荧光分析与化学发光分析.
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1、荧光分析与化学发光分析冯振涛冯振涛1203180234 6-1 概 述 在前两章中我们讨论了物质对电磁辐射的吸收。吸收辐射能后，处于电子激发态的分子在返回基态时以发射辐射的方式释放这一部分能量，发射的辐射波长可以同分子所吸收的辐射波长相同，也可不相同，这一现象称为光致发光。最常见的两种光致发光现象是荧光和磷光。这两种光致发光过程的机理不同(见6-2)，可通过实验观察激发分子寿命的长短来加以区别。对于荧光，当激发光停止照射后，发光过程几乎立即停止(10-9 10-6)，而磷光则将持续一段时间(10-3 10s)。 一般所谓荧光现象是指物质吸收紫外光后所发射出的可见荧光，以及吸收波长较短的可见光后
2、所发射出的波长较长的可见光荧光。但实际上荧光现象并不限于这些情况。有些物质吸收了比紫外光波长短得多的光后，发射出波长比所吸收的光波长稍长的光，这称为光荧光，并据此建立了光荧光分析法(有关此法的详细讨论见第十四章)。此外，有些物质吸收了红外光后发射出波长稍长的红外光，这称为红外光荧光。近年来，随着红外探测器灵敏度的不断提高，红外光荧光分析法已应用于许多有机物质的结构分析。 由于物质分子的结构不同，所吸收的紫外光波长和发射的荧光波长也有所不同，利用这个特征可以对物质进行定性鉴定。同一种分子结构相同的物质，用同一种波长的紫外光照射激发，可发射特征波长的荧光，其强度与物质的量有关。据此，可利用某些物质
3、被紫外光照射后所发射的能反映出该物质特性的荧光进行定性以及定量分析，这种分析称为荧光分析。 化学发光分析是利用化学发光现象进行分析测定的一类方法。与荧光分析一样，属于发光分析的范畴。化学发光与荧光分子的发光相似，他的大部分性质和荧光相同，不同点在于荧光的激发能来自外光源的激发(照射)，而化学发光的激发能则产生自化学反应，也即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，使分子或原子被激发，这种受激分子或原子返回基态时，以光辐射的方式释放能量。其光辐射的能量及光谱范围由化学反应的物质所控制(处于可见光区)。每一个化学反应都有其特征的化学发射光谱，其发光强度则与物质的浓度有关，这是化学发
4、光分析的依据。 此外还有其他类型的发光: 生物发光、热致发光、放射发光(放射性分解引起激发)、声致发光(声波激发)、点发光(电激发)、摩擦发光(机械能激发)等。其中生物发光在分析化学中得到重要的应用，在生物发光中导致激发态的化学反应是在生物体内进行的。 磷光现象也被用于分析目的，但应用范围有限。6-2 荧光分析法一基本原理二荧光定性分析 三荧光定量分析四荧光计与荧光分光光度计 1. 荧光的发生 处于基态的分子吸收一定波长的辐射能后。电子发生跃迁。此时由 原来的能级跃迁至第一电子激发态或第二电子激发态中各个不同振动 能级和各个不同的转动能级，如图6-1中(a)和(b)所示。分子在吸收了 光而被激
5、发至第一或更高的电子激发态的各个振动能级之后，通常急 剧降落至第一电子激发态的最低 振动能级，在这一过程中他们和 同类分子或其他分子(例如溶剂分 子)碰撞而消耗了相当于这些能级 之间的能量，因而不发射光(无辐 射跃迁，图6-1中c)。由第一电子 激发态的最低振动能级继续往下 降落至基态的各个不同能级时， 则以光的形式发射，所发生的光 即荧光(图6-1中d)。某些物质的分子在被激发至较高的能级并通过无 辐射跃迁降落至第一电子激发态的最低振动能级之后，并不继续直接 降落至基态，而是通过另一次无辐射跃迁至一个中间的亚稳的能级 三重态(图6-1中e)。一、基本原理一、基本原理 已知电子激发态的自旋多重
6、性为2S+1，S是自旋量子数的代数和。大多数分子含有偶数电子，在基态时这些电子成对地存在于各个原子或分子轨道中。然而，根据保利不相容原理，在一个轨道上的这两个电子的自旋是相反的，自旋量子数为+()和-()。由于自旋成对的结果，大多数分子的自旋量子数的代数和S=0，此时这个分子所处的电子能态称为单重态(singlet state)，即2S+1=1。如果分子中有一个未成对的电子，则S=，而2S+1=2，此种状态称为双重态(doublet state)。若分子中有两个未成对的电子，此时S=1,2S+1=3，这种状态称为三重态(triplet state)。 在基态分子的一个电子吸收光辐射而被激发的过
7、程中，通常它的自选不变(S=0)，则激发态仍是单重态，如图6-2所示。某些分子的激发单重态通过无辐射跃迁，在体系间跨越的过程中发生自选反转，造成两个电子自旋平行的状态，也即是激发三重态(6-2)。 这些分子在三重态稍事逗留后，在发射辐射而下降至单重态各振动能级，所发射的光即为磷光(图6-1中f)。因自三重态降落至单重态时所给出的能量比由单重第一电子激发态的最低振动能级直接降落至单重基态时所给出的能量小，所以磷光的波长比荧光波长长。如将温度降低，则由三重态降落至单重态的时间将大为延迟，在很低的温度下，这些分子有可能被“冻结”在三重态上。某些分子在跃迁至三重态后，通过热激活作用可 以再回到第一电子
8、激发态的 各个振动能级，然后再由第 一电子激发态的最低振动能 级降落至基态而发射出荧光， 这种荧光就被称为迟滞荧光 (图6-1中g和f)。 如果把蒽的乙醇溶液装入试管，并放在液氮中，并用紫外光照射，停止照射后，还能见到蒽溶液辐射出的橙色光，而光的强度随时间的延长而逐渐变弱，最终消失为止。这种即使停止用光激励，还能继续发光的现象，就是蒽的磷光。图6-3表明了蒽吸收了波长366nm的光，生成最低激发单重态S1， S1辐射荧光到基态，同时激发单重态S1体系间跨越到三重态T1，T1辐射磷光回到基态。 2. 荧光激发光谱和荧光发射光谱 荧光发射光谱简称荧光光谱，它表示该荧光物质所发射的荧光中各种不同波长
9、组分的相对强度，是以荧光强度对荧光波长所绘制的曲线。 如果把某物质的荧光光谱与他的吸收光谱进行比较，可发现这两种光谱之间存在着密切的“镜像对称”关系。荧光光谱好像是吸收光谱照在镜子中的像，但又比吸收光谱缺少了一些短波 长的吸收峰。图6-4表示蒽的乙醇 溶液的荧光光谱和吸收光谱。 3. 化合物的荧光和化学结构的关系 产生荧光必须具备两个条件。首先，物质分子必须具有能吸收紫外或可见光的生色基团；其次该物质应具有一定的荧光效率。分子中能发射荧光的基团，称为荧光基团。荧光基团一定是生色基团，但生色基团未必一定是荧光基团。这是由于它的荧光效率不高，而将所吸收的能量消耗于与溶剂分子或其他溶质分子之间的相互
10、碰撞，因此不能发射荧光。 荧光效率(F)又称为荧光量子产率，是荧光物质吸光后所发射的荧光量子数与所吸收的激发光的量子数的比值，即 F= 此外，一种物质吸收光的能力及量子产率又与物质所处的环境紧密相关，因为环境条件(如溶剂、pH、温度等)常常是物质量子产率高低，甚至能否产生荧光的重要因素。发射的量子数吸收的量子数 荧光通常发生于具有刚性平面结构的电子共轭体系的分子中，随着电子共轭度和分子平面度的增大，荧光效率也将增大，它们的荧光光谱也将移向长波方向。任何有利于提高电子共轭度的结构改变，都将提高荧光效率，使荧光波长向长波长的方向移动。 绝大部分的荧光(磷光)物质都是环状化合物(芳香环或杂环)，芳香
11、环越多，荧光效率越高，荧光光谱也移向长波长方向(表6-1)。但环状结构并不是发生荧光的绝对条件，如吡啶( )、呋喃( )、噻吩( )和吡咯( )是非荧光或弱荧光物质。但取代上苯基后，由于共轭体系的增大，荧光效率将大为增加。 例如苯并呋喃( )、吲哚硫茚的荧光和笨相近。 在芳香化合物的芳环上进行不同基团的取代，对该化合物的荧光强度和荧光光谱都将产生影响。通常有以下一些规律： (1) 给电子基团常使荧光增强，因为它们使最低激发单重态与基态之间的跃迁几率增大。作用特别明显的基团是-NH2和-OH。 (2) 同电子体系相互作用小的取代基如 -SO3H、 -NH3 和烷基等，对荧光影响小。 (3) 吸电
