藍色熒光（4）表面活性劑：有利于熒光發(fā)射。（5）O2的存在：O2為順磁性分子，溶液中溶解氧的存在，常常導致熒光降低，甚至熄滅，這可能是處于單重激發(fā)態(tài)的熒光物質的分子相互作用，加速系間竄躍（幾率增大）所致。三、熒光強度與溶液濃度的關系以If表示熒光強度，以Ia表示吸收光的強度，根據熒光效率的定義，則:If＝Ff×IaIf＝Ff×（I0－I）I0為入射光強度，I為透射光強度。根據比爾定律：A＝logI0/I可得I＝I0×10-AI＝I0×10-A＝I0×10-ebcIf＝Ff×（I0－I）＝Ff×I0

（1－10-A）級數展開If＝Ff×I0

（2.3A－(-2.3A)2/2!－

(-2.3A)3/3!－…）若溶液的濃度很稀，A<0.05，則高次項可忽略：If＝Ff×I0×2.3A＝2.3FfI0A＝2.3FfI0

ebc當I0一定時：If＝KC但在高濃度時，If＝KC不成立IfC原因：（1）高次項（2）自熄滅現象，自吸收現象（3）熒光猝滅：熒光物質分子與溶劑或溶質分子之間發(fā)生的導致熒光強度下降的物理化學過程叫熒光猝滅。熒光猝滅劑：如O2，溴化物，碘化物等。關于自猝滅：碰撞熄滅和自吸收：M*＋M*MhnM自吸收四、熒光儀器：熒光光度計PMTRecorder五、熒光分析法的應用1、無機化合物：間接測定60余種元素2、有機物的測定：如丙三醇，蒽，多環(huán)芳烴等六、化學發(fā)光分析法的簡介1、概述：某些物質在進行化學反應時，由于吸收了反應時產生的化學能，而使反應產物分子激發(fā)至激發(fā)態(tài)，受激分子由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時，便發(fā)出一定波長的光。這種吸收化學能使分子發(fā)光的過程稱為化學發(fā)光。利用化學發(fā)光反應而建立起來的分析方法稱為化學發(fā)光分析法。DHMM*化學發(fā)光也發(fā)生于生命體系，這種發(fā)光稱為生物發(fā)光。螢火蟲發(fā)光2、化學發(fā)光分析的基本原理

化學發(fā)光是吸收化學反應過程產生的化學能，而使反應產物分子激發(fā)所發(fā)射的光。任何一個化學發(fā)光反應都應包括化學激發(fā)和發(fā)光兩個步驟，必須滿足如下條件：（1）化學反應必須提供足夠的激發(fā)能，激發(fā)能主要來源于反應焓，170～300KJ/mol。（2）反應途徑要有利于激發(fā)態(tài)產物的形成，使化學反應的能量至少能被一種物質所接受并生成激發(fā)態(tài)。（3）激發(fā)態(tài)分子躍遷回基態(tài)時要釋放光子，而不是以熱的形式釋放能量。問題：i、有多少參加化學反應的分子被激發(fā)？ii、是不是所有的激發(fā)態(tài)分子都發(fā)光？iii、綜合起來，參加化學反應的分子有多少發(fā)光？i、有多少參加化學反應的分子被激發(fā)？定義：r為生成激發(fā)態(tài)分子的化學效率＝激發(fā)態(tài)分子數/參加反應的分子數r取決于化學反應，對于特定的反應在一定的實驗條件下化學效率為常數。ii、是不是所有的激發(fā)態(tài)分子都發(fā)光？定義：f為激發(fā)態(tài)分子的發(fā)光效率＝發(fā)射的光子數/激發(fā)態(tài)的分子數f的影響因素：（1）發(fā)光體本身的結構和性質；（2）環(huán)境。iii、參加化學反應的分子有多少發(fā)光？定義：cl為化學發(fā)光效率＝發(fā)射的光子數/參加反應的分子總數cl＝rf最高效率為100％：生物發(fā)光化學發(fā)光的效率一般小于5％。化學發(fā)光強度Icl化學發(fā)光反應的發(fā)光強度Icl是以單位時間內發(fā)射的光子數表示。它與化學發(fā)光反應的速率有關，而反應速率又與反應分子濃度有關。即：Icl（t）＝cl

dc/dtIcl（t）表示t時刻的化學發(fā)光強度，dc/dt是分析物參加反應的速率。對上式積分發(fā)光強度與分析物濃度成正比。也可以用峰高定量！3、化學發(fā)光反應的基本類型按反應體系的狀態(tài)分類，如化學發(fā)光反應在氣相中進行稱為氣相化學發(fā)光；在液相或固相中進行稱為液相或固相化學發(fā)光；在兩個不同相中進行則稱為異相化學發(fā)光。（1）氣相化學發(fā)光主要有O3、NO、S的化學發(fā)光反應，可用于監(jiān)測空氣中的O3、NO、SO2、H2S、CO、NO2等。例如：NO＋O3＝NO2*＋O2，NO2*－－NO2＋hv（>600nm)CO(NO,SO2等）＋O－－CO2*CO2*－－CO2＋hv（300-500nm)靈敏度可測至1ppb（2）液相化學發(fā)光用于此類化學發(fā)光分析的發(fā)光物質有魯米諾（luminol