分析化学之荧光法

分析化学中荧光光谱章节的思维导图，直接背诵基本可应付这一章的考题，主要包括分子荧光光谱法、磷光光谱法两部分。

分子发光分析法（发射光谱）

• 分子荧光光谱法
  • 定义——物质吸收光子能量被激发，从激发态的最低振动能级回到基态时所发出的光为荧光，根据物质的荧光谱线位置及其强度鉴定物质并测定物质含量的方法为荧光分析法。
    • 发射光谱
  • 处于激发态的分子回到基态的途径
    • 非辐射跃迁
      • 振动弛豫
        • 处于激发态各振动能级的分子以非辐射形式放出能量而达到同一激发态的最低振动能级。
          • 只能在同一能级进行
      • 内部能量转换
        • 当两个电子能级非常靠近以致其振动能级有重叠时，常发生电子由高能级以非辐射跃迁方式转移至低能级。
      • 外部能量转换
        • 溶液中的分子被激发，在激发过程中，分子与溶剂分子间或与其他分子发生碰撞而失去能量，常以热能的形式放出，这一过程称为外部能量转换。
      • 体系间跨越
        • 一个受激分子的电子在激发态发生自旋反转而使分子的多重性发生变化的过程。如由第一激发单重态到三重态的体系间跨越。重原子如溴、碘，顺磁物质如氧分子会增加体系间跨越。
    • 辐射跃迁
      • 荧光发射
        • 处于第一激发态最低振动能级的分子，其电子以辐射形式发射光量子而跃迁到基态的任一振动能级上，此光量子即荧光。
      • 磷光发射
        • 经过体系间跨越的分子再通过振动弛豫降至三重态的最低振动能级，分子在三重态的最低能级可以存活一段时间，然后发出光辐射跃迁至基态的各振动能级，这种辐射称为磷光。
  • 荧光的产生
    • 基态分子吸收紫外-可见光跃迁到激发单重态的各振动-转动能级，激发态的分子通过振动弛豫、内部能量转换回到第一激发单重态的最低振动能级，然后电子以辐射的形式发射荧光而跃迁到基态的任一振动能级S0上。
  • 溶液荧光光谱的特征
    • 斯托克斯位移
      • 荧光波长总是大于激发光波长（激发态分子由于内部能量转换、振动弛豫损耗了部分能量）
    • 荧光发射光谱的形状与激发波长无关
      • 荧光发生于第一电子激发态的最低振动能级，以激发至哪个电子激发态无关
    • 荧光发射光谱与激发态光谱成镜像关系
    • 荧光光谱的最短波长和激发波长的最长波长相对应
    • 荧光波长长于或等于激发波长
  • 荧光寿命
    • 当除去激发光源后，分子的荧光强度降低到激发态时最大荧光强度的1/e所需的时间
  • 荧光效率/荧光量子产率
    • 分子结构与荧光效率
      • 长共轭结构
        • 有K带，共轭↑→红移
      • 刚性和共平面性
        • 刚性和共平面性↑→荧光波长红移
      • 取代基作用
        • 给电子基团→增加分子的电子共轭程度→荧光效率↑，荧光波长红移
        • 吸电子基团→妨碍分子的电子共轭性→荧光减弱甚至熄灭
    • 影响荧光强度的外部因素
      • 温度
        • 温度越低，荧光强度越强（温度升高，分子间碰撞加剧，外部能量转换增加，无辐射跃迁增加，降低了荧光效率）
      • 溶剂
        • 极性溶剂中π→π*跃迁所需能量减少，跃迁概率增加，使紫外吸收和荧光波长均红移，强度增强
      • pH
        • 每种荧光物质都有其适宜的发射荧光的存在形式，有相应的pH范围
          • 苯胺在强酸或强碱中会发生荧光熄灭
      • 荧光熄灭
        • 常见熄灭剂
          • 卤素离子、重金属离子、氧分子、硝基化合物、重氮化合物、羰基化合物
        • 荧光熄灭的形式
          • 荧光物质和熄灭剂分子碰撞而损失能量（外部能量转换）
          • 荧光分子与熄灭剂分子作用生成了本身不发光的配合物
          • 在荧光物质的分子中引入溴或碘后易发生体系间跨越而转变至三重态
          • 溶解氧的存在，使荧光物质氧化，或是由于氧分子的顺磁性促进了体系间跨越，使激发态的荧光分子转成三重态
        • 溶液浓度越高，荧光物质分子间的碰撞概率越大，越易产生荧光自熄灭现象
      • 散射光的干扰
        • 散射光对荧光测定有干扰，尤其是波长比入射波长长的拉曼光
          • 选择合适的激发波长可消除拉曼光的干扰
        • 散射光的波长与激发波长有关
        • 拉曼光波长>入射波长
        • 瑞利光波长=入射波长
    • ψf=激发态分子发射荧光的光子数/吸收激发光的光子数，ψf：0~1
  • 荧光定量分析
    • 当荧光物质浓度很小，Ecl<0.05时，荧光强度与浓度呈正比
    • 入射光强度↑→F↑，检测灵敏度取决于检测器
    • 定量分析方法
      • 标准曲线法
      • 比例法
  • 荧光分光光度计
    • 光源
      • 氙弧灯——连续光谱
      • 高压汞灯、低压汞灯——线光谱
    • 激发单色器
    • 样品池
      • 玻璃、石英
    • 发射单色器
    • 检测器
      • 光电倍增管
• 磷光光谱法
  • 磷光的产生
    • 基态分子吸收紫外-可见光跃迁到激发单重态的各振动-转动能级，激发态的分子通过振动弛豫、内部能量转换回到第一激发单重态的最低振动能级，然后通过体系间跨越由单重态跃迁至三重态，再通过振动弛豫回到三重态的最低振动能级，然后电子以辐射的形式发射磷光而跃迁到基态的任一振动能级S0上。
      • 具有π→π*跃迁共轭的化合物，易产生更强的荧光；具有n→π*跃迁共轭的化合物，易产生更强的磷光
• 测量分子荧光强度时，在与入射光成直角的方向上进行测量的原因：荧光是各个方向发射的，为了减小透射光的影响
• 芴>蒽>萘>联苯>苯
• 给电子基：-NH3、-OH、-OCH3、-NHR、-NR2、-CN
• 吸电子基：-COOH、-NO2、-C=O、-NO、-SH、-NHCOCH3、-X