1、第四章 化學發光分析法化學發光定義定義: 由化學反應產生能量,吸收了化學反應能的原子或分子由激發態回到基態時產生的這一光輻射現象叫化學發光.化學發光簡史 公元前300年,人們觀察到天然的生物發光. 1877年,Redziszewski 首次報道洛吩堿(Lophine,2,4,5-三苯基咪唑)在堿性介質中與氧反應發出金黃色的光-人為的化學發光. 1928年,Albrecht報道了魯米諾(3-氨基苯二甲酰肼)在堿性介質中的化學發光行為. 1929年,Har vey在電解堿性魯米諾發現電極附近有發光現象,即文獻記載的最早的電致化學發光. 1935年,Gleu和Petsch第一個報道了光澤精(Luci

2、genin,N,N-二甲基二丫啶硝酸鹽)與過氧化氫反應產生的化學發光-綠光. 1964年,Mccapra提出基于一個二噁烷酮環形成機理來解釋丫啶酯的化學發光. 1966年,Lytle和 Hercules發現在強酸性或強堿性的釕()Ru(bipy)32+溶液中加入芳香胺時發出橘紅色的光(595nm).化學發光及其光物理過程n.該反應必須提供足夠的激發能(對于藍光發射約需300kJmol-1,紅光發射約需150 kJmol-1).導致電子從基態躍遷至激發態,這一電子躍遷常常伴隨有分子的振動和轉動變化.n在有機分子中,電子從一個 鍵向一個反 鍵軌道躍遷( *) 或從非鍵向反 鍵軌道躍遷(n *),電

3、子從激發態回到基態,發出光子,即化學發光.化學發光反應的基本條件.在多步驟反應中,由于化學激發的瞬時性,這個能量必須由某一步單獨提供,否則前一步反應釋放的能量將因振動弛豫消失在溶液中而不能發光. 大部分有機物具有化學發光性能,但量子產率一般很低,遠小于1%,且多數具有氧化還原性能.因此,化學反應的能量至少能被一種物質所接收并使之生成激發態.對有機分子來說,從能量上來看,容易生成激發態產物的常是芳香族化合物和羰基化合物.處于激發態的分子或原子必須具有一定的化學發光量子效率使其能釋放出光子,或者能夠轉移它的能量給另一個分子使之處于激發態,在從激發態回到基態的過程中釋放出光子.化學發光量子效率c是具

4、有可能產生激發分子的反應分子分數即形成化學產物的量.e是處于電子激發態那些分子的分數,與能量轉移效率有關.f是發射出光子的分子從激發態回到基態的分子的分數 能發射光子回到基態的分子數占溶液中該分子總數的百分比稱為發光量子產率(CL),它是由三方面的因素決定的:化學發光反應的主要類型.自身化學發光反應.敏化化學發光.偶合化學發光反應.光解化學發光.火焰化學發光.電致化學發光.自身化學發光反應自身化學發光反應是指被測物質作為反應物直接參加化學反應,利用化學反應釋放的能量激發產物分子產生的光輻射.可用下式表示:C*為A和B反應產物C的激發態,h為發射的光子.敏化化學發光 敏化化學發光是指在某些化學反

5、應中由于激發態產物本身不發光或發光十分微弱,但通過加入某種能量接受體(熒光劑)可導致發光.反應式為:式中:C*為能量給予體;F為能量接受體.這是一類間接發光,彌補了自身化學發光量子產率低的不足,具有廣泛用途.例如,羅丹明6G-抗壞血酸-鈰()體系測定抗壞血酸就屬于敏化化學發光.其中羅丹明6G為發光能量接受體.偶合化學發光反應偶合化學發光反應是指將能產生或消耗化學發光反應中反應物的一個或一系列反應與一個化學發光反應進行偶合.Ru(phen)32+*代表Ru(phen)32+的激發態,R*代表待測物與強氧化劑Ce()反應所生成的活性中間體.例如,Ru(phen)32+- Ce()化學發光體系檢測吲

6、哚乙酸就屬于這一類型.光解化學發光 光解化學發光是指化學物質在強光源作用下分裂成分子碎片,這些分子碎片在發生化學反應時產生的光輻射.反應方程為:.火焰化學發光 火焰化學發光測定必須在專門的元素火焰化學發光儀上進行.火焰化學發光反應多用于大氣中含硫、含氮、含磷等污染物的檢測.電致化學發光 電致化學發光反應是指電解的氧化還原產物之間或與體系中某種組分進行化學反應所產生的化學發光.它是利用電極原位產生試劑,這些試劑在溶液中反應,完成較高能量的電子轉移而生成激發態的分子回到基態時發射光子. 當電極施加雙階躍正負脈沖時,分子A在正電勢階躍時被氧化為A+: A A+ + e- 分子A在負電勢階躍時被還原為

7、A-: A + e- A- A+與A-反應生成激發態的A*,并產生化學發光: A+ + A- A* + A A* A+h 如果體系中含有還原(R) 或氧化(O)性物質時,僅在工作電極上施加正或負電壓便可生成激發態的A*而發光: A A+ + e- A + e- A-或 A+ + R A* + O或 A- + O A* +R, A* A + hRu(bipy)32+在鉑電極或碳電極上被氧化:隨后在電極表面的擴散層發生下列反應:電致化學發光測定草酸CO2-(自由基陰離子)是強還原劑,在與Ru(bipy)33+的電極反應中能產生激發態的Ru(bipy)32+*.當Ru(bipy)32+從激發態回到基

8、態時,發射出橘紅色的光(595nm).化學發光反應所以能用于分析測定,是因為化學發光強度(ICL)與化學反應速度(dp/dt)相關聯,而一切影響反應速度的因素又都可以作為建立測定方法的依據.化學發光反應一般可表示為: A + B C*, C* C + h化學發光強度與反應物濃度的關系該發光反應的化學發光強度取決于反應的速度dp/dt和反應的化學發光量子效率(CL) ICL(t)= CLdp/dt式中, CL可表示為CL= r f,其中r為生成激發態產物分子的量子效率, f為激發態產物分子的發光量子效率,對于一定的化學反應, CL為一定值;其反應速度可按質量作用定律表示出與反應體系中物質濃度的關

9、系.原則上講,對任何化學發光反應,只要反應是一級或假一級反應,都可以通過下式進行化學發光定量分析.例如,在化學發光反應中如果物質B保持恒定,而物質A變化且為一級或假一級反應,則此式表明,化學發光強度與A的濃度成正比.化學發光強度與反應物濃度的關系化學發光分析測定對象分類.化學發光反應中的反應物.化學發光反應中的催化劑,增敏劑或抑制劑.偶合反應中的反應物,催化劑,增敏劑.魯米諾(luminol)(1),異魯米諾(isoluminol)(2)和它們的衍生物.化學發光試劑的主要類型異魯米諾衍生物的結構及量子效率魯米諾衍生物的化學發光魯米諾衍生物的化學發光簡單機理K3Fe(CN)6氧化魯米諾化學發光反

10、應機理K3Fe(CN)6氧化魯米諾化學發光反應機理K3Fe(CN)6氧化魯米諾化學發光反應機理 HRP與過氧化氫反應生成一氧化HRP(HRP),它同魯米諾陰離子反應生成半還原酶(HRP)和魯米諾自由基.再與第二個分子魯米諾反應,酶回到還原形式.辣根過氧化物酶催化反應機理.丫啶衍生物丫啶衍生物的一般發光機理.過氧草酸鹽類過氧草酸鹽類化學發光機理 草酸酯類化學發光機理分為三步:.過氧化氫對草酸酯的羰基親核進攻,生成能產生高能量的雙氧基環狀中間體二氧雜環丁二酮;過氧草酸鹽類化學發光機理.中間體分解,將能量傳遞給受體熒光分子,使之處于激發態;.這種激發態分子從激發單重態回到基態,釋放出光子即發出熒光.過氧草酸鹽類的代表化合物(7)-雙2,4-二硝基苯基草酸鹽(DNPO)和(8)-2,4,6-三氯苯基草酸鹽TCPO發光效率可達27%過氧草酸鹽類的應用.待測物質本身是熒光劑,可作為能量接受