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Principles of Fluorescence Spectroscopy

Principles of Fluorescence Spectroscopy. Chemistry Department XMU. Chapter Three. Fluorophores. Fluorophores. 3.1 Organic molecule fluorescence 3.2 metal –ligand compounds 3.3 Probe. *. *. E. n. . . 3.1 有机分子荧光. 有机分子的电子结构. 可能产生的吸收跃迁组合为. S 和 P 轨道 → 、和 n 轨道.   *.

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Presentation Transcript

  1. XMUGXQ PFS03-01 Principles of Fluorescence Spectroscopy Chemistry Department XMU

  2. XMUGXQ PFS03-01 Chapter Three Fluorophores

  3. XMUGXQ PFS03-01 Fluorophores 3.1 Organic molecule fluorescence 3.2 metal –ligand compounds 3.3 Probe

  4. XMUGXQ PFS03-01 * * E n   3.1 有机分子荧光 • 有机分子的电子结构 可能产生的吸收跃迁组合为 S和P轨道→、和n 轨道   *   *  < 200 nm   *   * n  * n  * 一般情况下，n-*跃迁所需能量小。但当n电子与溶剂作用，如形成氢键、质子化等，使n轨道能量降低， n-*跃迁能量增大。 区分 轨道能量 激发态能量

  5. XMUGXQ PFS03-01 2* * 1* 1  2 3* 2* 1* 1 2 3 分子激发态的多样性 CH2=CH2—CH2=CH2 CH2=CH2 CH2=CH2—CH2=CH2—CH2=CH2

  6. XMUGXQ PFS03-01 S1 T1 hvA hvF hvP S0 电子激发态的类型——单线态与三线态 分子处于激发态时，单线态与三线态的势能曲线交叉，容易发生系间窜跃（intra-system crossing ) ISC效率的高低决定于自旋-轨道耦合程度。增加重原子常常促进ISC过程。

  7. XMUGXQ PFS03-01 3.1.1 有机分子荧光与结构的关系 强荧光物质所具有的结构特征 • 大的共轭 键结构 • 刚性的平面结构 • 取代基团为给电子取代基 • 最低的激发单重态S1为,*型，而不是n, *型 • 抗磁性

  8. XMUGXQ PFS03-01 电子离域程度对荧光的影响 例1 绸环芳烃

  9. XMUGXQ PFS03-01 例2 1,2 – 二苯乙烯 反式，发光 顺式， 不发光

  10. XMUGXQ PFS03-01 刚性平面结构 例1 荧光素与酚酞 F0.92

  11. XMUGXQ PFS03-01 例2 笏与联苯 F 1 F 0.2 例 3 偶氮苯与杂氮菲

  12. XMUGXQ PFS03-01 例4 金属配合物

  13. XMUGXQ PFS03-01 例5 荧光衍生化 硫胺素，VB1， 非荧光 硫胺荧，强荧光

  14. XMUGXQ PFS03-01 例6 联萘与北 观测到萘的荧光

  15. XMUGXQ PFS03-01 取代基的影响 要点： 1）取代基影响分子的荧光光谱特性，其影响的方式及程度视取代基的不同而不同，有的影响不大，有的影响严重。 2）一般规律，取代基的电子云如果能与共轭  键发光基团作用，降低能量，增大  电子的离域区域，则荧光增强，发射波长红移。

  16. XMUGXQ PFS03-01 给电子取代基 增强荧光 —NH2, —NHR, —NR2, —OH, —OR, 等 EM 285-365 nm 270-310 nm 310-405 nm 相对荧光强度 1.8 1.0 2.0 吸收增强 荧光减弱 荧光减弱 如何理解？

  17. XMUGXQ PFS03-01 酚盐吸收性质 介质（ 2%甲醇）

  18. XMUGXQ PFS03-01 吸电子取代基 n 电子不与  电子共轭 羰基类 1）n* 跃迁禁阻，小，10-2 2）最低单重态为 n,* 型，易于ISC。荧光弱，磷光强 非荧光 强荧光

  19. XMUGXQ PFS03-01 吸电子取代基 硝基 引起ISC增大，荧光量子产率降低，磷光也弱，主要是增强IC过程。

  20. XMUGXQ PFS03-01 取代基的位置 要点 1） 有利于电子离域的，则荧光增强。 因此，一般邻位、对位给电子基团导致荧光增强。 2）有利于形成环，导致分子刚性增大，荧光增强。 荧光强度较强 荧光强度较弱

  21. XMUGXQ PFS03-01 3）双取代基 可以是协同作用，也可以是非协同作用，当为非协同作用时，以作用大的为主。 4 – 二甲基胺 - 4‘ – 硝基苯乙烯 协同作用

  22. XMUGXQ PFS03-01 重原子效应

  23. XMUGXQ PFS03-01 P F 2-Cl 萘 2-Br 萘 2- I 萘 重原子效应

  24. XMUGXQ PFS03-01 重原子效应 F 0.22 10-5 P 0.14 0.43 P 1.9 s 0.024 s

  25. XMUGXQ PFS03-01 最低单重态的性质 • ,* 不含有杂原子（N,O,S）的有机化合物均属于这一类，其特点是自旋允许跃迁，大，104，荧光强 • n,* 1) 含有杂原子（N,O,S）的有机化合物多属于这一类，含有n 电子，其特点是自旋禁阻 ， 小，102, ISC速率大，荧光弱。 2) n 轨道的能量受环境的影响大，如质子化或生成氢键等，将使n 轨道的能量降低，导致n*跃迁的能量增大。荧光分子的最低激发态可能变成,*。 分为两类 含氮杂环有机物 含羰基杂原子有机物

  26. XMUGXQ PFS03-01 含氮杂环有机物 荧光随极性的增大而增强 例1 喹啉 介质 苯 乙醇 水 相对荧光 1 30 1000 可以理解为N上的孤对电子与水形成氢键，使n轨道能量降低，从而使最低单重激发态由n,*变成,*。 例2 8-羟基喹啉在酸性介质中荧光增强

  27. XMUGXQ PFS03-01 ISC 0.99 1.00 1.01 0.84 0.93 0.87 0.87 含羰基有机物 芳香类 S1与T1能级间隙小， ISC效率高，接近于1。 脂肪类 有微弱的荧光，ISC效率低一些

  28. XMUGXQ PFS03-01 抗磁性 Diamagnetic / paramagnetic 荧光量子产率  D/P 0.0082 57 0.47

  29. XMUGXQ PFS03-01 抗磁性 荧光量子产率  D/P 0.011 60 0. 66

  30. XMUGXQ PFS03-01 弱荧光 强荧光 抗磁性 猝灭机理 N. V. Blough and D. J. Simpson, “ Chemical mediated fluorescnece yield switching in nitroxide-fluorophore adducts: optical sensors of radical / redox reactions”, J. Am. Chem. Soc, 1988, 110, 1915-1917 1）IC 加剧 2）ISC加剧 3）能量转移 4）电荷转移

  31. XMUGXQ PFS03-01 抗磁性 金属有机化合物 Reference  0.57 0.21 0.012

  32. XMUGXQ PFS03-01 Reference Kazuyuke Ishii, Nagao Kobayashi, “The excited multiplet states of metalloporphyrins and metallophthalocyanines coordinated of linked to nitroxide radicals” Coordination Chemistry Reviews, 198(2000), 231-250

  33. XMUGXQ PFS03-01 S1 M* M* T1 S1 S1 M* T1 T1 S1 T1 M* S0 L M S0 S0 S0 M M M L L L 3.2 Metal – ligand compounds 金属离子-有机配体化合物的发光特性与金属离子和有机配体最低激发态的能级的相对高低有关 MLCT LMCT Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ

  34. XMUGXQ PFS03-01 M* S1 T1 S0 M L 3.2 Metal – ligand compounds • 配体发光 1）配体发光 2）配合前后发光特性发生变化，最低激发态发生转变, n,*向,*变化 3）配合增加刚性，荧光增强

  35. XMUGXQ PFS03-01 配体发光 弱发光 强发光

  36. XMUGXQ PFS03-01 M* S1 T1 S0 M L MLCT Metal – ligand charge transfer Rh Ru Os Ir Re 铑 钌 锇 铱 铼

  37. XMUGXQ PFS03-01 S1 T1 M* S0 M L 弱发光或不发光 M→M*通常很弱

  38. XMUGXQ PFS03-01 S1 T1 M* S0 L M 金属离子发光 LMCT ligand-metal charge transfer 1) f*f 跃迁， Eu, Td, 锐线光谱 Tb3+-Trion 发射光谱

  39. XMUGXQ PFS03-01 LMCT 2) d* →d 或*→d发光 Ru, Rh, Ir等， 宽带光谱 Ru 联二吡啶、联三吡啶，邻菲啰呤 Os 联二吡啶、联三吡啶，4，6 双（甲硫基- 3 – 氨基- 嘧啶）等 Ir 联二吡啶、联三吡啶，邻菲啰呤 Ru 邻菲啰呤等 引自“荧光分析法” 陈国珍等人编写。 问题：Demas等人认为 - 二亚胺类配体易被还原，与铂系元素形成的配合物应为MLCT.

  40. XMUGXQ PFS03-01 3.2.1 铂系金属有机配体化合物 Rh Ru Os Ir Re 铑 钌 锇 铱 铼 Rhodium Ruthenium Osmium Iridium Rhenium 特点 1）荧光量子产率高，高达 0.5, 一般为0.04 – 0.2 2) 固有荧光各项异性值高， 高达0.35 3）荧光寿命长 有利于寿命的测定 有利于表征生物分子的旋转运动 4）可以选择不同的中心金属离子和不同的配体，以适应特定的需要（分子工程） 代表性工作

  41. XMUGXQ PFS03-01 Reference J. N. Demas and B. A. Degraff, “ Design and application of highly luminescence trasition metal complexs” Anal. Chem., 63(17) 829A-837A, (1991)

  42. XMUGXQ PFS03-01 ML6 正八面体晶体场 e dz2,dx2-y2  分裂能 dxy, dxz, dzy t2 能量简并 能量分裂 电子结构 以d6型金属离子和二亚胺（diimine) 配体为主进行讨论。 分裂能的决定因素 1）晶体场的强度 Crystal field strength of the ligand 2) 中心金属离子 Central metal ion

  43. XMUGXQ PFS03-01 →* 2* t26,1*1 e 1* t25,1*1 1,3 MLCT 1d→d* t25, e1 3dd* t26 12 22 S0 t26 配体 关注 轨道 d→* 轨道能级 可能的跃迁与电子态 t26,11,e1 1,3LMCT →d*

  44. XMUGXQ PFS03-01 跃迁特性 1）dd* 禁阻，寿命长，受环境影响大，易猝灭，量子产率低。 2）CT MLCT 铂系金属离子 金属离子还原性越强，配体的氧化性越强，越易发生MLCT bipyridine LMCT d*d发光 f*→f发光 稀土金属离子 能量转移

  45. XMUGXQ PFS03-01 能量转移 稀土配合物的荧光产生示意图 A：吸收；F：荧光；P：燐光；Ln：稀土离子；Ln-F：稀土离子荧光.

  46. XMUGXQ PFS03-01 配体对发光的影响 强金属-配体化合物具备几个特点 1） 最低激发态为CT态或*态 2）d→d*态应比最低激发态高得多，以避免d→d*的热激发。 3）自旋-轨道耦合应是有效的，以利于与无辐射去活化竞争。 4）单纯的*磷光寿命长，量子产率低。CT态将增加*磷光。 5）最低激发态（发射态）能量不能过低，否则将导致IC加剧。

  47. XMUGXQ PFS03-01 增加分裂能 中心金属离子 配位体场 配位体场的强度变化 Cl < Py << bpy, phen < CN < CO Py, pyridine, 吡啶 bpy, bipyriding 联二吡啶 Phen, 1,10- phenanthroline 1,10- 邻菲啰呤 分裂能随原子序数的增大而增大 金属离子

  48. XMUGXQ PFS03-01 3→* 3MLCT 3dd* S0 例1 联二吡啶金属化合物 化合物 FeL32+ RuL32+ OsL32+ 吸收MLCT带 510 nm 450 nm 700nm 电子结构 3d6 4d6 5d6 发光性质 非发光 发光 弱发光 能量间隙小， 易于非辐射 几乎不发光

  49. XMUGXQ PFS03-01 3MLCT 3→* 3dd* S0 例2 铑-联二吡啶化合物 配位体场的强度变化 Cl << bpy 化合物 Rh(bpy) 2Cl2+ Rh(bpy)33+ 室温不发光 低温发光（77ºK) 无结构 740 nm 室温几乎不发光 低温发磷光（77ºK) 3→* 有精细结构 740 nm 发光性质 配位体发光有精细结构 dd*发光无精细结构

  50. XMUGXQ PFS03-01 3→* 3dd* 3MLCT S0 例3 钌-联二吡啶化合物 配位体场的强度变化 Cl << CN • 化合物 Ru(bpy)2(CN)2 Ru(bpy)2(CN) Cl 发光性质 室温发光 室温 不发光 • 化合物 Ru(bpy)32+ Ru(bpy)2py22+ 发光性质 室温发光 室温 发光不稳定 低温发光特性几乎一样 容易热激活

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