第十一章荧光分析方法.ppt

第十一章 荧光分析方法 有些物质受到光照射时，除吸收某种波长的光之外还会发射出比原来所吸收光的波长更长的光，这种现象称为光致发光。最常见的光致发光现象是荧光和磷光。 荧光是物质分子接受光子能量被激发后，从激发态的最低振动能级返回基态时发射出的光。 荧光分析法是根据物质的荧光谱线位置及其强度进行物质鉴定和含量测定的方法。 第一节荧光分析法的基本原理 一、分子荧光 （一）分子荧光的产生 1.分子的电子能级与激发过程 在基态时，分子中的电子成对地填充在能量最低的各轨道中。 根据Pauli不相容原理，一个给定轨道中的两个电子，必定具有相反方向的自旋，即自旋量子数分别为1／2和-1／2；其总自旋量子数s等于0，即基态没有净自旋。 在某些情况下，电子在跃迁过程中还伴随着自旋方向的改变，这时分子的两个电子的自旋方向相同，自旋量子数都为1／2，总自旋量子数s等于1，这时分子处于激发三重态(2s+1＝3)。 2. 荧光的产生 分子的去激发：分子中处于激发态的电子以辐射（发光）跃迁方式或无辐射跃迁方式回到基态。 辐射跃迁：荧光或磷光 无辐射跃迁：振动驰豫、内转移、体系间跨越、外转移。 （1）无辐射跃迁： ① 振动弛豫(vibration relexation):处于激发态各振动能级的分子通过与溶剂分子的碰撞而将部分振动能量传递给溶剂分子，其电子则返回到同一电子激发态的最低振动能级的过程。 振动弛豫过程很快，约10-12~10-14s 在其他去激发过程发生之前，电子已首先完成了由较高能级跃迁至同一电子能级的最低振动能级的振动弛豫过程。 ② 内部能量转换（内转换 internal conversion） 是当两个电子激发态之间的能量相差较小以致其振动能级有重叠时，受激分子常由高电子能级以无辐射方式转移至低电子能级的过程。 ③ 外部能量转换（外转换 external conversion） 是溶液中的激发态分子与溶剂分子或与其他溶质分子之间相互碰撞而失去能量，并以热能的形式释放能量的过程。外转换常发生在第一激发单重态或激发三重态的最低振动能级向基态转换的过程中。外转换会降低荧光强度。 ④ 体系间跨越(intersystem crossing)：是处于激发态分子的电子发生自旋反转而使分子的多重性发生变化的过程。 如S1→T1，S1上的受激电子发生自旋方向变化而变成T1，即可通过自旋-轨道耦合而产生无辐射跃迁。 如果两个电子能级态（如S1与T1)的振动能级相重叠，则发生体系间跨越的几率将增大。 体系间跨越常见于含有重原子（如碘、溴等）的有机分子。 （2）辐射跃迁 ① 荧光发射：分子最初处于激发单重态，通过内转换及振动弛豫，均可返回到第一激发单重态的最低振动能级，然后再以辐射形式发射光量子而返回至基态的任一振动能级上，这时发射的光量子称为荧光。 S1→S0+hνF 荧光发射的时间10-9~10-7s 荧光波长大于激发波长（Stokes效应） ② 磷光(phosphorescence)发射：经过体系间跨越的分子再通过振动弛豫降至激发三重态的最低振动能级，分子在激发三重态的最低振动能级可以存活一段时间，然后返回至基态的各个振动能级而发出光辐射，这种光辐射称为磷光。 T1→S0+hνp 磷光发射时间较长，约10-4-10s。 激发光停止后，磷光可持续一段时间。 电子由S0→T1为禁阻跃迁，需由S1经过体系间跨越转化为T1。 同一分子的S1→S0 比T1→S0 的能级差大，磷光的波长比荧光波长长 （二）荧光的激发光谱和荧光光谱 1. 激发光谱 激发光谱表示不同激发波长的辐射引起物质发射某一波长荧光的相对效率。 绘制激发光谱曲线时，固定发射单色器在某一波长，通过激发单色器扫描，以不同波长的入射光激发荧光物质，记灵荧光强度(F)对激发波长(λex)的关系曲线，即激发光谱，其形状与吸收光谱极为相似。 2. 荧光光谱： 荧光光谱表示在所发射的荧光中各种波长组分的相对强度。 绘制发射光谱时，使激发光的波长和强度保持不变，通过发射单色器扫描以检测各种波长下相应的荧光强度，记录荧光强度 (F)对发射波长(λem)的关系曲线，即荧光光谱。 激发光谱和荧光光谱可用来鉴别荧光物质，而且是选择测定波长的依据。 溶液荧光光谱通常具有如下特征： （1）斯托克斯位移 荧光发射波长总是大于激发光波长的现象。 原因： ①激发态分子通过内转换和振动弛豫过程而迅速到达第一激发单重态s1*的最低振动