几种室温磷光法的回顾和展望_精品文档.pdf

1、第1 5卷第9期(1957年9月)分析化学An alytie alChem istryVol。15No。SePt.19 87护出出犯以火狱崔火当火、评述与进展、_ _ _ _ _ _孟.几种室温磷光法的回顾和展望郑用熙王志刚(清华大学化学系)物质分子激 发后,如果受 激电子是先经过 系 间跨越,即,最 低激发单线态 电子(S:)改变自旋状态而转入三 线 态(T,),而后才向基 态各振动 能级 跃迁,释放能量,那么就发射磷光【2。由于T,S。跃迁是选择定则禁阻 的,通常最低激发三线态电子的寿命较长(一般为工。“秒至数秒)。因此,在室温下的溶液中,该激发态(T:)会有很多机会通过某些非辐射去活化过

2、程,将其过剩的能量转变成了热能或溶剂分子 的动能,从而不能以辐射形式释放能量。故一般在常温下(尤其在溶液中)是观察不到磷光的。以往的磷光分析方法通常都是在液氮(7 7K)或甚至液氦(4K)冷却条件下,使试样成为刚性玻璃体,使T:的非辐射去活化作用降到最小,以观测磷光,这叫做低温磷光(Low一temperatu rephosphor es ce n c e,LT p)o由于L T P需要深冷,需要特殊装置,在一定程度上限制 了它在各方面的应用。在过去,磷光分析法就没有吸光光度法、荧光分析法等那样应 用广泛。但是,磷光分析有它自己的独特优越性:(1)灵敏度高磷光的灵敏度通 常比吸光 光度法高三个数

3、量级。(2)分析曲线(检量线)线性范围宽通 常宽达2一遵个数量级。而吸光光度分析曲线宽度一般只有12个数量级。(3)选择性好这是因为:a.虽然大多数磷光物质能发荧光,但并不是所有能发荧光的物质都能发磷光,b.磷光光谱的位置,通常位于更长波长处,它不像荧光光谱和激发光谱靠得那么近,那么拥挤,不会和激发光谱重叠,从而可避免入射激发光的千扰,自吸收现象也有所减轻。(4)检测下限低磷光较少 受杂散光及背景发光的千扰,亦即空 白值较低。而发光分析的检测下限一般决定于空白值的大小。磷光法的检测下限 可达10一一1。一29。因此,如果在室 温下能检测磷光,显然是有意义的。室 温磷光分析法(Ro omTemp

4、e raturephospho ri metry,R T P)是19 74年Winefordner及其同事吕,在Roth(1967)和Sehulma n(1 972)等人工作的基础上,发展起来的。从此以后,R T P发展很快,19 54年就巳有专著出版,书名就 叫“RoomTemperaturepho sphorim-etryfo:ehemie alAnalysis,书中收录 的文 献已有四百多篇。R T P由于不用液氮和深冷设备,制样简单,灵敏度高,选择性好,有利于 分析仪 器的自动化,很适合 于作有机物及 生 化物质的分析,在生命科学,临床化学,药物化学,环 境 科学,能源科 学等各方面都

5、很有用,所以仅仅十年多时 间里,人们就陆续建立起多种R TP法,它们是;第15卷第。期(29 5 7年)几种室 温磷光法的回顾和展望853(1)固体基质室温磷光法(solidSubstrateRo omTemperaturepho spho r加etry,5 5一RT P,1 974);(2)胶束增稳室温磷光法(Mie ellestabil过edRo omTemper atur epho spho r加etry,MS一RT P,1980);(3)环糊精诱导室温磷光法(cyelodextrinIndueedRo omTemperaturePho sho rime-try,CD一RTP,1 984

6、),(4)增敏/碎灭流体室温磷光(Sen sit ized/Qu en ehedRoomTem peratu rePhospho r-es eene einLiquidSolutions,S/Q一R T P L,198 1);(5)胶态微晶室温磷光(ColloidalMi cro erystalRo omTemperatur ePho sphorese e-nc e,CM一R T P,1984)。下面就这几种R T P法进 行回顾、总结。(一)固体基质室温磷光法,55一R T P55一RTP是最早提出的室 温磷光法。其基本方 法是将在低温下能发磷光的被分析物溶液(水溶液或有机溶液),点滴在滤纸

7、、硅胶色层板、或氧化铝色层板等固体基质(衬底)上,用红外灯烤乾,使磷光物质强烈地吸附(固着)在固体基质上,以保持刚性。有时还在原处点滴上AgNo:、p b(CH:C o o):、TICH。C00或Nai等重原子微扰剂溶液,再烤乾,在乾燥气流保护下进行磷光测量。由于排除了水汽,固着在基质上的磷光分子不易运动,大大减少了非辐射去活化作用,加 上在磷光质点 的邻近处有重原子存在,可以起微扰剂作用,于是试样受光激发,在室温下就 能有效地发出磷光,实现RTP测量“。用滤纸作基质的55一R TP实验装置及步骤,大致如图1所示。实现55一RT P的关键是试样一定要彻底乾燥,防止水汽渗入,以保持试样的刚性,保

8、证磷光强度。现在一般认为,试样与基质之间 的强吸附作用是由于两者之 间形成氢键。试样如果乾燥不 彻底的话,则水汽不仅干扰两者间氢键的形成,而且还会有助于空气中氧 分子的渗入,而O:是著名的高效磷光碎灭剂,会 减弱磷光 强度。但若彻底除去水汽,则空气 流中的0:分子,对55一RTP信号并无影 响。其次,对于分子内不含重原子的 磷光质点,为了实现RTP,常需要添加重原子 微 扰剂,例如AgNo。,Pb(eH3e o o):或Nal等。在一个分子 的邻 近,有重原子型体存在 时,藉乡,丫一L“多宾图1用滤纸作基质的室温磷光分析步骤的示意图a()试样架及滤纸的准备,(b)点样,c()用红外灯烤乾试样,

9、(d)R T P测 盆自旋一轨道藕合相 互作用的增加,就 能增 强该分 子的磷光发射。定性地讲,自旋一轨道藕合是由两个磁场的相互作用引起来 的,这两个磁场则是原子核自旋和电子自旋运动的结果。由于核磁 场的强弱 正比于z咯,(z为核电荷,即原子序数),故自旋一轨道藕合作用随原子序数增加而急剧增强。外部重原子效 应一般产生下列 情况:(1)增大在T,s。中的吸收,(2)缩短磷 光寿命,这有利于提高磷 光强度,(3)减小荧 光量子产率,小,5 84分析化学第15卷第g期(105 7年)(4)一般能增大磷光量 子产率,中,。不同的重原子微扰剂可以有选择性地增强不同物质的磷光强度,故有时 可以采用选择性

10、重原子微扰剂,直接分析多组份试样中各组份的含量,而不需事先分离。温度对55一RTP有影响,通常温度越高,磷光 强度越低。一般在室 温测量磷光强度。但有时为了保证彻底排除水汽对RTP的影响,也有规定在6 0的乾燥空气流中测量磷光的.。5 5一R T P法具有高的灵敏度和选择性,并且试样用量 少,(仅25川),用该法对一系 列芳香族化合物进行分析,分析曲线的线性范围宽,常可达23个数量级,检测下限可达10一。10一29。分析速度快,对成批试样的常规临床分析,平均分析一个试样只需几分钟。5 5一R T P的弱点是,对点样技术和对试样的乾燥程度都要求较高,以及来自基质(如滤纸等)的背景发光强度较高等。

11、(二)胶束增稳室温磷光 法,MS一RTP虽然在1978一7 9年,已有人发现将磷光物质增溶到表面活性剂胶束的水溶液中去,可获得急剧增 强的RTP,但作为MS一RTP的第一篇分析应 用论文,还是1 980年由c lie nLov e等首先提出来的7。我们 曾在“胶束溶液中的荧光和磷光现象”一文中 a,对Ms一RP T技术的基本原理和方 法作过介绍,可供参考。这里只 说三点:1.水的问题第一节说过,磷光怕水,但Ms一R T P则是在水溶液中进行的。这是由于胶束把磷光质点以分子形式增溶进到疏水性的胶束内心中去,胶束在磷光分子外面形成保护性微环境,使它们彼此不能互相碰撞,既避免发生三线态一三线 态湮灭

12、作用(Ti rpl时一Tirl Pe tAn ni hi l ai o tn,T T)A,还防止磷光分子望成激基化合物(x ec如e r),也不使磷光分子 与水分子碰撞,这样 就使非 辐射去活化作用减小到最 低。所以作MS一RT P时,溶浓中表面活性剂的浓度必须 超过cmc值l(右界胶束浓度),而且还要使胶束的浓度足够大,以保证每个胶束中磷光分子的数目小于1。2.重原子效应胶束具有在分 子水平 上把反应物组织起来的功能,增加了磷光分子和重金属 离子的接近度(r Poximi ty),有利于自旋一轨道藕合作用。目前在MS一RT P中常用的混合 抗衡离子 表面 活性 剂为十二烷基 硫酸银(或铭)与

13、十二烷基 硫酸钠3 0/70(A刁Na)LS或(Tl/Na)LS,Ag十或 l T十离子起重原子微扰剂的作用。3.0:气干 扰 问题普通的。:分子就是三线态的,具有顺磁性。o:一旦和受 激磷光分子相碰,就发生能量变换,使磷光碎灭,所以0:是著名的磷光碎灭剂。水和有机溶液中通 常都溶有。:分 子,故作Ms一RTP时,必须 通纯N:,以除氧。但在表面活性剂溶液中通气,很易 起泡,给通气带来 困难。故在MS一RTP法中,通气除02是个麻烦的操作。最近文 献。指 出:氧有穿过某些渗透膜扩散的能力,可以用 化学除氧法简便、有效地除氧。(三)环 糊精诱导室温磷光法,C O一R T p上节提到的胶束是 由若

14、干表面 活性剂分子 聚集起来的“微观有序介质”,是一类尺寸极小的胶体质点。但胶束溶液又不是真正的均相,人们通常把胶束溶液称为“拟均相”或虚假的均相”。环糊精(记作cD)是淀粉经“好碱杆菌”等特定菌类降解制得的大环碳水化 合物分子,常见 的有a一cD,日一CD和卜cD三种,它们 分别由6,7,或8个葡萄糖单体排列结 合成为圆环结构。葡萄糖骨 架 的祸合使环糊精成为刚性的筒形分子,具有特 定体积 的凹陷的筒状空腔,其示意 图见图2。空腔的内径大约是:a一CD一SA,第1 5卷第9期(1057年)几种室温磷光法的回顾和展望855日一C D一8入,Y一C D一10入;环柱的高度,不论a一,日一、丫一,

15、都是7入。空腔具有疏 水性,它 能包 容尺 寸适合 的极性较小的分子,结果形成“包接物”(ic nlu si on)或主客复合物,(ho st一gueste omplex)。这类包接过程类似于在人体 中的酶和被酶作用的底物之间的结合。药物学家则 用环糊精增稳药图2环糊精的结构示意图物,并使药物和体液更加协调。由此可见,环糊精是另一类型的微观有序介质。c D。水溶液是真溶液,是真正的均相,但它可以给一个受 激的发光体提供一个更加固定的具体保护性的微环境,其结果 使荧光或磷光得到增 强。C D一R TP法是1984年才由l Cie nLov e等人“。一”建立起来的,它是在液态水相真溶液中进行磷光

16、 测 量的方法。C D.分 子的刚性筒形空腔,可以作为试样分子藏身的场所,生成主-客复合物,这样可看到荧光增 敏作用。如果CD的空腔,还能同时容纳含有重原子的分子,由于外部重原子效 应,将会使受 激 分子诱导产生系间跨越,转到三线态(T:),并产生RTo PCD.能与很多具有一定大小和空间构型的八从.一,、.二拜.华一伙一共创歌落,、.,一_:.一:.!7 00入(nm)图31一苯基蔡(一)和蔡.()在除去空气的0.o1Mp一CD溶液和0.58MI,2二澳乙烷(DB E)中的经校正的发光光谱激发波长:2 9onm(蔡);l 0 I 一吩有机和无机分 子形成主一客复合物,且 由于形状、尺寸限制和空腔与进入的分子 之间的作用力,导致这类包接反应具有很强的 选 择性。CD一R Tp的灵敏度极高,趋近 于1 0一”moldm一“数量 级。C D一RT P的选择 性 可示例 如图3。比较小的蔡分子 在1,2一二嗅乙烷(记作DB E)存在下山卜CD溶液中,荧光完全被抑制,只有RTP;而较粗大的一苯基蔡不能被有效地 与DBE一起被包裹在 价C D空腔里,故没有RTP,而只有分子荧 光“。c line