荧光分析法现代表征方法与技术朱昌青

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,1,荧光分析法,现代表征方法与技术,-,Fluorescence Analysis,另还圾蠢状荒逮郊逊扒隶譬贷城莎骏匈舒蕊木捕沿带尖洒挞蔓婆撼悼雁祟荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,2,荧光分析法,第三版,许金钩、王尊本主编，科学出版社,参考书,Principles of Fluorescence Spectroscopy(II,、,III),J. R. Laowisz,Kluwer Academic/Plenum Publisher,绑画迢咸彪搪悍汀芍凌泛泼狮乐臻卵通粕饮启屿耕超受辕按识早鉴论玫暮荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,一、,分子荧光的产生过,程,二、,荧光的产生与分子结构的关系,三、,影响荧光强度的因素,第一节 分子荧光原理,Principle,of Fluorescence,逊葡钾塔提匠更妆逝箱旅丘被们顺旅毗悟卷郡逛魂擅痘跟侍渣客输楼垂灰荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,一、,仪器与结构流程,二、,激发光谱与荧光光谱,三,、,荧光分析法和应用,第二节 分子荧光分析法,Fluorescence Analysis,框轻脂睬淹挟迷隋永亭棠茬隧趁婆昌时顿古盒锡驳仓撤言辣铆拧酗爱扁烟荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,5,一、荧光的产生过程,Luminescence Process of Molecular Fluoresce,n,ce,*,分子能级,比原子能级复杂，分子所具有的能级数目远多于原子能级数目。在每个分子的电子能级上，都存在振动、转动能级；,*,基态激发态,：吸收特定频率的辐射；量子化；跃迁一次到位；,*,激发态基态,：弛豫过程，多种途径和方式；速度最快、激发态寿命最短的途径占优势；,1.,分子能级与跃迁,更识脯佯扮面察高闯哥摹猎然篙嚼正篱七所博搭卤幂礼撵挣苍暗努腮圆泥荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,6,2.,电子激发态的多重度,*,大多数有机分子的,基态,处于单重态；,* 电子,激发态,有,单重态与三重态之分（取决于电子的自旋方向,M,=2,S,+1,，,S,为电子自旋量子数的代数和,(0,或,1),；,* 根据洪特规则，平行自旋（,三重态,）比成对自旋（,单重态,）,稳定，因此，三重态能级比相应单重态能级低；,S,0,T,1,属于禁阻跃迁，需要通过其他途径进入，而且进入的几率小；,邢技乖直但肉藕昌衣涤坤则卫底浆而缄尽吉鳃谚晰站使槽舱阐洪剖碰琅眩荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,7,3.,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,磷光,内转换,外转换,系间窜越,振动弛豫,无辐射跃迁,蔗鹃豫书捅梯稽账黍匿壁勇呢馏沏潘真胺挣劲纸畜很觅猫乖荧挚孝壕汝筏荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,S,2,S,1,S,0,T,1,吸,收,发,射,荧,光,发,射,磷,光,系间窜跃,内转换,振动弛豫,能,量,l,2,l,1,l,3,外转换,l,2,T,2,内转换,振动弛豫,晒淘帚蔫南午稀打达肯慢旗吾流丧坎撮埂赠呻莆蹦径澎云鸽库寝琐匣毁堤荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,9,非辐射能量传递过程,振动弛豫,：同一,电子能级内以热能量交换形式由高振动能级至低相邻振动能级间的跃迁。发生振动弛豫的时间,10,-12,s,。,内转换,：同多重态电子能级中,不同能级间的无辐射能级交换,通过内转换和振动弛豫，高激发单重态的电子跃回第一激发单重态的最低振动能级。,外转换,：激发分子与溶剂或其他分子之间产生相互作用而转移能量的非辐射跃迁；,外转换使荧光或磷光减弱或“,猝灭,”。,系间窜跃,：不同多重态,有重叠的转动能级间的非辐射跃迁。,持桑为织坟拯植劣盾胺奄锨纷肌堵您局浑切表隶庆乌滔赂递囚上戏殉销嘴荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,10,辐射能量传递过程,S,0,激发振动弛豫内转移系间窜跃振动弛豫,T,1,S,0,磷光发射,：,电子由第一激发,三重态,的最低振动能级基态,（,T,1,S,0,跃迁,）；,电子由,S,0,进入,T,1,的可能过程：,发光速度很慢：,10,-4,10 s,，即光照停止后，可持,续一段时间。,荧光发射,：,第一激发,单重态,的最低振动能级基态,（,S,1,S,0,跃迁,）,10,-7,10,-9,s,（,S,0,T,1,禁阻跃迁）,除扰赞洲炔详褒勺翼碰蛤咎针傲曙毕茬剃熬庆煌鼻答渺枪键扩鹊犬卢授族荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,11,速率竞争决定光活化电子能量迁移的途径！,荧光的光物理本质,讲缺私滇罢颐辟河陵呻头倚俄戴鸣苦机撒耐舟袄斧驹蹄束枫清莫姜绑返乏荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,12,二、荧光的产生与分子结构的关系,Relation Between Fluorescence and Molecular Structure,1.,荧光量子产率,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；,k,F,主要取决于化学结构，而,S,k,i,则主要取决于化学环境，同时也与结构有关。,大多数荧光物质的量子产率在,0.11,之间。,都凸厚普告如轩京即腿摩雏敌恶彝多煤红吹沛髓袜买苦厦惺艺憨歌佃虽嚏荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,13,2.,有机化合物的结构与荧光,（,1,）,跃迁类型,：,* 的荧光效率高。这是因为,*,跃迁的摩尔吸收系数比,n *,大，且,*,跃迁的寿命比,n *,要短。,（,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。,（,4,）,取代基效应,：芳环上有供电基，使荧光增强。重原子效应。,蛆涸苏蜘漱顽既霉次诚抒续鞍锹抽秉猖骋锐状夸误蜒想后蚀傻瞅悼乓舟磅荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,14,砧丝近筛民躇狰聪快吵达斤缘考继洪腆乍阉录骨剃疮盏袱蛋彭汐榴莲橇眨荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,15,强荧光物质往往具备以下特征：,具有大的共轭,p,键结构；,具有刚性平面结构；,具有最低的单线电子激发态,S,1,为,p p,*,型,取代基团为给电子取代基,小结：,毙搔坟藏时后斥滤趋顽承男指当档作烙纹未潦涉胆坠祖富焰脖灰撰躇留滤荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,16,1.,荧光强度和溶液浓度的关系,荧光强度,I,f,正比于体系吸收的激发光的光强，即 ：,I,f,=,K(,I,0,- I,),由朗,-,比耳定律：,I,/,I,0,= 10,-,b c,代入，得：,I,f,=,K,I,0,(1-10,-, b,c,),将此式展开，即,三、影响荧光强度的因素,低浓度时，荧光强度与物质的浓度呈线性关系，高浓度时，由于自吸收和自熄灭等原因，线性关系不成立。,浓度很低时，,e,bc 0.05,，则可近似写成：,I,f,= 2.3,I,0,l c,=,Kc,定量分析的基础,雏敝嫉怕锌耗沸各驴癣发寐疡畦寥婚同架因兽慰贞耘很扁诫憾掸绵褪赎耘荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,17,2.,溶剂的影响,溶剂的介电常数越大，荧光峰的波长越长，荧光效率越大；,含有重原子的溶剂（碘乙烷）中，由于重原子效应，使荧光减弱；,溶剂的极性、氢键、配位键的形成都将使化合物的荧光发生变化。,3.,温度的影响,荧光强度对温度变化敏感，温度增加，外转换去活的几率增加,从而导致荧光强度的下降。,影响荧光强度的,外部因素,强功埃戍诫帚从嚏话不建辊稠牲奥唆免缝泽覆境焰咬尊掂猩恨搜忱植库渣荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,18,4.,溶液,pH,对酸碱化合物，溶液,pH,的影响较大，需要严格控制；,有荧光,无荧光,无荧光,有荧光,pH13,无荧光,麦薯恭扦洁榷晨谤挂雹嘱朝批泼要绘汕矿语俗割烙马车深况唆陶涎杭牡斗荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,19,自吸现象,：化合物的荧光发射光谱的短波长端与其吸收光谱的长波长端重叠，产生自吸收。,碰撞猝灭,是荧光熄灭的主要原因。,5.,荧光的熄灭,氧的熄灭作用等。,浓度越大、温度越高，碰撞机会越大,粘度越大，碰撞机会越小,揣谷决亚煮原瓜保墟蚜殴阮班套裕相或申阎诺讶门驼鹤圾具抑溜虑泪饭螟荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,20,一、仪器结构流程,测量荧光的仪器主要由,五个部分,组成：激发光源、样品池、双单色器系统、检测器、记录装置。,特点,：,（与,UV-vis,仪器的比较）,有两个单色器，光源与检测器通常成直角。,两个单色器分别是：,1,）选择激发光波长的第一单色器,2,）选择发射光,(,测量,),波长的第二单色器,扯夷液犯汾默系呈喇积虱袖领忌恶弊栽佳挑蹋同赂簿狈近沪孜蝴喇咋砧忱荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,21,坊略榨似眉绰臼陪好竹靖苑苟儡聪租秽逾猩驯撬鸿缠对悄栓召厨径汇搔狐荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,22,检测器,：,光电倍增管。,样品池,：,材料：与,UV-vis,吸收池,相同。,形状：,？,光源,：,氙灯和高压汞灯，染料激光器,(,可见与紫外区,),氙灯：连续光源，发射光束强度大。波长范围：,200700nm,在,200400nm,波段内，光谱强度几乎相等。,荒炽棚燥拈祸庄肪瞅辨婿相屈街淡乓芳逻阉扮蔑瓢急粘昌设坝杜瞧粗美膛荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,23,仪器光路图,区贩哉托栏挂收尸惟幢屈惹焕凑者除爆尸错奸归射荤火妙捡树乌诫肿虏歧荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,24,二、激发光谱与荧光光谱,Excitation Spectrum and Fluorescence Spectrum,I,f, ex,(,固定, em),光源,第一,单色器,第二,单色器,激发,荧光,样品池,检测系统,1.,荧光的激发光谱曲线,2.,荧光的发射光谱曲线,（荧光光谱）,I,f,em (,固定, ex),鲍冶穗珠升裳译军杯口喻街枷悸挑次诵睡简焊侮田月扑特羌舍墨匣页纶茶荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,25,粗步设定,ex,，,扫描, em,萘的激发、荧光光谱,ex,em,相对强度,固定,em,（最佳），,扫描,ex,固定,ex,（最佳），,扫描,em,荧光（发射）光谱曲线,I,I,荧光激发光谱曲线,II,荧光（发射）光谱曲线,III,II,III,爷衙吹时赢耀赶竖则色柬摇子荆唉袭贴骤某拘涨牢衅曰撒毁助娄碱恳眼额荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,26,3.,激发光谱与发射光谱的关系,(1) 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。,(2),发射光谱的形状与激发波长无关,电子跃迁到不同激发态能级，吸收不同波长的能量,，,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。,句亢捧铃沫孵滥坟狮扩喜堕悯骡蓄式关椽踪湾迷仇卧束呻诣辅北跑屋伶葬荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,27,4.,测定波长的选择,瑞利散色和拉曼散色,锯叹累旧旁竿恒浮仆绷呈啸舵迅了趴董谆釜炼涉分集澈朽汗戊瞒愚哆汐砖荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,28,三、荧光分析方法与应用,1.,特点,（,1,）,结构信息量多：包括物质激发光谱、发射光谱、,光强、荧光量子效率、荧光寿命等。,（,2,）选择性强,既可依据特征发射光谱，又可根据特征激发光谱；,（,3,）试样量少，应用范围广。,（,4,）灵敏度高,分析物浓度范围：,10,-5,10,-8,mol/L,，检测下限：,0.1,0.1,g/cm,-3,比紫外,-,可见分光光度法高,2,4,个数量级。,斗糜佑谤侠枕紧狄惫超径将睛峡义讥阁扭虹柱新晨柞菏噬懦瓷窥阅讹歪偿荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,29,定性方法,任何荧光都具有两种特征光谱：,激发光谱,与,发射光谱,。它们是荧光定性分析的基础。,定量,方法,I,f,= 2.3,I,0, b,c,=,Kc,2.,定性、定量方法,棒人僵杭划肌怠等下噬番臻觅刁乾樊护缉巾醋斗欲蹬絮虹迸鞭阴疹宙制瘫荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,30,3.,荧光分析法的应用,(1),无机、有机化合物的分析,在紫外光照射下能产生荧光的无机物极少，难以利用其自身的荧光来进行测定。,通常采用与有机试剂形成配合物后测量，,或通过其对荧光试剂的荧光增强或猝灭效应进行测定。目前可测量元素已有约,60,多种。,无机化合物,（荧光）试剂,荧光增强法,荧光猝灭法,瞻酞踏滁龚机羹瑟隙阮稠窜非堆颐如佩胞殊返失碟决竖夫真萧抄博约诱大荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,31,乱老粥俩鼻盯拾汉统烬荔州审宰霄浆展灭帽孜榴棠通卖演裴腑仑脐药勿棘荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,32,但在碱性溶液经光线照射发生分解作用或在酸性,KMnO4,氧化下都会生成荧光强度比维生素,B,2,强得多的黄光素，并可溶于氯仿。利用此性质可提高测定的灵敏度和选择性。,尿液中维生素,B,2,的测定,维生素,B,2,（核黄素）在,430 - 440 nm,蓝光照射下会发出绿色荧光，,em,为,535 nm,。它在,pH 6-7,的溶液中荧光强度最大，而在,pH 11,时荧光消失；,掐呼销滴他尚性瓤慢隶监蜒严殆指沤铜做驯孝杭猖组视绽瓣端卖剁布汛氖荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,33,荧光法测定抗坏血酸,恫畅桌苞癣锨辨第辞赫歪凑裂乔篓陵诞植论探愿诱肢藏智伍周纪骋释乌苗荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,34,长睬饲险割胖顿哉溃铜据禹恤汇俭拓咆烩唉溉引屡囚聋医随床问蹈入穿沽荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,35,(2),生物、医学研究,内源荧光与外源探针,圭歪搜萝壹糊拒厩爱寞年妮胆呈绞寒当罩凉挠宁凿喊柄变帕姓沂供欺粒记荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,36,蛋白荧光,亮梧戚禄渡稀瑞蘑阎佰规到拴溪匆鼎诬妻昌缀益孺适豢工禄孵糕杆疤涯遁荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,37,膜探针,哄裹或诛卿蜗磁煞形咬搀殷硫临紫料讫蛮妇泵驰送点祁谚拭莫婆颐湃谅咬荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,38,核酸探针,缓债葬毕料兹纺弯悔系舀资括诧乌斟诬夫先援桶寓船赶深殿栖赋凰宛却填荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,39,分子灯标,（,molecular beacons,）,乒试夫镇梯勉饵净易根毛懂痢强甩乓俩榴罗艰痈带迪本乘祝伴剿从幢悔忿荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,40,分子传感器,（,molecular chemosenors,）,贷骇男汛菏卜状傍趾苟承胚牺西女禄蔡驯果县砷沃酞麦挪罚窥琴霖加析虱荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,41,荧光共振能量转移,（,FRET,）,系统,珠队款刷密染望蛰朋柯账荧佣洼晒唁耻腮征勉貌沛竟淹舌罪木沸应拾肠康荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,42,GFP,是一种在,395nm,的激发光下可以释放出绿色荧光的蛋白，现已广泛的应用于生物以及医学研究。该蛋白可以表达在真核细胞中，在和其他基因融合表达的情况下，可以活体示踪目的蛋白的定位以及活动,.,里媒卡孟卜诲碱双宛泞拄难十吓楷娄蒂蟹抽谚兵捶译塔遏啦额难近使猾殆荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,通过跟踪发出的绿光来观察病毒在宿主体内的扩散途径；或者把,GFP,接合到一种蛋白质上并通过显微镜观察它在细胞内部的移动,从水晶水母体内第一次分离出荧光基因,日裔科学家,下村修,1962,年首先在水母中发现,GFP,Martin Chalfie(,沙尔菲,),指出,GFP,的发光特性在生物示踪方面有极高价值；,蔚蠕笆秉伴郑瞎黍码刮袒咏臣荧簇蛮邪萝符奏疑菲彝艇茧行盂赶浇射坯仪荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,商业用途：荧光鱼,改造后的,GFP,可发射其它颜色的荧光，允许科学家一次性跟踪一种以上的蛋白质。图片中美丽的“彩虹”就是大脑中的神经系统网络。,华裔科学家,钱永健,改造了,GFP,，使得它可以在不同的激发光下发红蓝等各色，并且更加易于使用，大大扩展了此类蛋白的应用。,激港悉饰醒杉诚鳞祁锌销渤拯剪礁而顷愁含还淳寺佐里摇跺匆嚷住祟碗嫡荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,45,Fluorescence research,Key word: Fluorescen*,Period: Jan/2005-Jun/ 2005,Data base:,美国化学会,( ACS ),数据库,3566,篇,WPS,电子期刊全文数据库,206,篇,SDOS,全文数据库（上交 镜像）,1890,篇,英国皇家化学会（,RSC),数据库,120,篇,研究与应用领域涉及：生命 环境 材料 等,象脯尽腾苦诣辕污抗做胡戈俩搀嚎壬锌胀卞摧帜蔑律蠕护项踩逐耸撕诊晶荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青荧光分析法现代表征方法与技术,-,朱昌青,