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(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(yùn)動(dòng)狀態(tài)的量子數(shù)。根據(jù)PauliExclusionPrinciple，每個(gè)軌道上最多容納2個(gè)自旋方向相反的電子。s=+1/2or-1/2總自旋量子數(shù)：S=?si能級(jí)的多重性：2S＋1當(dāng)S＝0時(shí)，即2S＋1＝1，稱為單重態(tài)；當(dāng)S＝1/2時(shí)，即2S＋1＝2，稱為雙重態(tài)（只有一個(gè)電子）；當(dāng)S＝1時(shí)，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(jí)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(shù)分子含有偶數(shù)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(chǎn)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(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（10-14～10-12s內(nèi)完成）S2S0S1T1l2l1內(nèi)轉(zhuǎn)移（internalconversion)：相同多重性的兩個(gè)電子能級(jí)之間的非輻射躍遷內(nèi)轉(zhuǎn)移的特點(diǎn)（1）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；（3）分子無論被激發(fā)到哪一個(gè)電子激發(fā)態(tài)，在10-13～10-11s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；（4）So到S1的能級(jí)差較大，內(nèi)轉(zhuǎn)移的速率相對(duì)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(diǎn)（1）禁阻躍遷，發(fā)光速率慢，持續(xù)時(shí)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(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)移，使熒光或磷光強(qiáng)度減弱或消失的過程。S0S1T1l2l1外轉(zhuǎn)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(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，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)態(tài)分子數(shù)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(qiáng)度越大！以各種躍遷的速率常數(shù)（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(shù)；Ski表示其它非輻射躍遷過程的速率常數(shù)之和。一般而言，kf主要取決于分子結(jié)構(gòu)。而Ski

主要取決于化學(xué)環(huán)境。2、熒光與分子結(jié)構(gòu)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：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(shù)大，有利于熒光：p*

－p躍遷比p*－n強(qiáng)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(shù)小，有利于發(fā)熒光（2）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，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?。?）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(dāng)與Mg2+絡(luò)合后，為強(qiáng)熒光物質(zhì)。又如：紅色熒光滂鉻BBR，無熒光（4）取代基效應(yīng)（i）給電子的取代基：如－OH，－NH2，－NR2，－OR等，p-p共軛，使熒光增強(qiáng)。（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(zhì)。（iii）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)（重原子效應(yīng)）。（iv）空間取代基效應(yīng)Ff＝0.75Ff＝0.03扭轉(zhuǎn)離開了平面構(gòu)型，影響了p-p共軛作用（v）立體異構(gòu)現(xiàn)象無熒光強(qiáng)熒光3、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，溶劑的極性增強(qiáng)，熒光強(qiáng)度增大，熒光波長紅移。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(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)受pH的影響。如：無熒光藍(lán)色熒光再如：無熒光藍(lán)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(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，加速系間竄躍（幾率增大）所致。三、熒光強(qiáng)度與溶液濃度的關(guān)系以If表示熒光強(qiáng)度，以Ia表示吸收光的強(qiáng)度，根據(jù)熒光效率的定義，則:If＝Ff×IaIf＝Ff×（I0－I）I0為入射光強(qiáng)度，I為透射光強(qiáng)度。根據(jù)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(jí)數(shù)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(xiàng)可忽略：If＝Ff×I0×2.3A＝2.3FfI0A＝2.3FfI0

ebc當(dāng)I0一定時(shí)：If＝KC但在高濃度時(shí)，If＝KC不成立IfC原因：（1）高次項(xiàng)（2）自熄滅現(xiàn)象，自吸收現(xiàn)象（3）熒光猝滅：熒光物質(zhì)分子與溶劑或溶質(zhì)分子之間發(fā)生的導(dǎo)致熒光強(qiáng)度下降的物理化學(xué)過程叫熒光猝滅。熒光猝滅劑：如O2，溴化物，碘化物等。關(guān)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(jì)PMTRecorder五、熒光分析法的應(yīng)用1、無機(jī)化合物：間接測定60余種元素2、有機(jī)物的測定：如丙三醇，蒽，多環(huán)芳烴等六、化學(xué)發(fā)光分析法的簡介1、概述：某些物質(zhì)在進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)時(shí)，由于吸收了反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的化學(xué)能，而使反應(yīng)產(chǎn)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(shí)，便發(fā)出一定波長的光。這種吸收化學(xué)能使分子發(fā)光的過程稱為化學(xué)發(fā)光。利用化學(xué)發(fā)光反應(yīng)而建立起來的分析方法稱為化學(xué)發(fā)光分析法。DHMM*化學(xué)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(xué)發(fā)光分析的基本原理

化學(xué)發(fā)光是吸收化學(xué)反應(yīng)過程產(chǎn)生的化學(xué)能，而使反應(yīng)產(chǎn)物分子激發(fā)所發(fā)射的光。任何一個(gè)化學(xué)發(fā)光反應(yīng)都應(yīng)包括化學(xué)激發(fā)和發(fā)光兩個(gè)步驟，必須滿足如下條件：（1）化學(xué)反應(yīng)必須提供足夠的激發(fā)能，激發(fā)能主要來源于反應(yīng)焓，170～300KJ/mol。（2）反應(yīng)途徑要有利于激發(fā)態(tài)產(chǎn)物的形成，使化學(xué)反應(yīng)的能量至少能被一種物質(zhì)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(shí)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(xué)反應(yīng)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(xué)反應(yīng)的分子有多少發(fā)光？i、有多少參加化學(xué)反應(yīng)的分子被激發(fā)？定義：r為生成激發(fā)態(tài)分子的化學(xué)效率＝激發(fā)態(tài)分子數(shù)/參加反應(yīng)的分子數(shù)r取決于化學(xué)反應(yīng)，對(duì)于特定的反應(yīng)在一定的實(shí)驗(yàn)條件下化學(xué)效率為常數(shù)。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(shù)/激發(fā)態(tài)的分子數(shù)f的影響因素：（1）發(fā)光體本身的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)；（2）環(huán)境。iii、參加化學(xué)反應(yīng)的分子有多少發(fā)光？定義：cl為化學(xué)發(fā)光效率＝發(fā)射的光子數(shù)/參加反應(yīng)的分子總數(shù)cl＝rf最高效率為100％：生物發(fā)光化學(xué)發(fā)光的效率一般小于5％。化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度Icl化學(xué)發(fā)光反應(yīng)的發(fā)光強(qiáng)度Icl是以單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光子數(shù)表示。它與化學(xué)發(fā)光反應(yīng)的速率有關(guān)，而反應(yīng)速率又與反應(yīng)分子濃度有關(guān)。即：Icl（t）＝cl

dc/dtIcl（t）表示t時(shí)刻的化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度，dc/dt是分析物參加反應(yīng)的速率。對(duì)上式積分發(fā)光強(qiáng)度與分析物濃度成正比。也可以用峰高定量！3、化學(xué)發(fā)光反應(yīng)的基本類型按反應(yīng)體系的狀態(tài)分類，如化學(xué)發(fā)光反應(yīng)在氣相中進(jìn)行稱為氣相化學(xué)發(fā)光；在液相或固相中進(jìn)行稱為液相或固相化學(xué)發(fā)光；在兩個(gè)不同相中進(jìn)行則稱為異相化學(xué)發(fā)光。（1）氣相化學(xué)發(fā)光主要有O3、NO、S的化學(xué)發(fā)光反應(yīng)，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(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（luminol