第7章分子发光分析法

第7章分子发光分析法

7.1 内容提要

7.1.1 基本概念

分子发光分析法——分子吸收一定的能量跃迁到较高的电子激发态后，在返回基态的过程中伴随有光辐射，这种现象称为分子发光，以此建立起来的分析方法称为分子发光分析法。

光致发光——物质吸收光能而激发发光的现象，称为光致发光。

电致发光——物质吸收电能而激发发光的现象，称为电致发光。

化学发光——物质若吸收化学反应能激发发光，称为化学发光。

生物发光——发生在生物体内有酶类物质参与的化学发光称为生物发光。

单重态——一个所有电子自旋都配对的分子的电子态称为单重态，用“S”表示。

三重态——在激发态分子中，两个价电子自旋平行的电子态称为三重态，用“T”表示。

图7-1 单重态系三重态激发示意图

无辐射跃迁——当激发态分子返回基态时，如果不伴随发光现象，则此过程称为无辐射去激或无辐射跃迁。它包括：振动驰豫、内转换和系间窜跃。

振动驰豫——同一电子能级内，激发态分子以热能交换形式将多余的能量传递给周围的分子，并由高能级回到低能级的跃迁，称为振动驰豫。

内转换——同一多重态的不同电子能级间发生的无辐射跃迁称为内转换（或内转移）。

系间窜跃——不同多重态之间的无辐射跃迁称为系间窜跃。

分子荧光——分子从S

1态的最低振动能级跃迁至S

态各振动能级时

所产生的辐射光称为分子荧光。

图7-2分子荧光、磷光光谱产生过程示意图

斯托克斯位移——分子发射荧光的波长总比激发光长，能量比激发光小，这种现象称为斯托克斯位移。

分子磷光——当受激分子降至S

1

的最低振动能级后，如果经系间窜

跃至T

1态，并经T

1

态的最低振动能级回到S

态的各振动能级，此过程辐

射的光称为分子磷光。

延迟荧光——某些物质的分子跃迁至T1态后，因相互碰撞或通过激活作用又回到S1态，经振动驰豫(VR)到达S1态的最低振动能级再发射荧光，这种荧光称为延迟荧光，也叫慢速荧光。

荧光激发光谱——固定发射光（第二单色器）波长，改变第一单色器（激发光）波长，获得以激发光波长为横坐标，荧光发射光强度为纵坐标的谱图，即为荧光激发光谱。

荧光发射光谱——固定激发光（第一单色器）波长，使激发光波长和强度保持不变，然后改变第二单色器（荧光发射）波长，从200～700nm 进行扫描，获得以发射光波长为横坐标，发射光强度为纵坐标的谱图，即为荧光发射光谱。

荧光猝灭——荧光分子与容剂或其他物质作用使荧光强度减弱的现象称为荧光猝灭，能使荧光强度降低的物质称为荧光猝灭剂。

瑞利散射光、拉曼散射光——溶剂分子吸收能量较低的光线后，不

足以使分子中的电子跃迁到较高的电子激发态，而只是上升到基态中较高的振动能级，如果在极短的时间内（10-15～10-12s）返回到原来的振动能级，发出与激发光波长完全相同的光称为瑞利散射光(Rayleigh scattering)。如果返回到稍高或稍低于原来的振动能级，则产生分布在瑞利线两边的稍长（红伴线）或稍短（蓝伴线）的拉曼散射光。

电生化学发光——靠电极过程诱发溶液的化学发光称为电生化学发光（ECL）。

重原子效应——荧光分子的芳环上被F，Cl，Br，I取代后，使系间窜跃加强，其荧光强度随卤素相对原子质量的增加而减弱，磷光相应增强，这种效应称为重原子效应。

7.1.2 基本内容

1.分子荧光激发光谱的特征

荧光物质的激发光谱反映了激发光波长与荧光强度之间的关系，为荧光分析选择最佳激发光提供依据。激发光谱具有以下特征：（1）第二单色器不论怎样改变固定波长，同一荧光物质激发光谱的性质在其他条件一定时并不改变，变化的只是曲线高低，即测定的灵敏度发生变化。（2）同一物质的最大激发波长与最大吸收波长一致，这是因为物质吸收具有特定能量的光而激发，吸收强度高的波长正是激发作用强的波长。

2.分子荧光光谱的特性

荧光光谱的形状与激发波长无关，由于分子无论被激发到高于S1的哪一个激发态，都经过无辐射的振动驰豫和内转换等过程，最终回到S1态的最低振动能级，然后产生分子荧光。因此，荧光光谱与荧光物质被激发到哪一个电子能级无关。

3.荧光量子产率φf

荧光量子产率φf反映了荧光物质发射荧光的能力，其值越大物质的荧光越强。

φf =发射的光子数/吸收的光子数

荧光物质的φf通常大于0小于1。

4.荧光强度的主要影响因素

（1）荧光强度与浓度荧光物质浓度很稀时，所发射的荧光相对强度I f可用下式表示：

'f f 0I K I kcL φ=

当测定体系和测定条件确定之后，'K ，f φ，0I 以及摩尔吸收系数k 和

液层厚度L 均为常数，设'f 0K K I kL φ=，则

f I Kc =

荧光分析是微量组分或痕量组分分析法，当荧光物质的浓度增至吸光度A (A =kcL )≥0.05时将产生显著的浓度效应，使荧光强度I f 与浓度c 的关系偏离线性。

（2）荧光与分子结构 通常，强荧光分子都有大的共轭π键结构、给电子取代基和刚性平面结构等，而饱和的化合物及只有孤立双键的化合物，不呈现显著的荧光。

（3）荧光猝灭 荧光猝灭分为静态猝灭和动态猝灭。静态猝灭的特征是基态荧光分子M 和猝灭剂Q 发生反应，生成非荧光性物质MQ ，使M 失去荧光特性：

M + Q MQ

动态猝灭的特征是激发态M *和Q 碰撞，发生能量或电子转移从而失去荧光性，或生成瞬时激发态复合物MQ *，使荧光分子M 的荧光猝灭。与静态猝灭不同，动态猝灭通常并不改变M 的吸收光谱。

λex M M * + Q MQ * MQ(无辐射跃迁)

MQ + λem (荧光)

（4）温度、酸度和溶剂的影响 温度降低，f φ和I f 均增大。荧光物质如果是弱酸或弱碱，pH 的改变会影响其形体分布和荧光强度，因此，可以用控制酸度的办法提高荧光分析的灵敏度和选择性。

溶剂的改变会使荧光物质的f φ发生变化，或导致其他副反应的发

生，既是有利因素也是不利因素。

（5）表面活性剂的影响 在水溶液中，当单体表面活性剂浓度增大到临界胶束浓度（CMC ）时，便会缔合为球状胶束，它的存在使荧光分子处在胶束溶液更有序的微环境中，对荧光质点起到了保护作用，降低了荧光猝灭和非辐射去激，使f φ明显增大。胶束增敏作用具有较强的

选择性。

5. 荧光分析仪器