有机分子荧光PPT课件

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1、Principles of Fluorescence Principles of Fluorescence SpectroscopySpectroscopyChemistry DepartmentXMU20040300Chapter Three Chapter Three Fluorophores20040300FluorophoresFluorophores3.1 Organic molecule fluorescence 3.2 metal ligand compounds3.3 Probe 200403003.1 有机分子荧光l 有机分子的电子结构有机分子的电子结构E *n可能产生的吸收

2、跃迁组合为可能产生的吸收跃迁组合为 *n *n *一般情况下，一般情况下，n-*跃迁所需能跃迁所需能量小。但当量小。但当n电子与溶剂作用，电子与溶剂作用，如形成氢键、质子化等，使如形成氢键、质子化等，使n轨道能量降低，轨道能量降低，n-*跃迁能量跃迁能量增大。增大。轨道能量轨道能量区分区分激发态能量激发态能量 200 nmS和和P轨道轨道、和和n 轨道轨道 20040300l分子激发态的多样性CH2=CH2 *CH2=CH2CH2=CH2 1 2*1*2CH2=CH2CH2=CH2CH2=CH2 1 2*1*2 3*320040300l电子激发态的类型单线态与三线态分子处于激发态时，单线态与三

3、线态的势能曲线交叉，容易分子处于激发态时，单线态与三线态的势能曲线交叉，容易发生系间窜跃（发生系间窜跃（intra-system crossing)hvAhvFS1T1S0hvPISC效率的高低决定于效率的高低决定于自旋自旋-轨道耦合程度。轨道耦合程度。增加重原子常常促进增加重原子常常促进ISC过程。过程。200403003.1.1 3.1.1 有机分子荧光与结构的关系有机分子荧光与结构的关系l大的共轭大的共轭 键结构键结构l刚性的平面结构刚性的平面结构l取代基团为给电子取代基取代基团为给电子取代基l最低的激发单重态最低的激发单重态S1为为,*型，而不型，而不是是n,*型型l抗磁性抗磁性强荧光

4、物质所具有的结构特征强荧光物质所具有的结构特征 20040300l电子离域程度对荧光的影响电子离域程度对荧光的影响化合物名化合物名化合物结构化合物结构 F EXnm EM nm苯苯 0.11205278萘萘 0.29286321蒽蒽0.46365400丁省丁省0.60390480戊省戊省 0.52580640例例1 绸环芳烃绸环芳烃20040300例例2 1,2 2 1,2 二苯乙烯二苯乙烯顺式，顺式，不发光不发光反式，发光反式，发光20040300l刚性平面结构例例1 1 荧光素与酚酞荧光素与酚酞 F20040300例2 笏与联苯例例 3 偶氮苯与杂氮菲偶氮苯与杂氮菲 F 1 F 20040

5、300例4 金属配合物20040300例5 荧光衍生化硫胺素，硫胺素，VB1，非荧光非荧光硫胺荧，强荧光硫胺荧，强荧光20040300例6 联萘与北观测到萘的荧光观测到萘的荧光20040300l取代基的影响要点：要点：1）取代基影响分子的荧光光谱特性，其影响的方式）取代基影响分子的荧光光谱特性，其影响的方式及程度视取代基的不同而不同，有的影响不大，有的及程度视取代基的不同而不同，有的影响不大，有的影响严重。影响严重。2）一般规律，取代基的电子云如果能与共轭）一般规律，取代基的电子云如果能与共轭 键发键发光基团作用，降低能量，增大光基团作用，降低能量，增大 电子的离域区域，电子的离域区域，则荧光

6、增强，发射波长红移。则荧光增强，发射波长红移。20040300给电子取代基 增强荧光NH2,NHR,NR2,OH,OR,等等 EM285-365 nm270-310 nm310-405 nm相对荧光强度相对荧光强度 荧光减弱荧光减弱荧光减弱荧光减弱如何理解？如何理解？吸收增强吸收增强20040300酚盐吸收性质化合物化合物 max max 203.57400254204210.56200270145023594002872600介质（介质（2%甲醇）甲醇）20040300吸电子取代基n 电子不与电子不与 电子共轭电子共轭羰基类羰基类1）n*跃迁禁阻，跃迁禁阻，小，小，10-22）最低单重态为）

7、最低单重态为 n,*型，易于型，易于ISC。荧光弱，磷。荧光弱，磷光强光强非荧光非荧光强荧光强荧光20040300吸电子取代基硝基硝基引起引起ISC增大，荧光量子产率降低，磷光增大，荧光量子产率降低，磷光也弱，主要是增强也弱，主要是增强IC过程。过程。20040300取代基的位置取代基的位置要点要点1）有利于有利于电子离域的，则荧光增强。电子离域的，则荧光增强。因此，一般因此，一般邻位、对位给电子基团导致荧光增强。邻位、对位给电子基团导致荧光增强。2）有利于形成环，导致分子刚性增大，荧光增强。）有利于形成环，导致分子刚性增大，荧光增强。荧光强度较弱荧光强度较弱荧光强度较强荧光强度较强20040

8、3003）双取代基可以是协同作用，也可以是非协同作用，当为非协同作可以是协同作用，也可以是非协同作用，当为非协同作用时，以作用大的为主。用时，以作用大的为主。协同作用协同作用4 二甲基胺二甲基胺-4 硝基苯乙烯硝基苯乙烯20040300重原子效应20040300重原子效应重原子效应PF2-Cl 萘萘2-Br 萘萘2-I 萘萘20040300重原子效应重原子效应 F 0.22 10-5 P P 1.9 s 0.024 s20040300l最低单重态的性质,*不含有杂原子（不含有杂原子（N,O,S）的有机化合物均属于这一类，）的有机化合物均属于这一类，其特点是自旋允许跃迁，其特点是自旋允许跃迁，大

9、，大，104，荧光强，荧光强n,*1)含有杂原子（含有杂原子（N,O,S）的有机化合物多属于这一）的有机化合物多属于这一类，含有类，含有n 电子，其特点是自旋禁阻电子，其特点是自旋禁阻，小，小，102,ISC速率大，荧光弱。速率大，荧光弱。2)n 轨道的能量受环境的影响大，如质子化或生成轨道的能量受环境的影响大，如质子化或生成氢键等，将使氢键等，将使n 轨道的能量降低，导致轨道的能量降低，导致n*跃迁的跃迁的能量增大。荧光分子的最低激发态可能变成能量增大。荧光分子的最低激发态可能变成,*。分为两类分为两类 含氮杂环有机物含氮杂环有机物含羰基杂原子有机物含羰基杂原子有机物20040300含氮杂环

10、有机物荧光随极性的增大而增强荧光随极性的增大而增强例例1 喹啉喹啉介质介质 苯苯 乙醇乙醇 水水相对荧光相对荧光 1 30 1000可以理解为可以理解为N上的孤对电子与水形成氢键，使上的孤对电子与水形成氢键，使n轨道能量轨道能量降低，从而使最低单重激发态由降低，从而使最低单重激发态由n,*变成变成,*。例例2 8-羟基喹啉在酸性介质中荧光增强羟基喹啉在酸性介质中荧光增强20040300含羰基有机物芳香类芳香类S1与与T1能级间隙小，能级间隙小，ISC效率高，接近于效率高，接近于1。脂肪类脂肪类有微弱的荧光，有微弱的荧光，ISC效率低一些效率低一些0.991.001.010.840.930.87

11、0.87 ISC20040300l抗磁性 D/P57Diamagnetic/paramagnetic荧光量子产率荧光量子产率20040300抗磁性 D/P0.6660荧光量子产率荧光量子产率20040300抗磁性弱荧光弱荧光强荧光强荧光猝灭机理猝灭机理1）IC 加剧加剧2）ISC加剧加剧3）能量转移）能量转移4）电荷转移）电荷转移N.V.Blough and D.J.Simpson,“Chemical mediated fluorescnece yield switching in nitroxide-fluorophore adducts:optical sensors of radical

12、/redox reactions”,J.Am.Chem.Soc,1988,110,1915-191720040300抗磁性金属有机化合物金属有机化合物 Reference20040300ReferenceReferenceKazuyuke Ishii,Nagao Kobayashi,“The excited multiplet states of metalloporphyrins and metallophthalocyanines coordinated of linked to nitroxide radicals”Coordination Chemistry Reviews,198(2

13、000),231-250200403003.2 Metal ligand compounds3.2 Metal ligand compounds 金属离子金属离子-有机配体化合物的发光特性与金属离子和有机有机配体化合物的发光特性与金属离子和有机配体最低激发态的能级的相对高低有关配体最低激发态的能级的相对高低有关M*S1T1MLS0M*S1T1MLS0M*S1T1MLS0M*S1T1MLS0MLCTLMCT 200403003.2 Metal ligand compounds3.2 Metal ligand compoundsl配体发光配体发光M*S1T1MLS01）配体发光）配体发光2）配合前

14、后发光特性发生变化，最）配合前后发光特性发生变化，最低激发态发生转变低激发态发生转变,n,*向向,*变化变化3）配合增加刚性，荧光增强）配合增加刚性，荧光增强20040300配体发光配体发光强发光强发光 弱发光弱发光20040300MLCT Metal ligand charge transferMLCT Metal ligand charge transferM*S1T1MLS0Rh Ru Os Ir Re铑铑 钌钌 锇锇 铱铱 铼铼20040300l弱发光或不发光弱发光或不发光M*S1T1MLS0MM*通常很弱通常很弱20040300l金属离子发光金属离子发光M*S1T1MLS0LMCT

15、ligand-metal charge transfer1)f*f 跃迁，跃迁，Eu,Td,锐线光谱锐线光谱Tb3+-Trion 发射光谱发射光谱20040300LMCTLMCT2)d*d 或或*d发光发光 Ru,Rh,Ir等，等，宽带光谱宽带光谱Ru 联二吡啶、联三吡啶，邻菲啰呤联二吡啶、联三吡啶，邻菲啰呤Os 联二吡啶、联三吡啶，联二吡啶、联三吡啶，4，6 双（甲硫基双（甲硫基-3 氨基氨基-嘧啶）等嘧啶）等Ir 联二吡啶、联三吡啶，邻菲啰呤联二吡啶、联三吡啶，邻菲啰呤Ru 邻菲啰呤等邻菲啰呤等问题：问题：Demas 等人认为等人认为 -二亚胺类配体易被二亚胺类配体易被还原，与铂系元素形成

16、的配合物应为还原，与铂系元素形成的配合物应为MLCT.引自引自“荧光分析法荧光分析法”陈国珍等人编写。陈国珍等人编写。200403003.2.1 3.2.1 铂系金属有机配体化合物铂系金属有机配体化合物Rh Ru Os Ir Re铑铑 钌钌 锇锇 铱铱 铼铼Rhodium Ruthenium Osmium Iridium Rhenium 特点特点1）荧光量子产率高，高达）荧光量子产率高，高达 0.5,一般为一般为2)固有荧光各项异性值高，固有荧光各项异性值高，高达高达3）荧光寿命长）荧光寿命长 有利于寿命的测定有利于寿命的测定有利于表征生物分子的旋转运动有利于表征生物分子的旋转运动4）可以选择

17、不同的中心金属离子和不同的配体，以）可以选择不同的中心金属离子和不同的配体，以适应特定的需要（分子工程）适应特定的需要（分子工程）代表性工作代表性工作20040300Reference Reference J.N.Demas and B.A.Degraff,“Design and application of highly luminescence trasition metal complexs”Anal.Chem.,63(17)829A-837A,(1991)20040300l电子结构电子结构以以d6型金属离子和二亚胺（型金属离子和二亚胺（diimine)配体为主进行讨论。配体为主进行讨论

18、。ML6 正八面体晶体场正八面体晶体场dz2,dx2-y2dxy,dxz,dzyet2 分裂能分裂能能量简并能量简并能量分裂能量分裂分裂能的决定因素分裂能的决定因素1）晶体场的强度）晶体场的强度Crystal field strength of the ligand2)中心金属离子中心金属离子Central metal ion20040300配体配体 关注关注 轨道轨道et26 12 2*1*22t26,1*1t25,1*1t25,e1t26 S03dd*1dd*1,3 MLCT *可能的跃迁与电子态可能的跃迁与电子态轨道能级轨道能级t26,11,e11,3LMCT d*d*20040300跃

19、迁特性跃迁特性1）dd*禁阻，寿命长，受环境影响大，易猝灭，量子产率低。禁阻，寿命长，受环境影响大，易猝灭，量子产率低。2）CTMLCT 铂系金属离子铂系金属离子LMCT d*d 发光发光 f*f 发光发光 稀土金属离子稀土金属离子金属离子还原性越强，配体的氧化性越强，越易发生金属离子还原性越强，配体的氧化性越强，越易发生MLCTbipyridine能量转移能量转移20040300能量转移能量转移 稀土配合物的荧光产生示意图稀土配合物的荧光产生示意图 A A：吸收；：吸收；F F：荧光；：荧光；P P：燐光；：燐光；LnLn：稀土离子；：稀土离子；Ln-FLn-F：稀土离子荧光：稀土离子荧光.

20、20040300配体对发光的影响配体对发光的影响强金属强金属-配体化合物具备几个特点配体化合物具备几个特点1）最低激发态为最低激发态为CT态或态或*态态2）dd*态应比最低激发态高得多，以避免态应比最低激发态高得多，以避免dd*的热激发。的热激发。3）自旋）自旋-轨道耦合应是有效的，以利于与无辐射去活化竞争。轨道耦合应是有效的，以利于与无辐射去活化竞争。4）单纯的）单纯的*磷光寿命长，量子产率低。磷光寿命长，量子产率低。CT态将增加态将增加*磷光。磷光。5）最低激发态（发射态）能量不能过低，否则将导致）最低激发态（发射态）能量不能过低，否则将导致IC加剧。加剧。20040300增加增加分裂能分

21、裂能中心金属离子中心金属离子配位体场配位体场配位体场的强度变化配位体场的强度变化Cl Py bpy,phen CN COPy,pyridine,吡啶吡啶bpy,bipyriding 联二吡啶联二吡啶Phen,1,10-phenanthroline 1,10-邻菲啰呤邻菲啰呤金属离子金属离子分裂能随原子序数的增大而增大分裂能随原子序数的增大而增大20040300例例1 1 联二吡啶金属化合物联二吡啶金属化合物吸收吸收MLCT带带 510 nm 450 nm 700nm 化合物化合物 FeL32+RuL32+OsL32+电子结构电子结构 3d6 4d6 5d6 发光性质发光性质 非发光非发光 发光

22、发光 弱发光弱发光S03dd*3MLCT3 *能量间隙小，能量间隙小，易于非辐射易于非辐射几乎不发光几乎不发光20040300例例2 2 铑铑-联二吡啶化合物联二吡啶化合物化合物化合物 Rh(bpy)2Cl2+Rh(bpy)33+发光性质发光性质 室温不发光室温不发光低温发光（低温发光（77K)无结构无结构 740 nm室温几乎不发光室温几乎不发光低温发磷光（低温发磷光（77K)3 *有精细结构有精细结构 740 nm dd*发光无精细结构发光无精细结构S03dd*3MLCT3 *配位体发光有精细结构配位体发光有精细结构配位体场的强度变化配位体场的强度变化Cl bpy 20040300例例3

23、3 钌钌-联二吡啶化合物联二吡啶化合物化合物化合物 Ru(bpy)2(CN)2 Ru(bpy)2(CN)Cl 发光性质发光性质 室温发光室温发光 室温室温 不发光不发光 S03dd*3MLCT3 *配位体场的强度变化配位体场的强度变化Cl CN 化合物化合物 Ru(bpy)3 2+Ru(bpy)2py22+发光性质发光性质 室温发光室温发光 室温室温 发光不稳定发光不稳定 低温发光特性几乎一样低温发光特性几乎一样容易热激活容易热激活200403003.2.2 3.2.2 非过渡金属元素的金属配体化合物非过渡金属元素的金属配体化合物特点特点1）金属离子的外电子层具有与惰性气体相同的电子）金属离子

24、的外电子层具有与惰性气体相同的电子结构结构2）两个配位基团：两个配位基团：共价（共价（键）配位键）配位 配位键配位键(提供孤对电子）提供孤对电子）20040300偶氮类配体偶氮类配体HO20040300四苯基卟啉类配体四苯基卟啉类配体200403003.2.2 3.2.2 非过渡金属元素的金属配体化合物非过渡金属元素的金属配体化合物3）形成配合物后）形成配合物后 刚性增加刚性增加 最低电子激发态发生变化最低电子激发态发生变化 荧光增强荧光增强4）多应用于分析测定）多应用于分析测定200403003.2.3 3.2.3 稀土金属离子稀土金属离子-有机配体发光有机配体发光l稀土稀土 钪（钪（Sc)

25、钇（钇（Y）与镧系元素与镧系元素l电子结构电子结构 Eu 4f76S2 Eu3+4f6Tb 4f96S2 Tb3+4f8l离子的特性离子的特性1）顺磁性）顺磁性 （注意区别顺磁性对芳香化合物（注意区别顺磁性对芳香化合物激发态的猝灭）激发态的猝灭）2）吸收）吸收 ff*跃迁跃迁 类线状光谱类线状光谱3）发射）发射 f*f 跃迁跃迁 类线状光谱类线状光谱l离子的发光特性离子的发光特性 1）水溶液中发光，配合后保留发光特性）水溶液中发光，配合后保留发光特性2）具有激光活性，可作为激光材料）具有激光活性，可作为激光材料20040300l稀土有机配体化合物发光稀土有机配体化合物发光4f4f 跃迁跃迁 弱

26、，弱，类线状光谱类线状光谱4f5d 跃迁跃迁 弱，弱，类线状光谱类线状光谱吸收弱，发光也弱吸收弱，发光也弱电荷转移跃迁电荷转移跃迁 配体的高吸收，经分子内能量传递，配体的高吸收，经分子内能量传递，（电荷离子发生的电荷密度从配位体的分（电荷离子发生的电荷密度从配位体的分 子轨道向稀土离子轨道进行重新分配的子轨道向稀土离子轨道进行重新分配的 结果。）获得发光效率很高的三价稀土结果。）获得发光效率很高的三价稀土 有机配合物。有机配合物。20040300电荷转移发光光谱特性电荷转移发光光谱特性Stokes 位移大，位移大，300 nm,锐线光谱锐线光谱Tb3+-L ex=337 nm,em=625 n

27、m,643 nm EX EMEu3+-LReference 20040300ReferenceReference20040300拉曼峰干扰比较拉曼峰干扰比较 硫酸奎宁的荧光光谱受水溶剂的拉曼光的干扰A.水溶剂的拉曼光，低灵敏度；B.0.1 g/mL溶液，低灵敏度；C.0.033 g/mL 溶液，较高灵敏度；D.0.01 g/mL 溶液，更高灵敏度。F硫酸奎宁硫酸奎宁20040300拉曼峰干扰比较拉曼峰干扰比较 exEu3+-二酮二酮613 nm20040300电荷转移发光光谱特性电荷转移发光光谱特性寿命长寿命长（10 1000 s，受微环境、配位体的影响）受微环境、配位体的影响）荧光物质荧光物质荧光衰变（荧光衰变（ns)ns)人血清白蛋白人血清白蛋白4.14.1球蛋白球蛋白3.03.0细胞色素细胞色素C C3.53.5异硫氰酸荧光素异硫氰酸荧光素3.53.5丹磺酰氯丹磺酰氯14.014.020040300荧光寿命特性荧光寿命特性Eu3+离子离子水溶液水溶液 0.1 1.0 ms非水溶液非水溶液 2 -2.5 ms氘溶液氘溶液 4 4.5 ms固态固态 5 6 ms配体化合物配体化合物 -二酮类二酮类 芳香羧酸类芳香羧酸类20040300