分子发光光谱法资料.ppt
第十四章 分子发光分析法,molecular luminescence spectrometry,14.1 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。,分子在退激过程中以光辐射形式释放能量,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 电致发光：以电能来激发而发光 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,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。,荧光检测的信号是发射光的绝对强度，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,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,14.2 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。,光致发光及影响荧光发射因素,荧光 涉及吸收和发射两个过程 1.基态-激发态 基态 激发态 分立轨道上 非成对电子 平行自旋更 n 稳定 n 净电子自旋 S=0 S=0 S=1 分子多重态 M=2S+1=1 M=2S+1=1 M=2S+1=3 单重基态 S0 激发单重态 S 激发三重态 T,允许,允许,禁阻,2.激发态基态的能量传递途径,电子处于激发态是不稳定状态，返回基态时，通过辐射跃迁(发光)和无辐射跃迁等方式失去能量,非辐射能量传递过程,振动弛豫：同一电子能级内以热能量交换形式由高振动能级至低相邻振动能级间的跃迁。发生振动弛豫的时间10-12 s。内转换：同多重度电子能级中,等能级间的无辐射能级交换。通过内转换和振动弛豫，高激发单重态的电子跃回第一激发单重态的最低振动能级 外转换：激发分子与溶剂或其他分子之间产生相互作用而转移能量的非辐射跃迁；外转换使荧光或磷光减弱或“猝灭”。系间跨越：不同多重态,有重叠的振动能级间的非辐射跃迁。,辐射能量传递过程,荧光发射：电子由第一激发单重态的最低振动能级基态 多为 S1 S0跃迁 10-710-9 s。磷光发射：电子由第一激发三重态的最低振动能级基态 T1 S0跃迁电子由S0进入T1的可能过程：S0 激发振动弛豫内转移系间跨越振动弛豫 T1发光速度很慢：10-310 s。光照停止后，可持续一段时间。,二、激发光谱与荧光(磷光)光谱,荧光(磷光)：光致发光，照射光波长如何选择？1.荧光(磷光)激发光谱固定发射波长，化合物发射的荧光(磷光)强度与照射光激发波长的关系曲线（图中曲线I）。,激发光谱曲线的最高处，处于激发态的分子最多，荧光强度最大,2.荧光发射光谱(或磷光光谱),固定激发波长(选最大激发波长),化合物发射的荧光(或磷光)强度与发射波长关系曲线(图中曲线II或III)。,3.激发光谱与发射光谱的关系,a.Stokes位移 激发光谱与发射光谱之间的波长差值。发射光谱的波长比激发光谱的长。振动弛豫消耗了能量+溶剂的弛豫作用b.发射光谱的形状与激发波长无关电子跃迁到不同激发态能级，吸收不同波长的能量，产生不同吸收带，但均回到第一激发单重态的最低振动能级再跃迁回到基态c.镜像规则 通常荧光发射光谱与它的吸收光谱成镜像对称关系。,三、荧光的产生与分子结构的关系,1.分子产生荧光必须具备的条件（1）具有合适的结构（2）具有一定的荧光量子产率,荧光量子效率 荧光量子效率用f 来描述 荧光量子效率,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,荧光量子产率与激发态能量释放各过程的速率常数有关，如外转换过程速度快，不出现荧光发射,2.荧光（磷光）与有机化合物结构的关系物质只有吸收了紫外可见光，产生*、n*跃迁，产生荧光*与n*跃迁相比，摩尔吸收系数大102103，寿命短*跃迁常产生较强的荧光n*跃迁产生的荧光弱，但可产生系间跨跃，产生更强的磷光,（1）共轭体系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,0.11 205 278,0.29 286 310,0.46 365 400,苯,萘,蒽,350,菲,线状环结构比非线状结构的荧光波长长,不产生荧光,产生荧光,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 3，4-苯并芘是强致癌物,ex=386 nm em=430 nm,（2）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,1,2-二苯乙烯,（3）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+（如 Al3+、Mg2+）形成螯合物后，能形成刚性结构，荧光加强,（4）取代基的类型,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：（a）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,（b）减弱荧光的取代基-COOH、-NO2、-COOR、-NO、-SH 吸电子基团,使荧光波长蓝移，荧光强度减弱芳环上被F、Cl、Br、I 取代后，使系间跨跃加强，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。（c）影响不明显的取代基-NH3+、-R、-SO3H等,四 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溶剂中会有不同的荧光性质一般来说，溶剂的极性增强，荧光波长红移，荧光强度增大 2.温度的影响低温下测定，提高灵敏度 辐射跃迁的速率基本不随温度变，非辐射跃迁随温度升高显著增大。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,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,例：苯酚,离子化后，荧光消失,pH1有荧光,pH13无荧光,但两个苯环相连的化合物，又表现出相反的性质，分子形式无荧光，离子化后显荧光,例：苯酚,有荧光,无荧光,另外，表面活性剂也会影响荧光强度和特性,4.内滤光作用和自吸现象,自吸现象：化合物的荧光发射光谱的短波长端与其吸收光谱 的长波长端重叠，产生自吸收；如蒽化合物。,内滤光作用：溶液中含有能吸收激发光或荧光物质发射的荧光，如色胺酸中的重铬酸钾；,5.溶液荧光的猝灭,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 M+Q+热静态猝灭荧光分子与猝灭剂形成不发荧光的基态配合物,呈线形关系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不呈线形关系，有时C增大，If反而降低，有时发生荧光猝灭效应。,五、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,（一）荧光分析仪器主要由光源、2个单色器、液槽、检测器和显示器组成,光源,第一单色器,液池,第二单色器,检测器,放大器及记录器,ex,em,I0,14.3 荧光和磷光分析仪器,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；适用波长范围宽分光光度计计中，常使用氘灯、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,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谱仪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，用此激发光激发液池内的荧光物质 第二单色器作用：滤掉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,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,38,荧光显微镜,应用示例,利用三明治夹心免疫法研究MCF-7 肿瘤细胞表面MUC1蛋白的表达，以正常细胞HepG2为对照 From left to right:Hoechst fluorescence excited at 405 nm;FITC fluorescence excited at 488 nm;bright field and merged.Scale bars:20 m.,蛋白片段互补技术,研究细胞内分子相互作用的经典技术,应用示例,AF555(green,excited at 514 nm),AF660(red,excited at 633 nm),应用示例,能否构建一个单激发-双发射荧光体系？,14.4 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，需要化学反应过程中所提供的化学能,化学发光分析具有以下特点,1.灵敏度极高 荧光素酶和ATP的化学发光分析，可测定210-17mol/L的ATP，即可检测出一个细菌中的ATP含量2.仪器设备简单不需要光源、单色器和背景校正3.发射光强度测量无干扰无背景光、散射光等干扰4.线性范围宽5.分析速度快缺点：可供发光用的试剂少；发光反应效率低（大大低于生物体中的发光）；机理研究少。,二 基本原理,化学发光反应 在化学反应过程中，某些化合物接受能量而被激发，从激发态返回基态时，发射出一定波长的光。A+B=C+D*D*D+h（1）能够发光的化合物大多为有机化合物，芳香族化合物（2）化学发光反应多为氧化还原反应，激发能与反应能相当 E=170300 kJ/mol；位于可见光区；（3）发光持续时间较长，反应持续进行；化学发光反应存在于生物体(萤火虫、海洋发光生物)中，称为生物发光(bioluminescence)。,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、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,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 molL-1 的H2O2,鲁米诺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 gmL-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,（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（发射波长范围：600875 nm）常温下产生化学发光，测NO灵敏度可达1ngmL-1测定范围0.0110000 gmL-1 CO+O（原子氧）CO2*CO2*CO2+h（=300500nm）灵敏度为1 ngmL-1,化学与生物发光分析的应用,（1）该发光反应速度慢，某些金属离子可催化反应；利用这一现象可间接测定这些金属离子。可测痕量的Cu2+、Mn2+、Co2+、V4+、Fe2+、Fe3+、Ni2+、Ag+、Au3+、Hg2+等（2）可检测低至 10-9 mol/L 的H2O2；（3）间接测定某些生物试样,氨基酸+O2 酮酸+NH3+H2O2,氨基酸氧化酶,葡萄糖+O2+H2O 葡萄糖酸+H2O2 通过测定生成的H2O2，确定氨基酸、葡萄糖含量。,葡萄糖氧化酶,三、装置与技术,装置流程：,发光反应可采用静态或流动注射的方式进行：静态方式：用注射器分别将试剂加入到反应器中混合，测最大光强度或总发光量；试样量小，重复性差；流动注射方式：用蠕动泵分别将试剂连续送入混合器，定时通过测量室，连续发光，测定光强度；试样量大；,
