分子发光分析法PPT课件.ppt

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1、分子发光分析法Molecular luminescence,概论,(1)分子发光的类型 按激发的模式分类：分子吸收光能被激发，所产生的发光为光致发光，如分子荧光和磷光。分子由化学反应的化学能或由生物体（经由体内的化学反应）释放出来的能量所激发，其发光分别称为化学发光或生物发光。 以分子发光为检测手段的分析方法称为分子发光分析法，本章所介绍的包括荧光分析法、磷光分析法和化学发光分析法。,(2)分子发光分析法的特点灵敏度高。较吸收光度法一般要高2 3个数量级。选择性比较高。物质对光的吸收具有普遍性，但吸光后并非都有发光现象。即便都有发光现象，但在吸收波长和发射波长方面不尽相同，这样就有可能通过调节

2、激发波长和发射波长来达到选择性测定的目的。样品量小，操作简便，工作曲线的动态线性范围宽。发光检测的高灵敏度，以及发光光谱、发光强度、发光寿命等各种发光特性对所研究体系的局部环境因素的敏感性，因此，发光分析法在光学分子传感器以及在生物医学、药学和环境科学等方面的应用更显示了它的优越性。,Molecular fluorescence and phosphorescence analysis,1 分子荧光与磷光光谱分析法,1.1 基本原理A. 分子能级与跃迁 分子能级比原子能级复杂； 在每个电子能级上，都存在振动、转动能级； 基态(S0)激发态(S1、S2、激发态振动能级)：吸收特定频率的辐射；量子

3、化；跃迁一次到位； 激发态基态：多种途径和方式(见能级图)；速度最快、激发态寿命最短的途径占优势； 第一、第二、电子激发单重态 S1 、S2 ； 第一、第二、电子激发三重态 T1 、 T2 ；,B.电子激发态的多重度,电子激发态的多重度：M=2S+1 S为电子自旋量子数的代数和(0或1)； 平行自旋比成对自旋稳定(洪特规则)，三重态能级比相应单重态能级低； 大多数有机分子的基态处于单重态；,S0T1 禁阻跃迁；通过其他途径进入(见能级图)；进入的几率小；,C.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；,激发态停留时间短、返

4、回速度快的途径，发生的几率大，发光强度相对大；荧光：10-710 -9 s,第一激发单重态的最低振动能级基态；磷光：10-410s；第一激发三重态的最低振动能级基态；,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：同多重度电子能级中,等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”。系间跨越：不同多重态,有重叠的转动能级间的非辐射跃迁。

5、改变电子自旋，禁阻跃迁，通过自旋轨道耦合进行。,辐射能量传递过程,荧光发射：电子由第一激发单重态的最低振动能级基态（ 多为 S1 S0跃迁），发射波长为 2的荧光； 10-710 -9 s 。 由图可见，发射荧光的能量比分子吸收的能量小，波长长； 2 2 1 ； 磷光发射：电子由第一激发三重态的最低振动能级基态（ T1 S0跃迁）； 电子由S0进入T1的可能过程：（ S0 T1禁阻跃迁） S0 激发振动弛豫内转移系间跨越振动弛豫 T1 发光速度很慢： 10-4100 s 。 光照停止后，可持续一段时间。,荧光、磷光的寿命和量子产率,荧光寿命：荧光分子处于S1激发态的平均寿命，表示为： f =

6、1 /（kf + K） 磷光寿命( p)指的是磷光分子处于T1激发态的平均寿命，可由类似的公式表示。 荧光量子产率：荧光物质吸光后所发射的荧光的光子数与所吸收的激发光的光子数之比值。由于激发态分子的衰变过程包含辐射跃迁和非辐射跃迁，故荧光量子产率可表示为 f = kf / (kf + K) 磷光的量子产率（p）定义为：,1.2 荧光、磷光与分子结构的关系A.分子产生荧光必须具备的条件（1）具有合适的结构；（2）具有一定的荧光量子产率。 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；,B.化合物的结构与荧光,（1）跃迁类型：* 的荧光效

7、率高，系间跨越过程的速率常数小，有利于荧光的产生；（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。,酚酞荧光素,联苯(0.18)芴(1),1.3 影响分子发光的环境因素A.溶剂的影响 除一般溶剂效应外，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；B.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。C. 溶液pH 对酸碱化合物，溶液pH的影响较大，需要严格控制；,1.4 荧光、

8、磷光的猝灭A.猝灭 发光分子与溶剂或溶质分子之间所发生的导致发光强度下降的物理或化学作用过程。 与发光分子相互作用而引起发光强度下降的物质，称为猝灭剂。 B.动态猝灭与静态猝灭 猝灭剂与发光物质的激发态分子之间的相互作用引起动态猝灭；猝灭剂与发光物质的基态分子之间的相互作用引起静态猝灭。,1.5 激发光谱和发射光谱 荧光(磷光)：光致发光，照射光波长如何选择？A.荧光(磷光)的激发光谱曲线 固定测量波长(选最大发射波长),化合物发射的荧光(磷光)强度与照射光波长的关系曲线 （图中曲线I ） 。,激发光谱曲线的最高处，处于激发态的分子最多，荧光强度最大；,B.荧光光谱(或磷光光谱),固定激发光波

9、长(选最大激发波长), 化合物发射的荧光(或磷光强度)与发射光波长关系曲线(图中曲线II或III)。,A.激发光谱与发射光谱的关系,a.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。 b.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(如能级图 2 , 1)，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(如 2 )。 c. 镜像规则 通常荧光发射光谱与它的吸收光谱（与激发光谱形状一样）成镜像对称关系。,200,250,300,350,400,450,500,荧光激发光谱

10、,荧光发射光谱,nm,蒽的激发光谱和荧光光谱,1.6 荧光(磷光)强度与溶液浓度的关系,溶液的荧光强度(If )与溶液吸收的光强度(Ia ) 及荧光量子产率(f）有如下关系 If = f Ia 由Lambert-beer定律及吸收光强度的概念，可推导出，当bc 0.05时，有： If = 2.303 f I0 bc 与荧光类似，溶液的磷光强度(IP)与低浓度下磷光物质浓度之间的关系可表示如下： IP= 2.303ST P I0bc,随着溶液浓度的进一步增大，将会出现发光强度不仅不随溶液浓度线性增大、甚至出现随浓度的增大而下降的浓度效应。,发光的再吸：化合物的荧光发射光谱的短波长端与其吸收光谱的

11、长波长端重叠，产生自吸收；如蒽化合物。,内滤光作用：溶液中含有能吸收激发光或荧光物质发射的荧光，如色胺酸中的重铬酸钾；,自熄灭和自吸收自熄灭是由于荧光分子之间以及荧光分子同溶剂分子之间的碰撞，引起了非辐射的能量转换所造成的自熄灭现象将随浓度的增大而增大自吸收发生在荧光发射波长同化合物的吸收峰重叠的情形下，当荧光通过溶液时便被减弱了,1.7 荧光、磷光分析仪器,A 荧光分析仪器 测量荧光的仪器主要由四个部分组成：激发光源、样品池、双单色器系统、检测器。 特殊点：有两个单色器，光源与检测器通常成直角。,基本流程如图：单色器：选择激发光波长的第一单色器和选择发射光(测量)波长的第二单色器；光源：灯和

12、高压汞灯，染料激光器(可见与紫外区)检测器：光电倍增管。,仪器光路图,B 磷光分析仪器,荧光计上配上磷光测量附件即可对磷光进行测量。在有荧光发射的同时测量磷光。,测量方法：（1）通常借助于荧光和磷光寿命的差别，采用磷光镜的装置将荧光隔开。（2）采用脉冲光源和可控检测及时间分辨技术。 室温测量时，不需要杜瓦瓶。,1.8 荧光的常规测定方法,A. 直接测定法 要求被分析物本身具有荧光。 通常采用相对测量方法，如工作曲线法。 每次测绘工作曲线最好用同一种稳定的荧光物质校准仪器的读数。,B. 间接测定法 被分析物本身不发荧光，或者因荧光量子产率太低而无法进行直接测定，便只能采用间接测定的办法。 如：光

13、衍生法、荧光猝灭法、敏化荧光法等,1.9 磷光测定的方法,A. 低温磷光分析 由于三重态寿命较长，为减小非辐射失活过程的影响，通常应在低温条件下测量磷光。 液氮是最常用的冷却剂，因而要求所使用的溶剂在液氮温度下应具有足够的黏度并能形成明净的刚性玻璃体，且对分析物具有良好的溶解特性，在所研究的光谱区内没有很强的吸收和发射，并容易制备和提纯。,B. 室温磷光分析 固态基质表面室温磷光分析：分析物通过物理吸附或某种化学作用力被束缚在固体基质表面，增大了刚性，减小了碰撞失活的概率，在严格干燥试样的情况下限制了氧的猝灭作用，显示室温磷光。 胶束稳定的室温磷光分析：磷光体进入表面活性剂的胶束溶液中，微环境

14、和定向约束力发生变化，减小内转化和碰撞能量损失等非辐射失活过程概率，明显增大三重态的稳定性，使磷光强度显著增大。 敏化室温磷光分析,荧光、磷光分析法的应用,荧光特性对于微环境的敏感性，荧光分析法已广泛作为一种表征技术，用于表征所研究体系的物理、化学性质及其变化情况。 目前，可以采用有机试剂以进行荧光分析的元素已近70种。 磷光具有Stokes位移大的优点，室温磷光分析法得到不断的发展，已成为一种与荧光分析法相互补充的重要分析技术，在生物医学、药物分析、临床检验、农药和植物生长激素的分析以及环境中多环芳烃的检测等方面得到了日益广泛的应用。,2 化学发光分析法,2.1 概论 化学发光是由化学反应提

15、供的能量激发物质所产生的光辐射。 优点：(1). 灵敏度很高。(2). 仪器设备简单，无须光源和单色器，因而也消除了散射光和杂散光的干扰；(3). 线性范围宽；(4). 分析速度快。 局限：目前可供应用的发光体系尚有限，发光机理有待进一步研究，方法的选择性有待进一步提高。,Chemiluminescence,2.2 基本原理 在化学反应过程中，某些化合物接受能量而被激发，从激发态返回基态时，发射出一定波长的光。 A +B = C + D* D* D + h（1）能够发光的化合物大多为有机化合物，芳香族化合物；（2）化学发光反应多为氧化还原反应，激发能与反应能相当 E=170300 kJ/mol

16、；位于可见光区；（3）发光持续时间较长，反应持续进行； 化学发光反应存在于生物体(萤火虫、海洋发光生物)中，称生物发光(bioluminescence)。,化学发光效率,化学效率：,发光效率：,时刻t 的化学发光强度(单位时间发射的光量子数)：,dc/dt 分析物参加反应的速率；,化学发光强度与化学发光分析的依据,在化学发光分析中，被分析物相对于发光试剂小得多，对于一级动力学反应：,dc/dt =Kc； K 为反应速率常数。定量依据：（1）在一定条件下，峰值光强度与被测物浓度成线性；,（2）在一定条件下，曲线下面积为发光总强度(S)，其与被测物浓度成线性：,2.3 化学发光反应的类型,A 气相

17、化学发光反应a. 一氧化氮与O3的发光反应 NO + O3 NO2* NO2* NO2 + h 发射的光谱范围：600875nm，灵敏度1ng/cm3；b.氧原子与SO2、NO、CO的发光反应 O3 O2 + O （1000 C石英管中进行） SO2 + O + O SO2* + O2 SO2 * SO2* + h 最大发射波长：200nm；灵敏度1ng/cm3；,O3 O2 + O （1000 C石英管中进行） NO + O NO2* NO2 * NO2 + h 发射光谱范围：4001400nm；灵敏度1ng/cm3；氧原子与CO的发光反应： CO + O CO2* CO2 * CO2 +

18、h 发射光谱范围：300500nm；灵敏度1ng/cm3；,氧原子与NO的发光反应：,c. 乙烯与O3的发光反应,乙烯与O3反应，生成激发态乙醛：,CH2O* CH2O + h 最大发射波长：435nm；对O3的特效反应；线性响应范围1 ng/cm-3 1g/cm3；,d.火焰中的化学发光反应,在富氢火焰中，存在着很强的化学发光反应；a. 一氧化氮 NO + H HNO* HNO * HNO + h 发射光谱范围：660770nm； 最大发射波长：690nm； 在富氢火焰中： NO2 + 2H NO + H2O,b. 硫化物,挥发性硫化物SO2 、H2S 、CH3SH、 CH3SCH3等在富氢

19、火焰中燃烧，产生很强的化学发光（蓝色）： SO2 + 2H2 S + 2H2O S + S 2S2 * S2 * S2 + h 发射光谱范围：350460nm 最大发射波长：394nm； 灵敏度： 0.2 ng/cm-3 发射光强度与硫化物浓度的平方成正比,B 液相中的化学发光反应,机理研究较多，在分析中应用最多；可测痕量的H2O2 、Cu、Mn、Co、V、Fe、Cr、Ce、Hg、Th等。 应用最多的发光试剂：鲁米诺（3-氨基苯二甲酰肼）； 化学发光反应效率：0.150. 05； 鲁米诺在碱性溶液中与双氧水的反应过程：,该发光反应速度慢，某些金属离子可催化反应；利用这一现象可测定这些金属离子。

20、,鲁米诺被氧化发光的整个过程如下：,hv(max=425 nm）,在碱性溶液中，I2与鲁米诺的化学发光反应属于双电子氧化过程，该化学发光体系可检测碘的浓度低达510-10molL-1,金属离子催化鲁米诺-H2O2体系的化学发光反应大都属于单电子氧化过程例如： Mn+ + HO2-Mn+HO2- Mn+HO2-+鲁米诺H2OM(n+1)+ 鲁米诺游离基3OH- 鲁米诺游离基+HO2-化学发光上述历程中Mn+（如Co2+）参与了反应，价态升高，本身是还原剂,2.4 化学发光的测量仪器,装置流程：,发光反应可采用静态或流动注射的方式进行： 静态方式：用注射器分别将试剂加入到反应器中混合， 测最大光强

21、度或总发光量；试样量小，重复性差； 流动注射方式：用蠕动泵分别将试剂连续送入混合器，定时通过测量室，连续发光，测定光强度；试样量大。,2.5 影响液相化学发光强度的主要因素,A溶液酸度不同的化学发光体系要求在不同的pH值下进行才能获得最大的发光强度试液的酸度会影响发光活性物质的有效浓度，对化学发光强度直接产生影响，所以反应液及试液的酸度对化学发光强度影响很大每个发光体系的最佳酸度都应该通过实验确定并严格进行控制,B试液的注入速度 在固定其他条件的情况下，一般来说，试液注入的速度越大，体系发光强度的线性变化也越大所以，对静态注射式液相化学发光仪来说，开启试液活塞的速度应尽量快且每次要均匀一致这样

22、，可使分析结果既有高的灵敏性又有好的重现性,C干扰物质的存在 在痕量分析中，有微量的干扰物质存在便会引起污染而导致试验失败所以，所用的仪器必须清洁，试剂纯度要高，蒸馏水的本底值应尽量低且应进行空白试验，实验室的环境应严格进行控制,对于具体的发光体系，若存在其它离子或物质干扰，应采取措施如加入适当的掩蔽剂消除干扰，以便提高测定的选择性例如，用鲁米诺体系测定铬（III）时，加入EDTA，邻菲啰琳可消除Ca2+、Mg2+、Fe3+、Cu2+、Co3+等许多金属离子的干扰,若用掩蔽剂等简单方法不能排除干扰，可考虑采用色谱等分离技术各种溶液的浓度、仪器的增益及负高压的选择、温度及发光时间等都会对发光强度产生显著影响,化学发光的最大特点是灵敏度高，对气体和痕量金属离子的检出限都可达ng/cm3级在环境监测中化学发光法比吸收光谱法和微库仑法具有更高的灵敏度，又能进行快速连续分析，因此气相化学发光反应已广泛用于空气中O3、NOx、CO、SO2、H2S等的监测，测定灵敏度达13 ng/cm3液相化学发光反应可测定天然水和废水中的金属离子，在医学生物学生物化学和免疫学研究中，化学发光分析也是一种重要手段,应用,