分子发光分析最新课件

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1、分子发光分析PPT课件 (2)第第4章章 分子发光分析分子发光分析（Molecular Luminescence Analysis）4.1 分子荧光及磷光分析分子荧光及磷光分析一、基本原理一、基本原理 1. 分子能级、荧光及磷光的产生分子能级、荧光及磷光的产生 2. 去活化过程去活化过程 3. 定性分析定性分析 4. 影响荧光及荧强度的因素影响荧光及荧强度的因素 5. 定量分析定量分析二、荧光仪器二、荧光仪器三、磷光分析三、磷光分析 1. 磷光的特点：磷光的特点： 2. 低温荧光低温荧光 3. 室温荧光室温荧光 4. 磷光仪器磷光仪器分子发光分析PPT课件 (2)荧光：荧光：1616世纪：在矿

2、物和植物提取液中发现荧光；世纪：在矿物和植物提取液中发现荧光；15751575年：年：MonardesMonardes植物愈创木切片黄色水溶液植物愈创木切片黄色水溶液天兰色荧光；天兰色荧光；18521852年：年：StokesStokes阐明荧光发射机制（分光计观测奎宁和叶绿素的荧光，阐明荧光发射机制（分光计观测奎宁和叶绿素的荧光，发现波长稍长于入射光的波长发现波长稍长于入射光的波长认识到荧光为认识到荧光为“重新发光重新发光”而不是漫而不是漫射光；射光；19051905年：年：WoodWood发现气体分子的共振荧光；发现气体分子的共振荧光；19261926年年:Gaviola:Gaviola直

3、接测定了荧光寿命；直接测定了荧光寿命；19231923年：荧光年：荧光X X射线光谱；射线光谱；19641964年：原子荧光光谱分析的建立；年：原子荧光光谱分析的建立；19651965年：荧光分析在生物分析中广泛应用；年：荧光分析在生物分析中广泛应用；磷光：磷光：1515世纪被发现（重晶石在强烈阳光下的发光）世纪被发现（重晶石在强烈阳光下的发光）19441944年：年：LewisLewis提出磷光用于分析的可能性；提出磷光用于分析的可能性；19571957年：年：KeirsKeirs将磷光分析用于定量分析及多组份混合物分析；将磷光分析用于定量分析及多组份混合物分析；19631963年：广泛用于

4、血液及尿液中痕量药物及农药残留量分析；年：广泛用于血液及尿液中痕量药物及农药残留量分析；分子发光分析PPT课件 (2)特点：特点：灵敏度高（灵敏度高（1-100ppb)1-100ppb)：有的可达：有的可达0.01ppb0.01ppb。WHY? WHY? 荧光灵荧光灵敏度除待测物浓度有关外，还与入射光强度及光度计灵敏敏度除待测物浓度有关外，还与入射光强度及光度计灵敏度有关；度有关；选择性好选择性好方法简单快速，用样量少方法简单快速，用样量少1)1) 应用不太广泛。应用不太广泛。分子发光分析PPT课件 (2)4.1 分子荧光分析及磷光分析分子荧光分析及磷光分析一、基本原理一、基本原理分子发光：处

5、于基态的分子吸收能量（电、热、化学和光分子发光：处于基态的分子吸收能量（电、热、化学和光 能等）被激发至激发态，然后从不稳定的激发态返回能等）被激发至激发态，然后从不稳定的激发态返回 至基态并发射出光子，此种现象称为发光。发光分析至基态并发射出光子，此种现象称为发光。发光分析 包括荧光、磷光、化学发光、生物发光等。包括荧光、磷光、化学发光、生物发光等。 物质吸收光能后所产生的光辐射称之为荧光和磷光。物质吸收光能后所产生的光辐射称之为荧光和磷光。1. 1. 分子能级、荧光及磷光的产生分子能级、荧光及磷光的产生分子能级分子能级=电子能级电子能级(Ee)+振动能级振动能级(Ev)+转动能级转动能级(

6、Er)。其中电子能级包含振其中电子能级包含振-转能级，如图。转能级，如图。 分子发光分析PPT课件 (2)基态：电子自旋配对，基态：电子自旋配对，多重度多重度=2s+1=1，为单，为单重态，以重态，以S0表示。表示。激发单重态：分子吸收能激发单重态：分子吸收能量，电子自旋仍然配对，量，电子自旋仍然配对，为单重态，称为激发单为单重态，称为激发单重态，以重态，以S1，S2表示表示激发三重态：分子吸收能激发三重态：分子吸收能量，电子自旋不再配对，量，电子自旋不再配对，为三重态，称为激发三为三重态，称为激发三重态，以重态，以T1，T2.表示。表示。三重态能级低于单重态三重态能级低于单重态（Hund规则

7、）规则）分子发光分析PPT课件 (2)2. 2. 去活化过程去活化过程（Deactivation） 处于激发态分子不稳定，通过辐射或非辐射跃迁等去活处于激发态分子不稳定，通过辐射或非辐射跃迁等去活化过程返回至基态化过程返回至基态 。这些过程包括：。这些过程包括：1）振动弛豫）振动弛豫（Vibrational Relaxation, VR） 在液相或压力足够高的气相中，处于激发态的分子因碰在液相或压力足够高的气相中，处于激发态的分子因碰撞将能量以热的形式传递给周围的分子，从而从高振动能层撞将能量以热的形式传递给周围的分子，从而从高振动能层失活至低振动能层的过程，称为振动弛豫。失活至低振动能层的过

8、程，称为振动弛豫。2）内转换）内转换（Internal Conversion，IC） 对于具有相同多重度的分子，若较高电子能级的低振动对于具有相同多重度的分子，若较高电子能级的低振动能层与较低电子能级的高振动能层相重叠时，则电子可在重能层与较低电子能级的高振动能层相重叠时，则电子可在重叠的能层之间通过振动耦合产生无辐射跃迁，如叠的能层之间通过振动耦合产生无辐射跃迁，如S2-S1；T2-T1。分子发光分析PPT课件 (2)3）外转换）外转换（External Conversion，EC） 受激分子与溶剂或其它分子相互作用发生能量转换而使受激分子与溶剂或其它分子相互作用发生能量转换而使荧光或磷光强

9、度减弱甚至消失的过程，也称荧光或磷光强度减弱甚至消失的过程，也称“熄灭熄灭”或或“猝猝灭灭”。4）系间跨跃）系间跨跃（Intersystem Conversion，ISC） 系间跨跃是发生在两个不同多重态之间的无辐射跃迁，系间跨跃是发生在两个不同多重态之间的无辐射跃迁，如从如从S1到到T1，该跃迁是禁阻的。然而，当不同多重态的两个，该跃迁是禁阻的。然而，当不同多重态的两个电子能层有较大重叠时，处于这两个能层上的受激电子的自电子能层有较大重叠时，处于这两个能层上的受激电子的自旋方向发生变化，即可通过自旋旋方向发生变化，即可通过自旋-轨道耦合而产生无辐射跃迁，轨道耦合而产生无辐射跃迁，该过程称为系

10、间跨跃。该过程称为系间跨跃。分子发光分析PPT课件 (2) 5）荧光发射）荧光发射 分子电子从单重激发态（分子电子从单重激发态（Kasha规则）的最低振动能级在很规则）的最低振动能级在很短时间短时间（10-9-10-6s）跃迁到基态各振动能层时所产生的光子辐射跃迁到基态各振动能层时所产生的光子辐射称为荧光。由于各种去活化过程的存在，荧光辐射能通常要比激称为荧光。由于各种去活化过程的存在，荧光辐射能通常要比激发能量低，或者说，荧光波长大于激发波长（发能量低，或者说，荧光波长大于激发波长（Stokes效应）。效应）。6）磷光发射）磷光发射 从单重态到三重态分子间发生系间跨跃跃迁后，再经振动弛从单重

11、态到三重态分子间发生系间跨跃跃迁后，再经振动弛豫回到三重态最低振动能层，最后，在豫回到三重态最低振动能层，最后，在10-4-10s内跃迁到基态的各内跃迁到基态的各振动能层所产生的辐射。振动能层所产生的辐射。0 0S S光光发发射射（低低振振动动能能层层）1 1T T振振动动弛弛豫豫（高高振振动动能能层层）1 1T T系系间间跨跨跃跃1 1S S磷磷分子发光分析PPT课件 (2)3. 3. 定性分析定性分析 任何荧（磷）光都具有两种特征光谱：激发光谱与发射任何荧（磷）光都具有两种特征光谱：激发光谱与发射光谱。它们是荧（磷）光定性分析的基础。光谱。它们是荧（磷）光定性分析的基础。1）激发光谱）激发

12、光谱 改变激发波长，测量在最强荧（磷）光发射波长处的强改变激发波长，测量在最强荧（磷）光发射波长处的强度变化，以激发波长对荧光强度作图可得到激发光谱。度变化，以激发波长对荧光强度作图可得到激发光谱。 激发光谱形状与吸收光谱形状完全相似，经校正后二者激发光谱形状与吸收光谱形状完全相似，经校正后二者完全相同！这是因为分子吸收光能的过程就是分子的激发过完全相同！这是因为分子吸收光能的过程就是分子的激发过程。程。 激发光谱可用于鉴别荧光物质；在定量时，用于选择最激发光谱可用于鉴别荧光物质；在定量时，用于选择最适宜的激发波长。适宜的激发波长。胰腺癌手术后腹腔引流管什么时候拔除胰腺癌手术后腹腔引流管什么时

13、候拔除 (2)2）发射光谱）发射光谱 发射光谱即荧光光谱。一发射光谱即荧光光谱。一定波长和强度的激发波长辐照定波长和强度的激发波长辐照荧光物质，产生不同波长的强荧光物质，产生不同波长的强度的荧光，以荧光强度对其波度的荧光，以荧光强度对其波长作图可得荧光发射光谱。长作图可得荧光发射光谱。 由于不同物质具不同的特由于不同物质具不同的特征发射峰，因而使用荧光发射征发射峰，因而使用荧光发射光谱可用于鉴别荧光物质。光谱可用于鉴别荧光物质。 如右图所示。如右图所示。激发光谱激发光谱荧光光谱荧光光谱磷光光谱磷光光谱分子发光分析PPT课件 (2)3）激发光谱与发射光谱的关系）激发光谱与发射光谱的关系i）波长比

14、较波长比较 与激发（或吸收）波长相比，荧光发射波长更长，即产与激发（或吸收）波长相比，荧光发射波长更长，即产生所谓生所谓Stokes位移。（振动弛豫失活所致）位移。（振动弛豫失活所致）ii）形状比较形状比较 荧光光谱形状与激发波长无关。尽管分子受激后可到荧光光谱形状与激发波长无关。尽管分子受激后可到达不同能层的激发态，但由于去活化（内转换和振动弛豫）达不同能层的激发态，但由于去活化（内转换和振动弛豫）到第一电子激发态的速率或几率很大，好像是分子受激只到第一电子激发态的速率或几率很大，好像是分子受激只到达第一激发态一样。到达第一激发态一样。 换句话说，不管激发波长如何，电子都是从第一电子换句话说

15、，不管激发波长如何，电子都是从第一电子激发态的最低振动能层跃迁到基态的各个振动能层。激发态的最低振动能层跃迁到基态的各个振动能层。分子发光分析PPT课件 (2)iii）镜像对称镜像对称 通常荧光光谱与吸收光谱呈镜像对称关系。通常荧光光谱与吸收光谱呈镜像对称关系。分子发光分析PPT课件 (2)解释解释1：能层结构相似性：能层结构相似性 荧光为第一电子激发单重态的最荧光为第一电子激发单重态的最低振动能层跃迁到基态的各个振动能低振动能层跃迁到基态的各个振动能层而形成，即其形状与基态振动能级层而形成，即其形状与基态振动能级分布有关。分布有关。 吸收光谱是由基态最低振动能层吸收光谱是由基态最低振动能层跃

16、迁到第一电子激发单重态的各个振跃迁到第一电子激发单重态的各个振动能层而形成，即其形状与第一电子动能层而形成，即其形状与第一电子激发单重态的振动能级分布有关。激发单重态的振动能级分布有关。 由于激发态和基态的振动能层分布由于激发态和基态的振动能层分布具有相似性，因而呈镜像对称。具有相似性，因而呈镜像对称。S1S0分子发光分析PPT课件 (2)解释解释2：位能曲线（：位能曲线（Frank-Condon原理）原理） 由于电子吸收跃迁速率极快由于电子吸收跃迁速率极快（10-15s），此时核的相对位置可视为不，此时核的相对位置可视为不变（核较重）。当两个能层间吸收跃迁的几率越大，其相反跃迁的几率变（核较

17、重）。当两个能层间吸收跃迁的几率越大，其相反跃迁的几率也越大，即产生的光谱呈镜像对称。也越大，即产生的光谱呈镜像对称。分子发光分析PPT课件 (2)4. 4. 影响荧光及荧光强度的因素影响荧光及荧光强度的因素 产生并可观察到荧光的条件：产生并可观察到荧光的条件：i）分子具有与辐射频率相应的荧光结构（内因）；分子具有与辐射频率相应的荧光结构（内因）；ii）吸收特征频率的光后，应可产生具一定量子效率的荧光。吸收特征频率的光后，应可产生具一定量子效率的荧光。即量子效率即量子效率 足够大：足够大： 可见，凡是使可见，凡是使 kF 增加，使其它去活化常数降低的因素均可增加，使其它去活化常数降低的因素均可

18、增加荧光量子产率。通常，增加荧光量子产率。通常， kF 由分子结构决定（内因），而其由分子结构决定（内因），而其它参数则由化学环境和结构共同决定。它参数则由化学环境和结构共同决定。PECISCICVRFFkkkkkkk 吸吸收收的的光光量量子子数数发发射射的的荧荧光光量量子子数数 分子发光分析PPT课件 (2)下面讨论影响荧光及强度的因素。下面讨论影响荧光及强度的因素。 1）跃迁类型：通常，具有）跃迁类型：通常，具有 *及及n *跃迁结构的分子才会产跃迁结构的分子才会产 生荧光。而且具生荧光。而且具 *跃迁的量子效率比跃迁的量子效率比n *跃迁的要大得跃迁的要大得 多（前者多（前者 大、寿命短

19、、大、寿命短、kISC小）。小）。2）共轭效应：共轭度越大，荧光越强。）共轭效应：共轭度越大，荧光越强。3）刚性结构：分子刚性）刚性结构：分子刚性（Rigidity）越强，分子振动少，与其它分越强，分子振动少，与其它分 子碰撞失活的机率下降，荧光量子效率提高。子碰撞失活的机率下降，荧光量子效率提高。 如荧光素如荧光素（ 大）大）与酚酞与酚酞（ =0）；芴；芴（ =1）与联苯与联苯（ =0.18）。）。4）取代基：）取代基： 给电子取代基增强荧光（给电子取代基增强荧光（p- 共轭），如共轭），如-OH、-OR、 -NH2、-CN、NR2等；等； 吸电子基降低荧光，如吸电子基降低荧光，如 -COO

20、H、 -C=O、 -NO2、-NO、-X等；等； 重原子降低荧光但增强磷光，重原子降低荧光但增强磷光， 如苯环被卤素取代，从氟苯到碘苯，荧光逐渐减弱到消失，该如苯环被卤素取代，从氟苯到碘苯，荧光逐渐减弱到消失，该 现象也称重原子效应。现象也称重原子效应。内内因因分子发光分析PPT课件 (2)5）溶剂效应：）溶剂效应： 溶剂极性可增加或降低荧光强度（改变溶剂极性可增加或降低荧光强度（改变 *及及 n * 跃迁的能量）；跃迁的能量）； 与溶剂作用从而改变荧光物质结构与溶剂作用从而改变荧光物质结构 来增加或降低荧光强度。来增加或降低荧光强度。6）温度：温度增加，荧光强度下降（因为内、外转换增加、粘度

21、）温度：温度增加，荧光强度下降（因为内、外转换增加、粘度 或或“刚性刚性”降低）。因此体系降低温度可增加荧光分析灵敏度。降低）。因此体系降低温度可增加荧光分析灵敏度。7）pH值：具酸或碱性基团的有机物质，在不同值：具酸或碱性基团的有机物质，在不同pH值时，其结构值时，其结构 可能发生变化，因而荧光强度将发生改变；对无机荧光物质，可能发生变化，因而荧光强度将发生改变；对无机荧光物质， 因因pH值会影响其稳定性，因而也可使其荧光强度发生改变。值会影响其稳定性，因而也可使其荧光强度发生改变。8）内滤光和自吸：体系内存在可以吸收荧光的物质，或荧光物质）内滤光和自吸：体系内存在可以吸收荧光的物质，或荧光

22、物质 的荧光短波长与激发光长波长有重叠，均可使荧光强度下降，的荧光短波长与激发光长波长有重叠，均可使荧光强度下降， 称为内滤光；当荧光物质浓度较大时，可吸收自身的荧光发射，称为内滤光；当荧光物质浓度较大时，可吸收自身的荧光发射， 称为荧光自吸。称为荧光自吸。9）荧光猝灭：）荧光猝灭：碰撞猝灭；碰撞猝灭；静态猝灭；静态猝灭；转入三重态的猝灭转入三重态的猝灭； 电子转移猝灭；电子转移猝灭；自猝灭。自猝灭。分子发光分析PPT课件 (2)5. 5. 定量分析定量分析。，0.05lcKcIlcI3 . 2).3!lc).32(2!lc).32(-lc.321(1II),101(IIeer，B)101(I

23、III,IIf0320flc0flc0t0aaf否否则则校校正正曲曲线线发发生生弯弯曲曲定定溶溶液液中中才才可可用用于于定定量量测测即即荧荧光光测测定定必必须须在在极极稀稀时时才才成成立立该该式式只只有有当当或或者者即即定定律律又又。 分子发光分析PPT课件 (2)二、荧光仪器（光源与检测器处于相互垂直的位置）二、荧光仪器（光源与检测器处于相互垂直的位置）第一单色器第一单色器或滤光片或滤光片记录仪第二单色器第二单色器或滤光片或滤光片荧光荧光光源光源激发激发样品池样品池1）光源：氙灯、高压汞灯、激光；）光源：氙灯、高压汞灯、激光；2）样品池：石英（低荧光材料）；）样品池：石英（低荧光材料）；3）

24、两个单色器：选择激发光单色器；）两个单色器：选择激发光单色器；分离荧光单色器分离荧光单色器；4）检测器：光电倍增管。）检测器：光电倍增管。分子发光分析PPT课件 (2)荧光分析的特点：荧光分析的特点： 灵敏度高：视不同物质，检测下限在灵敏度高：视不同物质，检测下限在0.10.001 g/mL之间。可之间。可 见比见比UV-Vis的灵敏度高得多！的灵敏度高得多！WHY？ 选择性好：可同时用激发光谱和荧光发射光谱定性。选择性好：可同时用激发光谱和荧光发射光谱定性。 结构信息量多：包括物质激发光谱、发射光谱、光强、荧光量结构信息量多：包括物质激发光谱、发射光谱、光强、荧光量 子效率、荧光寿命等。子效

25、率、荧光寿命等。 应用不广泛：主要是因为能发荧光的物质不具普遍性、增强荧应用不广泛：主要是因为能发荧光的物质不具普遍性、增强荧 光的方法有限、外界环境对荧光量子效率影响大、干扰测量的光的方法有限、外界环境对荧光量子效率影响大、干扰测量的 因素较多。因素较多。分子发光分析PPT课件 (2)三、磷光分析三、磷光分析1. 1. 磷光的特点：磷光的特点： 磷光波长比荧光的长磷光波长比荧光的长(T1S1)； 磷光寿命比荧光的长磷光寿命比荧光的长(磷光为磷光为禁阻跃迁产生，速率常数小禁阻跃迁产生，速率常数小)； 磷光寿命和强度对重原子和氧磷光寿命和强度对重原子和氧敏感敏感(自旋轨道耦合，使自旋轨道耦合，使

26、kISC增加增加)。2. 2. 低温磷光（液氮）低温磷光（液氮） 由于磷光寿命长，由于磷光寿命长，T1的非辐射跃迁（内转换）几率增加，碰的非辐射跃迁（内转换）几率增加，碰撞失活（振动弛豫）的几率、光化学反应几率都增加，从而降低撞失活（振动弛豫）的几率、光化学反应几率都增加，从而降低磷光强度。因此有必要在低温下测量磷光。同时要求溶剂：磷光强度。因此有必要在低温下测量磷光。同时要求溶剂： 易易提纯且在分析波长区无强吸收和发射；提纯且在分析波长区无强吸收和发射； 低温下形成具足够粘度低温下形成具足够粘度的透明的刚性玻璃体。的透明的刚性玻璃体。 常用的溶剂：常用的溶剂： EPA乙醇乙醇+异戊烷异戊烷+

27、二乙醚二乙醚（2+2+5） IEPACH3I+EPA（1+10）。分子发光分析PPT课件 (2)3. 3. 室温磷光室温磷光 低温荧光需低温实验装置且受到溶剂选择的限制，低温荧光需低温实验装置且受到溶剂选择的限制，1974年后年后发展了室温磷光发展了室温磷光（RTP）。1）固体基质：在室温下以固体基质（如纤维素等）吸附磷光体，）固体基质：在室温下以固体基质（如纤维素等）吸附磷光体， 增加分子刚性、减少三重态猝灭等非辐射跃迁，从而提高磷增加分子刚性、减少三重态猝灭等非辐射跃迁，从而提高磷 光量子效率。光量子效率。2）胶束增稳：利用表面活性剂在临界浓度形成具多相性的胶束，）胶束增稳：利用表面活性剂

28、在临界浓度形成具多相性的胶束， 改变磷光体的微环境、增加定向约束力，从而减小内转换和改变磷光体的微环境、增加定向约束力，从而减小内转换和 碰撞等去活化的几率，提高三重态的稳定性。碰撞等去活化的几率，提高三重态的稳定性。 利用胶束增稳、重原子效应和溶液除氧是该法的三要素。利用胶束增稳、重原子效应和溶液除氧是该法的三要素。3）敏化磷光：其过程可以简单表示为：）敏化磷光：其过程可以简单表示为：01T1T1SSBAAAh 发发射射磷磷光光能能量量转转移移系系间间跨跨跃跃受受体体分分析析物物 分子发光分析PPT课件 (2)4. 4. 磷光仪器磷光仪器 在荧光仪样品在荧光仪样品池上增加磷光配池上增加磷光配件：低温杜瓦瓶件：低温杜瓦瓶和斩光片。如右和斩光片。如右图所示。图所示。 斩光片的作用斩光片的作用是利用其分子受是利用其分子受激所产生的荧光激所产生的荧光与磷光的寿命不与磷光的寿命不同获取磷光辐射。同获取磷光辐射。转筒式转筒式转盘式转盘式