奎宁荧光的氯离子猝灭

用脉冲激光激发酸性奎宁溶液,记录荧光衰减,拟合出寿命;换几种氯离子浓度,从施特恩–福尔默图求出猝灭速率常数,并与扩散控制极限比较。

难度 ●●● 约 40 分钟

实验目的 测定奎宁在 0.5 M 硫酸中的荧光寿命和氯离子的双分子猝灭速率常数,并判断猝灭是动态的还是静态的。
337 nm 脉冲激发 · 480 nm 检测 · 按 Gutow(2005)的实验参数计算

时间分辨荧光仪:奎宁与氯离子

荧光衰减
020406080100120140时间 / ns123lg 计数
  • 信号
  • 尾部指数拟合
  • 仪器响应

这一次:τ = 20.6 ns(拟合 420 个点)

稳态荧光 F/F₀ = 1.000

施特恩–福尔默图
00.020.040.06[Cl⁻] / (mol L⁻¹)01002003004001/τ / (10⁶ s⁻¹)
  • 1/τ
  • 扩散控制极限 8RT/3η

至少测两种浓度才能画出直线。

参数取自 Gutow(J. Chem. Educ. 2005):0.5 M H₂SO₄ 中奎宁的寿命 20.4 ns,氯离子的猝灭常数 5.2 × 10⁹ M⁻¹ s⁻¹,仪器响应约 2.5 ns;扩散控制极限 5.8–6.5 × 10⁹ M⁻¹ s⁻¹ 是他按溶液黏度算出的范围。衰减曲线是单指数与高斯仪器响应的卷积,噪声按计数的平方根、由确定性散列生成;拟合只用峰后 5 ns 起的尾部,和学生手算的做法一样。“假想配合物”一项只为对比而设,氯离子并不这样作用。

操作步骤

  1. 选 0 mM 的样品,点“发射激光并拟合”。在对数坐标下,衰减的尾部是一条直线,斜率给出寿命 τ₀。
  2. 依次测 5、10、20、30、40、50、60 mM 氯离子的样品,每次都记录拟合的寿命。
  3. 看施特恩–福尔默图:1/τ 对 [Cl⁻] 的斜率是 k_q,截距是 1/τ₀。算出 K_SV = k_q τ₀。
  4. 把 k_q 与紫色带(扩散控制极限 8RT/3η)比较:几乎每次碰撞都猝灭吗?
  5. 切换到“假想配合物”再测一遍,比较寿命和稳态荧光的变化,说明氯离子属于哪种猝灭。

注意观察

  • 不加氯离子时寿命约 20 ns;60 mM 氯离子使寿命缩短到约 3 ns。
  • 1/τ 对 [Cl⁻] 是直线,斜率约 5 × 10⁹ M⁻¹ s⁻¹,接近而略低于扩散控制极限。
  • 对假想的配合物,荧光变暗而寿命不变——与氯离子的实际行为相反。

真实实验室

  • 氮分子激光器和光电倍增管都用千伏级高压电源;激光是看不见的紫外光,全程戴防紫外护目镜,光路封闭在无反射的挡板里。
  • 仪器响应约 2.5 ns,很快的衰减会被它拉宽:寿命只有几纳秒时,要把指数衰减与仪器响应卷积后再拟合。
  • 奎宁在酸中稳定一年以上,荧光也不被溶解氧猝灭,所以样品不必除氧;硫酸储备液浓度较高,溅到皮肤上要尽快冲洗。

全部实验