分子荧光光谱法

f
ex /nm
em /nm
苯
0.11
205
278
萘
0.29
286
310
蒽
0.46
365
400
线状环结构比非线状
菲
结构的荧光波长长
350
• 芳香族化合物因具有共轭的不饱和体系， 多数能发生荧光 • 多环芳烃是重要的环境污染物，可用荧光 法测定 • 3，4 - 苯并芘是强致癌物
ex = 386 nm em = 430 nm
系间窜跃（ISC）—不同的多重态之间的转换 S-T
振动驰豫（VR）—同一电子能级中，从较高振动 能级到较低振动能级的过程
外部转移—指激发态分子与溶剂分子或溶质分子的 相互作用及能量转移，使荧光或磷光强度减弱或消 灭
发转生换系困间 难窜跃电子需转向，S1—T1间进行，比内部
VR S2
反式：平面构型 强荧光体
（三）金属螯合物的荧光
大多数无机盐类金属离子，不能产生荧光，但某
些螯合物都能产生很强的荧光，可用于痕量金属 离子的测定
不少有机配体是弱荧光体 或不发荧光，但与Mn+形
成螯合物后变为平面构型，就会使荧光加强或产 生荧光
例：8-羟基喹啉为弱荧光体，与Mn+— Al3+、Mg2+ 形成螯合物后，能形成刚性结构，荧光加强
应用最广泛的一种光 源，可发射250~800nm
很强的连续光源
2、单色器
荧光计用滤光片作单色器，荧光计只能用于定量 分析，不能获得光谱
大多数荧光光度计一般采用两个光栅单色器，有
较高的分辨率，能扫描图谱，既可获得激发光谱， 又可获得荧光光谱
第一单色器作用：分离出所需要的激发光，选择
最佳激发波长 光物质 ex
浓度高时， If与C不呈线形关系，有时C增大， If 反而降低因为有时发生荧光猝灭效应
荧光猝灭
——荧光物质与溶剂或其它物质之间 发生化学反应，或发生碰撞后使荧光强度 下降或荧光效率f 下降称为荧光猝灭。 使荧光强度降低的物质称为荧光猝灭剂
氧分子及产生重原子效应的溴化物、碘化 物等都是常见的荧光猝灭剂
- SO3H等
三、环境对荧光的影响
1. 溶剂的影响 同一荧光物质在不同的溶剂中可能表现出
不同的荧光性质 一般来说，溶剂的极性增强，荧光波长长移，
荧光强度增大
2. 温度的影响——低温下测定，提高灵敏度 因为辐射跃迁的速率基本不随温度变，而
非辐射跃迁随温度升高显著增大。大多数荧光 物质都随溶液温度升高荧光效率下降，荧光强 度减弱。
（一）荧光效率 荧光强度常用荧光量子效率φf 来描述
发荧光的分子数
荧光量子效率 f = 激发态分子总数
质f发是射一荧个光物的质能荧力光，特性f的越重大要，参荧数光，越反强映，了在荧0~光1之物间
一般情况，有机芳香族化合物及金属离子配合物是 最强最有用的荧光体
（二）荧光与有机化合物结构的关系
较高激发态
吸收能
光辐射
量受激
退激
基态
分子在退激过程中以光辐射形式释放能量
根据分子受激时所吸收能源及辐射光的机理不同分 为以下几类：
荧光—荧光分析法
光致发光：以光源来激发而发光 磷光—磷光分析法
电致发光：以电能来激发而发光—原子发射光谱法 生物发光：以生物体释放的能量激发而发光 化学发光：以化学反应能激发而发光—化学发光分析
比较容易排除其它物质的干扰，选择性好
3. 实验方法简单
4. 待测样品用量少；仪器价格适中；测定范围较广
具发光强度可定量测定许多痕量的无机物和有机物， 广泛应用在生物化学、分子生物学、免疫学及农牧 产品分析、环境分析等领域。
荧光法比磷光法应用广泛，不如分光光度法
2. 荧光光谱法
一、荧光光谱的产生 具有不饱和基团的基态分子光照后，价电子跃迁
I
固定em 荧光波长
获得方法：先把第二单色器的波 长固定，使测定的em不变，改变 第一单色器波长，从200~700 nm
扫描，让不同波长的光照在荧光
物质上，测定它的荧光强度，以I
为纵坐标， ex为横坐标得左图， 即荧光物质的激发光谱
ex
从曲线上找出ex，实际上选波长较长的高波长峰
固定 ex 激发光波长 I
基态单重态 S0
S0, S1, S2, S3分别代表基态, 第一, 二, 三激发单重态
单重态分子具有抗磁性，激发态的平均寿命约为10-8
若分子中电子跃迁过程中伴随着自旋方向的改变， 由基态单重态→激发三重态，净自旋 0。这种跃 迁为禁阻跃迁
第一激发三重态 T1 基态单重态 S0
自旋平行
T1、T2、T3分别表示第一、二、三激发三重态
ISC T1
S0
S0
吸光 吸光 荧光
图5-1 分子荧光光谱产生过程示意图
二、荧光与分子结构的关系
了解荧光与分子结构的关系，可以预测哪些物质能产 生荧光，在什么条件下产生，以及发射的荧光有什么 特征以便更好地运用荧光分析技术，采取一些措施把 不发荧光的物质产生荧光，即把非荧光体变成荧光体， 弱荧光体变成强荧光体
荧光是相同多重态间的允许跃迁，产生速度快， 10-9~10-6s，又叫快速荧光或瞬时荧光，外部光源停 止照射，荧光马上熄灭
无论开始电子被激发至什么高能级，它都经过无辐 射荧去光激波消长耗比能激量发后光到波长S1的长最。低振荧动>能激 级，发射荧光，
VR S2
IC VR
S1
VR：振动驰豫 IC：内部转换 ISC：系间窜跃
（一）定量分析方法
定量分析依据
If = KC
1. 标准曲线法——最常用的定量分析方法
OH N
M OH
N
（四）取代基的类型
——取代基对荧光物质的荧光特征和 强度也有很大影响。分成三类：
（1）增强荧光的取代基 —— 有 -OH、-
OR、 -NH2、-NHR、-NR2等给电子基团 由于基团的 n 电子（孤对电子）的电子云与
苯环上的 轨道平行，共享了共轭 电子， 扩大了共轭体系，使荧光波长长移，荧光强 度增强
实验一 分子荧光光谱法
分子荧光分析法的基本原理
介绍荧光光谱的产生、主要影响因素、荧光强度 与被测物质之间的关系
荧光分析仪器
分子荧光定量分析
1. 概述
一、分子发光分析法及其分类
某些物质的分子吸收一定能量后，电子从基态跃 迁到激发态，以光辐射的形式从激发态回到基态， 这种现象称为分子发光，在此基础上建立起来的 分析方法为分子发光分析法
①两个单色器
检测器
②检测器与激发光互成直角
放大器及记录器
1、光源
激发光源一般要求比吸收测量中的光源有更大的 发射强度；适用波长范围宽
荧光计中，常使用卤钨灯作光源 荧光光度计中常用高压汞灯和氙弧灯
利用汞蒸气放电发光的
光源；常用其发射365 nm、 405 nm、 436 nm 三条谱线
以365 nm 的谱线最强
ex
，用此激发光激发液池内的荧
第二单色器作用：滤掉一些杂散光和杂质所发射
的干扰光，用来选择测定用的荧光波长 选定的 em 下测定荧光强度，定量分析
em。
在
3、样品池 盛放测定溶液，通常是石英材料的方形池，四面
都透光，只能用手拿棱或最上边
4、检测器 把光信号转化成电信号, 放大, 直接转成荧光强度
（2）减弱荧光的取代基 ——-COOH 、 -NO2 、
-COOR 、-NO、-SH 吸电子基团, 使荧光波长短 移，荧光强度减弱
• 芳环上被F、Cl、Br、I 取代后，使系间窜跃加强， 磷光增强，荧光减弱。其荧光强度随卤素原子量 增加而减弱，磷光相应增强，这种效应为重原子 效应。
（3）影响不明显的取代基 —— -NH3+、-R、
法源自文库
二、分子荧光分析法的特点
1. 灵敏度高 荧光强度随激发光强度增强而增强（提高激发光
强度，可提高荧光强度
激发
激发光
物质
强 发射荧光 强
采用高灵敏度的检测系统可大大提高
灵敏度，检测限荧光分析法比分光光度法 低2~4个数量级
2. 选择性好
不同的物质用不同的光进行激发，选择不同的激发 光波长
不同的物质发射的荧光不同，选择不同的检测荧光 波长
物质只有吸收了紫外可见光，产生 *，n * 跃迁，产生荧光
*与n *跃迁相比，摩尔吸收系数大102~103， 寿命短
*跃迁常产生较强的荧光， n *跃迁产生的 荧光弱
1. 共轭体系——有较强的荧光
具有共轭体系的芳环或杂环化合物， 电子共轭 程度越大，越易产生荧光; 环越多，共轭程度越 大，产生荧光波长越长，发射的荧光强度越强
IC VR
S1
VR：振动驰豫 IC：内部转换 ISC：系间窜跃
ISC T1
S0
S0
吸光 吸光
3. 荧光光谱的产生—辐射去激

处于S1或T1态的电子返回S0态时，伴随有发光现 象，这种过程叫辐射去激
（1）荧光：
S1或T1 发光 S0
态当S0电各子振从动第能一级激所发产单生重的态光S辐1的射最叫低荧振光动能级回到基
产生荧光 基态分子 光照激发 价电子跃迁到激发态
去激发光 * * n
基态
在光致激发和去激发光的过程中，分子中 的价电子（ 、n电子）处于不同的自旋状 态，通常用电子自旋状态的多重性来描述
1. 电子自旋状态的多重性
大多数分子含有偶数电子，基态分子每一个轨道 中两个电子自旋方向总是相反的 ，处于基态单 重态。用 “S0” 表示 ；当物质受光照射时，基态 分子吸收光能产生电子能级跃迁，由基态跃迁至 更高的单重态，电子自旋方向没有改变，净自旋 = 0 .这种跃迁是符合光谱选律的 第一激发单重态 S1
碰撞猝灭—— M +激 → M* M* + Q → M + Q +热
自熄灭——荧光物质发射的荧光被荧光物 质的基态分子所吸收，即自吸收现象
五、荧光分析仪器
（一）荧光分析仪器——主要由光源、单色器、 液槽、检测器和显示器组成
光源
I0
I
第一单色器
液池
检测器
ex 第二单色器 em
与分光光度计有两点不同
em
获得方法：先把第一 单色器的波长固定， 使激发的ex不变，改 变第二单色器波长， 让不同波长的光扫描， 测定它的发光强度， 以I 为纵坐标， em为 横坐标得左图，即荧 光物质的发射光谱
从曲线上找出最 大的 em
从图中看出 磷＞ 荧＞ 激
吸收峰 荧光峰
磷光峰
图
六、 荧光分析及应用
例：—苯酚
_
OH
O
无荧光
有荧光
另外，表面活性剂也会影响荧光强度和特性
四、荧光强度与荧光物质浓度的关系
用强度为I0的入射光，照射到液池内的荧光物质 时，产生荧光，荧光强度If 用仪器测得，在荧光 浓度很稀 (A<0.05)时，荧光物质发射的荧光强度If 与浓度有下面的关系： If=KC
荧光强度与物质浓度呈线形关系，If=KC只有在 浓度低时使用，荧光物质测定的是微量或痕量组 分，灵敏度高
3. pH的影响
大多数含有酸性或碱性基团的芳香族化合物的荧 光性质受溶液pH的影响很大
共轭酸碱对是具有不同荧光性质的两种型体，具 有各自的荧光效率和荧光波长
例： 苯酚
OH _
OH H+
_ O
离子化后， 荧光消失
pH≈1有 荧光
pH≈13 无荧光
但两个苯环相连的化合物，又表现出相反的性质， 分子形式无荧光，离子化后显荧光
2. 刚性平面结构—较稳定的平面结构 具有强荧光的分子多数有刚性平面结构
-o
o
o
-o
o
coo -
coo -
荧光素：氧桥把两 个环固定在一个平 面上，具有平面结 构，强荧光物质
酚酞：无氧桥把两 个环固定，不能很 好的共平面，为非 荧光物质
例 1，2 - 二苯乙烯
H
H
C=C
H C=C H
顺式：非平面构型 非荧光体
三重态分子具有顺磁性，激发态的平均寿命约为 10-4~1S
分子中电子受激跃迁到激发态后，处于激发态的分 子是不稳定的，去激返回到较低激发态或基态时有 两种方式：无辐射去激和辐射去激
2. 无辐射去激——不伴随发光现象的过程叫无辐射去 激，体系内的多余的能量以热的形式释放。包括：
内部转换（IC）—相同的多重态之间的转换 S-S
荧光的强度一般较弱，要求检测器有较高的灵敏 度，荧光光度计采用光电倍增管
荧光分析比吸收光度法具有高得多的灵敏度，是 因为荧光强度与激发光强度成正比，提高激发光 强度可 大大提高荧光强度
5、读出装置
记录仪记录或打印机打印出结果，扫描激发光谱 和发射光谱
（二）激发光谱和荧光光谱
荧光为光致发光，合适的激发光波长需根据激发光 谱确定——激发光谱是在固定荧光波长下，测量荧 光体的荧光强度随激发波长变化的光谱