Luminescence Spectroscopy

fluorescence, phosphorescence, chemiluminescence all follow

electronic excitation

형광, 인광 및 화학 발광 분자분광법

원리 - 물질 광자 흡수 들뜸 재발광 -정성/정량분석 정보제공 (화학계 제한). - 광발광과 화학발광 Luminescence 방법 - 감도, 넓은 직선농도범위, 검출한계 ppb

분자내 전자 4가지 다른 형태

(1) 결합에 관여하지 않는 닫힌 껍질(closed-shell) 전자들 매우 높은 에너지(자-가시선 영역 해당치 않음)

(2) 공유단일결합(covalent single bond) 전자들(σ전자들) 역시 자-가시선 에너지 흡수에 기여치 않음

(3) 비결합 바깥껍질(paired nonbonding outer-cell)

(η전자들) N, O, S 및 할로겐에서와 같이 짝지어진 (4) π궤도함수에 있는 전자들 (이중, 삼중 결합 전자들)

가장 쉽게 들뜸. 자-가시선 대부분 스펙트럼

H

C

H

O

x x °°

°° σ, π, η

에너지 작은 π* π, π*η 과정에만 형광

전자적으로 들뜬 분자 해소 발광하지 않는 빠른 진동이완 가장 낮은 들뜬 상태 내부전환

따라서 가장 흔한 형광은 첫 번째 들뜬 전자상태로부터 바닥상태로 전자전이

* 높은에너지 흡수, vacuum UV

n * 높은에너지 흡수, 150~250 nm

n * 가장 낮은 에너지 흡수, 200~700 nm

* 중간에너지 흡수, 200~700 nm

(1) 광발광 (형광, 인광):

fluorescence (popular)와 phosphorescence

두 방법의 들뜸 현상은 비슷하지만, 차이는

-형 광 : 전 자 스 핀 의 변 화 없 으 면 서 전 자 E 전 이 . 짧은 수명

- 인광: 전자스핀의 변화 수반. 발광이 일정시간 (sec) 계속됨.

파장변화 : 초기 < 형광복사선 < 인광복사선

(2) 화학발광 : 화학반응 중에 생성되는 들뜬 화학종.

분석물질 산화스펙트럼 특성 이용

분석물질+시약 O3, H2O2 산화제 반응생성물(들뜬화학종)

형광과 인광 이론

형광현상 - 단순한 화학물질계. 복잡한 물질계

원자 Na 5896, 5890Å 3s전자 3p 들뜸 10-5-10-8

동일한 파장 방출 공명복사선 (형광) (or 공명형광)

일반적 분자화학종 은 긴 파장으로 이동(비공명복사선)

= stokes 이동

속도 차이 : 광자흡수속도 10-14~10-15초, 형광발광 10-6~10-5초,

인광발광 10-4~10초 또 그 이상 (단일항상태 삼중항 상태)

활성해소 과정 : 몇가지 복잡한 단계 거쳐 활성 해소

두발광 차이 (전자스핀, 단일항상태, 삼중항상태 이해 필요)

What about lifetimes?

Absorption – S1 S0 very fast 10-15∼10-13 s

Relaxation – resonant emission S1 S0 fast 10-9 ∼ 10-5 s

(fluorescence) common in atoms

– strong absorber shorter lifetime

– non-resonant emission

S1 S0 fast 10-9 ∼ 10-5 s (fluorescence) common in molecules v. fast vibrational relaxation. red shifted emission (Stokes shift)

How Light Interacts with Matter.

Atoms are the basic blocks of matter.

They consist of heavy particles (called protons and neutrons) in the nucleus, surrounded by lighter particles called electrons

각 전자 껍질의 전자 부껍질과 오비탈 수

전자껍질 K L M

주양자수 (n) 1 2 3

방위양자수 (l) 0 0 1 0 1 2

오비탈 종류 1s 2s 2p 3s 3p 3d

공간배위

s s px, py,

pz s

px, py,

pz

dxy,dyz, dxz,dx2-y2,

dz2

오비탈 수

(n2) 1 4 9

표시방법

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Energy Level Diagram

전자스핀

원자 중의 2개의 전자들이 네 가지 양자수 중 같은 것을

갖는 것이 없다.

한 궤도함수에 채울 수 있는 전자들은 2개 서로 반대 스핀 상태 이러한 조건에서 스핀들은 짝지어져 있다고 말함

스핀 짝지어져 있음 = 알짜 자기장을 갖지 않고 반자기성(diamagnetic). 즉 영구 자기장에 저항. 짝짓지 않은 전자를 포함하는 자유라디칼 = 자기모멘트를 가짐. 따라서 자기장에 끌림 = 상자기성(paramagnetic)

① 전자스핀 - 한궤도 함수에 채울 수 있는 전자들은 2개.

서로 반대 스핀 상태 - 짝 이룸

짝 (알짜 자기장 갖지 않고 반자기성. 영구 자기장에 저항)

짝짓지 않은 경우 (자기 모멘트 가짐/상자기성-자기장에 이끌림)

② 단일항상태 (dia반자기성) 전자스핀이 짝지어져(반대방향) 있는 분자 경우. 바닥단일항상태, 들뜬단일항상태

③ 삼중항 상태(para상자기성) - 분자에 있는 전자쌍 중의 한 개 전자가 보다 높은 에너지 준위로 들뜬상태

So (단일항) – common, diamagnetic (반자기성)

Do (이중항) – unpaired electron, many radicals,

two equal energy states

T1 (삼중항) – rare, paramagnetic (상자기성)

Energy level S1 > energy T1

내부전환 : 분자가 복사선을 발광하지 않고 낮은 에너지 준위의 전자상태로 되돌아감. 분자 내부에서 발생 radiationless transition to lower state when vibrational energy levels “match”

외부전환: 들뜬분자와 용매 또는 다른 용질사이에서 일어나는 상호작용의 에너지 전이 (radiationless transition to lower state by collisional deactivation)

계간전이 (Intersystem crossing) : 들뜬 전자의 스핀이 반대방향으로 되는 과정(transition with spin change) (e.g. S to T)

형광: emission not involving spin change (e.g. SS, TT), efficient, short-lived <10-5s

인광: emission involving spin change (S T), improbable, long-lived >10-5s 들뜬 삼중항 상태로 계간전이 내/외부 전환

Energy Level Diagram

에너지 작은 π* π, π*η 과정에만 형광

전자적으로 들뜬 분자 해소 발광하지 않는 빠른 진동이완 가장 낮은 들뜬 상태 내부전환

따라서 가장 흔한 형광은 첫 번째 들뜬 전자상태로부터 바닥상태로 전자전이

* 높은에너지 흡수, vacuum UV

n * 높은에너지 흡수, 150~250 nm

n * 가장 낮은 에너지 흡수, 200~700 nm

* 중간에너지 흡수, 200~700 nm

형광과 인광 영향변수 양자수득율(quantum yield; 양자효율 efficiency)

φ = 형광발광분자수/들뜬전체 분자수

φ = (형광발생)/(계간전이+외부전환+내부전환+유발분해

+분해과정.…= 흡수광)

∼ 250nm 이하 자외선 (형광현상 거의 일어나지 않음).

이유는 (복사선 에너지 너무 커 결합이 절단 σ* σ 일어나지 않음)

분자구조 : 가장세고 유용한 형광 π, π* 전이 = 방향족 작용기

대부분의 치환기를 갖지 않는 방향족 탄화수소는 용액 중에서 형광을 낸다

온도와 용매의 영향

대부분 온도 증가에 따라 감소 (충돌횟수가 증가... 외부전환에 의한 활성해소 확률증가)

용매의 점도가 감소 (역시 외부전환의 가능성 증가)

다양한 영향 : pH, 용존산소, 농도 등

형광/인광측정기: 자외선/가시선 광도계, 분광광도계와 비슷 형광계fluorometer, 분광광도계 spectrofluorometer

거의 모든 형광계는 광원의 변동을 상쇄하기 위해 겹빛살형을 이용

형광은 시료에서부터 모든 방향으로 발광되지만 입사광에 대하여 직각되는 방향에서 관측 바람직

다른 방향 (용액과 용기벽에서 생기는 산란광이 증가, 큰 오차가 생길 수 있음) 광원 - 흡수측정에 사용되는 텅스텐, 수소등광원보다

더 센 광원 필요

( 용융실리카창을 가진 저압 수은증기등)

3.4. 형광광도법 응용

• 무기물, 유기물에 응용 형광성 화합물 한정 응용 제한

• 비형광성 물질 반응 형광성 착물 형성 분석

• 무기물 형광내는 것이 많지 않다(x)

• 유기물 복잡한 구조를 갖은 미량과 초미량 분석에 가장 효과적으로 이용

– 방향족 화합물은 대부분 형광성