Chapter 6 Electronic spectroscopy

单击此处编辑母版标题样式,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,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第六章 电子光谱,分子的电子光谱是由分子电子态之间的跃迁引起的，分子电子能级跃迁所需能量最大，一般在,1-20eV,1230-62nm,。,在气相分子的电子光谱中,会出现不同电子态间的振动,-,转动光谱,.,对这些振转跃迁的分析可获得分子结构的大量信息,尤其是对纯振动或转动光谱禁阻的情形。,1,1,、紫外,-,可见吸收光谱法,2,、分子荧光光谱法,3,、分子磷光光谱法,4,、化学发光光谱法,2,6.1,紫外,-,可见吸收光谱,紫外,-,可见光区的波长,为,200-780nm,，,200-380nm,为近紫外区；,380-780nm,为可见光区；,分子吸收此波区的光能足以使价电子发生跃迁，由此产生的吸收光谱称为,紫外,-,可见,吸收光谱亦称电子光谱。,10-200nm,为远紫外区，,由于空气中氮、氧、水等均对此区域光有吸收，若对此范围的光进行吸收测定时，必须先对光学系统抽真空，然后充入惰性气体，所以称为,真空紫外区，,实际应用受到一定限制。,3,分子吸收光能，使其电子发生跃迁，发生跃迁的电子可分为以下三大类：,、和,n,电子,d,和,f,电子,电荷转移,6.1.1,常见的价电子跃迁类型,4,（,1,）、和,n,电子的,跃迁,据分子轨道理论，,有机化合物分子,中价电子包括形成,单键的,电子,、,双键的,电子,和,非成键的,n,电子,5,*,位于远紫外区，吸收强度大，有机化合物中饱和烃均为单键，吸收带小于,160nm,，在远紫外区，因此，此类化合物常用于紫外,-,可见吸收光谱分析的溶剂。,6,*,和,n,跃迁的吸收带,近紫外区或可见光区,，最常用,n,吸收较弱。,*,跃迁几率比,n,大，故,吸收带强度大,。若具有共轭双键，则电子容易激发，吸收带,“,红移,”,，且,摩尔吸光系数更大,。,n,*,跃迁的吸收带 如含,-OH,、,-NH,2,、,-X,、,-S,等,基团的化合物，其杂原子中的,孤对电子,吸收能量后,向,*,反键轨道,跃迁，其吸收波长在,200nm,左右。,电负性越强，跃迁所需能量越高，吸收波长越短。,n,*,跃迁的摩尔吸光系数较小。,7,外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态,(,反键轨道,),跃迁。,四种跃迁所需能量,大小顺序为,n, ,n,8,（,2,） 电荷转移跃迁（无机络合物）,电荷转移跃迁是指当外来辐射照射到某些化合物时，可能发生一个电子从体系的电子给予体部分转移到该体系的另一电子接受体部分，即给予体的一个电子向接受体的一个电子轨道跃迁，相当于化合物内部发生了内氧化还原过程，如：,电荷转移吸收带的,特点,吸收强度大，,max,10,4,L,mol,-1,cm,-1,。利用它,进行定量分析，有利于,灵敏度的提高。,9,电荷转移吸收光谱出现的波长位置，取决于电子给予体和电子接受体相应电子轨道的能量差。,中心离子的氧化能力越强，或配体的还原能力越强（相反，若中心离子的还原能力越强，或配体的氧化能力越强），则发生电荷转移跃迁时所需能量越小，吸收光谱波长红移。,10,（,3,）配位场跃迁,是指含有过渡金属及镧系锕系元素的配合物在配位体的,配位场,作用下,d,轨道或,f,轨道发生能级分裂，电子吸收能量发生,d,能级或,f,能级跃迁，由此产生配位场吸收带，主要用于配合物结构的研究。,d,d,电子跃迁吸收带是由于,d,电子层未填满的第一,(3d),、二,(4d),过渡金属离子的,d,电子,，在配位体场影响下分裂出的不同能量的,d,轨道之间的跃迁而产生的。这种吸收带在,可见光区,，强度较弱，,max,约为,0.1,100 L/mol/cm,。,f,f,电子跃迁吸收带在,紫外可见光区,，它是,由镧系和锕系元素的,4f,和,5f,电子跃迁产生,的。因,f,轨道被已填满的外层轨道屏蔽，不易受溶剂和配位体的影响，所以吸收带较窄。,11,生色团：,指分子中能吸收紫外或可见光的基团（,*,和,n,跃迁,），它实际上是一些具有不饱和键和含有孤对电子的基团，,如,C=C,，,C=O,，,-N=N-,，,-NO,2,，,-C=S,等,。,助色团：,本身不产生吸收峰，但与生色团相连时，能使生色团的吸收峰向长波方向移动，且使其吸收强度增强的基团。例如,OH,、,OR,、,NH2,、,SH,、,Cl,、,Br,、,I,等。,6.1.2,常用术语,12,同一个化合物的数个生色团，若不共轭，则吸收光谱包含这些生色团原有的吸收带，且位置及强度相互影响不大。,若彼此共轭体系，原来各自生色团的吸收带消失，同时出现新的吸收带，位置在较长的波长处，且吸收强度显著增加，这一现象称为生色团的共轭效应。,13,红移和蓝移：,因取代基的变更或溶剂的改变，使吸收带的最大吸收波长,max,向长波方向移动称为红移，向短波方向移动称为蓝移。,增色效应和减色效应：,最大吸收带的摩尔吸光系数,max,增加时称为增色效应；反之称为减色效应。,强带和弱带：,max,10,4,的吸收带称为强带；,max,10,3,的吸收带称为弱带。,6.1.2,常用术语,14,6.1.2,常用术语,吸收带,：,即吸收峰在,UV-vis,光谱中的位置。根据电子,和轨道种类，可把吸收带分为四种类型。,R,带,：,由,n,*,跃迁引起的吸收带，是杂原子的不饱,和基团，如,=C=O,，,-NO,，,-NO,2,，,-N=N-,等发色,团的特征。较长波长范围（,300nm),，弱吸收。,K,带,：,(,取自德文：,konjuierte,共轭谱带,),共轭双键中,*,跃,迁所产生的吸收峰，为强吸收带,吸收系数,max,10,4,。,共轭程度增大，吸收带红移，吸收强度增大。,是共轭分子的特征吸收带，因此用于判断化合物的共,轭结构。紫外,-,可见吸收光谱中应用最多的吸收带。,15,16,B,带,：,（取自德文：,benzenoid band,苯型谱带）。它是芳香族化合物的特征吸收带。是,苯环振动及,*,重叠,引起的。在,230,270nm,之间出现精细结构吸收，又称苯的多重吸收，,E,带,：,（取自德文：,ethylenic band,，乙烯型谱带）。它也是芳香族化合物的特征吸收之一。,E,带可分为,E,1,及,E,2,两个吸收带，二者可以分别看成是苯环中的乙烯键和共轭乙烯键所引起的，也属,*,跃迁,。,17,共轭效应：,共轭效应使共轭体系形成大,键，结果使各能级间的能量差减小，从而跃迁所需能量也就相应减小，因此共轭效应使吸收波长产生红移。共轭不饱和键越多，红移越明显，同时吸收强度也随之加强。,6.1.3,影响紫外,-,可见吸收光谱的因素,18,溶剂效应：溶剂极性对光谱精细结构的影响,溶剂化限制了溶质分子的自由转动，使转动光谱表现不出来。如果溶剂的极性越大，溶剂与溶质分子间产生的相互作用就越强，溶质分子的振动也越受到限制，因而由振动而引起的精细结构也损失越多。,6.1.3,影响紫外,-,可见吸收光谱的因素,19,溶剂效应：溶剂极性对,*和,n,*,跃迁谱带的影响,当溶剂极性增大时，由,*跃迁产生的吸收带发生红移，,n,*,跃迁产生的吸收带发生蓝移,6.1.3,影响紫外,-,可见吸收光谱的因素,20,溶剂的选择：,尽量选用非极性溶剂或低极性溶剂；,溶剂能很好地溶解被测物，且形成的溶液具有良好的化学和光化学稳定性；,溶剂在样品的吸收光谱区无明显吸收。,pH,值的影响：,如果化合物在不同的,pH,值下存在的型体不同，则其吸收峰的位置会随,pH,值的改变而改变。,6.1.3,影响紫外,-,可见吸收光谱的因素,21,6.1.4,紫外,-,可见分光光度计,22,（,1,）定性分析,：,紫外,-,可见吸收光谱法对无机元素的定性分析应用较少。,有机化合物定性鉴定和结构分析：光谱简单，特征性不强，大多数简单官能团在近紫外光区只有微弱吸收或者无吸收，应用有一定的局限性。,主要适用于不饱和有机化合物，尤其是共轭体系的鉴定，以此推断未知物的骨架结构。,结构完全相同的化合物应有完全相同的吸收光谱；但吸收光谱完全相同的化合物却不一定是同一个化合物,这是由于有机分子中的选择吸收的波长和强度，主要决定于分子中的生色团和助色团及其共轭情况。,在配合红外光谱、核磁共振谱、质谱等进行定性鉴定和结构分析中，是一个十分有用的辅助方法。,6.1.5,紫外,-,可见吸收光谱法的应用,23,比较法,所谓比较法，就是在相同的测定条件（仪器、溶剂、,pH,等）下，比较未知纯试样与已知标准物的吸收光谱曲线，如果它们的吸收光谱曲线完全等同，则可以认为待测样品与已知化合物有相同的生色团。,借助于前人汇编的以实验结果为基础的各种有机化合物的紫外,-,可见光谱标准谱图，或有关电子光谱数据表。,24,最大吸收波长计算法,当采用其他物理和化学方法判断某化合物有几种可能结构时，可用经验规则计算最大吸收波长,max,，并与实测值进行比较，然后确认物质的结构。,1,Woodward-Fieser,经验规则,计算共轭二烯、多烯烃及共轭烯酮类化合物,*,跃迁最大吸收波长的经验规则。,计算时，先从未知物的母体对照表得到一个最大吸收的基数，然后对连接在母体中,电子体系,(,即共轭体系,),上的各种取代基以及其他结构因素按表所列的数值加以修正，得到该化合物的最大吸收波长。,25,26,27,28,29,2,Fieser-Kuhn,经验规则,如果一个多烯分子中含有四个以上的共轭双键，则其在己烷中的,max,和,max,值可按,Fieser-Kuhn,经验规则来计算：,max,=114+5M+n(48.0,1.7n)-16.5R,环内,-10R,环外,max,=1.74,104,n,M,为取代烷基数，,n,为共轭双键数，,R,环内,为有环内双键的环数，,R,环外,为有环外双键的环数。,30,3,Scott,经验规则,31,3,Scott,经验规则,32,顺反异构体的判别,一般来说，顺式异构体的,max,比反式异构体的小。,互变异构体的测定,(2),结构分析,33,构象的判别,例如，,-,卤代环己酮有两种构象：,C,X,键可为直立键（,I,），也可为平伏键（,II,）。,前者,C=O,上的,电子与,C,X,键的,电子重叠较后者大，因此前者的,max,比后者大。,据此可以区别直立键和平伏键，从而确定待测物的构象。,6.3.2,结构分析,34,依据：朗伯,-,比耳定律。,即在一定波长处被测定物质的吸光度与其浓度呈线性关系。,单组分定量方法,标准曲线法：配制一系列不同浓度的标准溶液，以不含被测组分的空白溶液为参比，测定标准溶液的吸光度，在符合朗伯,-,比耳定律的浓度范围内绘制吸光度,-,浓度曲线，得到标准曲线的线性回归方程。在相同条件下测定未知试样的吸光度，通过线性回归方程便可求得未知试样的浓度。,(3),定量分析,35,多组分定量方法,根据吸光度具有加和性的特点，在同一试样中可以测定两种或两种以上的组分。,36,导数分光光度法,根据朗伯,-,比耳定律，吸光度是波长的函数,A=,(,)lc,将吸光度对波长进行,n,次求导，得,吸光度的任一阶导数值都与吸光物质的浓度呈正比，所以可用于定量分析，其灵敏度与,d,n,/d,n,有关。,37,38,如果一化合物在紫外,-,可见区没有吸收峰，而其中的杂质有较强的吸收，就可方便地检出该化合物中的痕量杂质。,如果一化合物在紫外,-,可见区有较强的吸收带，有时可用摩尔吸光系数来检查其纯度。,(4),纯度检查,39,在极性溶剂中，分子间形成了氢键，实现,n,*,跃迁时，氢键也随之断裂；此时，物质吸收的光能，一部分用以实现,n,*,跃迁，另一部分用以破坏氢键（即氢键的键能）。,在非极性溶剂中，不可能形成分子间氢键，吸收的光能仅为了实现,n,*,跃迁，故所吸收的光波的能量较低，波长较长。,由此可见，只要测定同一化合物在不同极性溶剂中,n,*,跃迁吸收带，就能计算其在极性溶剂中氢键的强度。,例如，在水中，丙酮的,n,*,吸收带为,294.5 nm,，能量,452.99 kJ,mol,-1,；在己烷中，该吸收带为,279 nm,，能量为,429.40 kJ,mol,-1,。,丙酮在水中形成的氢键强度为,452.99-429.40 = 23.59 kJ,mol,-1,。,(5),氢键强度的测定,40,分子发光,：处于基态的分子吸收能量(电、热、化学和光能等)被激发至激发态，然后从不稳定的激发态返回至基态并发射出光子，此种现象称为发光。,发光分析包括荧光、磷光、化学发光、生物发光等。,41,6.2,荧光,光谱,分析法,分子荧光分析法,是根据物质的分子荧光光谱进行定性，以荧光强度进行定量的一种分析方法。,荧光分析的特点：,灵敏度高,：视不同物质，检测下限在,0.1,0.001,g/mL,之间。比,UV-Vis,的灵敏度高得多。,选择性好,：可同时用激发光谱和荧光发射光谱定性。,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。,应用不广泛：,主要是因为能发荧光的物质不具普遍性、增强荧光的方法有限、外界环境对荧光量子效率影响大、干扰测量的因素较多,。,42,6.2.1 基本原理,(一) 分子荧光的产生,处于分子基态单重态中的电子对，其自旋方向相反，当其中一个电子被,激发时，通常跃迁至第一激发态单重态轨道上，也可能跃迁至能级更高的单重态上。这种跃迁是符合光谱选律的，如果跃迁至第一激发三重态轨道上，则属于禁阻跃迁。,单重态与三重态的区别在于电子自旋方向不同，激发三重态具有较低能级,。,在单重激发态中，两个电子平行自旋，单重态分子具有抗磁性，其激发态的平均寿命大约为10,-8,s;,而三重态分子具有顺磁性，其激发态的平均寿命为10,-4, 1s以上(通常用S和T分别表示单重态和三重态)。,43,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,-9,s,第一激发单重态的最低振动能级基态；,磷光：10,-4,10,s；,第一激发三重态的最低振动能级基态；,S,2,S,1,S,0,T,1,吸,收,发,射,荧,光,发,射,磷,光,系间跨越,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,基态：电子自旋配对，,多重度,=,2s+1,=,1,，为单,重态，以,S,0,表示。,分子内的光物理过程,激发三重态：分子吸收能量，电子自旋不再配对，,为三重态，称为激发三重态，以,T,1,，,T,2,.,表示,激发单重态：分子吸收能量，电子自旋仍然配对，为单重态，称为激发单重态，以,S,1,，,S,2,表示,45,处于激发态的电子，通常以辐射跃迁方式或无辐射跃迁方式再回到基态。,辐射跃迁,主要涉及到荧光、延迟荧光或磷光的发射；,无辐射跃迁,则是指以热的形式辐射其多余的能量，包括振动弛豫,(,VR),、内部转移,(IR),、系间窜跃,(IX),及外部转移,(EC),等，各种跃迁方式发生的可能性及程度，与荧光物质本身的结构及激发时的物理和化学环境等因素有关。,46,（二） 去活化过程,(Deactivation),处于激发态分子不稳定，通过辐射或非辐射跃迁等去活化过程返回至基态。这些过程包括：,1),振动弛豫,(Vibrational Relaxation, VR),在液相或压力足够高的气相中，处于激发态的分子因碰撞将能量以热的形式传递给周围的分子，从而从高振动能层失活至低振动能层的过程，称为振动弛豫。,发生振动弛豫的时间,10,-12,s,。,47,2)内转化(,Internal Conversion，IC ),对于具有相同多重度的分子，若较高电子能级的低振动能层与较低电子能级的高振动能层相重叠时，则电子可在重叠的能层之间通过振动耦合产生无辐射跃迁，如,S,2,-S,1,；,T,2,-T,1,。,3)荧光发射,处于第一激发单重态中,(,最低振动能级,)的电子跃迁至基态各振动能级时(,多为,S,1,S,0,跃迁,)，将得到最大波长为,2,的荧光。,注意：,基态中也有振动驰豫跃迁。很明显，,2,的波长较激发波长,1,或,2,都长，而且不论电子开始被激发至什么高能级，最终将只发射出波长为,2,的荧光。荧光的产生在,10,-7,-10,-9,s内完成。,48,4)系间窜跃,指不同多重态间的无辐射跃迁，例如,S,1,T,1,就是一,种系间窜跃。通常，发生系间窜跃时，电子由,S,1,的较低振动能级转移至,T,1,的较高振动能级处。有时，通过热激发，有可能发生,T,1,S,1,，然后由,S,1,发生荧光。这是产生延迟荧光的机理。,5)外转换(External Conversion，EC),受激分子与溶剂或其它溶质分子相互作用发生能量转换而使荧光或磷光强度减弱甚至消失的过程，也称“熄灭”或“猝灭”。,49,（三 ）荧光效率及其影响因素,荧光量子产率也叫荧光效率或量子效率，它表示物质发射荧光的能力，通常用下式表示,或,= 发射荧光量子数 / 吸收荧光量子数,在产生荧光的过程中，涉及到许多辐射和无辐射跃迁过程，如,荧光发射、内转移、系间窜跃,和,外转移,等。很明显，荧光的量子产率，将与上述每一个过程的速率常数有关。,50,若用数学式来表达这些关系，得到,= k,f,/(k,f,+,k,i,),式中:,k,f,为荧光发射过程的速率常数，,k,i,为其它有关过程的速率常数的总和。,凡是能使,k,f,值升高而使其它,k,i,值降低的因素，都可增强荧光。,实际上，对于高荧光分子，例如荧光素，其量子产率在某些情况下接近1，说明,k,i,很小，可以忽略不计。,一般来说，,k,f,主要取决于化学结构，而,k,i,则主要取决于化学环境，同时也与化学结构有关。,磷光的量子产率与此类似。,K,i,K,IC,K,ISC,K,Q,Q,K,IC,为,振动弛豫/内部转移,，K,ISC,为系间跨越，K,Q,Q为S,1,的碰撞猝灭,51,分子产生荧光必须具备两个条件：,分子必须具有与所照射的辐射频率相适应的结构,才能吸收激发光；,吸收了与其本身特征频率相同的能量之后，必须具有一定的荧光量子产率。,52,6.2.2 荧光与有机化合物的结构,(1) 跃迁类型,对于大多数荧光物质，首先经历,或,n,(非键电子轨道),激发，然后经过振动弛豫或其他无辐射跃迁，再发生,或,n跃迁而得到荧光。在这两种跃迁类型中，,跃迁常能发出较强的荧光(较大的量子产率)。这是由于,跃迁具有较大的摩尔吸光系数(一般比n,大100-1000倍)。,其次，,跃迁的寿命约为10,-7,10,-9,s，比n,跃迁的寿命10,-5,10,-7,s要短。在各种跃迁过程的竞争中，它是有利于发射荧光的。此外，在,跃迁过程中，通过系间窜跃至三重态的速率常数也较小,，,(S,1,T,1,能级差较大)，这也有利于荧光的发射。,总之，,跃迁是产生荧光的主要跃迁类型。,53,(2)共轭效应,容易实现,激发的芳香族化合物容易发生荧光，能发生荧光的脂肪族和脂环族化合物极少,(仅少数高度共轭体系化合物除外)。此外，,增加体系的共轭度，荧光效率一般也将增大。,例如：,在多烯结构中，,Ph(CH=CH),3,Ph和Ph(CH=CH),2,Ph在苯中的荧光效率分别为0.68和0.28。,共轭效应使荧光增强的原因 ：,主要是由于增大荧光物质的摩尔吸光系数，有利于产生更多的激发态分子，从而有利于荧光的发生。,(3)刚性平面结构,多数具有刚性平面结构的有机分子具有强烈的荧光。,因为这种结构可以减少分子的振动，使分子与溶剂或其它溶质分子的相互作用减少，也就减少了碰撞去活的可能性。,54,(4)取代基效应,芳香族化合物,苯环上的不同取代基对该化合物的荧光强度和荧光光谱有很大的影响。,给电子基团，如,-OH、-OR、-CN、-NH,2,、 -NR,2,等,，使荧光增强。因为产生了,p-,共轭作用，增强了电子共轭程度，使最低激发单重态与基态之间的跃迁几率增大。,吸电子基团，如-COOH、-NO、-C O、卤素等，会减弱甚至会猝灭荧光。,卤素取代基随原子序数的增加而荧光降低。这可能是由所谓,“重原子效应”,使系间窜跃速率增加所致。在重原子中，能级之间的交叉现象比较严重，因此容易发生自旋轨道的相互作用，增加了由单重态转化为三重态的概率。,取代基的空间障碍对荧光也有影响。,立体异构现象对荧光强度有显著的影响。,55,6.2.3 金属螯合物的荧光,除过渡元素的顺磁性原子会发生线状荧光光谱外，,大多数无机盐类金属离子，在溶液中只能发生无辐射跃迁，因而不产生荧光。,但是，在某些情况下，金属螯合物却能产生很强的荧光，并可用于痕量金属元素分析。,56,(1)螯合物中配位体的发光,不少有机化合物虽然具有共轭双键，但由于不是刚性结构，分子处于非同一平面，因而不发生荧光。,若这些化合物和金属离子形成螯合物，随着分子的刚性增强，平面结构的增大，常会发生荧光。,如,：,8-羟基喹啉本身有很弱的荧光，但其金属螯合物具有很强的荧光。,(2)螯合物中金属离子的特征荧光,这类发光过程通常是螯合物首先通过配位体的,跃迁激发，接着配位体把能量转给金属离子，,导致,dd,*,跃迁和,f,f,*,跃迁，最终发射的是,dd,*,跃迁和,f,f,*,跃迁光谱。,57,6.2.4 影响荧光强度的因素, 溶剂,对荧光强度的影响,溶剂的影响可分为,一般溶剂效应和特殊溶剂效应,。,一般溶剂效应,指的是溶剂的折射率和介电常数的影响。特殊溶剂效应指的是荧光体和溶剂分子间的特殊化学作用，如氢键的生成和化合作用。,一般溶剂效应是普遍的，而,特殊溶剂效应,则决定于溶剂和荧光体的化学结构。特殊溶剂效应所引起荧光光谱的移动值，往往大于一般溶剂效应所引起的影响。由于溶质分子与溶剂分子间的作用，使,58,同一种荧光物质在不同的溶剂中的荧光光谱可能会有显著不同。有的情况，,增大溶剂的极性，将使,n,跃迁的能量增大，,跃迁的能量减小，而导致荧光增强，荧光峰红移。,但也有,相反的情况，,例如，苯胺、萘磺酸类化合物在戊醇、丁醇、丙醇、乙醇和甲醇中，随着醇的极性增大，荧光强度减小，荧光峰蓝移。因此,荧光光谱的位置和强度与溶剂极性之间的关系，应根据荧光物质与溶剂的不同而异,。,如果溶剂和荧光物质形成了化合物，或溶剂使荧光物质的电力状态改变，则荧光峰位和强度都会发生较大的变化。,59, 温度对荧光强度的影响,温度上升使荧光强度下降。其中一个原因是分子的内部能量转化作用。当激发分子接受额外热能时，有可能使激发能转换为基态的振动能量，随后迅速振动弛豫而丧失振动能量。另一个原因是碰撞频率增加，使外转换的去活几率增加。, 溶液pH值对荧光强度的影响,带有酸性或碱性官能团的大多数芳香族化合物的荧光与溶液的pH有关。,具有酸性或碱性基团的有机物质，在不同pH值时，其结构可能发生变化，因而荧光强度将发生改变；对无机荧光物质，因pH值会影响其稳定性，因而也可使其荧光强度发生改变。,对于金属离子与有机试剂形成的发光,螯,合物，一方面pH会影响合,螯,物的形成，另一方面还会影响,螯,合物的组成，从而影响它们的荧光性质。,60, 内滤光作用和自吸收现象,溶液中若存在能吸收激发或荧光物质所发射光能的物质，就会使荧光减弱，这种现象称为“内滤光作用”。,内滤光作用的另一种情况是荧光物质的荧光发射光谱的短波长的一端与该物质的吸收光谱的长波长一端有重叠。,在溶液浓度较大时，一部分荧光发射被自身吸收，产生,“自吸收”,现象而降低了溶液的荧光强度。,顺磁性物质的存在,，,使激发单重态的体系间窜越速率增大,因而会使荧光效率降低,。,61,6.2.5,溶液荧光猝灭,荧光物质分子与溶剂分子或其它溶质分子的相互作用引起荧光强度降低的现象称为,荧光猝灭,。能引起荧光强度降低的物质称为猝灭剂。,导致荧光猝灭的主要类型：, 碰撞猝灭,碰撞猝灭,是指处于激发单重态的荧光分子与猝灭剂分子相碰撞，使激发单重态的荧光分子以无辐射跃迁的方式回到基态，产生猝灭作用。,62,静态猝灭,(,组成化合物的猝灭,),由于部分荧光物质分子与猝灭剂分子生成非荧光的配合物而产生的。此过程往往还会引起溶液吸收光谱的改变。, 转入三重态的猝灭,分子由于系间的跨越跃迁，由单重态跃迁到三重态。转入三重态的分子在常温下不发光，它们在与其它分子的碰撞中消耗能量而使荧光猝灭。,溶液中的溶解氧对有机化合物的荧光产生猝灭效应是由于三重态基态的氧分子和单重激发态的荧光物质分子碰撞，形成了单重激发态的氧分子和三重态的荧光物质分子，使荧光猝灭。,63,发生电子转移反应的猝灭,某些猝灭剂分子与荧光物质分子相互作用时，发生了电子转移反应，因而引起荧光猝灭。,荧光物质的自猝灭,在浓度较高的荧光物质溶液中，单重激发态的分子在发生荧光之前和未激发的荧光物质分子碰撞而引起的自猝灭。有些荧光物质分子在溶液浓度较高时会形成二聚体或多聚体，使它们的吸收光谱发生变化，也引起溶液荧光强度的降低或消失。,64,6.2.6 溶液的荧光强度,1. 荧光强度与溶液浓度的关系,荧光强度,I,f,正比于吸收的光量,I,a,与荧光量子产率,。,I,f,=,I,a,式中,为荧光量子效率，又根据Beer定律,I,a,= I,0,- I,t,= I,0,(1- e,-,A,),I,0,和,I,t,分别是入射光强度和透射光强度。代入上式得,I,f,=,I,0,(1- 10,-A,) =,I,0,(1- e,-2.3,A,),65,整理得：,I,f,=2.3,I,0,bc,当入射光强度,I,0,一定时，上式为：,I,f,= K,c,即,荧光强度与荧光物质的浓度成正比,，,但这种线性关系只有在极稀的溶液中，当A0.05时才成立,。,对于较浓溶液，由于猝灭现象和自吸收等原因，使荧光强度和浓度不呈线性关系。,66,任何荧(磷)光都具有两种特征光谱：激发光谱与发射光谱。它们是荧(磷)光定性分析的基础。,（,1,）,激发光谱,改变激发波长，测量在最强荧(磷)光发射波长处的强度变化，以激发波长对荧光强度作图可得到激发光谱。,激发光谱形状与吸收光谱形状完全相似,，经校正后二者完全相同！,这是因为分子吸收光能的过程就是分子的激发过程。,激发光谱可用于鉴别荧光物质；在定量时，用于选择最适宜的激发波长。,6.2.7 荧光,激发光谱与发射光谱,67,（,2,）,发射光谱,发射光谱即荧光光谱。一定波长和强度的激发波长辐照荧光物质，产生不同波长和强度的荧光，以荧光强度对其波长作图可得荧光发射光谱。,由于不同物质具有不同的特征发射峰，因而使用荧光发射光谱可用于鉴别荧光物质。,68,（,3,）激发光谱与发射光谱的关系,a,、,波长比较,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,、形状比较,荧光光谱形状与激发波长无关。尽管分子受激可到达不同能级的激发态，但由于去活化,(,内转换和振动弛豫,),到第一电子激发态的速率或几率很大，好像是分子受激只到达第一激发态一样。,换句话说，不管激发波长如何，电子都是从第一电子激发态的最低振动能层跃迁到基态的各个振动能层。,69,c,、镜像对称,通常荧光光谱与吸收光谱呈镜像对称关系。,图,5.3,荧光光谱与吸收光谱关系图,70,解释1：能层结构相似性,荧光为第一电子激发单重态的最低振动能层跃迁到基态的各个振动能层而形成，即其形状与基态振动能级分布有关。,吸收光谱是由基态最低振动能层跃迁到第一电子激发单重态的各个振动能层而形成，即其形状与第一电子激发单重态的振动能级分布有关。,由于激发态和基态的振动能层分布具有相似性，因而呈镜像对称。,S,1,S,0,图,5.4,能层结构,71,解释,2,：,位能曲线,(Frank-Condon,原理,),由于电子吸收跃迁速率极快,(10,-15,s),，此时核的相对位置可视为不变,(,核较重,),。当两个能层间吸收跃迁的几率越大,，,其相反跃迁的几率也越大，即产生的光谱呈镜像对称。,图,5.5,位能曲线,72,6.2.8 荧光仪器(光源与检测器处于相互垂直的位置),第一单色器,或滤光片,记录仪,第二单色器,或滤光片,荧光,光源,激发,样品池,1)光源： 氙灯、高压汞灯、激光；,2)样品池：石英(低荧光材料),，,形状以四面透光、方形和长方形为宜；,3)两个单色器：选择激发光单色器,分离荧光单色器；,4)检测器：光电倍增管,，并与激发光成直角,。,图,5.6,荧光分析仪器示意图,73,6.2.9 荧光分析法的应用,该式只有当,A,0.05,时才成立,即荧光测定必须在极稀的溶液中才可用于定量测定,否则较正曲线发生弯曲.,74,(一)无机化合物的分析,大多数无机离子与溶剂之间的相互作用很强,，,其激发态多以非辐射跃迁方式返回基态,，,发荧光者甚少,。,然而很多,无机离子可以与一些有机化合物形成有荧光的络合物,，,利用这一性质可对其进行荧光测定,。,能够同金属离子形成荧光络合物的有机试剂绝大多数是芳香族化合物,，,通常含有两个或两个以上的官能团,能与金属离子形成五元环或六元环的螯合物,。,由于螯合物的生成,分子的刚性平面结构增大,，,使原来不发荧光或荧光较弱的化合物转变为强荧光化合物,。,另一类络合物是三元离子缔合物,。,75,(二)有机化合物的分析,脂肪族有机化合物,的分子结构较为简单,本身能发生荧光的很少,，,一般需要与某些试剂反应后,才能进行荧光分析,。,如,：,丙三醇与苯胺在浓硫酸介质中反应生成发射蓝色荧光的喹啉，据此可以测定0.12,gmL,-,的丙三醇,。,芳香族化合物,因具有共轭的不饱和体系,，,多数能发生荧光,可直接用荧光法,测定.,76,6.3 磷光分析,磷光分析法是以分子磷光光谱来鉴别有机化合物和进行定量分析的一种方法,。,磷光分析法在药物分析,、,临床分析等领域的应用日益发展,。,77,6.3.1 基本原理,(一) 磷光的产生和磷光强度,磷光是处于激发三重态(,一般是,T,1,)的分子跃迁返回基态(,S,0,)时所产生的辐射,。,1. 磷光的特点：,磷光波长比荧光的长(T,1,S,1,)；,磷光寿命比荧光的长(磷光为禁阻跃迁产生，速率常数小)；,磷光寿命和强度对重原子和氧敏感(自旋轨道耦合，使,K,ISC,增加)。,电子由,S,0,进入,T,1,的可能过程：（,S,0,T,1,禁阻跃迁）,S,0,激发振动弛豫内转移系间跨越振动弛豫,T,1,发光速度很慢：,10,-4,10,s,。,光照停止后，可持续一段时间。,78,2.,磷光强度:,I,P,=2.3,P,I,0,kbc,式中,，,I,P,为磷光强度，,P,为,磷光效率，,I,0,为激发光的强度，,k,为磷光物质的摩尔吸收系数 ，,b,为试样池的光程，,C,为磷光物质的浓度,。,在一定的条件下，,p、,I,p,、,k、b,均为常数，因此上式可写成：,I,p,=Kc,79,(二) 温度对磷光强度的影响,1. 随着温度降低,，分子热运动速率减慢，磷光逐渐增强,.,2. 低温磷光(液氮),由于磷光寿命长，T,1,的非辐射跃迁,(内转换)几率增加，碰撞失活(振动弛豫)的几率、光化学反应几率都增加，从而降低磷光强度。因此有必要在,低温下测量磷光,。同时要求溶剂：,易提纯且在分析波长区无强吸收和发射；,低温下形成具有足够粘度的透明的刚性玻璃体。,常用的溶剂：,EPA乙醇+异戊烷+二乙醚(2+2+5), IEPACH,3,I+EPA(1+10)。,80,(三)重原子效应,使用含有重原子的溶剂(碘乙烷、溴乙烷)或在磷光物质中引入重原子取代基,，,都可以提高磷光物质的磷光强度,这种效应称为重原子效应,。,前者称为外部重原子效应,后者称为内部重原子效应,。,机理:,重原子的高核电荷使得磷光分子的电子能级交错,，,容易引起或增强磷光分子的自旋轨道偶合作用,从而使S,1,T,1,的体系间窜跃概率增大,，,有利于增大磷光效率,。,81,(四) 室温磷光,低温磷光需低温实验装置且受到溶剂选择的限制，,1974年后发展了室温磷光(RTP)。,1)固体基质：在室温下以固体基质(如纤维素等)吸附磷光体，可增加分子刚性、减少三重态猝灭等非辐射跃迁，从而提高磷光量子效率。,2)胶束增稳：利用表面活性剂在临界浓度形成具多相性的胶束，,改变磷光体的微环境、增加定向约束力，从而减小内转换和碰撞等去活化的几率，提高三重态的稳定性。,利用胶束增稳、重原子效应和溶液除氧是该法的三要素。,82,(五) 敏化磷光：,其过程可以简单表示为：,(六)磷光发射,从单重态到三重态分子间发生系间跨跃跃迁后，再经振动弛豫回到三重态最低振动能层，最后，,在,10,-4,-10s,内跃迁到基态的各振动能层所产生的辐,射。,83,6.3.3 磷光仪器,在荧光仪样品池上增加磷光配件：低温杜瓦瓶和斩光片。如右图所示。,斩光片的作用是利用其分子受激所产生的荧光与磷光的寿命不同获取磷光辐射。,转筒式,转盘式,图,5.7,磷光分析仪器示意图,84,6.3.3,磷光分析法的应用,磷光分析法主要用于有机化合物的测定，如稠环芳烃和石油产品的分析，农药、生物碱和植物生长激素的分析，药物和临床分析等。,此外磷光分析技术也已应用于生物活性物质的化验及细胞生物学、生物化学等方面的研究。,85,一些有机化合物的磷光分析,*,化合物,溶剂,ex,/nm,em,/nm,化合物,溶剂,em,/nm,em,/nm,腺嘌呤,WM RTP,278 290,406 470,吡啶,EtOH,310,440,蒽,EtOHEPA,300 40,462 380,吡哆素盐酸,EtOH,291,425,阿斯匹林,EtOH,310,430,水杨酸,EtOH RTP,315320,430 470,苯甲酸,EPA,240,400,磺胺二甲基嘧啶,EtOH,230,405,咖啡因,EtOH,285,440,磺 胺,EtOH RTP,297 267,411 426,柯卡因盐酸,EtOH RTP,240 285,400 460,磺胺吡啶,EtOH,310,440,可待因,EtOH,270,505,色氨酸,EtOH RTP,295 230,440 448,DDT,EtOH,270,420,香草醛,EtOH,332,519,WM,为水甲醇；,RTP,为室温磷光；,EPA,为乙醇、异戊烷和二乙醚体积比为,2:5:5,的混合溶剂,86,6.4,化学发光分析法,6.4.2,概述,某些物质在进行化学反应时，由于吸收了反应时产生的化学能，而使反应产物分子激发至激发态，受激分子由激发态回到基态时，便发出一定波长的光。这种吸收化学能使分子发光的过程称为化学发光。,用化学发光反应而建立起来的分析方法称为化学发光分析法。,化学发光也发生于生命体系，这种发光称为生物发光。,87,6.4.2 化学发光分析的基本原理,化学发光是吸收化学反应过程产生的化学能，而使反应产物分子激发所发射的光。任何一个化学发光反应都应包括化学激发和发光两个步骤，必须满足如下条件：,(1)化学反应必须提供足够的激发能，激发能主要来源于反应焓。,(2)要有有利的化学反应历程，使化学反应的能量至少能被一种物质所接受并生成激发态。,(3)激发态能释放光子或能够转移它的能量给另一个分子，而使该分子激发，然后以辐射光子的形式回到基态。,88,化学发光效率和发光强度,化学发光反应效率,cl,，又称化学发光的总量子产率。它决定于生成激发态产物分子的化学激发效率,ce,和激发态分子的发射效率,em,。定义为：,cl,=发射光子的分子数 / 参加反应的分子数 =,ce,em,化学反应的发光效率、光辐射的能量大小以及光谱范围，完全由参加反应物质的化学反应所决定。每个化学发光反应都有其特征的化学发光光谱及不同的化学发光效率。,化学发光反应的发光强度,I,cl,以单位时间内发射的光子数表示。它与化学发光反应的速率有关，而反应速率又与反应分子浓度有关。即,I,cl,(t)=,cl,dc/dt=Kc,式中,，,I,cl,(t),表示,t,时刻的化学发光强度，是与分析物有关的化学发光效率,dc/dt,是分析物参加反应的速率。,89,6.4.3 化学发光反应类型,1,、,直接化学发光和间接化学发光,直接发光,是被测物作为反应物直接参加化学发光反应，生成电子激发态产物分子，此初始激发态能辐射光子。,A + B,C* + D,C*,C + h,式中A或B是被测物，通过反应生成电子激发态产物C*，当C* 跃迁回基态时，辐射光子。,90,间接发光,是被测物,A或B，通过化学反应生成初始激发态产物,C* ， C* 不直接发光，而是将其能量转移给F，使F跃迁回基态，产生发光。,A + B,C* + D,C*+F,F* + E,F*,F + h,式中,C*为能量给予体，而F为能量接受体,91,2.,气相化学发光和液相化学发光,按反应体系的状态分类，如化学发光反应在气相中进行称为气相化学发光；在液相或固相中进行称为液相或固相化学发光；在两个不同相中进行则称为异相化学发光。,(1),气相化学发光,主要有,O,3,、,NO,、,S,的化学发光反应，可用于监测空气中的,O,3,、,NO,、,SO,2,、,H,2,S,、,CO,、,NO,2,等。,臭氧与乙烯的化学发光反应；一氧化氮与臭氧的化学发光反应。,(2),液相化学发光,用于此类化学发光分析的发光物质有鲁米诺、光泽碱、洛粉碱等。例如，利用发光物质鲁米诺，可测定痕量的,H,2,O,2,以及,Cu,、,Mn,、,Co,、,V,、,Fe,、,Cr,、,Ce,等金属离子。,92,6.4.4 化学发光的测量装置,化学发光分析法的测量仪器主要包括样品室、光检测器、放大器和信号输出装置。,化学发光反应在样品室中进行，样品和试剂混合的方式有不连续取样体系，加样是间歇的。将试剂先加到光电倍增管前面的反应池内，然后用进样器加入分析物。,（,分立取样式仪器,）,另一种方法是连续流动体系，反应试剂和分析物是定时在样品池中汇合反应，且在载流推动下向前移动，被检测的光信号只是整个发光动力学曲线的一部分，而以峰高进行定量测量。,（,流动注射式仪器,）,93,6.4.5 化学发光分析的应用,1.,广泛应用于大气中O,3、,NO、NO,2,、H,2,O、SO,2、,CO等组分的检测。,2.,鲁米诺,(3-,氨基苯二甲酸肼,),H,2,O,2,体系,94,思考题,(CH,3,),3,N,3,能发生,n,跃迁，,max,=,227nm (,=900Lcm,-1,mol,-1,),，在酸中测定时，该峰会怎么变化？为什么？,某化合物的,max,(,己烷,)=305,nm,，其中,max,(,乙醇,)=307,nm,，该吸收是由,n,还是,跃迁引起的？ 原因？,如何用紫外光谱判断下列异构体？,某化合物分子式为,C,7,H,10,O,，红外光谱分析表示分子含有,C=O,CH,3, -CH,2,-,及,C=C,紫外光测定,max,(CH,3,OH),=257nm,，试推断其结构。,95,解释名词：荧光、磷光、三重态、单重态、量子产率、振动弛豫。,解释分子荧光光谱分析的原理。,荧光激发光谱和发射光谱的区别。,荧光与化合物结构的关系。,解释分子磷光光谱分析的原理。,解释化学发光分析的原理。,思考题,96,