第十一章 荧光分析法（Fluorescence）1概述概述n分子发光（分子发光（molecular luminescence） 某些物质分子吸收能量跃迁到较高的电子激发态后，某些物质分子吸收能量跃迁到较高的电子激发态后，返回基态的过程中伴随发光的现象。返回基态的过程中伴随发光的现象。M+ 能量能量 MMh h 2分类分类 光致发光（光致发光（PL）生物发光（生物发光（BL）化学发光（化学发光（CL）电致发光（电致发光（EL）磷光磷光荧光荧光荧光分析法荧光分析法: 根据物质所发射的荧光谱线的位置及强度进行物质根据物质所发射的荧光谱线的位置及强度进行物质鉴定和含量测定的方法。鉴定和含量测定的方法。原子荧光原子荧光紫外可见荧光紫外可见荧光红外荧光红外荧光X射线荧光射线荧光分子荧光分子荧光光致发光：光致发光：分子吸收某种波长的光后发射出分子吸收某种波长的光后发射出比原来吸收光的波长更长的光的现象。比原来吸收光的波长更长的光的现象。M+ h MMh 荧光荧光：物质分子接受光子能量被激发后，物质分子接受光子能量被激发后，从激发态的从激发态的最低振动能级最低振动能级返回基态时发射的光。返回基态时发射的光。3第一节第一节 荧光分析法的基本原理荧光分析法的基本原理 一、分子荧光 （一）分子荧光的产生 1.分子的电子能级与激发过程 分子的电子能级中包括振动能级和转动能级根据“能量最低原则”和“Pauli不相容原则”，基态时分子中的电子对填充在能量最低的轨道，且自旋相反，即总自旋量子数s为0基态基态电子能级多重性：M2s+1 单重态S M1 自旋相反 三重态T M3 自旋相同4被激发跃迁过程中：通常电子不发生自旋方向的改变,电子对自旋相反，总自旋量子数s为0,处于激发单重态。电子发生自旋方向的改变,电子对自旋相同，总自旋量子数s为1,处于激发三重态，比激发单重态能量低。5h h （荧光）（荧光）（荧光）（荧光）h h （磷光）（磷光）（磷光）（磷光）几率小（禁阻）几率小（禁阻）几率小（禁阻）几率小（禁阻）1010-8-8s s1010-4-410s10s2.荧光的产生吸收紫外可见光，基态电子跃迁到单重激发态的各个不同能级上。激发态不稳定，释放能量返回基态。发射荧光是其中一条途径。能量：能量： S2 T2 S1 T1 S06781）振动弛豫）振动弛豫 激发态分子通过与溶剂分子碰撞而将部分能量传激发态分子通过与溶剂分子碰撞而将部分能量传递给溶剂分子递给溶剂分子，其电子，其电子由由同同一电子能级一电子能级激发态激发态的较的较高振动能级高振动能级回到最低回到最低振动振动能级的过程。能级的过程。10-12 s2）内部能量转换）内部能量转换 两个两个电子激发态能级电子激发态能级相差较小，振动能级部分重相差较小，振动能级部分重叠，电子由高电子能级转移到低电子能级的过程。叠，电子由高电子能级转移到低电子能级的过程。9101）振动弛豫）振动弛豫 激发态分子通过与溶剂分子碰撞而将部分能量传激发态分子通过与溶剂分子碰撞而将部分能量传递给溶剂分子递给溶剂分子，其电子，其电子由由同一电子同一电子激发态的较高振激发态的较高振动能级回到较低振动动能级回到较低振动能级的过程。能级的过程。1012 2）内部能量转换）内部能量转换 两个两个电子激发态能级电子激发态能级相差较小，振动能级部分重相差较小，振动能级部分重叠，电子由高电子能级转移到低电子能级的过程。叠，电子由高电子能级转移到低电子能级的过程。11123）外部能量转换）外部能量转换 激发态分子与溶剂分子或其他溶质分子碰撞以热激发态分子与溶剂分子或其他溶质分子碰撞以热的形式释放能量。发生在第一激发态或激发三重态的形式释放能量。发生在第一激发态或激发三重态最低振动能级向基态转换的过程。最低振动能级向基态转换的过程。4）体系间跨越）体系间跨越 不同多重态不同多重态,有重叠有重叠的振动的振动能级，分子由激发单重态能级，分子由激发单重态跨越到激发三重态的过程，电子自旋反转。跨越到激发三重态的过程，电子自旋反转。13143）外部能量转换）外部能量转换 激发态分子与溶剂分子或其他溶质分子碰撞以热激发态分子与溶剂分子或其他溶质分子碰撞以热的形式释放能量。发生在第一激发态或激发三重态的形式释放能量。发生在第一激发态或激发三重态最低振动能级向基态转换的过程。最低振动能级向基态转换的过程。4）体系间跨越）体系间跨越 不同多重态不同多重态,有重叠有重叠的振动的振动能级，分子由激发单重态能级，分子由激发单重态跨越到激发三重态的过程，电子自旋反转。跨越到激发三重态的过程，电子自旋反转。15165）荧光发射：电子由第一激发单重态的最低振动能级）荧光发射：电子由第一激发单重态的最低振动能级基态基态(S1 S0)发射荧光的过程约为：发射荧光的过程约为： 10-710 -9 s 。由于振动弛豫和由于振动弛豫和内转换损失部分能量，发射荧光的能量比分子吸收的能量小，内转换损失部分能量，发射荧光的能量比分子吸收的能量小，波长要长；波长要长； 6）磷光发射：电子由第一激发三重态的最低振动能级）磷光发射：电子由第一激发三重态的最低振动能级基态基态 （ T1 S0跃迁跃迁）；磷光能量更低，波长更长。）；磷光能量更低，波长更长。发光速度很慢：发光速度很慢： 10-410 s ，光照停止后，可持续一段时间，光照停止后，可持续一段时间单重基态单重基态(s0)受激分子受激分子S1T1系间窜跃系间窜跃T1的最低振动能级的最低振动能级磷光磷光振动弛豫振动弛豫17 （二）荧光的激发光谱和发射光谱（二）荧光的激发光谱和发射光谱 1.激发光谱：激发光谱： 表示不同激发波长的辐射引起物质发表示不同激发波长的辐射引起物质发 射某一波长荧光的相对效率。射某一波长荧光的相对效率。 荧光强度（荧光强度（F）与激发波长（）与激发波长（exex） 的关系曲线的关系曲线。 2.发射光谱（荧光光谱）：发射光谱（荧光光谱）： 保持激发光的波长和强度，保持激发光的波长和强度，测定发射的荧光在各个波长下的相对强度，测定发射的荧光在各个波长下的相对强度，记录荧光强度（记录荧光强度（F）对发射波长（）对发射波长（em） 的关系曲线的关系曲线。183.溶液荧光光谱的特征溶液荧光光谱的特征 1）斯托克斯位移）斯托克斯位移 发射波长总大于激发波长的现象。发射波长总大于激发波长的现象。 原因：内转换和振动弛豫；激发态分子与溶剂分子原因：内转换和振动弛豫；激发态分子与溶剂分子 的相互作用；返回到基态的不同振动能级的相互作用；返回到基态的不同振动能级 2）荧光光谱）荧光光谱的形状与激发波长无关的形状与激发波长无关 电子跃迁到不同激发态能级，吸收不同波长的能电子跃迁到不同激发态能级，吸收不同波长的能量，量， 产产生不同吸收带，但发射的荧光光谱只有一个发射带。生不同吸收带，但发射的荧光光谱只有一个发射带。原因：均回到第一激发单重态的最低振动能级再跃迁回到原因：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。基态，产生波长一定的荧光。193）荧光光谱与激发光谱镜像关系）荧光光谱与激发光谱镜像关系通常荧光发射光谱与它的吸收光谱（与激发光谱通常荧光发射光谱与它的吸收光谱（与激发光谱形状一样）成镜像对称关系形状一样）成镜像对称关系基态上的各振动能级分布与第一激发态上的各振基态上的各振动能级分布与第一激发态上的各振动能级分布类似；动能级分布类似；20镜像关系镜像关系镜像关系镜像关系? ?S S0 04 43 32 21 1S S1 14 43 32 21 1 exex =290nm =290nm (MAX)(MAX)固定固定固定固定 emem=620nm=620nm固定固定固定固定 exex=290nm =290nm (MAX)(MAX) emem= = 620nm 620nm(MAX)(MAX)1 1 4 41 1 3 31 1 2 21 11 11 1 4 41 1 3 31 1 2 21 1 1 1200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 90004008001200160020002400280032003600400044004800 IF 21二、荧光与分子结构二、荧光与分子结构1.分子产生荧光必须具备的条件分子产生荧光必须具备的条件 1）具有合适的结构）具有合适的结构有强的紫外可见吸收；有强的紫外可见吸收； 2）具有一定的荧光量子产率。）具有一定的荧光量子产率。 荧光量子产率：荧光量子产率：2.荧光寿命：除去激发光源后，分子的荧光强荧光寿命：除去激发光源后，分子的荧光强度降低到最大荧光强度的度降低到最大荧光强度的1/e所需要的时间所需要的时间222.分子结构与荧光的关系分子结构与荧光的关系 1）跃迁类）跃迁类型：型： * 的荧光效率高的荧光效率高,有较强紫外有较强紫外吸收，有利于吸收，有利于荧光的产生；荧光的产生； 2）共轭效应：提高共轭度有利于增加荧光效率）共轭效应：提高共轭度有利于增加荧光效率 并产生红移并产生红移 233）刚性平面结构：可降低分子振动，减少与溶剂）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。有相似结构，荧光素有很强的荧光，酚酞却没有。 244）取代基效应）取代基效应给电子取代基给电子取代基-OH,-CN，-NH2等，可扩大共轭双键体系加强荧光等，可扩大共轭双键体系加强荧光得电子取代基得电子取代基=C=O, -NO2-COOH，-SH等减弱荧光等减弱荧光重原子效应：重原子效应：芳环上取代芳环上取代F、Cl、Br、I之后，系间窜跃加强，荧光之后，系间窜跃加强，荧光强度随卤素原子量增加而减弱。强度随卤素原子量增加而减弱。取代基的位置：取代基的位置：邻、对位荧光增邻、对位荧光增强，间位抑制强，间位抑制给电子取代基给电子取代基-OH,-CN，-NH2等，可扩大共轭双键体系加强荧光等，可扩大共轭双键体系加强荧光得电子取代基得电子取代基=C=O, -NO2-COOH，-SH等减弱荧光等减弱荧光给电子取代基给电子取代基-OH,-CN，-NH2等，可扩大共轭双键体系加强荧光等，可扩大共轭双键体系加强荧光得电子取代基得电子取代基=C=O, -NO2-COOH，-SH等减弱荧光等减弱荧光253.荧光试剂能与弱荧光物质作用，得到强荧光行产物。1) 荧光胺本身不显荧光，能与脂肪族、芳香伯胺形成荧光衍生物。ex=275、390nm，em=480nm2)邻苯二甲醛（OPA）伯胺，-氨基酸 ex=340nm ,em=455nm3）丹酰氯含伯、仲胺及酚基的生物碱 丹酰肼可的松的羰基 ex=365nm ,em=500nm4）无机离子 能与某些有机物形成荧光配合物26三、影响荧光强度的外部因素三、影响荧光强度的外部因素1.温度的影响温度的影响荧光强度对温度变化敏感，荧光强度对温度变化敏感，温度增加，分子间碰撞次数增加，荧光效率、强度温度增加，分子间碰撞次数增加，荧光效率、强度 降低降低温度降低，温度降低，f、If增大增大。2.溶剂的影响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光谱发生变化成都将使化合物的荧光光谱发生变化, 荧光波长随着荧光波长随着溶剂极性的增强而长移，强度增强。溶剂极性的增强而长移，强度增强。273. 溶液溶液pH对酸碱对酸碱荧光物，荧光物，pH影响离解、型体分布，从而影影响离解、型体分布，从而影响荧光强度，响荧光强度，需要严格控制。需要严格控制。pH1有荧光有荧光pH13无荧光无荧光284.荧光荧光熄灭剂熄灭剂 1）荧光猝灭）荧光猝灭荧光荧光物质分子与溶剂分子或其它溶质分子相互作物质分子与溶剂分子或其它溶质分子相互作用引起荧光强度降低的现象。用引起荧光强度降低的现象。2）荧光熄灭剂）荧光熄灭剂：使荧光强度降低的物质又称为荧使荧光强度降低的物质又称为荧光猝灭剂。光猝灭剂。如卤素离子、重金属离子、氧分子、硝基化合物、重氮化合物、羧基化合物等。 293）机理：）机理： a碰撞失去能量 b生成不发光的配合物 c溶解氧的存在使荧光物质氧化或氧分子的顺磁性 使激发单重态分子转变为三重态 d浓度较大，自熄灭现象 305.散射光散射光 瑞利光：弹性碰撞，不发生能量交换，仅改变方向，瑞利光：弹性碰撞，不发生能量交换，仅改变方向， 波长与入射光相同波长与入射光相同 拉曼光：非弹性碰撞，改变方向同时能量交换，波长拉曼光：非弹性碰撞，改变方向同时能量交换，波长 长移或短移。长移或短移。 散射光对荧光测定有干扰散射光对荧光测定有干扰 尤其是波长与荧光波长接近的拉曼光尤其是波长与荧光波长接近的拉曼光 选择适当的溶剂和激发波长，可消除拉曼光的干扰选择适当的溶剂和激发波长，可消除拉曼光的干扰 31320360448350448320360350400激发320nm硫酸奎宁激发350nm硫酸奎宁激发320nm0.1mol/LH2SO4激发350nm0.1mol/LH2SO4强度强度/nm/nm32第二节第二节 荧光定量分析方法荧光定量分析方法一、 特点 1.灵敏度高 比紫外-可见分光光度法高24个数量级； 检测下限：10-1010-12g/ml 2.选择性强 既可依据特征发射光谱，又可根据特征吸收光谱； 3.试样量少 缺点：应用范围小。33二、定量依据与方法 1.定量依据 荧光强度F正比于吸收的光强（I0I） 浓度很低时(Ecl0.05) ，将括号项近似处理后：34 2.定量方法 1）标准曲线法： 配制一系列标准浓度试样测定荧光强度，绘制标 准曲线，再在相同条件下测量未知试样的荧光强 度，在标准曲线上求出浓度； 352）比例法：在线性范围内，测定标样和试样的荧光强度3）多组分样品的荧光分析 a无相互干扰，分别测定 b有干扰，同紫外可见吸收光谱定量方法 解联立方程组法 等吸收双波长消去法36第三节第三节 荧光分光光度计荧光分光光度计1.测量荧光的仪器主要由四个部分组成： 激发光源、双单色器系统、样品池、检测器。2.特殊点：有激发和发射两个单色器，光源与检测器通 常成直角。3.光源：氙灯（250-700nm） 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； 样品池：石英比色皿 检测器：光电倍增管。3738392.仪器的校正仪器的校正（1）灵敏度校正：）灵敏度校正：最低信号、最低信噪比所对应的浓度最低信号、最低信噪比所对应的浓度1g/ml硫酸奎宁作硫酸奎宁作对照品溶液。照品溶液。（2）波）波长校正校正汞灯的汞灯的标准准谱线校正校正（3）光）光谱的校正的校正 40其他其他荧光分析荧光分析技术（自学）技术（自学） 1.激光荧光分析激光荧光分析 单色性极好，提高荧光分析的灵敏度和选择性单色性极好，提高荧光分析的灵敏度和选择性 2.时间分辨荧光分析时间分辨荧光分析 利用不同物质的荧光寿命不同，在激发和检测之间利用不同物质的荧光寿命不同，在激发和检测之间延缓的时间不同，实现分别检测的目的。选择合适的延缓的时间不同，实现分别检测的目的。选择合适的延缓时间，可测定被测组分的荧光不受其他组分的荧延缓时间，可测定被测组分的荧光不受其他组分的荧光及噪声影响光及噪声影响 时间分辨荧光免疫分析技术时间分辨荧光免疫分析技术41根据荧光产生时间和衰减速率的差异。对不同组根据荧光产生时间和衰减速率的差异。对不同组分进行分析分进行分析423.同步荧光分析同步荧光分析 选择选择（通常（通常 ），同步），同步变变化化发发射波射波长长和激和激发发波波长进长进行行扫扫描，得到同步描，得到同步荧荧光光光光谱谱（荧荧光光强强度与波度与波长长的的图谱图谱）特点：特点：谱图简谱图简化、化、选择选择性提高、光散射干性提高、光散射干扰扰减少减少43同步扫描技术同步扫描技术 根根据据激激发发和和发发射射单单色色器器在在扫扫描描过过程程中中彼彼此此间间所所保保持持的的关关系系，同同步步扫扫描描可可分分为为固固定定波波长长差差( () )和和固固定定能能量量差差及及可可变波长三种；变波长三种； 同同步步扫扫描描技技术术可可简简化化光光谱谱，谱带变窄，减少光谱重叠，提高分辨率； 如图。 合适的合适的可可减少光谱重叠减少光谱重叠；酪氨酸和色氨酸的荧光激发光谱相似 ， 发 射 光 谱 严 重 重 叠 ， 但60nm时，只显示色氨酸的特征光谱，实现分别测定。444.4.胶束增敏胶束增敏荧荧光分析光分析 当单体表面活性剂浓度增大到临界胶束浓度，当单体表面活性剂浓度增大到临界胶束浓度，会缔合为球状胶束，会缔合为球状胶束， 利用利用胶束溶液胶束溶液对荧对荧光物光物质质有有增溶、增敏和增增溶、增敏和增稳稳的作用的作用，对荧光物质进行保护对荧光物质进行保护45荧光分析法的应用1.无机化合物的分析与有机试剂配合物后测量；可测量约60多种元素。铍、铝、硼、镓、硒、镁、稀土常采用荧光分析法；氟、硫、铁、银、钴、镍采用荧光熄灭法测定；铜、铍、铁、钴、锇及过氧化氢采用催化荧光法测；铬、铌、铀、碲采用低温荧光法测定；铈、铕、锑、钒、铀采用固体荧光法测定2.生物与有机化合物的分析461.1.电子受激发跃迁到激发态后，返回基态的过程中，电子受激发跃迁到激发态后，返回基态的过程中，有哪些释放能量的途径有哪些释放能量的途径2.2.荧光光谱的特征？荧光光谱的特征？3.3.产生荧光必须具备的条件产生荧光必须具备的条件? ?4.4.影响荧光强度的因素影响荧光强度的因素? ?5.5.测量荧光的仪器的组成及特点？测量荧光的仪器的组成及特点？ 474849光谱分析法光谱分析法吸收光谱法吸收光谱法发射光谱法发射光谱法原子光谱法原子光谱法分子光谱法分子光谱法原原子子发发射射原原子子吸吸收收原原子子荧荧光光X射射线线荧荧光光原原子子吸吸收收紫紫外外可可见见红红外外可可见见核核磁磁共共振振紫紫外外可可见见红红外外可可见见分分子子荧荧光光分分子子磷磷光光核核磁磁共共振振化化学学发发光光原原子子发发射射原原子子荧荧光光分分子子荧荧光光分分子子磷磷光光X射射线线荧荧光光化化学学发发光光49各类光谱仪的结构各类光谱仪的结构光源和样品光源和样品光源和样品光源和样品h h 单色仪单色仪单色仪单色仪h h 检测器检测器检测器检测器 I I读出设备读出设备读出设备读出设备样品样品样品样品h h 单色仪单色仪单色仪单色仪h h 检测器检测器检测器检测器 I I读出设备读出设备读出设备读出设备光源光源光源光源h h 样品样品样品样品h h 发射单色仪发射单色仪发射单色仪发射单色仪h h 检测器检测器检测器检测器 I I读出设备读出设备读出设备读出设备发射光谱仪发射光谱仪发射光谱仪发射光谱仪吸收光谱仪吸收光谱仪吸收光谱仪吸收光谱仪荧光光谱仪荧光光谱仪荧光光谱仪荧光光谱仪光源光源光源光源h h 激发单色仪激发单色仪激发单色仪激发单色仪h h 光栅分光光栅分光系统系统50光谱类型跃迁类型吸收曲线仪器特点主要用途紫外-可见分子吸收-*n-*-A定量定性红外分子吸收振动.T%定性结构鉴定核磁分子吸收核自旋能级化学位移核磁信号强度定量定性结构荧光分子发射S1S0激发I-ex发射I-em定量51第十章第十章 紫外可见分光光度法紫外可见分光光度法1.1.电子跃迁类型？这些类型的跃迁吸收峰各处于什么电子跃迁类型？这些类型的跃迁吸收峰各处于什么范围？范围？2.2.基本概念：生色团、助色团；红移、蓝移；增色效基本概念：生色团、助色团；红移、蓝移；增色效应、减色效应；强带、弱带应、减色效应；强带、弱带3.3.什么是什么是R R 、K K 、B B、E E带？各有何特点带？各有何特点4.4.影响吸收带的因素影响吸收带的因素5.5.偏离比尔定律的因素及吸光度最适测量范围偏离比尔定律的因素及吸光度最适测量范围6.6.紫外可见分光光度计的基本组成及特点紫外可见分光光度计的基本组成及特点7.7.举例说明紫外吸收光谱在分析上有哪些应用举例说明紫外吸收光谱在分析上有哪些应用521.1.红外吸收光谱的特点红外吸收光谱的特点2.2.分子的基本振动形式？分子的基本振动形式？3.3.振动自由度？产生红外吸收的条件是什么振动自由度？产生红外吸收的条件是什么? ?是否所有的分子振是否所有的分子振动都会产生红外吸收光谱动都会产生红外吸收光谱? ?为什么为什么? ?4.4.吸收峰强度的影响因素吸收峰强度的影响因素5.5.什么是基频峰、泛频峰？基频峰分布规律什么是基频峰、泛频峰？基频峰分布规律? ?影响峰位的因素有影响峰位的因素有哪些哪些? ?6.6.何谓特征区、指纹区？它们各有什么特点和用途？何谓特征区、指纹区？它们各有什么特点和用途？7.7.各类有机化合物典型基团的特征峰、相关峰各类有机化合物典型基团的特征峰、相关峰8.8.红外光谱仪的发展、分类及结构特点红外光谱仪的发展、分类及结构特点9.9.红外光谱的解析红外光谱的解析第十二章第十二章 红外吸收光谱法红外吸收光谱法531 1 1 1、什么是核磁共振？产生条件？、什么是核磁共振？产生条件？、什么是核磁共振？产生条件？、什么是核磁共振？产生条件？2 2 2 2、什么是核自旋弛豫？有哪几种形式？、什么是核自旋弛豫？有哪几种形式？、什么是核自旋弛豫？有哪几种形式？、什么是核自旋弛豫？有哪几种形式？3 3 3 3、核磁共振仪的分类、特点、核磁共振仪的分类、特点、核磁共振仪的分类、特点、核磁共振仪的分类、特点3 3 3 3、何谓化学位移、何谓化学位移、何谓化学位移、何谓化学位移? ? ? ?它有什么重要性它有什么重要性它有什么重要性它有什么重要性? ? ? ?在在在在1 1 1 1H H H HNMRNMRNMRNMR中影响中影响中影响中影响化学位移的因素有哪些？化学位移的因素有哪些？化学位移的因素有哪些？化学位移的因素有哪些？4 4 4 4、何谓自旋偶合、自旋裂分？它有什么重要性？、何谓自旋偶合、自旋裂分？它有什么重要性？、何谓自旋偶合、自旋裂分？它有什么重要性？、何谓自旋偶合、自旋裂分？它有什么重要性？第十四章第十四章 核磁共振波谱法核磁共振波谱法54