荧光的猝灭

1溶液荧光的猝灭2荧光猝灭，广义地说包括了任何可使荧光强度降低的作用。狭义的仅仅指那些由于荧光物质分子与溶剂或溶质分子之间所发生的导致荧光强度下降的物理或化学作用过程。相互作用所引起的荧光降低的现象，这些会引起荧光的猝灭的物质称为荧光猝灭剂。猝灭过程实际上是与发光过程相互竞争从而缩短发光分子激发态寿命的过程。动态猝灭：猝灭剂与荧光物质的激发态分子之间的相互作用静态猝灭：猝灭剂与荧光物质的基态分子之间的相互作用3§4.1动态猝灭在动态猝灭过程中，荧光物质的激发态分子通过与猝灭剂分子的碰撞作用，以能量转移的机制或电荷转移的机制丧失其激发能而返回基态。4溶液中荧光物质分子M和猝灭剂Q相碰撞而引起荧光熄灭。比较速率(1)M＋hυ→M*(吸光)1(2)M*M＋hυ(发生荧光)kf[M*](3)M*+QM+Q+热(猝灭过程）kq[M*][Q]1k2k5根据恒定态的假设，在连续的照射下，激发态荧光体1M*会达到一个恒定值，即其生成速率与衰变速率相等，1M*浓度保持不变，即：0*][1dtMd在没有猝灭剂的情况下：1M*表示为：[1M*]0，根据以上反应式可得：ififakkMMkkIa0*10*1I][0])[(6在猝灭剂存在的情况下：1M*表示为：[1M*]，同理可得：][][0*]][[])[(*11*1QkkkIMMQkMkkIqifaqifa式中kq为双分子猝灭过程的速率常数。7在猝灭剂不存在和存在的情况下，荧光量子产率分别为：][][][*10*10QkkkkIMkkkkIMkqiffaffiffaff8于是，没有猝灭剂存在时荧光强度F0与存在猝灭剂时的荧光强度F的比值为：][1][1][1][000QKQkkkQkkkQkkkFFSVqifqifqifff该式为Stern－Volmmer方程。t0为没有猝灭剂时测得的荧光寿命；Ksv为Stern－Volmer猝灭常数，是双分子猝灭速率常数与单分子衰变速率常数的比值。9根据没有猝灭剂与存在猝灭剂时荧光寿命的不同，可得Stern－Volmer方程式的另一种表示形式：][10QKSV式中：t为猝灭剂存在时测得的荧光寿命。由上所述，若以F0/F对[Q]作图得一直线，斜率为Ksv。直观的看，1/Ksv的数值等于50％的荧光强度被猝灭时猝灭剂的浓度。假如测定了猝灭剂不存在时的荧光寿命t0，便可根据kqt0=Ksv的关系求得双分子猝灭过程的速率常数kq。*对有效的猝灭剂，KSV≈102－103L/mol.10某些荧光物质溶液在加入一些猝灭剂之后，溶液的荧光强度显著降低，溶液的吸收光谱有了明显的变化;其荧光强度随着温度的升高而增强。这种现象可能是由于荧光分子和猝灭剂之间形成不发光的基态配合物的结果。这种现象称为静态猝灭。§4.2静态猝灭11荧光分子和猝灭剂之间形成的不发光的基态配合物，可表示为：MQQM配合物的形成常数为：]][[][QMMQK12荧光强度和猝灭剂浓度之间的关系，可推倒如下：][1][][][][][][][][][0000QKFFQKMMQMMMFFFMQMM即：上式中[M]0为荧光分子的总浓度；F0与F分别为猝灭剂加入之前和加入之后所测得的荧光强度。区分动态猝灭与静态猝灭：（1）最确切的方法是测量荧光体寿命；对静态猝灭，猝灭剂的存在并没有改变荧光分子激发态的寿命，因此t0/t=1;对动态猝灭，猝灭剂的使荧光分子寿命缩短，t0/t=F0/F（2）动态猝灭由于与扩散有关，而温度升高时溶液的粘度下降，同时双分子的运动加速，其结果使扩散系数增大，从而增大双分子猝灭常数。反之，温度升高可能引起配合物的稳定度下降，从而减小静态猝灭的常数。（3）此外，由于碰撞猝灭只影响到荧光分子的激发态，因而并不改变荧光分子的吸收光谱。相反，基态配合物的生成往往引起荧光分子吸收光谱的改变。14结合常数:7.9×106Chem.Commun.,2005,3189–3191.Cu2+154。§4.3电荷转移猝灭某些猝灭剂与荧光物质分子相互作用时，发生了电荷转移反应，即氧化还原反应，即引起荧光的熄灭。由于激发态分子往往比基态分子具有更强的氧化还原能力，也就是说，激发态分子是比基态分子更强的电子给体和电子受体，因此激发态分子更容易发生与其他物质的分子发生电荷转移作用。某些强的电子受体的物质，往往是有效的荧光猝灭剂。16在电荷转移猝灭中，荧光物质的激发态分子与猝灭剂分子相互碰撞时，最初形成了“遭遇配合物”，而后成为实际的激态电荷转移配合物：hvQMQMQMQM**1*1)(...M＋Q＋KT在介电常数小于10的非极性溶剂中，可观察到有激发态转移配合物所产生的荧光。但其荧光与1M*的相比，光谱处于更长的波长范围，且无精细结构。17在极性溶剂中，1M*的荧光被猝灭剂猝灭时，通常并不伴随由基态电荷转移配合物所产生的荧光，代之而发生的是遭遇配合物形成离子对，再经溶剂化作用转变为游离的溶剂化离子。SSQMQMQM*1*118具有重原子的猝灭剂分子，它们与荧光物质的激发态分子所形成的电荷转移配合物，有利于电子自旋的改变，以致发生电荷转移配合物的离解并伴随着经由三重态的能量降低：QMQMQMQM*)(3*1*119例：甲基蓝荧光溶液被Fe2+离子熄灭D+hυ→D*D*→D+hυ＇D*+Fe2+→D－+Fe3+D－+H→DH（半醌）2DH→D+DH2（无色染料）某些染料如甲基蓝的荧光可被Fe2＋猝灭，这是由于甲基蓝的激发态分子与Fe2＋发生氧化还原反应：20发生电子转移反应的猝灭剂并不限于金属离子，I-，Br-，CNS-，S2O32-等易于给出电子的阴离子对奎宁，罗丹明及荧光素钠等有机荧光物质也会发生猝灭作用。I-CNS-Br-Cl-C2O42-SO42-NO3-F-这一顺序与电力势的增大相关联，表明这些离子对染料荧光的猝灭效率与它们给出电子的难易程度有关。21光诱导电荷转移（photo-inducedchargetransfer)Excitationofafluorophoreinducesthemotionofanelectronfromoneorbitaltoanother.Iftheinitialandfinalorbitalsareseparatedinspace,theelectronictransitionisaccompaniedbyanalmostinstantaneouschangeinthedipolemomentofthefluorophore.Whenthelatterpossessesanelectron-donatinggroup(e.g.-NH2,-NMe2,-CH3O)conjugatedtoanelectron-withdrawinggroup(e.g.-C=O,-CN),theincreaseindipolemomentcanbequitelarge.Consequently,theexcitedstatereacheduponexcitation(calledtheFranck–Condonstateorlocallyexcitedstate,LE)isnotinequilibriumwiththesurroundingsolventmoleculesifthelatterarepolar.Inamediumthatissufficientlyfluid,thesolventmoleculesrotateduringthelifetimeoftheexcitedstateuntilthesolvationshellisinthermodynamicequilibriumwiththefluorophore.Arelaxedintramolecularchargetransfer(ICT)stateisthenreached.22Inlow-polaritysolventsFPPemitsatshortwavelengthsfromtheLEstate(toptwopanels).Asthesolventpolarityincreasesanewlongerwavelengthemissionappears.Thislonger-wavelengthemission(lowerpanel)isduetoaninternalcharge-transfer(ICT)state,whichformsrapidlyfollowingexcitation.Inthiscasethetwoendsofthefluorophoreareheldrigidlybythemethylenebridge,sothatformationoftheICTstatedoesnotdependonthetwisting.例1.23Figure.EmissionspectraofFPPinseveralsolvents.24例2.Figure.EmissionspectraofLaurdaninethanolat–50°C(1),–60°C(2),–70°C(3),–80°C(4),–85°C(5),–90°C(6),–100°C(7),–110°C(8),and–190°C(9).25例3.dimethylamino-substitutedBodipyfluorophore26Figure.Emissionspectraofadimethylamino-substitutedBodipyindifferentsolvents.272829Anal.Chim.Acta2008,627,254–257.Aselectivecolorimetricchemosensorforthiolsbasedonintramolecularchargetransfermechanism例4:30例5:ARatiometricFluorescentProbeforCysteineandHomocysteineDisplayingaLargeEmissionShiftOrg.Lett.，2008，10，5577-5580.32Fig.1.Absorptionandfluorescencespectralchangesofprobe1uponadditionofincreasingconcentrationCys.33例6：NHNCOHHSO3-ICTOnICTOffHSO3-NHNCHORHONaHSO3RSO3NaOH3435040045050055060002505007501000aFluorescenceintensity(a.u.)Wavelength(nm)FluorescentspectraofPBI(a）and4（b)b353504004505005506000200400600NaHSO3Fluorescenceintensity(a.u.)Wavelength(nm)Fig.Absorption(left)andfluorescentemissionspectra(right)of4towarddifferentconcentrationsofbisulfite2803003203403603800.000.040.080.120.16NaHSO3AbsorbanceWavelength(nm)36§4.4能量转移猝灭根据能量转移过程中作用机理的不同，能量转移可分为辐射能量转移和非辐射能量转移两种。其中非辐射能量转移又有两种不同的机理假设，即通过偶极－偶极耦合作用的共振能量转移和通过电子交换作用的交换能量转移。371.辐射能量转移猝灭这种能量转移过程实质上是荧光的再吸收。即荧光分子（能量供体）所发射的荧光为猝灭剂（能量受体）所吸收，从而导致后者被激发。**AhvAhvDD这种能量转移