Bài giảng Phân tích huỳnh quang và phát quang

Cơ sở lý thuyết phổ phát quang --> Quá trình phát bức xạ ~~–> Quá trình không phát bức xạ IC Internal conversion – sự chuyển hóa nội phân tử ISC Intersystem Crossing – kết hợp nội ph

HUỲNH QUANG VÀ HÓA

PHÁT QUANG (Fluorescence and chemiluminescence)

NỘI DUNG

PHÂN BỐ CHƯƠNG TRÌNH

CƠ CẤU ĐIỂM

NỘI DUNG BÀI GIẢNG

PHÂN BỐ CHƯƠNG TRÌNH

1.1 Cơ sơ lý thuyết của phương pháp phổ phân tử

1.2 Cơ sở lý thuyết phổ phát quang

1.3 Quy tắc chọn lọc trong phổ phân tử

2 Phương pháp huỳnh quang và lân quang 17

2.1 Các quá trình xảy ra trong hiện tượng huỳnh quang và lân quang

2.2 Phổ huỳnh quang và các tính chất cơ bản

2.3 Hiện tượng tắt huỳnh quang

2.4 Sự phát quang của dung dịch

2.5 Cấu trúc của hợp chất huỳnh quang

2.6 Ứng dụng phương pháp phổ huỳnh quang

3.1 Cơ sở lý thuyết của phương pháp hóa phát quang

3.2 Ứng dụng hóa phát quang trong hóa phân tích

Chương 1 Đại cương về phổ phân tử

Cơ sơ lý thuyết của phương pháp phổ phân tử

1.1

1.2 Cơ sở lý thuyết phổ phát quang

Quy tắc chọn lọc trong phổ phân tử

1.3

Độ bội ( χ ): số trạng thái lượng tử của phân tử khác nhau về định hướng spin electron tổng

Đối với các hệ phân tử có tương tác spin – orbital nhỏ thì các trạng thái chỉ khác nhau bởi định hướng spin đều có cùng năng lượng

χ = 2S + 1 S: tổng spin phân tử

χ=1: trạng thái đơn bội (singlet);

χ=2: trạng thái bội hai (dublet);

χ=3: trạng thái bội ba (triblet);

Một số khái niệm cơ bản

1.1 Cơ sơ lý thuyết của phương pháp

phổ phân tử

Năng lượng phân tử: E = Eel + Evib + Erot

Mức năng lượng quay (E quay )

Mức năng lượng dao động

(E daodong )

Mức năng lượng điện tử (E el )

Eelectron > Edaodong > Equay

Một số khái niệm cơ bản

1.1 Cơ sơ lý thuyết của phương pháp

phổ phân tử

Năng lượng phân tử: E = Eel + Evib + Erot

dao động (E vib )

Mức năng lượng điện tử

(E el )

E0

E1

Một số khái niệm cơ bản

1.1 Cơ sơ lý thuyết của phương pháp

phổ phân tử

Các bước chuyển điện tử trong phân tử

Khi nhận năng lượng, một electron ở orbital liên kết hoặc không liên kết có thể chuyển lên các orbital phản liên kết còn trống ở mức năng lượng cao hơn

Khi đó xảy ra các bước chuyển điện tử sau:

Một số khái niệm cơ bản

1.1 Cơ sơ lý thuyết của phương pháp

phổ phân tử

Các bước chuyển điện tử trong phân tử

λ <200 nm (tử ngoại chân không)

tử ngoại gần hay VIS

UV hay VIS Ranh giớ tử ngoại chân không

Một số khái niệm cơ bản

1.1 Cơ sơ lý thuyết của phương pháp

phổ phân tử

Cơ sở lý thuyết phương pháp phổ phân tử

h 2

Khi nguyên tử, phân tử hấp thụ photon

thì chuyển trạng thái từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích có mức năng lượng cao hơn Phổ hấp thu

Năng lượng do nguyên tử, phân tử hấp

thu có thể giải phóng dưới dạng bức xạ

điện từ, từ trạng thái kích thích về trạng

thái ban đầu Phổ phát xạ

1.2 Cơ sở lý thuyết phổ phát quang

 Phát quang âm cực

 Phát quang nhiệt

 Quang phát quang

Phân loại hiện tƣợng phát quang

1.2 Cơ sở lý thuyết phổ phát quang

 Phát quang hóa học

 Phát quang sinh học

 Phát quang điện và phát quang

ma sát

=> Mọi dạng phát sáng trên gọi là sự phát quang (Luminescence)

 Sự phát xạ trong vùng thấy được ở nhiệt độ thấp hơn 5000C gọi

là huỳnh quang và phát quang hóa học có nhiều ứng dụng vào mục

đích phân tích

Giản đồ năng lƣợng Jablonski

S0: trạng thái cơ bản;

S1: trạng thái kích thích có độ bội đơn;

T1: trạng thái kích thích có độ bội 3; A: hấp thu (adsorption);

F: huỳnh quang (fluorescence);

P: lân quang (phosphorescence)

1.2 Cơ sở lý thuyết phổ phát quang

1.2.1 Giản đồ năng lƣợng Jablonski

1.2 Cơ sở lý thuyết phổ phát quang

1.2.1 Giản đồ năng lƣợng Jablonski

1.2 Cơ sở lý thuyết phổ phát quang

> Quá trình phát bức xạ

~~–> Quá trình không phát bức xạ

IC Internal conversion – sự chuyển hóa nội phân tử

ISC Intersystem Crossing – kết hợp nội phân tử, từ S1 → T1

IEC Internal and External conversion – sự mất năng lượng dưới dạng nhiệt SR(VR) Relaxation of vibration – Hồi phục do dao động

Quá trình hấp thu năng lƣợng (A): Khi hấp thu

sóng điện từ, phân tử bị kích thích điện tử chuyển từ trạng thái So → S1 hoặc S2 (t=10-16-10-15 s)

Trạng thái này không bền, electron có xu hướng giải tỏa năng lượng đã hấp thu để trở về trạng thái có

năng lượng thấp, bền vững hơn Sự giải tỏa năng lượng

có thể thực hiện theo nhiều cách tùy thuộc vào cấu trúc

phân tử

1.2.2 Các quá trình giải tỏa năng lƣợng phân tử

1.2 Cơ sở lý thuyết phổ phát quang

Quá trình làm mất hoạt tính năng lượng ở trạng

 IC (chuyển hóa mội phân tử) – năng lượng cho quá trình chuyển vị nội phân tử (S2 → S1);

 VR (sự phục hồi do dao động) – mất năng lượng do dao động và do sự quay (S1(v’) → S1(0); T1(v’) → T1(0)) ;

 IEC (sự chuyển hóa dưới dạng nhiệt) – chuyển năng lượng cho các phần tử xung quanh (dung môi) dưới dạng nhiệt;

1.2.2 Các quá trình giải tỏa năng lượng phân tử

1.2 Cơ sở lý thuyết phổ phát quang

Quá trình làm mất hoạt tính năng lƣợng ở trạng

 ISC (kết hợp nội phân tử) – chuyển năng lượng giữa các mức có độ bội khác nhau (S1(v’=0) → T1(v’=1,2,3…), khi thỏa mãn 2 điều kiện:

- Nếu trong phân tử đường cong thế năng S1 và T1 cắt nhau, khi

ΔE = ES1-ET1 < 10 Kcal

- Mức dao động v’=0 của S1 bằng với v’ cao của T1

1.2.2 Các quá trình giải tỏa năng lƣợng phân tử

1.2 Cơ sở lý thuyết phổ phát quang

Quá trình làm mất hoạt tính năng lƣợng ở trạng thái

F (phát xạ huỳnh quang) – bức xạ phát ra khi thực hiện bước chuyển S1(v’=0) → S0(v=0,1,2…), thời gian thực hiện bước chuyển 10-9-10-6 s;

 P (phát xạ lân quang) – bức xạ phát ra khi thực hiện bước chuyển T1(v’=0) → S0(v=0,1,2,3…); thời gian thực hiện bước chuyển 10-4-10-2 s;

 DF (huỳnh quang trễ)

1.2.2 Các quá trình giải tỏa năng lƣợng phân tử

1.2 Cơ sở lý thuyết phổ phát quang

 Đối với phân tử có tâm đối xứng (quy tắc lựa chọn theo tính chẵn lẻ, quy tắc Laporrte):

• Bước chuyển từ g → u hoặc u → g: được phép;

• Bước chuyển từ g → g hoặc u → u: bị cấm;

 Chuyển mức có độ bội khác nhau bị cấm, ví dụ chuyển mức singlet → triplet bị cấm do độ bội;

 Chuyển mức ở các phân tử không có tâm đối xứng phụ thuộc vào tính đối xứng của trạng thái đầu và trạng thái cuối;

1.3 Quy tắc chọn lọc trong phổ phân tử

Chương 2 Phương pháp huỳnh quang

và lân quang

2.1 Các quá trình xảy ra trong hiện tượng huỳnh quang và lân quang

2.2 Phổ huỳnh quang và tính chất cơ bản

2.3 Hiện tượng tắt huỳnh quang

2.4 Sự phát quang của dung dịch

2.5 Cấu trúc của hợp chất huỳnh quang

2.6 Ứng dụng của hiện tượng huỳnh quang

Intersystem crossing

2.1 Các quá trình xảy ra trong hiện tƣợng huỳnh

quang và lân quang

quang và lân quang

So sánh phổ huỳnh quang và phổ lân quang

Giống: cùng bản chất, đều là quá trình phát xạ

Khác:

 thời gian sống (thời gian tồn tại của một trạng thái kích thích)

- của bức xạ lân quang khoảng 10-4-10-2 s;

- của bức xạ huỳnh quang chỉ khoảng 10-9-10-6s, vì vậy bức xạ huỳnh quang tắt ngay khi tắt ánh sáng kích thích

 mối quan hệ giữa phổ huỳnh quang, phổ lân quang với ánh sáng kích thích: λex < λem (F) < λem (P)

2.1 Các quá trình xảy ra trong hiện tƣợng huỳnh

quang và lân quang

So sánh phổ huỳnh quang và phổ lân quang

2.1 Các quá trình xảy ra trong hiện tƣợng huỳnh

quang và lân quang

So sánh phổ huỳnh quang và phổ lân quang

A

phenanthrene

2.1 Các quá trình xảy ra trong hiện tƣợng huỳnh

quang và lân quang

So sánh phổ huỳnh quang và huỳnh quang trễ

Phổ huỳnh quang trễ có thành phần phổ như phổ huỳnh

quang, nhưng có thời gian phát quang như hiện tượng lân quang

Nguyên nhân của hiện tượng huỳnh quang trễ là do trước

khi bức xạ photon phân tử ở trạng thái triplet một thời gian

2.1 Các quá trình xảy ra trong hiện tƣợng huỳnh

quang và lân quang

2.2 Phổ huỳnh quang và tính chất cơ bản

Phổ huỳnh quang: hàm số phân bố năng lượng do chất huỳnh

quang bức xạ theo tần số hoặc theo bước sóng

Hình dạng: giống phổ hấp thu, cũng thuộc phân bố Gauss

Phổ huỳnh quang được xác định bởi thành phần, cấu trúc của tâm huỳnh quang (nhóm mang màu C=C, C=O, C=S, -N=N-

…) và bị ảnh hưởng bởi môi trường ngoài

2.2 Phổ huỳnh quang và tính chất cơ bản

Qui luật Kashi: Dạng của phổ huỳnh quang không phụ thuộc vào ánh sáng kích thích

Phổ hấp thu A (UV), A’ (VIS) và phổ

huỳnh quang của fluorescein K: hệ số hấp thu tương đối

A

2.2 Phổ huỳnh quang và tính chất cơ bản

-Tính đối xứng của phổ huỳnh quang và

phổ hấp thu của rodamin

Qui luật Levshin: Khi các mức dao động ở trạng thái kích thích và trạng thái cơ bản có cấu tạo như nhau và khoảng cách năng lượng

của các mức tương đương nhau thì phổ huỳnh quang và phổ hấp thu đối xứng gương với nhau qua đường vuông góc với trục tần số và đi qua giao điểm của hai phổ đó

2.2 Phổ huỳnh quang và tính chất cơ bản

Qui luật Stoke - Lommel: Phổ huỳnh quang bị dịch chuyển về phía bước sóng dài (cận đỏ của phổ) so với phổ hấp thu (do mất năng

lượng bởi dao động VR(SR))

Δλ = λmax(em) - λmax(ex) => sự dịch chuyển Stocke

2.2 Phổ huỳnh quang và tính chất cơ bản

Các trường hợp không tuân theo qui luật Stoke - Lommel

 Bức xạ cộng hưởng: Bức xạ phát ra

từ S1(v’=0) → S0(v=0) có cùng độ dài

sóng bằng với bức xạ hấp thu

 Huỳnh quang tăng nhạy (antistocke)

có λem < λex: dạng huỳnh quang này

được thấy trong các dung dịch chứa một

số hydrocarbon đa vòng trong hỗn hợp

2.3.1 Hiệu suất huỳnh quang

Hiện tƣợng tắt phát quang là hiện tượng làm giảm hiệu suất của năng lượng phát quang

Hiệu suất phát quang đánh giá sự biến đổi hiệu dụng giữa Eex sang

Eem Có 2 loại hiệu suất phát quang:

Hiệu suất năng lượng (ΦNL): là tỉ số năng lượng huỳnh quang của chất khảo sát Eem và năng lượng ánh sáng kích thích Eex

Hiệu suất lượng tử (ΦLT ): là tỉ số giữa số lượng tử huỳnh quang Nem

E E

N N

2.3 Hiện tƣợng tắt huỳnh quang

2.3.1 Hiệu suất huỳnh quang Mối liên hệ giữa hiệu suất năng lƣợng và hiệu suất lƣợng tử

) (

) (

) (

) (

.

.

TB ex

TB em LT

TB ex ex

TB em em

ex

em NL

h N

h N

ex

em LT

2.3.1 Hiệu suất huỳnh quang

Sự phụ thuộc của hiệu suất huỳnh quang vào ánh sáng kích thích Định luật Babilov (định luật tắt huỳnh quang): khi tăng bước

sóng kích thích thì hiệu suất hình quang tăng, sau đó sẽ không thay đổi trong khoảng bước sóng nào đó rồi cuối cùng sẽ giảm rõ rệt khi tăng bước sóng kích thích.

Φ

0.2 0.2 0.6 0.8 1.0

200 400 600 λ, nm

Sự phụ thuộc của hiệu

suất huỳnh quang vào

bước sóng ánh sáng

kích thích

2.3 Hiện tƣợng tắt huỳnh quang

2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất

huỳnh quang - tắt phát quang

Tắt phát quang có thể do nhiều nguyên nhân khác nhau:

- Các quá trình chuyển hóa nội phân tử;

- Do sự tương tác giữa các phân tử

 Sự chuyển hóa nội phân tử từ S 1 → S 0 khi đường cong S 1 cắt S 0 :

 Sự tản mát năng lượng theo các mức dao động và quay (dưới dạng nhiệt)

Đặc trưng cho các phân tử có cấu trúc mềm (có nhiều nhóm quay tự do), ví dụ thuốc nhuộm azo, triphenylmetan

2.3 Hiện tượng tắt huỳnh quang

2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất

huỳnh quang - tắt phát quang

 Sự hình thành các chất có tính phát quang thay đổi

 Trường hợp 1: Đường thế năng S1 cắt T1 => ΦF giảm,

ΦP tăng

 Phân tử chứa electron không ghép cặp (gốc tự do) có khả năng phản ứng cao tạo hàng loạt chất hóa học mới có hoạt tính quang học khác chất huỳnh quang ban đầu (có thể cho chất huỳnh quang có cường độ mạnh hơn nhưng cũng có thể tạo thành chất vô hoạt thì hiệu suất huỳnh quang giảm hoặc tắt huỳnh quang)

2.3 Hiện tượng tắt huỳnh quang

2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất

huỳnh quang - tắt phát quang

Trong phổ huỳnh quang thường λex ≥ 250nm

2.3 Hiện tượng tắt huỳnh quang

2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất

huỳnh quang - tắt phát quang

 Mất hoạt tính huỳnh quang do va chạm không đàn hồi với các phần tử xung quanh Năng lượng của trạng thái kích thích này sẽ biến thành năng lượng dao động của phần tử va chạm với nó Hiệu ứng tắt này phụ thuộc nhiều nguyên nhân:

2.4 Sự phát quang của dung dịch

2.4.1 Ảnh hưởng của pH

Phổ huỳnh quang và phổ hấp thu của dạn proton hóa và dạng không proton hóa của các acid và baz hữu cơ khác nhau

Sự thay đổi pH dung dịch có thể làm thay đổi màu và cường

độ huỳnh quang của chúng

ứng dụng: + chỉ thị huỳnh quang acid – baz;

+ xác định hằng số phân li ở trạng thái kích thích bằng cách so sánh phổ huỳnh quang và phổ hấp thu khi thay đổi pH dung dịch

2.4 Sự phát quang của dung dịch

Kết quả nghiên cứu cho thấy cường độ huỳnh quang của quinin tỉ lệ với nồng độ ion phát quang

Dựa vào phổ huỳnh quang có

thể xác định hằng số phân li

của quinon

Sự phụ thuộc của màu huỳnh quang

p-nitrophenol có dạng giống sự phụ

thuộc của bậc phân li vào pH

2.4 Sự phát quang của dung dịch

2.4.1 Ảnh hưởng của pH

Để tránh ảnh hưởng của pH cần tiến hành phân tích huỳnh quang ở điều kiện nhất định sao cho trong dung dịch tồn tại:

2.4.2 Ảnh hưởng dung môi

Hợp chất hữu cơ huỳnh quang có thể chia làm 2 nhóm:

o Hidrocacbon ;

o hợp chất chứa N, O (có tính acid hay baz, moment lưỡng cực)

2.4 Sự phát quang của dung dịch

Ảnh hưởng của dung môi thể hiện qua:

 Khi độ nhớt cao → số va chạm làm giảm hoạt tính HQ giảm → hiệu suất huỳnh quang cao

 Độ nhớt (khí) < Độ nhớt (lỏng) < Độ nhớt (rắn) → chất khí không thể hiện tính lân quang, chất lỏng cho lân quang có thời gian ngắn hơn chất rắn

Ảnh hưởng của dung môi thể hiện qua:

 Hiện tượng solvat hóa:

 hiện tượng solvat hóa càng mạnh thì xác suất

chuyển năng lượng cho các phân tử khác càng cao

và khả năng xuất hiện hiệu ứng tắt huỳnh quang càng lớn

 Sự tăng solvat hóa có thể làm phổ huỳnh quang dịch

chuyển về phía sóng dài

2.4.2 Ảnh hưởng dung môi

2.4 Sự phát quang của dung dịch

Ảnh hưởng của dung môi thể hiện qua:

 pH dung dịch: các dung môi khác nhau có pH khác nhau → ảnh hưởng đến khả năng phân li của chất HQ thuộc nhóm 2

 tương tác giữ dung môi và chất tan:

 tương tác lưỡng cực (tương tác Debai);

 tương tác giữa các hệ điện tử (tương tác London);

 tương tác hóa học

2.4.2 Ảnh hưởng dung môi

2.4 Sự phát quang của dung dịch

Ảnh hưởng của dung môi thể hiện qua:

• Tương tác Debai và London gây ra hiện tượng solvat hóa

cho tất cả các hợp chất HQ và làm cho phổ huỳnh quang dịch

chuyển về phía bước sóng dài (tuy không đáng kể) nhưng cấu

trúc phổ không thay đổi Hiện tượng solvat hóa càng mạnh (chỉ số khúc xạ của dung môi càng lớn) → xác suất chuyển năng lượng cho các phân tử càng cao → hiệu ứng tắt huỳnh quang càng lớn

• tương tác hóa học: đối với chất có nhóm hidroxyl, cacboxyl; amin → tạo liên hợp do liên kết hidro

2.4.2 Ảnh hưởng dung môi

2.4 Sự phát quang của dung dịch

• Các chất hữu cơ có điện tử π bất định vị

• Một số ion vô cơ, có độ biến dạng tăng:

F-< NO3-<SO42-<CH3COO-<(COO)22-<Cl-<Br-<SCN-<I-

HC (trong ethanol) Vùng bước sóng (nm) Cường độ HQ

• Các cation vô cơ (ion của kim loại chuyển tiếp)

• Sự có mặt của các nguyên tố Oxy và những chất có từ tính khác Làm giảm hoạt hoặc tắt hiện tượng huỳnh quang

2.4.2 Ảnh hưởng các hợp chất hữu cơ và các

anion vô cơ khác

2.4 Sự phát quang của dung dịch