第三章 荧光分析法

光致发光
物质因吸收光能而激发发光的现象. 物质因吸收光能而激发发光的现象.
荧光
当紫外光照射到某些物质的时候,这些物质会发射出 当紫外光照射到某些物质的时候, 各种颜色和不同强度的可见光,而当紫外线停止照射时, 各种颜色和不同强度的可见光,而当紫外线停止照射时, 所发射的光线也随之很快地消失,这种光线——荧光. 荧光. 所发射的光线也随之很快地消失,这种光线 荧光
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仪器: 仪器:
19世纪前,荧光观察靠肉眼. 19世纪前 荧光观察靠肉眼. 世纪前, 1928年,哲蒂(Jette)和维斯特(West)研制出第 1928年 哲蒂(Jette)和维斯特(West) (Jette)和维斯特(West)研制出第 一台光电荧光计. 一台光电荧光计. 如今,已有各式各样新型的荧光分析仪问世. 如今,已有各式各样新型的荧光分析仪问世.
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图3.1 荧光和磷光体系能级图
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外转换 激发分子通过与溶剂或其他溶质分子间的相互作用 和能量转换,使荧光或磷光强度减弱甚至消失的过 和能量转换, 外转换. 程称外转换 程称外转换. 这一现象称为"熄灭" 这一现象称为"熄灭"或"猝灭". 猝灭" 由较低的激发单重态及较低的三重态的非辐射跃迁 由较低的激发单重态及较低的三重态的非辐射跃迁 非辐射 可包含外转换,也可包含内转换. 可包含外转换,也可包含内转换.
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1867年,瑞士,高贝尔斯莱德(F.Goppelsr der)进行 1867年 瑞士,高贝尔斯莱德(F.Goppelsr der)进行 (F.Goppelsrder) 了首次的荧光分析工作,应用铝了首次的荧光分析工作,应用铝-桑色素配合物的荧光 进行铝的测定. 进行铝的测定. 1880年,莱伯曼(Liebeman)提出了最早关于荧光与化 1880年 莱伯曼(Liebeman)提出了最早关于荧光与化 (Liebeman) 学结构关系的经验法则. 学结构关系的经验法则. 19世纪末,人们已经知道了600种以上的荧光化合物. 19世纪末 人们已经知道了600种以上的荧光化合物. 世纪末, 600种以上的荧光化合物 20世纪以来,荧光现象的研究就更多了: 20世纪以来,荧光现象的研究就更多了: 世纪以来 1905年,伍德(Wood)发现共振荧光. 1905年 伍德(Wood)发现共振荧光. (Wood)发现共振荧光 1914年,弗兰克(Frank)和赫兹(Hertz)利用电子冲击 1914年 弗兰克(Frank)和赫兹(Hertz) (Frank)和赫兹(Hertz)利用电子冲击 发光进行定量研究. 发光进行定量研究. 1922年,Wawillous 进行荧光产率的绝对测定. 1922年 Waw 进行荧光产率的绝对测定. 1926年,盖维奥拉(Gaviola) 进行了荧光寿命的直接 1926年 盖维奥拉(Gaviola) 测定. 测定. ……
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系间跨越 不同多重度状态间的一种无辐射跃迁过程称为系间 不同多重度状态间的一种无辐射跃迁过程称为系间 无辐射跃迁过程称为 跨越. 跨越. 它涉及受激电子自旋状态的改变. 它涉及受激电子自旋状态的改变.如S1→ T1,使原 来两个自旋配对的电子不再配对, 来两个自旋配对的电子不再配对,这种跃迁一般是 禁阻的. 禁阻的. 但如果两个不同多重度电子能态的振动能层有 较大的重叠时则可能通过自旋—轨道耦合等作用使 较大的重叠时则可能通过自旋 轨道耦合等作用使 其实现. 其实现.
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发展史
理论: 理论:
第一次记录荧光现象:1575年,西班牙内科医生,植 第一次记录荧光现象:1575年 西班牙内科医生, 物学家莫纳德斯(N. )提到 提到: 物学家莫纳德斯(N. Monardes )提到:一种木头切片 的水溶液呈"可爱的天蓝色" 的水溶液呈"可爱的天蓝色". 17世纪,波义尔(Boyle)和牛顿(Newton)等再次观察到 17世纪 波义尔(Boyle)和牛顿(Newton) 世纪, (Boyle)和牛顿(Newton)等再次观察到 荧光现象并给予了更详细的描述. 荧光现象并给予了更详细的描述. 1852年,斯托克斯(G.G.Stokes)用分光光度计考察奎 1852年 斯托克斯(G.G.Stokes) (G.G.Stokes)用分光光度计考察奎 宁和叶绿素时发现: 斯托克斯定则), ),所 宁和叶绿素时发现:λ吸<λ荧(斯托克斯定则),所 以判断荧光是先吸光再发光,即荧光是发射光. 以判断荧光是先吸光再发光,即荧光是发射光.并且 根据发荧光的矿物"萤石" 荧光. 根据发荧光的矿物"萤石"→荧光. 此外他还研究了荧光强度与浓度之间的关系; 此外他还研究了荧光强度与浓度之间的关系;描述 了高浓度时及有外来物质存在时的荧光猝灭现象. 了高浓度时及有外来物质存在时的荧光猝灭现象. 他也是第一个提出应用荧光作分析手段的人. 他也是第一个提出应用荧光作分析手段的人.
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2.电子激发多重度 M 电子激发多重度
M = 2s + 1
电子自旋量子数代数和,数值为0 s: 电子自旋量子数代数和,数值为0或1.
单重态 分子轨道中的电子都是自旋配对的,自旋方向相反. 分子轨道中的电子都是自旋配对的,自旋方向相反. s=0,M=1 s=0, 用符号S 用符号S表示 三重态 电子跃迁过程中伴有自旋方向的改变 s=1,M=3 s=1, 用符号T 用符号T表示
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内转换 相同多重度等能态间的一种无辐射跃迁过程称为 相同多重度等能态间的一种无辐射跃迁过程称为 无辐射 内转换. 内转换. 当两个相同多重度电子能级的振动能层间有重叠 时,则可能发生电子由高能层电子激发态以无辐 射跃迁方式跃迁到低能层的电子激发态. 射跃迁方式跃迁到低能层的电子激发态.如由 S2 → S1 ,T2 → T1 . 时间10-13-10-11s 时间10 分子最初无论在哪一个激发单重态, 分子最初无论在哪一个激发单重态,都能通过振 动弛豫和内转换到达最低激发单重态(或三重态) 动弛豫和内转换到达最低激发单重态(或三重态) 的最低振动能层上. 的最低振动能层上.
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振动驰豫 当分子吸收光辐射后可能从基态的最低振动能层 =0)跃迁到激发态 跃迁到激发态S =i)的较高的振动能层 S0(ν=0)跃迁到激发态Sn(ν=i)的较高的振动能层 上去.然而在液相或压力足够高的气相中, 上去.然而在液相或压力足够高的气相中,分子间 碰撞的几率很大, 碰撞的几率很大,激发态分子可能将过剩的振动能 量以热的形式传递给周围的分子,而自身从S 量以热的形式传递给周围的分子,而自身从Sn或Tn 的高振动能层( =i)失活到该电子能级的最低振动 的高振动能层(ν=i)失活到该电子能级的最低振动 能层( =0)上 这一过程称为振动弛豫 振动弛豫( 能层(ν=0)上,这一过程称为振动弛豫(振动松 弛). 时间10 时间10-12s 即各振动能级间的小箭头. Sn或Tn的νi→ ν0 ,即各振动能级间的小箭头.
第三章
荧光分析法
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目录
§ 3-1 § 3-2 § 3-3 § 3-4 概述 荧光分析基本原理 荧光分析仪器 荧光分析方法及应用
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§3-1 概述
分子发光
某些物质的分子吸收一定能量跃迁到较高的电子激发 态后,在返回电子基态的过程中伴随有光辐射的现象. 态后,在返回电子基态的过程中伴随有光辐射的现象.
荧光分析已成为一种十分重要且有效的光 谱分析手段
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§3-2 荧光分析基本原理
一,荧光和磷光的产生
发光
室温下,大多数分子处在基态的最低振动能层. 室温下,大多数分子处在基态的最低振动能层. 处于基态的分子吸收能量(电能,热能, 处于基态的分子吸收能量(电能,热能,化学能或 光能等)后被激发,跃迁到激发态,激发态不稳定, 光能等)后被激发,跃迁到激发态,激发态不稳定, 分子将很快衰变到基态. 分子将很快衰变到基态.若返回到基态时伴随着光 子的辐射,这种现象称为"发光" 子的辐射,这种现象称为"发光".
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◆
原理: 原理: 1.分子能级 分子能级
每个分子具有一系列 严格分立的能级,称为电 严格分立的能级, 子能级, 子能级,而每个电子能级 中又包含一系列的振动能 层和转动能层. 层和转动能层. So:基态 S1:第一电子激发单重态 S2:第二电子激发单重态 T1:第一电子激发三重态 T2:第二电子激发三重态 =0,1,2,3…振动能层 ν=0,1,2,3 振动能层
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磷光发射 当从单重态到三重态的分子系间跨越跃迁发生后, 当从单重态到三重态的分子系间跨越跃迁发生后, 接着发生快速的振动弛豫而到达三重态的最低振动 能层上,当没有其他过程同它竞争时, 能层上,当没有其他过程同它竞争时,分子将发生 磷光跃迁回基态,这一过程称为磷光发射. 磷光跃迁回基态,这一过程称为磷光发射. 跃迁回基态 磷光发射 荧光与磷光的根本区别是 荧光与磷光的根本区别是: 根本区别 荧光:由激发单重态 单重态最低振动能层至基态各振动能 荧光:由激发单重态最低振动能层至基态各振动能 层的跃迁产生. 层的跃迁产生. 磷光:由激发三重态 三重态最低振动能层至基态各振动能 磷光:由激发三重态最低振动能层至基态各振动能 层的跃迁产生的. 层的跃迁产生的. E荧>E磷,λ荧<λ磷 时间10 时间10-4-10s
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二,激发光谱和发射光谱
任何荧光(磷光)化合物都具有两个特征光谱: 任何荧光(磷光)化合物都具有两个特征光谱:激发 特征光谱 光谱和发射光谱.它们是荧光(磷光) 光谱和发射光谱.它们是荧光(磷光)定性和定量分析的 基本参数和依据. 基本参数和依据.
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荧光发射 当分子处于单重激发态的最低振动能级S =0)时 当分子处于单重激发态的最低振动能级S1(ν=0)时, 单重激发态的最低振动能级 发射一个光子返回基态S 光子返回基态 发射一个光子返回基态S0(ν=i) ,这一过程称为 荧光发射. 荧光发射. 由于溶液中振动弛豫效率很高, 由于溶液中振动弛豫效率很高,它在荧光发射之前 和发射之后都可能发生. 和发射之后都可能发生.因此发射荧光的能量比分 子所吸收的能量要小, 子所吸收的能量要小,即荧光的特征波长比它所吸 收的特征波长要长. 收的特征波长要长. 时间10 时间10-9-10-7s 荧光多为S 跃迁. 荧光多为S1→ S0 跃迁.
激发光谱
选择:荧光和磷光都是光致发光,因此必须选择合适 选择:荧光和磷光都是光致发光, 的激发光波长,这可从它们的激发光谱曲线来确定. 激发光谱曲线来确定 的激发光波长,这可从它们的激发光谱曲线来确定. 绘制:固定测量波长(选荧光/磷光的最大发射波 绘制:固定测量波长(选荧光/ ),改变激发光的波长 测量荧光强度的变化, 改变激发光的波长, 长),改变激发光的波长,测量荧光强度的变化,以 激发光波长为横坐标,荧光强度为纵坐标作图, 激发光波长为横坐标,荧光强度为纵坐标作图,即得 到荧光(磷光)化合物的激发光谱. 到荧光(磷光)化合物的激发光谱.
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3.分子去活化 分子去活化 处在激发态的分子是不稳定的, 处在激发态的分子是不稳定的,它可能通过辐射跃迁和 非辐射跃迁等去活化过程返回基态,其中以速度最快, 非辐射跃迁等去活化过程返回基态,其中以速度最快,激发 态寿命最短的途径占优势.有以下几种基本的去活化过程. 态寿命最短的途径占优势.有以下几种基本的去活化过程. 振动驰豫 内转换 荧光发射 系间跨越 磷光发射 外转换