分子发光的分析法

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1、分子发光分析法基态分子吸收了一定能量后，跃迁至激发态，当激发态分子以辐射跃迁形式将其能量释放返回基态时，便产生分子发光(MolecularLuminescence)。依据激发的模式不同，分子发光分为光致发光、热致发光、场致发光和化学发光等。光致发光按激发态的类型又可分为荧光和磷光两种。本章讨论分子荧光(MolecularFluorescence)、分子磷光(MolecularPhosphorescence)和化学发光(Chemiluminescence)分析法。第一节荧光分析法一、概述分子荧光分析法是根据物质的分子荧光光谱进行定性，以荧光强度进行定量的一种分

2、析方法。早在16世纪，人们观察到当紫外和可见光照射到某些物质时。这些物质就会发出各种颜色和不同强度的光，而当照射停止时，物质的发光也随之很快消失。到1852年才由斯托克斯(Stokes)给予了解释，即它是物质在吸收了光能后发射出的分子荧光。斯托克斯在对荧光强度与浓度之间的关系进行研究的基础上，于1864年提出可将荧光作为一种分析手段。1867年Goppelsroder应用铝—桑色素络合物的荧光对铝进行了测定。进入20世纪，随着荧光分析仪器的问世，荧光分析的方法和技术得到了极大发展，如今已成为一种重要且有效的光谱分析手段。荧光分析法的最大优点是灵敏度高，它的检

3、出限通常比分光光度法低2~4个数量级，选择性也较分光光度法好。虽然能产生强荧光的化合物相对较少，荧光分析法的应用不如分光光度法广泛，但由于它的高灵敏度以及许多重要的生物物质都具有荧光性质。使得该方法在药物、临床、环境、食品的微量、痕量分析以及生命科学研究各个领域具有重要意义。二、基本原理(一)分子荧光的产生大多数分子含有偶数电子。根据保里不相容原理，基态分子的每一个轨道中两个电子的自旋方向总是相反的，因而大多数基态分子处于单重态(2S+1=1)，基态单重态以S0表示。当物质受光照射时，基态分子吸收光能就会产生电子能级跃迁而处于第一、第二电子激发单重态，以S1

4、、S2表示。处于电子激发态的分子是不稳定的，它会很快地通过无辐射跃迁和辐射跃迁释放能量而返回基态。辐射跃迁发生光子的发射，产生分子荧光和分子磷光；无辐射跃迁则以热的形式释放能量，包括振动弛豫(VR)、内转化(ic)和体系间窜跃(isc)等。图5-1为分子内所发生的各种光物理过程的示意图。图5-01分子内的光物理过程.doc图5-01分子内的光物理过程.JPG图5-1分子内的光物理过程A1,A2-吸收F-荧光P-磷光ic-内转化isc-体系间窜跃VR-振动弛豫振动弛豫是在同一电子能级中，分子由较高振动能级向该电子态的最低振动能级的非辐射跃迁。振动弛豫过程的速率

5、极大，在10-14～10-12s内即可完成。内转化是相同多重态的两个电子态之间(如S2→S1,S1→S0)的非辐射跃迁。内转化过程的速率在很大程度上决定于相关能级之间的能量差。相邻单重激发态之间能级较近，其振动能级常发生重叠，内转化很快。因此，通常不论分子被激发到哪一个电子激发态，在10-13～10-11s内经内转化和振动弛豫都会跃迁到最低电子激发态的最低振动能级上。基态(S0)和第一电子激发单重态(S1)之间的能量差较大，因而S1→S0内转化的速率相对要小得多，使得第一电子激发态有相对较长的寿命。处于第一电子激发单重态最低振动能级的分子，以辐射跃迁的形式返

6、回基态各振动能级时，就产生了分子荧光。由于激发态中存在有振动弛豫和内转化现象。使得荧光的光子能量比其分子受激发所吸收的光子能量低。因此，荧光波长λ3总比激发波长λ1或λ2要长。而且，不论电子开始被激发至哪个能级，都将只发射波长为λ3的荧光。荧光的产生在10-9～10-6s内完成。体系间窜跃是指不同多重态的两个电子态间的非辐射跃迁。当分子的第一、二电子处于激发三重态(2S+1=3)时，以Tl、T2表示。单重激发态Sl的最低振动能级同三重态T1的较高振动能级重叠。因而S1→T1的体系间窜跃就有了较大的可能性。第一电子激发单重态的分子经体系间窜跃到达三重态后，快速

7、振动弛豫至最低振动能级v=0上。此时有两种途径返回基态，一是辐射跃迁发出磷光，二是体系间窜跃。由于改变电子自旋的跃迁属禁阻跃迁，因而跃迁速率小得多，使得三重态有较长的寿命，约为10-3～10s(二)荧光效率及其影响因素1．荧光效率物质在吸收了紫外和可见光后，激发态分子是以辐射跃迁还是以非辐射跃迁回到基态，决定了物质是否能发荧光。通常以荧光效率(或荧光量子产率)来描述辐射跃迁概率的大小。荧光效率定义为发荧光的分子数目与激发态分子总数的比值，即(5—1)荧光效率越高，辐射跃迁概率就越大，物质发射的荧光也就越强，若以各种跃迁的速率常数来表示，则(5—2)式中：Kf

8、为荧光发射过程的速率常数，∑Ki为非辐射跃迁的速率常