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九 分子发光－荧光、磷光和化学发光
基于价电子的跃迁
9.1 荧光和磷光光谱法
S2
S1
S0
T1
吸
收
发
射
荧
光
发
射
磷
光
系间跨越
内转换
振动弛豫
能
量
l 2
l 1
l 3
外转换
l 2
T2
内转换
振动弛豫
1 荧光和磷光的产生
辐射跃迁
荧光：10-7～10 -9 s,第一激发单重态的最低振动能级→基态；
磷光：10-4～10s；第一激发三重态的最低振动能级→基态；
非辐射跃迁
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。
内转换：同多重度电子能级中,等能级间的无辐射能级交换。
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,有重叠的转动能级间的非辐射跃迁。
改变电子自旋，禁阻跃迁，通过自旋—轨道耦合进行。
2 荧光与分子结构的关系
荧光量子产率（ ）：
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(猝灭)速度快，不出现荧光发射
化合物结构与荧光的关系
（1）跃迁类型： * → 的荧光效率高，系间跨越过程的速率常数小
（2）共轭效应：提高共轭度有利于增加荧光效率并产生红移
（3）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。如荧光素和酚酞有相似结构，荧光素有很强的荧光，酚酞却没有。
（4）取代基效应：芳环上有供电基，使荧光增强。
有机化合物
鳌合物中配体发光：鳌合后使配体具有刚性平面结构
鳌合物中金属离子发光：配体接受能量后传递给金属，产生d → d*, f → f* 跃迁，发射荧光
无机化合物－金属鳌合物
3 影响荧光强度的因素
1) 溶剂的影响
除一般溶剂效应外，溶剂的极性、氢键、配位键的形成都将使化合物的荧光发生变化
2) 温度的影响
荧光强度对温度变化敏感，温度增加，外转换去活的几率增加
3) 溶液pH
对酸碱化合物，溶液pH的影响较大，需要严格控制
4) 荧光的猝灭
碰撞猝灭： M* ＋ Q → M ＋ Q ＋ 热（猝灭）
能量转移 M* ＋ Q → M ＋ Q* （猝灭）
氧的熄灭
自猝灭与自吸收
4.荧光强度与浓度关系－定量依据
荧光强度 If正比于吸收的光强Ia和荧光量子效率 ：
If = Ia
由朗-比耳定律： Ia = I0(1-10- l c )
If = I0(1-10- l c ) = I0(1-e-2.3 l c )
浓度很低时，将括号项近似处理后：
If = 2.303 I0 l c = Kc
5.激发光谱与荧光（磷光）光谱
6. 荧光（磷光）光谱仪
由四个部分组成：光源、样品池、双单色器系统、检测器。
特殊点：有两个单色器，光源与检测器通常成直角。
光源：高压汞灯、氙灯或染料激光器
检测器：光电倍增管灯
7. 荧光光谱法的特点
（1）灵敏度高
（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
9.2 化学发光
1 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
（3）发光持续时间较长，反应持续进行
化学发光效率
化学效率：
发光效率：
时刻t 的化学发光强度(单位时间发射的光量子数)：
dc/dt 分析物参加反应的速率；
= K c —定量分析依据
2 化学发光反应的类型
（1）气相化学发光反应
O3的发光反应
一氧化氮与O3的发光反应
NO + O3 → NO2* NO2* → NO2 + h
氧原子与SO2、NO、CO的发光反应
SO2 + O + O → SO2* + O2 SO2 * → SO2* + h
火焰中的化学发光反应
一氧化氮 NO + H → HNO* HNO * → HNO + h
挥发性硫化物 SO2+2H2 → S + 2H2O S + S →S2 * S2 * → S2 + h
（2）液相中的化学发光反应
常用发光试剂：鲁米诺（3-氨基苯二甲酰肼），光泽精，过氧草酸盐
鲁米诺在碱性溶液中与双氧水的反应过程：
该发光反应速度慢，某些金属离子可催化反应；利用这一现象可测定这些金属离子，也可用于有H2O2参与的化学反应
3 化学发光的特点
1. 灵敏度极高
例：荧光素酶和磷酸三腺甙(ATP)的化学发光分析，可测定2 10-17 mol/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。
十 红外吸收光谱法
分子中基团的振动和转动能级跃迁产生：振-转光谱
利用物质对红外光区电磁辐射的选择性吸收的特性来进行结构分析、定性和定量的分析方法
10.1 基本原理
1 红外光的区划
近红外区：0.76~2.5μm 低能电子跃迁，－OH和－NH倍频吸收区
中红外区：2.5~25μm 振动、伴随转动光谱
远红外区：25~1000μm 纯转动光谱
2 分子的振动
双原子分子的简谐振动
分子的振动能级（量子化）：
E振=（V+1/2）h
V ：化学键的振动频率
：振动量子数
振动的类型
伸缩振动
无键角变化
变形振动
有键角变化
振动的自由度 指分子独立的振动数目，或基本的振动数目 振动自由度＝3N－（转动自由度＋平动自由度）
线性分子 ： F＝3N-5
非线性分子：F＝3N-6
吸收峰数少于振动自由度的原因：
发生了简并——即振动频率相同的峰重叠
红外非活性振动
分子吸收红外辐射的频率恰等于分子振动频率整数倍
分子在振、转过程中的净偶极矩的变化不为0，
即分子产生红外活性振动
3 红外光谱产生条件：
10.2 红外光谱
官能团区 ：4000～1300cm-1 指纹区 1300～600cm-1
与一定结构单元相联系的基团特征频率（特征吸收峰）
C-O,C-F 等单键伸缩振动，及变形振动，复杂
内部因素
诱导效应：电子分布变化，吸电子基团使吸收峰向高波数方向移动
中介效应：孤对电子与π电子重叠，电子云平均化，低波数方向移动
共轭效应：电子云平均化，低波数方向移动
氢键： 分子间氢键，分子内氢键，使伸缩振动频率向低波数方向移动
振动偶合：
外部因素：溶剂效应，物质状态等
影响基团频率变化的因素
　　化学键的振动频率不仅与其性质有关，还受分子的内部结构和外部因素影响。相同基团的特征吸收并不总在一个固定频率上。
10.3 红外光谱仪
Nicolet公司的AVATAR 360 FT-IR
色散型
干涉型（FTIR）
光源－样品架－单色器－检测及读出装置
光源－ 干涉仪－样品架－检测及读出装置
光源
能斯特灯：氧化锆、氧化钇和氧化钍烧结制成的中空或实心圆棒
硅碳棒：
检测器
热检测器：真空热电偶，辐射热测量计，热电检测器
光导电监测器：碲镉汞(MCT)检测器
制样方法
1）气体——气体池
2）液体：
①液膜法——难挥发液体（BP》80 C）
②溶液法——液体池
溶剂： CCl4 ，CS2常用。
3) 固体:
①研糊法（液体石腊法）
②KBr压片法
③薄膜法
10.4 红外光谱的应用
有机物结构确定－IR光谱解析
不饱和度
= 1+ n4 +（ n3 – n1 ）/ 2
n4 ， n3 ， n1 分别为分子中四价，三价，一价元素数目。
十二 核磁共振波谱法
自旋核的跃迁
12.1 基本原理
1 原子核的自旋
自旋 → 核磁矩
自旋角动量：
核磁子 =eh/2M c；自旋量子数（I）不为零的核都具有磁矩，
核 磁 矩：
E=-mμβB0/I
E-1/2=μβB0
E1/2=-μβB0
2 核磁共振与驰豫过程
ΔE=μβB0/I =hv
核磁共振：在外磁场中，原子核能级产生裂分，吸收能量，由低能级向高能级跃迁
驰豫：高能态的核以非辐射的方式回到低能态
自旋－晶格驰豫: 与其他磁性核进行能量传递
自旋－自旋驰豫：等价核间的能量交换
12.2 NMR仪
1. 磁铁
2. 探头（样品管）
3. 射频振荡器
4. 频率和磁场扫描单元
5. 检测和读出单元
12.3 化学位移与核磁共振谱
化学位移：在有机化合物中，各种氢核周围的电子云密度不同（结构中不同位置），共振频率有差异，即引起共振吸收峰的位移。
1 化学位移产生的原因：电子屏蔽效应使氢核实际受到的外磁场作用减小
B=B0-B’（1- ）B0 ：屏蔽常数
B’
B0
2 化学位移的表示方法
= [（ 样 - TMS) / TMS ] ×106
相对标准：四甲基硅烷　Si(CH3)4 （TMS）（内标）
位移常数 TMS=0
为什么用TMS作为基准
a. 12个氢处于完全相同的化学环境，只产生一个尖峰；
b.屏蔽强烈，位移最大。与有机化合物中的质子峰不重迭；
c.化学惰性；易溶于有机溶剂；沸点低，易回收。
3 影响化学位移的因素
诱导效应－吸电子作用使价电子偏离质子，屏蔽作用减弱，往低场移动
共轭效应－电子云密度变化，影响屏蔽效应
磁各向异性－π电子产生诱导磁场，质子位于与外磁场方向一致的磁力 线上，去屏蔽，反之屏蔽增加
氢键－去屏蔽，往低场移动
12.4 自旋偶合与自旋裂分
自旋偶合：相邻核之间的相互干扰作用
自旋裂分：出现多重峰
偶合常数(J)：多重峰的峰间距
衡量偶合作用的大小
裂分峰数与强度比
峰裂分数：n+1 规律；
n:相邻碳原子上的质子数；
强度比：符合二项式的展开式系数；
化学等价与磁等价
化学等价： 若分子中两个相同原子（或两个相同基团）处于相同的化学环境， 其化学位移相同，它们是化学等价的
磁等价：分子中相同种类的核（或相同基团），不仅化学位移相同，而且还 以相同的偶合常数与分子中其它的核相偶合
化学等价
磁等价
化学等价
磁不等价

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