第五部分分子发光分析法教学课件.ppt

1,第五章 分子发光分析法,2,3,4,第五章 分子发光分析法,分子荧光、磷光分析法的基本原理 荧光分析仪器 分子荧光定量分析 简介化学发光,5,§ 5- 1 概述,一、分子发光分析法及其分类 某些物质的分子吸收一定能量后，电子从基态跃迁到激发态，以光辐射的形式从激发态回到基态，这种现象称为分子发光，在此基础上建立起来的分析方法为分子发光分析法。,较高激发态,基 态,吸收能量受激,光辐射退激,6,根据分子受激时所吸收能源及辐射光的机理不同分为以下几类： 光致发光：以光源来激发而发光 生物发光：以生物体释放的能量激发而发光 化学发光：以化学反应能激发而发光化学发光分析法,荧光荧光分析法 磷光磷光分析法,7,二、分子荧光分析法的特点,1. 灵敏度高 荧光强度随激发光强度增强而增强。提高激发光强度，可提高荧光强度。,采用高灵敏度的检测系统可大大提高灵敏度，检测限荧光分析法比分光光度法低24个数量级。,8,2. 选择性好 不同的物质用不同的光进行激发，选择不同的激发光波长 不同的物质发射的荧光不同，选择不同的检测荧光波长 比较容易排除其它物质的干扰，选择性好 3. 实验方法简单 4. 待测样品用量少；仪器价格适中；测定范围较广,根据发光强度可定量测定许多痕量的无机物和有机物，广泛应用在生物化学、分子生物学、免疫学及农牧产品分析、卫生检疫等领域。 荧光法比磷光法应用广泛，不如分光光度法,9,§ 5- 2 荧光和磷光光谱法,一、荧光和磷光光谱的产生 具有不饱和基团的基态分子光照后，价电子跃迁产生荧光和磷光 基态分子 价电子跃迁到激发态,光照激发,去激发光 * * n,基 态,在光致激发和去激发光的过程中，分子中的价电子（ 、n电子）处于不同的自旋状态，通常用电子自旋状态的多重性来描述。,10,1. 电子自旋状态的多重性,大多数分子含有偶数电子，基态分子每一个轨道中两个电子自旋方向总是相反的 ，处于基态单重态（2S+1=1)。用 “S0” 表示 ；当物质受光照射时，基态分子吸收光能产生电子能级跃迁，由基态跃迁至更高的单重态，电子自旋方向没有改变，净自旋 = 0 ，这种跃迁是符合光谱选律的。,S0, S1, S2, S3分别代表基态, 第一, 二, 三激发单重态,单重态分子具有抗磁性，激发态的平均寿命约为10-8,11,若分子中电子跃迁过程中伴随着自旋方向的改变，由基态单重态激发三重态，净自旋 0。这种跃迁为禁阻跃迁 T1、T2、T3分别表示第一、二、三激发三重态,自旋平行,三重态分子具有顺磁性，激发态的平均寿命约为10-410S,12,传递途径,辐射跃迁,无辐射跃迁,荧光,延迟荧光,磷光,振动弛豫,内部转移,系间窜跃,外部转移,分子中电子受激跃迁到激发态后，处于激发态的分子是不稳定的，去激返回到较低激发态或基态时有两种方式：无辐射去激和辐射去激.,13,2. 无辐射去激不伴随发光现象的过程叫无辐射去激，体系内的多余的能量以热的形式释放。包括： 振动驰豫 内部转换 系间窜跃 外部转移,14,T1,S0,吸光 吸光,S0,S1,S2,15,发生系间窜跃电子需转向，S1T1间进行，比内部转换困难。 外部转移指激发态分子与溶剂分子或溶质分子的相互作用及能量转移，使荧光或磷光强度减弱或消灭。,16,3. 荧光和磷光光谱的产生辐射去激,处于S1或T1态的电子返回S0态时，伴随有发光现象，这种过程叫辐射去激 S1或T1 S0,发光,（1）荧光： 当电子从第一激发单重态S1的最低振动能级回到基态S0各振动能级所产生的光辐射叫荧光,VR,VR,IC,吸光 吸光 荧光,S0,S1,S2,17,T1,S0,VR,VR,IC,吸光 吸光 荧光 图7-1 分子荧光光谱产生过程示意图,S0,S1,S2,VR：振动驰豫 IC：内部转换 ISC：系间窜跃,18,荧光是相同多重态间的允许跃迁，产生速度快，10-910-6s，又叫快速荧光或瞬时荧光，外部光源停止照射，荧光马上熄灭。 无论开始电子被激发至什么高能级，它都经过无辐射去激消耗能量后到S1的最低振动能级，发射荧光，荧光波长比激发光波长长。 荧激,19,（2） 磷 光,当受激电子降到S1的最低振动能级后，未发射荧光，而是经过系间窜跃到T1振动能级，经振动驰豫到 T1最低振动能级，从T1最低振动能级回到基态的各个振动能级所发射的光叫磷光。,20,T1,S0,ISC,VR,VR,IC,吸光 吸光 荧光 磷光 图5-1 分子荧光、磷光光谱产生过程示意图,S0,S1,S2,VR：振动驰豫 IC：内部转换 ISC：系间窜跃,VR,21,从T1 S1要改变电子自旋，发光速度慢，约为 10-4 10s，光照停止后，磷光仍可持续一段时间 分子相互碰撞的无辐射能量损耗大，所以磷光的波长更长。 磷 荧 激 * 易产生荧光 n * 易产生磷光,22,二、荧光、磷光与分子结构的关系,了解荧光与分子结构的关系，可以预测哪些物质能产生荧光，在什么条件下产生，以及发射的荧光有什么特征以便更好地运用荧光分析技术，采取一些措施把不发荧光的物质产生荧光，即把非荧光体变成荧光体，弱荧光体变成强荧光体。 （一）荧光效率荧光量子效率；量子产率 荧光强度常用荧光量子效率 f 来描述 荧光量子效率 f =, f 是一个物质荧光特性的重要参数，反映了荧光物质发射荧光的能力， f 越大，荧光越强，在01之间,23,若以各种跃迁速率常数来表示 Kf 为荧光发射过程的速率常数取决于物质的化学结构。 Ki 为非辐射跃迁的速率常数之和主要取决于化学环境，也与化学结构有关。 分析上有应用价值的荧光化合物的荧光效率在0.11之间。,24,至今对激发态分子的性质了解不深，无法定量地描述荧光与分子结构之间的关系 一般情况，有机芳香族化合物及金属离子配合物是最强最有用的荧光体 （二）荧光磷光与有机化合物结构的关系 1. 跃迁类型 大多数荧光物质首先吸收紫外可见光,产生 *，n *跃迁激发，经过非辐射跃迁，再发生* * n跃迁产生荧光。 *与n *跃迁相比，摩尔吸收系数大102103倍，寿命短。 *跃迁常产生较强的荧光， n *跃迁产生的荧光弱，但可产生系间窜跃，产生更强的磷光。,25,2. 共轭效应有较强的荧光 具有共轭体系的芳环或杂环化合物， 电子共轭程度越大，越易产生荧光; 环越多，共轭程度越大，产生荧光波长越长，发射的荧光强度越强,f ex /nm em /nm,26,芳香族化合物因具有共轭的不饱和体系，多数能发生荧光。 多环芳烃是重要的环境污染物，可用荧光法测定 例： 3，4 - 苯并芘是强致癌物, ex = 386 nm em = 430 nm,27,3. 刚性平面结构较稳定的平面结构,具有强荧光的分子多数有刚性平面结构,荧光素：氧桥把两个环固定在一个平面上，具有平面结构，强荧光物质,酚酞：无氧桥把两个环固定，不能很好的共平面，为非荧光物质,28,例 1，2 - 二苯乙烯,反式：平面构型 强荧光体,顺式：非平面构型 非荧光体,29,4. 取代基效应,取代基对荧光物质的荧光特征和强度也有很大影响。分成三类： （1）增强荧光的取代基 有 -OH、-OR、 -NH2、-NHR、-NR2等给电子基团。 由于基团的 n 电子（孤对电子）的电子云与苯环上的 轨道平行，共享了共轭 电子，扩大了共轭体系，使荧光波长长移，荧光强度增强。,30,（2）减弱荧光的取代基 -COOH 、 -NO2 、-COOR 、-NO、-SH 吸电子基团, 使荧光波长短移，荧光强度减弱 芳环上被F、Cl、Br、I 取代后，使系间窜跃加强，磷光增强，荧光减弱。其荧光强度随卤素原子量增加而减弱，磷光相应增强，这种效应为重原子效应。 （3）影响不明显的取代基 -NH3+、-R、 SO3H等 取代基的空间位阻对荧光也有影响，荧光减弱,31,5. 电子跃迁类型,含N、O、S杂原子的不饱和有机物，如喹啉和芳酮类物质都含有未键合的孤对n电子，电子跃迁多为n * ，系间窜跃强烈，荧光很弱或不发荧光。 不含N、O、S杂原子的有机荧光体多发生 * 类型的跃迁，摩尔吸收系数大，约为104，荧光强。,32,（三）金属螯合物的荧光,大多数无机盐类金属离子，不能产生荧光，但某些螯合物都能产生很强的荧光，可用于痕量金属离子的测定。 不少有机配体是弱荧光体 或不发荧光，但与Mn+形成螯合物后变为平面构型，就会使荧光加强或产生荧光。 例：8-羟基喹啉为弱荧光体，与Mn+ Al3+、Mg2+形成螯合物后，能形成刚性结构，荧光加强,33,三、环境对荧光、磷光的影响,1. 溶剂的影响 同一荧光物质在不同的溶剂中可能表现出不同的荧光性质 一般来说，溶剂的极性增强，荧光波长长移，荧光强度增大,2. 温度的影响低温下测定，提高灵敏度 大多数荧光物质都随溶液温度升高荧光效率下降，荧光强度减弱。 温度对磷光影响更大,34,3. pH的影响,大多数含有酸性或碱性基团的芳香族化合物的荧光性质受溶液pH的影响很大 共轭酸碱对是具有不同荧光性质的两种型体，具有各自的荧光效率和荧光波长。,6,pH1 有荧光,pH13 无荧光,无荧光,有荧光,另外，表面活性剂也会影响荧光强度和特性,35,四、荧光强度与荧光物质浓度的关系,用强度为I0的入射光，照射到液池内的荧光物质时，产生荧光，荧光强度If 用仪器测得，在荧光浓度很稀时，荧光物质发射的荧光强度If 与浓度有下面的关系。,Ia为吸收的辐射强度 I0为入射光强度,If = f （I0- I010-A ） = f I0 （1-10-A ）,I = I010-A,将上式展开,If = f Ia= f （I0- I ）,36,当A0.05时，方括号中其它各项与第一项相比可忽略不计，上式简化 If = 2.3 f I0A =2.3 f I0 cL,当A0.05时， If与 f 、I0、 和c 有关，对一给定物质，当激发光波长和强度一定时， f 、I0、 和L为常数，合并为K If = Kc Ip = Kc,定量分析依据,37,荧光强度与物质浓度呈线性关系，If=Kc只有在浓度低时使用，荧光物质测定的是微量或痕量组分，灵敏度高。 浓度高时， If与c不呈线性关系，有时c增大， If反而降低。因为公式 中后面影响，有时发生荧光猝灭效应。,If=Kc,38,荧光猝灭 荧光物质与溶剂或其它物质之间发生化学反应，或发生碰撞后使荧光强度下降或荧光效率f 下降称为荧光猝灭。 使荧光强度降低的物质称为荧光猝灭剂Q 氧分子及产生重原子效应的溴化物、碘化物等都是常见的荧光猝灭剂。 碰撞猝灭* M +激 M* M* + Q MQ +热 自熄灭荧光物质发射的荧光被荧光物质的基态分子所吸收，即自吸收现象。,39,（一）荧光分析仪器主要由光源、单色器、液槽、检测器和显示器组成,与分光光度计有两点不同 两个单色器 检测器与激发光互成直角,五、荧光和磷光分析仪器,40,荧 光 分光光度计 示 意 图,光源,第一单色器,样品池,第二单色器,光电倍增管,显示器,41,1、光源,激发光源一般要求比吸收测量中的光源有更大的发射强度；适用波长范围宽 荧光计中，常使用卤钨灯作光源 荧光光度计中常用高压汞灯和氙弧灯,利用汞蒸气放电发光的 光源；常用其发射365 nm、 405 nm、 436 nm 三条谱线 以365 nm 的谱线最强,应用最广泛的一种光 源，可发射250800nm 很强的连续光源,42,2、单色器,荧光计用滤光片作单色器，荧光计只能用于定量分析，不能获得光谱。 大多数荧光光度计一般采用两个光栅单色器，有较高的分辨率，能扫描图谱，既可获得激发光谱，又可获得荧光光谱。 第一单色器作用：分离出所需要的激发光，选择最佳激发波长 ex ，用此激发光 ex激发液池内的荧光物质。（VB2 ex为471nm） 第二单色器作用：滤掉一些杂散光和杂质所发射的干扰光，用来选择测定用的荧光波长 em。 在选定的 em 下测定荧光强度，定量分析。 （VB2 em为525nm）,43,3、样品池,盛放测定溶液. 通常是石英材料的方形池，四面都透光，只能用手拿棱或最上边 4、检测器 把光信号转化成电信号, 放大, 直接转成荧光强度 荧光的强度一般较弱，要求检测器有较高的灵敏度，荧光光度计采用光电倍增管。 5、读出装置 记录仪记录或打印机打印出结果，扫描激发光谱和发射光谱。 荧光分析比吸收光度法具有高得多的灵敏度，是因为荧光强度与激发光强度成正比，提高激发光强度可大大提高荧光强度。,44,（二）激发光谱和荧光、磷光光谱,激发光谱：荧光和磷光均为光致发光，合适的激发光波长需根据激发光谱确定激发光谱是在固定荧光波长下，测量荧光体的荧光强度随激发波长变化的光谱。,激发光谱 固定em 荧光波长,获得方法：先把第二单色器的波长固定，使测定的em不变，改变第一单色器波长，从200700 nm 扫描，让不同波长的光照在荧光物质上，测定它的荧光强度，以I 为纵坐标， ex为横坐标得左图，即荧光物质的激发光谱,从曲线上找出ex，实际上选波长较长的高波长峰,45,荧光光谱 固定 ex 激发光波长,获得方法：先把第一单色器的波长固定，使激发的ex不变，改变第二单色器波长，让不同波长的光扫描，测定它的发光强度，以I 为纵坐标， em为横坐标得左图，即荧光物质的发射光谱 从曲线上找出最大的 em,46,激发光谱和荧光光谱,荧光强度,波长（nm),300,400,500,硫酸奎宁的两个光谱,I,ex,max,fl,max,47,磷 荧 激,吸收峰,荧光峰,磷光峰,吸收光谱、荧光光谱和磷光光谱,48,（三）磷光分析仪器,与荧光分析仪器相似，主要差异如下： 1. 试样室 测定低温磷光时试样需在液氮温度（77K，-196 ）下进行，将液池放在盛放液氮的杜瓦瓶内。 固体表面室温磷光分析需特制试样室。 2. 磷光镜 有些物质既可产生荧光，又能产生磷光。用机械切光装置磷光镜区别荧光和磷光。利用荧光寿命短，磷光寿命长消除荧光干扰。,49,六、 荧光、磷光分析及应用,（一）定量分析方法 定量分析依据 If = Kc Ip = Kc 1. 标准曲线法最常用的定量分析方法 将已知量的标准物质与试样在相同条件下处理，配制一系列标准液，测定它们的相对发光强度。 以相对荧光强度为纵坐标，以标准溶液的浓度为横坐标 浓度 c1 c2 c3 c4 c5 cx 荧光强度 If1 If2 If3 If4 If5 Ifx,50,2. 比较法较简单,如果试样数量不多，可用比较法进行测量 配一标准溶液浓度为cs， cs与未知液浓度cx相近，并在相同条件下测定它们的荧光强度 未知液 If x = K cx 标准液 If s = K cs,比较,51,3. 多组分混合物的荧光分析,(1) 如果两组分的荧光峰相互不干扰,可直接测定 可分别在各自的荧波长处测定,求出它们的含量 (2) 如果两组分的荧光峰相互干扰,但激发光谱有显著区别,在某一激发光下一个组分产生荧光峰,另一组分不产生荧光; 可选用不同的激发光进行测定,52,(3) 如果两组分的荧光光谱和激发光谱相互干扰,利用荧光强度的加和性（If=If1+If2+If3+），在适宜的荧光波长处测定，用联立方程来求解 例：硫胺荧 CT ex =385nm em=435nm 吡啶硫胺荧CP ex =410nm em=480nm,相互干扰荧 光光谱重叠,在385nm下激发，在435和480nm下分别测荧光强度, 或410nm下激发在435和480nm下分别测荧光强度,53,在385nm下激发，在435和480nm下分别测荧光强度,If =KcK: 纯物质在选定波长下测If,求K,或410 nm激发，在435和480nm下分别测荧光强度,54,（二）荧光分析法的应用,荧光分析法具有灵敏度高、取样量少等优点 1. 无机化合物的分析 无机化合物中，能直接产生荧光并应用于测定的为数不多，但与有机化合物生成发荧光的有机配合物后，进行荧光分析的元素达70多种，其中较常采用荧光法测定的元素有：Be、Al、B、Ga、Se、Mg、Zn、Cd及某些稀土元素。,能够同金属离子形成荧光配合物的有机试剂绝大多数是芳香族化合物，形成五元环或六元环的螯合物，分子的刚性平面结构增大，变为强荧光体。 荧光猝灭法也是荧光分析中经常采用的方法。可采用荧光猝灭法间接测定的离子有：F-、S2-、Fe3+、Co2+、Ni2+、Cu2+等。,55,2. 有机化合物的分析,脂肪族有机化合物的分子结构较为简单，本身能发荧光的很少，一般需要与某些试剂反应后才能进行荧光分析。 芳香族化合物因具有共轭的不饱和体系，多数能发荧光；可直接用荧光法测定。对于具有致癌活性的多环芳烃荧光分析法是最主要的测定方法。 为提高测定的灵敏度，有时也将芳香族化合物与适当试剂反应之后进行测定。,56,可测定结构复杂的大量有机物质，如：各种维生素、叶绿素、氨基酸、蛋白质、酶和辅酶以及各种药物、毒物和农药等。,57,例： VB2,又称核黄素，是一种生长促进剂，常存在于动物肝脏、肉类、蛋黄、豆类、花生、蘑菇和海藻中， VB2易溶于强酸或强碱性溶液。 在低浓度情况下，I= Kc，I与c呈线性关系。 在 ex光照射下，发出绿色荧光， em = 525 nm下测 I ，用标准曲线法测定。,缺VB2会得口角炎、舌炎、 唇炎、脂溢性皮炎,维生素B2,58,例：3，4 苯并芘的测定,3，4 苯并芘为强致癌物质,煤炭、石油、天然气等燃料不完全燃烧以及吸烟、焚烧垃圾都会产生3，4 苯并芘，汽车尾气也是主要来源。 食品加工过程也会产生3，4 苯并芘，尤其是烟熏、油炸、烘烤食品。 分析测定：用环己烷将3，4 苯并芘从试样中提取出来，用碱将提取液的脂肪类物质皂化，然后用色谱法分离纯化，用95%C2H5OH稀释，用荧光分光光度计测定相对荧光强度进行定量。,59,（三）磷光分析法应用,能产生磷光的物质数量很少，磷光分析不及荧光分析普遍，但磷光分析法已在药物分析、临床及环境分析领域得到一定的应用。 低温磷光分析已应用在萘、蒽、菲、芘、苯并芘等多环芳烃及含O、S、N的杂环化合物分析。 固体表面室温磷光分析法已成为多环芳烃和杂环化合物的快速、灵敏的分析手段。,60,§ 5-3化学发光分析法,一、概述 化学发光是利用化学反应所产生的光辐射现象所建立的分析方法。 化学发光与荧光的主要区别：受激发时所需的能量来源不同 化学发光：需要化学反应过程中所提供的化学能激发而发光 荧光：光源激发而发光,61,化学发光分析具有以下特点,灵敏度高例：用荧光素酶和三磷酸腺苷ATP的化学发光反应，可测定低至2×10-17 mol·L-1 ATP 线性范围宽 一般有56个数量级 仪器设备简单，成本低廉 分析速度快，易实现自动化 局限性：可供发光用的试剂有限 发光机理有待进一步研究,62,二、化学发光分析的基本原理,（一）化学发光反应的基本条件 发光反应必须满足以下条件 1. 化学反应必须产生足够的化学能 化学发光基于化学反应提供足够的能量 A + B C* +D 产物接受反应能被激发 在可见光区观察化学发光，需170300kJ·mol-1激发能。具有过氧化物中间产物的氧化还原反应可满足要求。化学反应多是在有O3、H2O2等参加的高能反应中。 2. 处于激发态分子能够以辐射跃迁的方式返回基态 C* C + h ,63,（二）化学发光效率和发光强度,化学发光效率CL,激发态分子的化学效率,激发态分子的发光效率,r 取决于发光所依据的化学反应本身 f 与荧光效率的影响因素相同，既取决于发光体本身的结构和性质，也受环境的影响。,64,化学发光强度,具有高效率的化学发光是生物体中。亦称生物发光。如：萤火虫发光反应的效率几乎接近100%。非生物体的化学发光效率一般不超过1% 化学发光强度 ICL（t）与反应速度、化学发光效率有如下关系,ICL随时间和反应物的消耗逐渐减小,65,A + B C* +D A为待测物质，C为发光物质，当反应物B的浓度远远过量于待测物浓度时，B的浓度可认为是常数。因此，发光反应可视为一级反应,t 时刻的发光强度与该时刻的分析物浓度成正比 化学发光总强度与分析物浓度呈线性关系。根据已知时间内的发光总强度来定量分析。,发光总强度,66,三、化学发光反应的类型,1. 液相化学发光 研究和应用的比较广泛的有鲁米诺（Luminol）光泽精、没食子酸、洛粉碱、过氧草酸盐等。 鲁米诺是最常用的发光试剂，它可以测定Cl2、I2、HOCl、OCl-、H2O2、O2和NO2，产生化学发光反应时量子效率为0.010.05。 鲁米诺（3 氨基苯二甲酰环肼）在碱性溶液中和H2O2等氧化剂反应生成最大波长为425 nm的光辐射。,67,氧化剂,425 nm,反应产生的化学能被产物氨基邻苯二甲酸根吸收，处于激发状态，返回基态时发射荧光 可检测低至10-9 mol·L-1 的H2O2,3 氨基苯二甲酰环肼,68,鲁米诺与H2O2的化学反应，可以被一些痕量的过渡金属元素所催化，使发出的光大大增强，由此可测定Co（）,Cu（）, Ni（）, Cr（），Fe（ ），Ag（），Au（ ），Mn () ，Hg（ ）Os（ ），Ru（），V（），Ir（）等金属离子，检测限由0.0140 g·mL-1不等 利用鲁米诺发光体系可以测定50余种元素和大量有机和无机化合物，灵敏度都比较高。 鲁米诺化学发光体系还可用于许多生化反应研究，常常涉及到H2O2的产生或H2O2参加反应。,69,2.气相化学发光,广泛应用于大气污染监测、可监测空气中的O3；NO；NO2；SO2；H2S；CO；乙烯等。 在气相中O3能氧化NO、乙烯等产生化学发光，原子氧也能氧化NO、SO2、CO等产生化学发光 例： NO + O3 NO2* + O2 NO2* NO2 +h （600nm） 常温下产生化学发光，灵敏度可达1ng·mL-1测定范围0.0110000 g·mL-1 CO + O（原子氧） CO2* CO2* CO2 +h （=300500nm） 灵敏度为1ng·mL-1,70,四、化学发光分析仪器（自学）,气相化学发光反应主要用于某些气体的监测，有专用的监测仪。主要讨论的是液相发光分析仪器。 按进样方式分为分立取样式和流动注射式化学发光仪。,71,分立取样式液相化学发光仪结构示意图,暗室,试剂加入管,试液贮管,1. 分立取样式,是一种在静态下测量发光信号的装置，它利用移液管或注射器取一定量的试剂与试样加入发光反应池中混合，化学发光反应立即发生，发光信号通过光电倍增管检测，记录下发光强度。根据发光峰面积的积分值或峰高进行定量分析。,72,1. 分立取样式,仪器具有设备简单，造价低，体积小，灵敏度高等优点。 缺点：手工进样重复性差，测定精密度不高；难以实现自动化，分析效率低。,73,2. 流动注射式,是动态测量法，试液和试剂通过蠕动泵传送，并在流动中进样混合，恰好流动至盘管中反应发光，流动注射式发光分析的自动化程度、精密度和准确度都比较高，分析速度快，适用于批量试样的测定。,74,P65 1、2、3 （不交）,