第十二章 化学发光分析

第十二章分子发光分析ChapterTwelve:MolecularLuminescenceAnalysis分子荧光:Fluorescence分子磷光:Phosphorescence第一节分子荧光和磷光molecularfluorescenceandphosphorescence第二节分子荧光和磷光分析法molecularfluorescenceandphosphorescenceanalysis第三节分子发光分析chemiluminescenceanalysis光谱分析原子光谱（略）分子光谱分子吸收UV-Vis（紫外-可见）IR（红外）分子发光光致发光其它发光形式如：化学发光等荧光、磷光(对光的吸收)第一节分子荧光和磷光历史：第一次记录荧光现象的是16世纪西班牙的内科医生和植物学家N.Monardes，他于1575年提到，在含有一种称为“LignumNephriticum”的木头切片的水溶液中，呈现出极为可爱的天蓝色。以后逐步有一些学者也观察和描述过荧光现象，但对其本质及含义的认识都没有明显的进展。直到1852年，对荧光分析法具有开拓性工作的Stokes在考察奎宁和绿色素的荧光时，用分光计观察到其荧光的波长比入射光的波长稍为长些，而不是由光的漫反射引起的，从而导入荧光是光发射的概念，并提出了“荧光”这一术语，他还研究了荧光强度与荧光物质浓度之间的关系，并描述了在高浓度或某些外来物质存在时的荧光猝灭现象。可以说，他是第一个提出应用荧光作为分析手段的人。1867年，Goppelsröde应用铝一桑色素配位化合物的荧光测定铝，这是历史上首次进行的荧光分析工作。一、荧光与磷光的产生过程luminescenceprocessofmolecularfluorescencephosphorescence由分子结构理论，主要讨论荧光及磷光的产生机理。1.分子能级与跃迁分子能级比原子能级复杂；在每个电子能级上，都存在振动、转动能级；基态(S0)→激发态(S1、S2、激发态振动能级)：吸收特定频率的辐射；量子化；跃迁一次到位；激发态→基态：多种途径和方式(能级图)；速度最快、激发态寿命最短的途径占优势；第一、第二、…电子激发单重态S1、S2…；第一、第二、…电子激发三重态T1、T2…；每个分子中都具有一系列严格分立相隔的能级，称为电子能极，而每个电子能级中又包含有一系列的振动能级和转动能级。分子中电子的运动状态除了电子所处的能级外，还包含有电子的多重态，用M=2S+1表示，S为各电子自旋量子数的代数和，其数值为0或1。根据Pauli不相容原理，分子中同一轨道所占据的两个电子必须具有相反的自旋方向，即自旋配对。若分子中所有电子都是自旋配对的，则S=0,M=1,该分子便处于单重态(或叫单重线)，用符号S表示。大多数有机化合物分子的基态都处于单重态。基态分子吸收能量后，若电子在跃迁过程中，不发生自旋方向的变化，这时仍然是M=1，分子处于激发的单重态；如果电子在跃迁过程中伴随着自旋方向的变化，这时分子中便具有两个自旋不配对的电子，即S=1,M=3，分子处于激发的三重态，用符号T表示。2.电子激发态的多重度电子激发态的多重度：M=2S+1S为电子自旋量子数的代数和(0或1)；处于分立轨道上的非成对电子，自旋平行要比自旋配对更稳定些(洪特规则)，三重态能级比相应单重态能级低；大多数有机分子的基态处于单重态；S0→T1禁阻跃迁；通过其他途径进入(见能级图)；进入的几率小；基态激发态单重态激发态三重态激发态平均寿命10-8sec激发态平均寿命10-4~1secS0S0S0S1T13.激发态→基态的能量传递途径电子处于激发态是不稳定状态，返回基态时，通过辐射跃迁(发光)和无辐射跃迁等方式失去能量；传递途径辐射跃迁荧光延迟荧光磷光内转移外转移系间跨越振动弛豫无辐射跃迁激发态停留时间短、返回速度快的途径，发生的几率大，发光强度相对大；荧光：10-7～10-9s,第一激发单重态的最低振动能级→基态；磷光：10-4～100s；第一激发三重态的最低振动能级→基态；其中S0、S1和S2分别表示分子的基态、第一和第二电子激发的单重态；T1和T2则分别表示分子的第一和第二电子激发的三重态。V=0、1、2、3、…表示基态和激发态的振动能级。非辐射能量传递过程:振动弛豫(Vibrationrelaxation，简写为VR)：当分子吸收光辐射后可能从基态的最低振动能级(V=0)跃迁到激发单重态Sn(如图中S1、S2)的较高振动能级上。然后，在液相或压力足够高的气相中，分子间的碰撞几率很大，分子可能将过剩的振动能量以热的形式传递给周围环境，而自身从激发态的高振动能级跃迁至该电子能级的最低振动能级上，这个过程称为振动弛豫。发生振动弛豫的时间为10－12s数量级。内转换(Internalconversion，简写为IC)：当高电子能级中的低振动能级与低电子能级中的高振动能级发生重叠时，常发生电子从高电子能级以无辐射跃迁形式转移至低电子能级。电子可以通过振动能级的重叠从S2跃迁至S1，或从T2跃迁至T1。这个过程称为内部转移。内部转移的时间为10－11s～10－13s数量级。振动弛豫及内部转移的速率比由高激发态直接发射光子的速率快得多，所以，分子吸收辐射能后不管激发到哪一个激发单重态，都能通过振动弛豫及内部转移而跃迁到最低(第一)激发单重态的最低振动能级。外转换(Externalconvertion,EC)：激发态分子与溶剂分子或其它溶质分子相互碰撞，并发生能量转移的非辐射跃迁称为外部转移。外部转移能使荧光或磷光的强度减弱甚至消失，这种现象称为“猝灭”或“熄灭”。系间跨越(IntersystemCrossing,ISC)：指不同多重态之间的无辐射跃迁过程，它涉及到受激发电子自旋状态的改变。如由第一激发单重态S1跃迁至第一激发三重态T1，使原来两个自旋配对的电子不再配对。这种跃迁是禁阻的(不符合光谱选律)，但如果两个能态的能层有较大重叠时，如中S1的最低振动能级与T1的较高振动能级重叠，就有可能通过自旋一轨道耦合等作用实现这一跃迁。系间跨跃的速度较慢，经历的时间较长。S0S1T1S2紫外可见吸收光谱外转移紫外可见共振荧光光谱内转移荧光系间窜跃磷光反系间窜跃迟滞荧光振动弛豫２.无辐射跃迁的类型振动弛豫:Vr10-12sec外转移:无辐射跃迁回到基态内转移:S2~S1能级之间有重叠系间窜跃:S2~T1能级之间有重叠反系间窜跃:由外部获取能量后T1~S2１.辐射跃迁的类型共振荧光：10-12sec荧光：10-8sec磷光：1~10-4sec迟滞荧光:102~10-4sec辐射能量传递过程:荧光发射(Fluorescenceemission,FE)：电子由第一激发单重态的最低振动能级→基态（多为S1→S0跃迁），发射波长为’2的荧光；发射荧光的能量比分子吸收的能量小，波长长（为什么？）；第一激发单重态最低振动能级的平均寿命约为10－9～10－4s，因此荧光寿命也在这一数量级。’221；磷光发射(Phosphorescenceemission,PE)：激发态的电子经系间跨跃后到达激发三重态，经过迅速的振动弛豫而跃迁至第一激发三重态的最低振动能级，然后以辐射形式跃迁回基态的各振动能级，这个过程为磷光发射。磷光发射的跃迁仍然是自旋禁阻的，所以发光速度很慢。磷光的寿命为10－4～100s。因此，外光源照射停止后，磷光仍可持续一短时间。由于经过系间跨跃及T1中振动弛豫丢失了一部分能量，所以磷光波长比荧光波长要长，即3’2。延迟荧光T1还可能通过热激发而重新跃回S1即T1→S1，然后再由S1经辐射跃迁回S0，即S1→S0，发出荧光，这种荧光称为延迟荧光，其寿命与磷光相近，但波长比磷光短。一、激发（吸收）光谱与荧光(磷光)光谱（发射）excitationspectrumandfluore-scencespectrum1.荧光(磷光)的激发光谱曲线固定测量波长(选最大发射波长),化合物发射的荧光(磷光)强度与照射光波长的关系曲线（图中曲线I）。激发光谱曲线的最高处，处于激发态的分子最多，荧光强度最大；荧光和磷光均属于光致发光，所以都涉及到两种辐射，即激发光(吸收)和发射光，因而也都具有两种特征光谱，即激发光谱和发射光谱。它们是荧光和磷光定性和定量分析的基本参数及依据。照射光波长如何选择？第二节分子荧光和磷光分析法2.荧光光谱(或磷光光谱)固定激发光波长(选最大激发波长),化合物发射的荧光(或磷光强度)与发射光波长关系曲线(图中曲线II或III)。通过激发光谱，选择最佳激发波长——发射荧光(磷光)强度最大的激发光波长，常用λex表示。通过发射光谱选择最佳的发射波长——发射荧光(磷光)强度最大的发射波长，常用λem表示。磷光发射波长比荧光来得长200260320380440500560620荧光激发光谱荧光发射光谱磷光光谱室温下菲的乙醇溶液荧（磷）光光谱3.激发光谱与发射光谱的关系a.Stokes位移激发光谱与发射光谱之间的波长差值。发射光谱的波长比激发光谱的长，振动弛豫消耗了能量。b.发射光谱的形状与激发波长无关；荧光激发光谱的形状与发射波长无关电子跃迁到不同激发态能级，吸收不同波长的能量(如能级图2,1)，产生不同吸收带，但均回到第一激发单重态的最低振动能级再跃迁回到基态，产生波长一定的荧光(如’2)c.镜像规则通常荧光发射光谱与它的吸收光谱（与激发光谱形状一样）成镜像对称关系。镜像规则的解释基态上的各振动能级分布与第一激发态上的各振动能级分布类似假如吸收时由S0的V=0与第一激发态S1的V=2之间的跃迁几率最大(即强度最大)，那么在荧光发射时，由S1的V=0跃回S0的V=2的几率也应该最大，如图所示。基于上述原因，荧光发射光谱与吸收光谱之间显现镜像对称关系200250300350400450500荧光激发光谱荧光发射光谱nm蒽的激发光谱和荧光光谱二、荧光的产生与分子结构的关系relationbetweenfluorescenceandmolecularstructure1.分子产生荧光必须具备的条件（1）具有合适的结构；a.具有π-π＊电子跃迁类型的结构b.具有大的共轭π键结构（2）具有一定的荧光量子产率。荧光量子产率（）：发射的光量子数吸收的光量子数荧光量子产率与激发态能量释放各过程的速率常数有关，如外转换过程速度快，不出现荧光发射；2.化合物的结构与荧光（1）跃迁类型：*→的荧光效率高，系间跨越过程的速率常数小，有利于荧光的产生；（2）共轭效应：提高共轭度有利于增加荧光效率并产生红移（3）刚性平面结构：可降低分子振动，减少与溶剂的相互作用，故具有很强的荧光。如荧光素和酚酞有相似结构，荧光素有很强的荧光，酚酞却没有。又如芴与联二苯，由于芴中的亚甲基使分子的刚性平面增加，导致两者在荧光性质上的显著差别，前者荧光产率接近于1，后者仅为0.18。萘与维生素A都具有5个共轭π键，而前者为平面结构，后者为非刚性结构，因而前者的荧光强度为后者的5倍。（4）取代基效应：芳环上有供电基，使荧光增强。影响规律多出自实验总结和推测O-OCOO-O-OCOO-NH2萘紫外区蒽蓝区丁省绿区1）共轭结构2）刚性的平面结构荧光黄会发荧光酚酞不发荧光3）取代基取代基的影响主要有以下几个方面：1、给电子取代基使荧光加强2、吸电子基团使荧光减弱而磷光增强3、取代基位置的影响取代基位置对芳烃荧光的影响通常为：邻位，对位取代者增强荧光，间位取代者抑制荧光(－CN取代基例外)。取代基的空间阻碍对荧光也有明显的影响。如化合物萘环上的8位引入－SO3－基时，由于空间阻碍使－NR2与萘之间的键扭转而减弱了平面构型，影响了p～π共轭，导致荧光的减弱。同样，1,2－二苯乙烯的反式异构体是强荧光物质，而顺式异构体不发射荧光。4、重原子效应荧光体取代上重原子后，荧光减弱，而磷光往往相应增强。所谓重原子取代，一般指的是卤素(Cl、Br和I)原子取代三、影响荧光强度的因素relationbetweenfluorescen