高校化工专业课件第15章分子发光分析法分析化学

高校化工高校化工专业课件第件第15章分子章分子发光分析法分析化学光分析法分析化学第第1515章章 分子发光分析法分子发光分析法Molecular Luminescence AnalysisMolecular Luminescence Analysis分子吸收能量，电子由基态进入激发态，当电子由激发态分子吸收能量，电子由基态进入激发态，当电子由激发态返回基态时发射光谱返回基态时发射光谱 M+M+能量能量MM M+M+热量热量 M+hM+h +热量热量光子光子 光致发光光致发光 M+h M+h M M 阴极射线阴极射线 阴极射线发光阴极射线发光 荧荧光光 磷光磷光 X X 射线射线 X X 射线发光射线发光 F PF P 热热 白炽发光白炽发光 寿命寿命10-710-9s 10-310s10-710-9s 10-310s超声波超声波 声纳发光声纳发光离子流离子流 离子发光离子发光化学反响能化学反响能化学发光化学发光 M+M+化学能化学能MM 第一次记录荧光现象第一次记录荧光现象1575 1575 西班牙内科医生、植物西班牙内科医生、植物学家学家荧光是光发射概念、引入荧光术语荧光是光发射概念、引入荧光术语1852 1852 Stokes Stokes 观察奎宁、叶绿素观察奎宁、叶绿素提出用荧光作为分折手段提出用荧光作为分折手段1864 1864 StokesStokes第一个实际应用、铝一桑色素荧光测第一个实际应用、铝一桑色素荧光测18671867 1965 1965以来以来,荧光光谱兴趣激增，生物化学荧光光谱兴趣激增，生物化学家利用它的高灵敏度。二十世纪七十年代后家利用它的高灵敏度。二十世纪七十年代后期，引起国内学者注意期，引起国内学者注意第第1515章章 分子发光分析法分子发光分析法Molecular Luminescence AnalysisMolecular Luminescence Analysis第第1515章章 分子发光分析法分子发光分析法Molecular Luminescence AnalysisMolecular Luminescence Analysis15-1光致发光及影响荧光发射因素光致发光及影响荧光发射因素15-2荧光分析法荧光分析法15-3磷光分析法磷光分析法15-4化学发光分析法化学发光分析法15-5光化学传感器光化学传感器荧光涉及吸收和发射两个过程1、激发态基态激发态分立轨道上非成对电子平行自旋更n稳定n净电子自旋S=0S=0S=1分子重态M=2S+1=1跃迁几率很小M=2S+1=3单重基态S0激发单重态S激发三重态T电子从S0到S分子能量相应增加改变了分子对称性、分子净的电子自旋多重性可能改变第第1515章章分子发光分析法分子发光分析法15-1光致发光及影响荧光发射因素光致发光及影响荧光发射因素2、去活化过程、去活化过程溶液中：溶液中：10-14-10-12s10-13-10-11s10-2-10-6s振动弛豫振动弛豫内部转换内部转换体系间的跨越体系间的跨越发生在一样多重度间发生在一样多重度间发生在不同多重度间发生在不同多重度间S2S1T1(S1)T210-15sA1A2FP磷光发射磷光发射10-2-10s基态基态S0荧光发射荧光发射外部转换外部转换10-7-10-9s发生在不同发生在不同电子能态间电子能态间熄灭熄灭第第1515章章分子发光分析法分子发光分析法15-1光致发光及影响荧光发射因素光致发光及影响荧光发射因素2、去活化过程、去活化过程注意点注意点(1)气相分子中易观察到以发射光子方式失去振气相分子中易观察到以发射光子方式失去振动能动能(2)实现内部转换实现内部转换a.S1，S2电子能级差小电子能级差小、易实、易实现。现。b.S1，S2振动能级的位能面振动能级的位能面有穿插有穿插(3)体系间跨越的必要条件体系间跨越的必要条件电子自旋电子自旋与磁场微扰耦合与磁场微扰耦合a.S1、T1位能面在某处有容易到达的能量相交位能面在某处有容易到达的能量相交激激发态电子自旋反转，发态电子自旋反转，b.微观磁场的微扰存在微观磁场的微扰存在分分子多重态变化子多重态变化产生产生Br-,I-,CH3I重重原子分子原子分子带电粒子的极性分子或可极化分子易产生磁效应带电粒子的极性分子或可极化分子易产生磁效应或离或离子外层电子云疏松子外层电子云疏松顺磁性分子顺磁性分子O2外层外层3d5五个电子不成对五个电子不成对内内(4)外部转换使发光熄灭现象外部转换使发光熄灭现象重原子重原子效应效应T1S0比比S1S0可能性更大可能性更大外外溶剂溶剂(5)去活化众多过程中，以速度最快、激发寿命最短的去活化众多过程中，以速度最快、激发寿命最短的途径占优势，相互竞争。途径占优势，相互竞争。第第1515章章分子发光分析法分子发光分析法15-1光致发光及影响荧光发射因素光致发光及影响荧光发射因素第第1515章章分子发光分析法分子发光分析法15-1光致发光及影响荧光发射因素光致发光及影响荧光发射因素、荧光的一些根本问题、荧光的一些根本问题a.荧光类型荧光类型(1)从寿命从寿命瞬时荧光瞬时荧光10-8s内发射内发射分析中分析中有意义有意义!S1S0+hS1+S0(S1S0)2S0+h受激准分子受激准分子迟滞荧光迟滞荧光波长同瞬时荧光，寿命与磷光相波长同瞬时荧光，寿命与磷光相似似刚性、粘稠介质中刚性、粘稠介质中E型型T1+活化能活化能S1S0+hP型型T1+T1S1+S0三重态三重态三重态粒子湮没三重态粒子湮没S0+h寿命为相随磷光寿命的寿命为相随磷光寿命的1/2复合复合(重组重组A()+h1A()+h2A.+()+e重重组组+eA()+h3A()、荧光的一些根本问题、荧光的一些根本问题a.荧光类型荧光类型(2)激发光与荧光波长比较激发光与荧光波长比较Stokes荧光溶液中荧光溶液中荧荧激激可可能能Antistokes荧光高温稀薄气体中荧光高温稀薄气体中荧荧激激共振荧光气体、晶体中共振荧光气体、晶体中荧荧=激激(3)荧光波长荧光波长X光荧光光荧光紫外、可见荧光紫外、可见荧光红外荧光红外荧光第第1515章章分子发光分析法分子发光分析法15-1光致发光及影响荧光发射因素光致发光及影响荧光发射因素、荧光的一些根本问题、荧光的一些根本问题b.分子被激发时的散射问题分子被激发时的散射问题激发光的能量太低、缺乏以外层电子跃迁到激发光的能量太低、缺乏以外层电子跃迁到S1但仍可将电子激发至基态的高振动能但仍可将电子激发至基态的高振动能级上级上受激后能量无损失受激后能量无损失,受激发后有能量改受激发后有能量改瞬间瞬间(10-12)返回原返回原变变,返回原来稍高返回原来稍高能级能级或稍低能级上或稍低能级上在不同方向上发射与原激在不同方向上发射与原激不不同方向伴随的波长同方向伴随的波长发光一样波长发光一样波长1的辐射的辐射发发射为射为1瑞利散射瑞利散射拉曼散射拉曼散射特征：特征：散射强度散射强度1/4拉拉)强度强度(瑞瑞)强度强度(IF/1000)散射光波长激发光波长散射光波长激发光波长拉曼带波长随激拉曼带波长随激发光波长而变发光波长而变拉拉-F=为定值为定值反映了分子反映了分子构造特性构造特性第第1515章章分子发光分析法分子发光分析法15-1光致发光及影响荧光发射因素光致发光及影响荧光发射因素、荧光的一些根本问题、荧光的一些根本问题c.激发光谱和荧光光谱激发光谱和荧光光谱(1)激发光谱激发光谱(2)荧光光谱荧光光谱注意：、实际测得的荧光光谱和激发光谱随仪器注意：、实际测得的荧光光谱和激发光谱随仪器而异而异,其真实光谱必须要对其光源、单色器、检其真实光谱必须要对其光源、单色器、检测器的光谱特性加以校正测器的光谱特性加以校正、真实的激发光谱与吸收光谱非常近似，而、真实的激发光谱与吸收光谱非常近似，而不是一样不是一样第第1515章章分子发光分析法分子发光分析法15-1光致发光及影响荧光发射因素光致发光及影响荧光发射因素、荧光的一些根本问题、荧光的一些根本问题c.激发光谱和荧激发光谱和荧光光谱光光谱(3)溶液荧光光谱的特征溶液荧光光谱的特征斯托克斯位移斯托克斯位移荧荧激激原因原因溶剂化效应溶剂化效应hh非辐射损失非辐射损失荧光光谱与激发光波长无关系荧光光谱与激发光波长无关系原因原因荧光光谱与激发光谱成镜像对称关系荧光光谱与激发光谱成镜像对称关系光谱形状决定于光谱形状决定于S1,S2的振动能级分布相似的振动能级分布相似第第1515章章分子发光分析法分子发光分析法15-1光致发光及影响荧光发射因素光致发光及影响荧光发射因素、荧光的一些根本问题、荧光的一些根本问题c.激发光谱和荧光激发光谱和荧光光谱光谱(4)三维荧光光谱总发光光谱、激发发射矩三维荧光光谱总发光光谱、激发发射矩阵、等高线光谱阵、等高线光谱给出三维信息给出三维信息第第1515章章分子发光分析法分子发光分析法15-1光致发光及影响荧光发射因素光致发光及影响荧光发射因素、荧光的一些根本问题、荧光的一些根本问题d.荧光物质的两个重要参数荧光物质的两个重要参数(1)荧光分子的平均寿命荧光分子的平均寿命各种单分子各种单分子的非辐射去的非辐射去=1/(kf+K)活化过速活化过速率常数之总和率常数之总和荧光发射速率常数荧光发射速率常数内在寿命内在寿命0即即K时的时的0=1/kf荧光强度衰变荧光强度衰变速率方程速率方程It=I0e-t/或或It=I0-t/第第1515章章分子发光分析法分子发光分析法15-1光致发光及影响荧光发射因素光致发光及影响荧光发射因素、荧光的一些根本问题、荧光的一些根本问题d.荧光物质的两个重荧光物质的两个重要参数要参数(2)荧光的量子产率荧光的量子产率f定义：定义：发射荧光的光子数吸收辐射的光子发射荧光的光子数吸收辐射的光子数数f=kf/(kf+K)f(0.11)有使用价值有使用价值注意：注意：a.荧光的能量产率荧光的能量产率eq=荧光发射时的能量荧光发射时的能量吸收的能量吸收的能量eq1(红移红移)b.荧光的量子效率荧光的量子效率f=处于发射荧光的激发处于发射荧光的激发电子态的分子的百分率电子态的分子的百分率c.f,eq,f三个概念不同三个概念不同第第1515章章分子发光分析法分子发光分析法15-1光致发光及影响荧光发射因素光致发光及影响荧光发射因素4、荧光、磷光的测量、荧光、磷光的测量一般荧光分光光度计与紫外可见区吸光光度计异同一般荧光分光光度计与紫外可见区吸光光度计异同单束单束(光用于校正光用于校正)第第1515章章分子发光分析法分子发光分析法15-1光致发光及影响荧光发射因素光致发光及影响荧光发射因素4、荧光、磷光的测量、荧光、磷光的测量荧光分光光度计荧光分光光度计第第1515章章分子发光分析法分子发光分析法15-1光致发光及影响荧光发射因素光致发光及影响荧光发射因素4、荧光、磷光的测量、荧光、磷光的测量a.激光荧光光度计激光荧光光度计1975Harrington研制研制 输出、反射输出、反射 染料池染料池 样品池样品池 光栅光栅 第第1515章章分子发光分析法分子发光分析法15-1光致发光及影响荧光发射因素光致发光及影响荧光发射因素4、荧光、磷光的测量、荧光、磷光的测量b.电视荧光计电视荧光计使用多色仪使用多色仪Johnson设计设计 入射口狭缝入射口狭缝样品池长轴样品池长轴 波长复盖波长复盖 240 240nm nm 氙灯氙灯 无出射口狭缝无出射口狭缝 空间分辨空间分辨 1 1 nm nm 入射口狭缝入射口狭缝样品池长轴样品池长轴 时间分辨时间分辨14.7 14.7 ms ms 无出射口狭缝无出射口狭缝 摄像管摄像管 第第1515章章分子发光分析法分子发光分析法15-1光致发光及影响荧光发射因素光致发光及影响荧光发射因素4、荧光、磷光的测量、荧光、磷光的测量第第1515章章分子发光分析法分子发光分析法15-1光致发光及影响荧光发射因素光致发光及影响荧光发射因素5、影响荧光发射因素、影响荧光发射因素a.强荧光物质的构造特点强荧光物质的构造特点 比比n 有利有利f共轭共轭 体系体系f刚性平面构造刚性平面构造f取代基影响取代基影响给电子基团给电子基团f吸电子基团吸电子基团f(p)取代基位置取代基位置:邻、对邻、对f重原子取代基重原子取代基f(p)第第1515章章分子发光分析法分子发光分析法15-1光致发光及影响荧光发射因素光致发光及影响荧光发射因素5、影响荧光发射因素、影响荧光发射因素b.溶液环境因素溶液环境因素溶剂溶剂取决于荧光体和溶剂的化学构造取决于荧光体和溶剂的化学构造(溶剂荧光物成化合物溶剂荧光物成化合物,荧光分子电离状荧光分子电离状态改变态改变)f.maxf都有影响都有影响重原子溶剂存在时重原子溶剂存在时f(p)外重原子效应外重原子效应温度温度TfpH平衡解离关系存在平衡解离关系存在f.maxf均有影响均有影响第第1515章章分子发光分析法分子发光分析法15-1光致发光及影响荧光发射因素光致发光及影响荧光发射因素6、溶液荧光的猝灭、溶液荧光的猝灭定义：荧光分子与其它分子相互作用，定义：荧光分子与其它分子相互作用，改使荧光强度下降。改使荧光强度下降。猝灭过程实质题与发光过程相互竞争、猝灭过程实质题与发光过程相互竞争、缩短发光分子激发态寿命的过程，具体形缩短发光分子激发态寿命的过程，具体形式机理各不一样。式机理各不一样。自学讲义内容自学讲义内容第第1515章章分子发光分析法分子发光分析法15-1光致发光及影响荧光发射因素光致发光及影响荧光发射因素1、常规方法、常规方法a.直接法直接法b.间接法间接法与荧光试剂发生反响与荧光试剂发生反响定量关系定量关系If=2.3fI0bcbc0.05时时If=kcI0、b不变不变定量校正方法定量校正方法外标法外标法增量法增量法2、荧光猝灭法、荧光猝灭法F-会使会使8-羟基喹啉羟基喹啉铝配合物铝配合物荧光强度荧光强度,测测F-第第1515章章分子发光分析法分子发光分析法15-2荧光分析法荧光分析法3、动力学荧光分析法、动力学荧光分析法反响物或产物中的荧光物质浓度变化，测荧光随反响物或产物中的荧光物质浓度变化，测荧光随时间变化求含量方法？时间变化求含量方法？Fe()+H+AFe()+BdB/dt=AFe()H+当当pH一定一定,A足够大足够大,反响初期反响初期,积分积分B=Fe()t又又IfB=KB那么那么IfB=Fe()t或或IfB/t=Fe()Y=ax第第1515章章分子发光分析法分子发光分析法15-2荧光分析法荧光分析法、荧光滴定法、荧光滴定法鲁米诺指示剂鲁米诺指示剂H+时时UV下下兰荧光兰荧光OH-时时UV下下无荧光无荧光、胶束增敏荧光分析、胶束增敏荧光分析荧光试剂荧光试剂配合反响配合反响优点：优点：a.光学透明、稳定光学透明、稳定b.光化学上是非活性的光化学上是非活性的c.价廉、使用方便价廉、使用方便d.对荧光测量有增溶、增敏、增稳的独特性质对荧光测量有增溶、增敏、增稳的独特性质第第1515章章分子发光分析法分子发光分析法15-2荧光分析法荧光分析法A A、B B混合物在测量条件下，荧光光谱相互重叠混合物在测量条件下，荧光光谱相互重叠时，如何测量时，如何测量A A、B B 两物质？两物质？信息处理及仪器技术信息处理及仪器技术 6 6、双波长法三波长法、双波长法三波长法 7 7、导数荧光法、导数荧光法 8 8、同步荧光光谱技术、同步荧光光谱技术 同时利用吸收和发射两个过程同时利用吸收和发射两个过程*固定波长固定波长 例例:丁省乙醇溶液丁省乙醇溶液 荧荧-激激=常数常数=如何决定！如何决定！Stoks Stoks 位移值位移值 第第1515章章分子发光分析法分子发光分析法15-2荧光分析法荧光分析法简化光谱、窄化谱峰简化光谱、窄化谱峰8、同步荧光光谱技术、同步荧光光谱技术*固定能量固定能量 (1/(1/激激-1/-1/荧荧)10107 7 =常数常数 例例:芳环芳环 1400 1400 cmcm-1-1 振动带间振动带间隔隔*可变角可变角 两者起始波长不同、两者起始波长不同、扫描速率扫描速率不同不同保持同一比例保持同一比例-线性线性测测c c 某一函数某一函数-非线性非线性 干扰干扰A A 免避散光免避散光 提高重叠体系分辨率提高重叠体系分辨率 激发波长激发波长 干扰干扰B B 发射波长发射波长 第第1515章章分子发光分析法分子发光分析法15-2荧光分析法荧光分析法9、时间分辨荧光技术、时间分辨荧光技术利用利用寿命信息寿命信息排除干扰排除干扰应用应用a.荧光探针技术荧光探针技术b.单分子测量技术单分子测量技术第第1515章章分子发光分析法分子发光分析法15-2荧光分析法荧光分析法1.磷光与荧光的不同点表现在磷光与荧光的不同点表现在a.峰值波长峰值波长PFb.pFc.p,Ip受重原子、顺磁性分子、离子存在增强、敏受重原子、顺磁性分子、离子存在增强、敏感感F,IF反之反之2.磷光测量方法磷光测量方法a.与荧光测量类同与荧光测量类同不同点：不同点：固体样发射磷光、伴随发射荧光固体样发射磷光、伴随发射荧光b.如何解决如何解决磷光同光源散射磷光同光源散射磷光同磷光同荧光荧光别离开来别离开来如旋转简磷光计如旋转简磷光计第第1515章章分子发光分析法分子发光分析法15-3磷光分析法磷光分析法2.磷光测量方法磷光测量方法第第1515章章分子发光分析法分子发光分析法15-2磷光分析法磷光分析法3.常规低温磷光法常规低温磷光法a.为什么要低温测量？为什么要低温测量？减少非辐射跃迁对磷光发射影减少非辐射跃迁对磷光发射影响响b.如何实现低温测量？如何实现低温测量？液氮液氮77KEPA明净玻璃态明净玻璃态c.定量关系式定量关系式醚醚5：异戌烷：异戌烷5：乙醇：乙醇2Ip=2.3pI0bc=Kpc磷光的量子产率磷光的量子产率p：KST.KP.KST+KF+KiKP+Kj与与S1态有关的非辐射跃速率除态有关的非辐射跃速率除KST外外与与T1态有关态有关的非辐射跃迁速率的非辐射跃迁速率d.重原子效应的利用重原子效应的利用灵敏度灵敏度选择性选择性第第1515章章分子发光分析法分子发光分析法15-2磷光分析法磷光分析法4.室温磷光法室温磷光法a.为什么要引入室温磷光法为什么要引入室温磷光法?常温法缺点：低温装置复杂常温法缺点：低温装置复杂溶剂选择溶剂选择操作难操作难b.室温法要解决主要矛盾？室温法要解决主要矛盾？抑制室温下抑制室温下TS0的非辐射跃迁的非辐射跃迁使使IP途径途径固体外表室温磷光固体外表室温磷光胶束稳定的溶液室温磷光胶束稳定的溶液室温磷光1972年年1980年年固体载体固体载体第第1515章章分子发光分析法分子发光分析法15-2磷光分析法磷光分析法5.敏化溶液室温磷光法敏化溶液室温磷光法一种间接的磷光分析法一种间接的磷光分析法SD1TD1TA1激发激发IPSD0SA0能量供给体能量供给体D能量受体能量受体A被测物被测物cx无磷光或弱磷光无磷光或弱磷光发发磷光磷光IPIP=Kcx关键：选择能量受体关键：选择能量受体A*D在激发时在激发时A的的A要小要小*TD1TA1*A在所测溶剂中在所测溶剂中pA要大要大A：1，4二溴二溴荼荼6.磷光分析应用磷光分析应用多环芳烃多环芳烃农药农药生物碱生物碱毒品毒品药物药物生物分子生物分子第第1515章章分子发光分析法分子发光分析法15-2磷光分析法磷光分析法1.原理原理RP*P+h或或RP*+AA*A+h注意注意:h是荧光是荧光磷光磷光2.实现化学发光条件实现化学发光条件a.提供足够的反响焓的能量，基态提供足够的反响焓的能量，基态S0S1氧化反响氧化反响裂解反响裂解反响170-300KJ/molb.要有化学反响历程，反响能至少使一种物质分子吸要有化学反响历程，反响能至少使一种物质分子吸收至收至S1气相化学发光反响气相化学发光反响液相化学发光反响液相化学发光反响c.S1能发射能发射h第十五章第十五章分子发光分析法分子发光分析法15-4化学发光分析化学发光分析3、化学发光效率、化学发光效率发光分子数发光分子数化学发光总量子产率化学发光总量子产率CL=-=CEEM参加反响分子数参加反响分子数化学激发效率化学激发效率激发态分子发光效率激发态分子发光效率4、定量关系、定量关系ICLtdt=CLcy=ax5、应用、应用环境监测环境监测第十五章第十五章分子发光分析法分子发光分析法15-4化学发光分析化学发光分析光化学传感器技术光化学传感器技术光谱化学和光学波导与测量技术光谱化学和光学波导与测量技术第十五章第十五章分子发光分析法分子发光分析法15-5光化学传感器光化学传感器1.光学波导光学波导 数值孔径数值孔径 波导的损耗与色散波导的损耗与色散第十五章第十五章分子发光分析法分子发光分析法15-5光化学传感器光化学传感器2.测量技术测量技术 消失波消失波 d dp p有效深度有效深度(1/(1/e)e)第十五章第十五章分子发光分析法分子发光分析法15-5光化学传感器光化学传感器3.分子识别元件感受器和信号转换器换能器分子识别元件感受器和信号转换器换能器第十五章第十五章分子发光分析法分子发光分析法15-5光化学传感器光化学传感器分子识别元件感受器和信号转换器换能器分子识别元件感受器和信号转换器换能器第十五章第十五章分子发光分析法分子发光分析法15-5光化学传感器光化学传感器分子识别元件感受器和信号转换器换能器分子识别元件感受器和信号转换器换能器第十五章第十五章分子发光分析法分子发光分析法15-5光化学传感器光化学传感器分子识别元件感受器和信号转换器换能器分子识别元件感受器和信号转换器换能器第十五章第十五章分子发光分析法分子发光分析法15-5光化学传感器光化学传感器?分子发光分析法分子发光分析法?完毕完毕请预习第十六章请预习第十六章谢谢观赏！2020/11/545