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第五章分子发光分析法 Molecular Luminescence 第一节荧光分析法第二节磷光分析法第三节化学发光分析分子发光分析法基态分子吸收了一定能量后,跃迁到激发态,当激发态分子以辐射跃迁形式将其能量释放返回基态时,便产生分子发光。依据激发的模式不同,分子发光分为光致发光、热致发光、场致发光和化学发光。光致发光按激发态的类型不同又分为荧光和磷光两种。本章主要讨论分子荧光(Molecular Fluorescence) 、分子磷光(Molecular Phosphorescence) 化学发光分析法( Chemiluminescence ) 第一节荧光分析法一、概述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。荧光分析法的最大优点是灵敏度高,选择性也比较好, 检测限通常比分光光度法低 2-4 个数量级。虽然应用不如分光光度法广泛,但在微量、痕量分析及生命科学研究等中具有重要意义。二、基本原理(一)分子荧光的产生在单重激发态中,两个电子自旋配对,单重态分子具有抗磁性,其激发态的平均寿命大约为 10 -8s,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)。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。分子能级=电子能级( Ee )+振动能级( Ev )+转动能级( Er )。二、基本原理(一)分子荧光的产生 S 2S 1S 0 T 1 吸收发射荧光发射磷光系间窜跃内转化振动弛豫能量?? 2 ?? 1?? 3外转换??? 3 T 2内转化振动弛豫分子荧光、分子磷光是如何产生的? 振动弛豫:指在同一电子能级中, 电子由高振动能级转至低振动能级,而将多余的能量以热的形式发出。发生振动弛豫的时间为 10 -12s数量级。内转化:相同多重态的两个电子态之间的非辐射跃迁。当两个电子能级非常靠近以至其振动能级有重叠时,常发生电子由高能级以无辐射跃迁方式转移至低能级。处于高激发单重态的电子,通过内转移及振动弛豫,均跃回到第一激发单重态的最低振动能级。体系间窜跃: 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。外转移:指激发分子与溶剂分子或其它溶质分子的相互作用及能量转移,使荧光或磷光强度减弱甚至消失。这一现象称为“熄灭”或“猝灭”。 S0 S1 S2 T1 吸光?1吸光?2荧光?3荧光能级图荧光发射处于第一激发单重态最低振动能级中的电子跃回至基态各振动能级时,将得到最大波长为λ 3的荧光。注意:激发态中存在振动驰豫和内转化跃迁。很明显,荧光的光子能量比其分子受激发所吸收的光子能量低,因此荧光波长λ 3>激发波长λ 2或λ 1,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λ 3的荧光。荧光的产生在 10 -6-10 - 9s内完成。磷光发射处于第一激发单重态最低振动能层的电子,经体系间窜跃跃迁到第一激发三重态,并经振动弛豫至最低振动能层,然后跃迁回到基态各振动能级,发射波长为?′ 3的磷光。磷光波长?′ 3>荧光波长λ 3>激发波长λ 1或λ 2。磷光的产生在 10 -3-10 s内完成。 S 0吸光? 1吸光? 2 S 2S 1T 1磷光?′ 3荧光? 3磷光荧光在光照停止后,仍可持续一段时间。?磷光与荧光的区别:两长一低: 波长、寿命、强度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化外转化系间窜跃振动弛预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 -4~10s ;第一激发三重态的最低振动能级→基态; 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。(二)荧光效率及其影响因素分子产生荧光必须具备两个条件: ①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; ②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(即荧光效率)。 1、荧光效率荧光效率也叫荧光量子产率或量子效率,它表示物质发射荧光的能力,通常用下式表示? f = 发射荧光的分子数/ 激发态分子的总数吸收的光量子数发射的光量子数??荧光的量子产率,将与上述每一个过程( 荧光发