荧光光谱的原理与应用

1、荧光光谱的原理与应用主要内容2荧光光谱的基本原理荧光光谱的基本原理1荧光光谱仪的原理、操作及数据处理荧光光谱仪的原理、操作及数据处理2荧光光谱的应用荧光光谱的应用3参考资料参考资料4荧光光谱的基本原理34荧光定义荧光定义荧光荧光是是辐射跃迁辐射跃迁的一种，是物质从的一种，是物质从激发态激发态失活到失活到多重性多重性相同的低相同的低能状态时所释放的辐射。能状态时所释放的辐射。5构造原理构造原理：电子在原子或分子中排布所遵循的规则。：电子在原子或分子中排布所遵循的规则。基态和激发态基态和激发态 能量最低原理能量最低原理 泡利不相容原理泡利不相容原理 洪特规则洪特规则基态基态： 当一个分子中的所有电

2、子的排布都遵从当一个分子中的所有电子的排布都遵从构造原理构造原理时，此分子被称为处于基态。时，此分子被称为处于基态。激发态激发态：当一个分子中的电子排布不完全遵从：当一个分子中的电子排布不完全遵从构造原理构造原理时，此分子被称为处于激发态。时，此分子被称为处于激发态。 电子激发态的多重度电子激发态的多重度： M = 2S+1 S为电子自旋量子数的代数和为电子自旋量子数的代数和(0或或1)； 电子激发态的多重度电子激发态的多重度根据洪特规则根据洪特规则(平行自旋比成对自旋稳定平行自旋比成对自旋稳定)，三重态能级比相应单重态能级，三重态能级比相应单重态能级低；大多数有机分子的基态处于单重态；低；大

3、多数有机分子的基态处于单重态； 分子能级比原子能级复杂；分子能级比原子能级复杂； 在每个电子能级上，都存在振动、转动能级；在每个电子能级上，都存在振动、转动能级； 分子能级与跃迁分子能级与跃迁激发激发： 基态基态( (S S0 0)激发态激发态( (S S1 1、S S2 2激发态振动能级激发态振动能级) )：吸收吸收特定频率的辐射；量子化；跃迁一次到位；特定频率的辐射；量子化；跃迁一次到位；失活失活： 激发态激发态 基态基态：多种途径和方式：多种途径和方式( (见能级图见能级图) )；速；速度最快、激发态寿命最短的途径占优势；度最快、激发态寿命最短的途径占优势； 第一、第二、第一、第二、电子

4、激发电子激发单重态单重态 S S1 1 、S S2 2 ； 第一、第二、第一、第二、电子激发电子激发三重态三重态 T T1 1 、T T2 2 ；8雅布隆斯基分子能级图雅布隆斯基分子能级图S2S1S0T1吸吸收收发发射射荧荧光光发发射射磷磷光光系间窜越内转换振动弛豫能量l l 2l l 1l l 3 外转换l l 2T2内转换振动弛豫9跃迁规则跃迁规则跃迁前后跃迁前后原子核的构型原子核的构型没有发生改变、跃迁过程中没有发生改变、跃迁过程中电子自旋电子自旋没有没有改变、跃迁前后改变、跃迁前后电子的轨道电子的轨道在空间有较大的在空间有较大的重叠重叠和和轨道的对映性轨道的对映性发生了改变的跃迁是允许

5、的；发生了改变的跃迁是允许的；跃迁过程中跃迁过程中电子自旋电子自旋发生了改变、跃迁前后发生了改变、跃迁前后电子的轨道电子的轨道在空间不在空间不重叠重叠或或轨道的对映性轨道的对映性未发生改变的跃迁是禁阻的。未发生改变的跃迁是禁阻的。Franck-Condon原理原理： 在电子跃迁完成的瞬间，分子中在电子跃迁完成的瞬间，分子中原子核的构型原子核的构型是来不及改是来不及改变的。变的。 电子处于激发态是不稳定状态，容易返回基态，在这个过程中通过电子处于激发态是不稳定状态，容易返回基态，在这个过程中通过辐射跃迁辐射跃迁( (发光发光) )和和无辐射跃迁无辐射跃迁等方式失去能量，这个过程就称为等方式失去能

6、量，这个过程就称为失活失活。失活途径失活途径辐射跃迁荧光磷光内转换外转换系间窜越振动弛豫无辐射跃迁 激发态激发态停留时间短、返回速度快停留时间短、返回速度快的途径，发生的的途径，发生的几率大几率大。失活的途径失活的途径 振动弛豫振动弛豫：同一：同一电子能级内以热能量交换形式由高振电子能级内以热能量交换形式由高振动能级至低相邻振动能级间的跃迁。发生振动弛豫的时动能级至低相邻振动能级间的跃迁。发生振动弛豫的时间一般为间一般为10-12 s。 无辐射跃迁失活的途径无辐射跃迁失活的途径通过内转换和振动弛豫，高激发单重态的电子跃回第一通过内转换和振动弛豫，高激发单重态的电子跃回第一激发单重态的最低振动能

7、级。激发单重态的最低振动能级。 内转换内转换：多重度相同的电子能级中等能级间的无辐射：多重度相同的电子能级中等能级间的无辐射能级跃迁。能级跃迁。 无辐射跃迁失活的途径无辐射跃迁失活的途径系间窜越系间窜越：不同多重态：不同多重态,有重叠的转动能级间的非辐射跃迁。有重叠的转动能级间的非辐射跃迁。 改变电子自旋，禁阻跃迁，通过自旋改变电子自旋，禁阻跃迁，通过自旋轨道耦合进行轨道耦合进行。外转换外转换：激发分子与溶剂或其他分子之间产生相互作用而转：激发分子与溶剂或其他分子之间产生相互作用而转移能量的非辐射跃迁；移能量的非辐射跃迁； 外转换使荧光或磷光减弱或外转换使荧光或磷光减弱或“猝灭猝灭”。荧光发射

8、荧光发射：电子由第一激发单重态的最低振动能级：电子由第一激发单重态的最低振动能级基态（基态（ 多为多为 S S1 1 S S0 0跃迁跃迁），），发射波长为发射波长为 l l2 2的荧光；的荧光； 1010-7-71010-9-9 s s 。 辐射跃迁失活的途径辐射跃迁失活的途径磷光发射磷光发射：电子由第一激发三重态的最低振动能级：电子由第一激发三重态的最低振动能级基态（基态（ 多为多为 T T1 1 S S0 0跃迁跃迁）；）；发射波长为发射波长为 l l3 3 的磷光；的磷光； 1010-4-4100 s 100 s 。 电子由电子由 S S0 0 进入进入 T T1 1 的可能过程：（的

9、可能过程：（ S S0 0 T T1 1禁阻跃迁）禁阻跃迁） S S0 0 激发激发振动弛豫振动弛豫内转换内转换系间窜越系间窜越振动弛豫振动弛豫T T1 1 发光速度很慢，光照停止后，可持续一段时间发光速度很慢，光照停止后，可持续一段时间。 由图可见，由图可见，发射荧光的能量比分子吸收的能量小，波长长发射荧光的能量比分子吸收的能量小，波长长； l l2 2 l l 2 2 l l 1 1 ； 14激发谱激发谱 固定发射波长固定发射波长(一般将其固定于发射波段中感兴趣的峰位一般将其固定于发射波段中感兴趣的峰位)，扫描，扫描出的化合物的出的化合物的发射光强发射光强(荧光荧光/磷光磷光) 与与入射光

10、波长入射光波长的关系曲线。的关系曲线。主要光谱参量主要光谱参量发射谱发射谱 固定激发波长固定激发波长(一般将其固定于激发波段中感兴趣的峰位一般将其固定于激发波段中感兴趣的峰位),扫描出扫描出的化合物的的化合物的发射光强发射光强(荧光荧光/磷光磷光) 与与入射光波长入射光波长的关系曲线。的关系曲线。吸收谱吸收谱 化合物的化合物的吸收光强吸收光强与与入射光波长入射光波长的关系曲线的关系曲线 。 15主要光谱参量主要光谱参量 吸收谱吸收谱反映出的是物质的基态能级与激发态能级之间所有的允许跃迁。反映出的是物质的基态能级与激发态能级之间所有的允许跃迁。 通常状态下的物质的通常状态下的物质的表观颜色表观颜

11、色大部分时候取决于其大部分时候取决于其吸收特性吸收特性。 激发谱激发谱则反映的是基态与所有与该荧光发射有关的能级之间的跃迁。其所则反映的是基态与所有与该荧光发射有关的能级之间的跃迁。其所呈现的关系比吸收谱要有选择性，但有时候又不如吸收谱来的直接。呈现的关系比吸收谱要有选择性，但有时候又不如吸收谱来的直接。电子跃迁到不同激发态能级电子跃迁到不同激发态能级时，吸收不同波长的能量时，吸收不同波长的能量( (如如能级图能级图l l2 2 , ,l l1 1) )，产生不同吸，产生不同吸收带，但均回到第一激发单收带，但均回到第一激发单重态的最低振动能级再跃迁重态的最低振动能级再跃迁回到基态，产生波长一定

12、的回到基态，产生波长一定的荧光荧光( (如如l l2 2 ) )。因此，。因此，发射发射谱的形状与激发波长无关谱的形状与激发波长无关。 16斯托克位移斯托克位移一个化合物的发射光谱常常与其吸收光谱很类似，但总是较相应一个化合物的发射光谱常常与其吸收光谱很类似，但总是较相应的吸收光谱红移，这称为的吸收光谱红移，这称为斯托克位移斯托克位移（Stokes shift）。）。蒽在溶液中的吸收（虚线）蒽在溶液中的吸收（虚线）和发射（实线）光谱和发射（实线）光谱17产生斯托克位移的主要原因：产生斯托克位移的主要原因：1.1.跃迁到激发态高振动能级的激发态分子，首先以更快的速跃迁到激发态高振动能级的激发态分

13、子，首先以更快的速率发生振动弛豫（其速率在率发生振动弛豫（其速率在10101313/s/s数量级），散失部分能量，数量级），散失部分能量，达到零振动能级，一般从零振动能级发射荧光；达到零振动能级，一般从零振动能级发射荧光；2.2.激发态形成后，其分子的构型将很快进一步调整，以达到激发态形成后，其分子的构型将很快进一步调整，以达到激发态的稳定构型，这又损失了部分能量；激发态的稳定构型，这又损失了部分能量；3.3.发射荧光的激发态多为（发射荧光的激发态多为（，*）态，这种激发态较基态）态，这种激发态较基态时有更大的极性，因此将在更大程度上为极性溶剂所稳定，使时有更大的极性，因此将在更大程度上为极性

14、溶剂所稳定，使激发态的能量进一步降低。激发态的能量进一步降低。斯托克位移斯托克位移18不过，有时在高温下也可观察到不过，有时在高温下也可观察到反斯托克位移反斯托克位移现象，即荧光光谱移向现象，即荧光光谱移向吸收光谱的短波方向。这是由于高温使更多的激发态分子处于高振动吸收光谱的短波方向。这是由于高温使更多的激发态分子处于高振动能级，荧光主要从激发态的高振动能级发出所致。能级，荧光主要从激发态的高振动能级发出所致。既没发生斯托克位移也没发生反斯托克位移的荧光称既没发生斯托克位移也没发生反斯托克位移的荧光称共振荧光共振荧光。反斯托克位移反斯托克位移19荧光发射是光吸收的逆过程。荧光发射光谱与吸收光谱

15、有类似镜影的荧光发射是光吸收的逆过程。荧光发射光谱与吸收光谱有类似镜影的关系。但当激发态的构型与基态的构型相差很大时，荧光发射光谱将关系。但当激发态的构型与基态的构型相差很大时，荧光发射光谱将明显不同于该化合物的吸收光谱。明显不同于该化合物的吸收光谱。镜像规则镜像规则荧光光谱荧光光谱 固定激发光波长物质发射的荧光强度与发固定激发光波长物质发射的荧光强度与发射光波长关系曲线，如右图中曲线射光波长关系曲线，如右图中曲线II。 荧光本身则是由电子在两能级间不发生自荧光本身则是由电子在两能级间不发生自旋反转的辐射跃迁过程中所产生的光。旋反转的辐射跃迁过程中所产生的光。磷光光谱磷光光谱 固定激发光波长物

16、质发射的磷光强度与固定激发光波长物质发射的磷光强度与发射光波长关系曲线，如右图中曲线发射光波长关系曲线，如右图中曲线III。 磷光本身则是由电子在两能级间发生自旋磷光本身则是由电子在两能级间发生自旋反转的辐射跃迁过程中所产生的光。反转的辐射跃迁过程中所产生的光。荧光光谱与磷光光谱荧光光谱与磷光光谱21200260320380440500560620荧荧光光激激发发光光谱谱荧荧光光发发射射光光谱谱磷磷光光光光谱谱室室温温下下菲菲的的乙乙醇醇溶溶液液荧荧（磷磷）光光光光谱谱光谱图光谱图自吸收现象自吸收现象：化合物的荧光发射光谱的短波长端与其吸收光：化合物的荧光发射光谱的短波长端与其吸收光谱的长波长

17、端重叠，产生自吸收；如蒽化合物。谱的长波长端重叠，产生自吸收；如蒽化合物。内滤光作用内滤光作用：溶液中含有能吸收激发光或荧光物质发射的荧：溶液中含有能吸收激发光或荧光物质发射的荧光，如色胺酸中的重铬酸钾；光，如色胺酸中的重铬酸钾；内滤光作用和自吸收现象内滤光作用和自吸收现象200250300350400450500荧光激发光谱荧光激发光谱荧光发射光谱荧光发射光谱nm蒽的激发光谱和荧光光谱蒽的激发光谱和荧光光谱23荧光寿命荧光寿命荧光寿命荧光寿命 是荧光强度衰减为初始时的是荧光强度衰减为初始时的1/e1/e所需要的时间，所需要的时间，常用常用 表示。表示。如荧光强度的衰减符合指数衰减的规律如荧光

18、强度的衰减符合指数衰减的规律: : I It t I I0 0e e-kt-kt 其中其中I I0 0是激发时最大荧光强度，是激发时最大荧光强度，I It t是时间是时间t t时的荧光强度，时的荧光强度，k k是衰减常是衰减常数。假定在时间数。假定在时间 时测得的时测得的I It t为为I I0 0的的1/e1/e，则，则 是我们定义的是我们定义的荧光寿命荧光寿命。24寿命寿命 是衰减常数是衰减常数k k的倒数。事实上，在瞬间激发后的某个时间，荧光强度的倒数。事实上，在瞬间激发后的某个时间，荧光强度达到最大值，然后荧光强度将按指数规律下降。从最大荧光强度值后任一达到最大值，然后荧光强度将按指数

19、规律下降。从最大荧光强度值后任一强度值下降到其强度值下降到其1/e1/e所需的时间都应等于所需的时间都应等于 。 荧光寿命荧光寿命25如果激发态分子只以发射荧光的方式丢失能量，则荧光如果激发态分子只以发射荧光的方式丢失能量，则荧光寿命与荧光发射速率的衰减常数成反比。寿命与荧光发射速率的衰减常数成反比。荧光寿命荧光寿命因此有因此有 F F 1/K1/KF F F F表示表示荧光分子的固有荧光寿命荧光分子的固有荧光寿命，k kF F表示表示荧光发射速率的衰减常数荧光发射速率的衰减常数。荧光发射速率荧光发射速率即为单位时间中发射的光子数。即为单位时间中发射的光子数。26处于激发态的分子，除了通过发射

20、荧光回到基态以外，还会通过一处于激发态的分子，除了通过发射荧光回到基态以外，还会通过一些其它过程些其它过程( (如淬灭和能量转移如淬灭和能量转移) )回到基态，其结果是加快了激发态回到基态，其结果是加快了激发态分子回到基态的过程分子回到基态的过程( (或称失活过程或称失活过程) )，结果是荧光寿命降低。，结果是荧光寿命降低。寿命寿命 和这些过程的速率常数有关，总的失活过程的速率常数和这些过程的速率常数有关，总的失活过程的速率常数k k可以可以用各种失活过程的速率常数之和来表示用各种失活过程的速率常数之和来表示: :k k k kF F+ + k ki ik ki i表示各种非辐射过程的衰减速率

21、常数。表示各种非辐射过程的衰减速率常数。则总的则总的寿命寿命 为为: : 1/k1/k 1/(k1/(kF F+ + k ki i) )荧光寿命荧光寿命27由于吸收几率与发射几率有关，由于吸收几率与发射几率有关， F F与与最大吸收位置的摩尔消光系数最大吸收位置的摩尔消光系数 maxmax ( (单位为单位为cmcm2 2molmol-1-1或或 (mol(mol dmdm-3-3) )-1-1cmcm-1-1) )也密切相关。也密切相关。从下式可以得到从下式可以得到 F F的粗略估计值的粗略估计值( (单位为秒单位为秒) )。1/1/ F F10104 4 maxmax注意注意：在讨论寿命时

22、，不要把在讨论寿命时，不要把寿命寿命与与跃迁时间跃迁时间混淆起来。跃迁时间是跃迁混淆起来。跃迁时间是跃迁频率的倒数，而寿命是指分子在某种特定状态下存在的时间。频率的倒数，而寿命是指分子在某种特定状态下存在的时间。通过测量寿命，可以得到有关分子结构和动力学方面的信息。通过测量寿命，可以得到有关分子结构和动力学方面的信息。荧光寿命荧光寿命28延迟荧光延迟荧光一般荧光寿命为一般荧光寿命为1010-8-8s s，最长可达，最长可达1010-6-6s s。但有时却可能。但有时却可能观察到长达观察到长达1010-3-3s s。这种长寿命的延时发射的荧光，被称。这种长寿命的延时发射的荧光，被称为为延迟荧光延

23、迟荧光或缓发荧光。或缓发荧光。延迟荧光与普通荧光的区别主要在于延迟荧光与普通荧光的区别主要在于辐射寿命不同辐射寿命不同。这种长寿命。这种长寿命的延迟荧光来源于从第一激发三重态（的延迟荧光来源于从第一激发三重态（T T1 1）重新生成的）重新生成的S S1 1态的辐射跃态的辐射跃迁。即延迟荧光产生的过程为：迁。即延迟荧光产生的过程为：S1T1S1S0+hf29延迟荧光延迟荧光E E型延迟荧光型延迟荧光：当第一激发单重态当第一激发单重态S S1 1与第一激发三重态与第一激发三重态T T1 1能差较小时，能差较小时，T T1 1态有时可从态有时可从环境获取一定的热能后又达到能量更高的环境获取一定的热

24、能后又达到能量更高的S S1 1态。即态。即T1S1这种现象首先从四溴荧光素（这种现象首先从四溴荧光素（eosin）观察到，故得名）观察到，故得名E型延迟荧光型延迟荧光。P P型延迟荧光型延迟荧光：当单重态（当单重态（S S1 1）与三重态（）与三重态（T T1 1）能差较大时，）能差较大时，T T1 1不可能靠从环境取不可能靠从环境取得热能而到达得热能而到达S S1 1态。这时有可能在两个三重态分子靠近时，通过两态。这时有可能在两个三重态分子靠近时，通过两个三重态分子的湮灭过程重新生成个三重态分子的湮灭过程重新生成S S1 1态。即态。即S1+S1T1+T1(T1T1)S0+S1S0+S0+

25、hp这种现象首先从芘（这种现象首先从芘（pyrene）和菲（）和菲（phenanthrence）观察到，故得名）观察到，故得名P型延迟荧光型延迟荧光。30荧光荧光量子产率量子产率是物质荧光特性中最基本的参数之一，它表示物质发是物质荧光特性中最基本的参数之一，它表示物质发射荧光的效率。射荧光的效率。量子产率量子产率荧光荧光量子产率量子产率通常用通常用 来表示，定义为来表示，定义为荧光发射量子数荧光发射量子数与与被物质吸收被物质吸收的光子数的光子数之比，也可表示为之比，也可表示为荧光发射强度荧光发射强度与与被吸收的光强被吸收的光强之比，或表之比，或表示为示为荧光发射速率荧光发射速率与与吸收光速率常

26、数吸收光速率常数之比，即：之比，即： = = 荧光发射量子数荧光发射量子数/ /吸收的光子数吸收的光子数 = k= kf fSS1 1/吸光速率吸光速率 = I= If f/I/Ia a 31量子产率量子产率一般情况下，荧光一般情况下，荧光量子产率量子产率（ ) )不随激发光波长而改变，这被称为不随激发光波长而改变，这被称为Kasha-VavilovKasha-Vavilov规则规则。但如果形成的激发态会导致化学反应或系间窜越。但如果形成的激发态会导致化学反应或系间窜越与内转换的竞争，则可能使与内转换的竞争，则可能使 受到影响。例如，在低压气相以受到影响。例如，在低压气相以254 nm的光激发

27、苯，的光激发苯， = 0.4，而当以小于，而当以小于240 nm的光激发苯时，则未检测的光激发苯时，则未检测到荧光。这是由于苯的高振动能级的到荧光。这是由于苯的高振动能级的S1态会使其转变为杜瓦苯。不同态会使其转变为杜瓦苯。不同化合物的化合物的 差别可以很大。差别可以很大。另外，另外， 还会受环境（如温度、溶剂等）的影响，例如，降低温度可还会受环境（如温度、溶剂等）的影响，例如，降低温度可导致一个化合物的导致一个化合物的 增大，提高温度可导致一个化合物的增大，提高温度可导致一个化合物的 降低。降低。32量子产率量子产率由于荧光的非单色性、各向的不均匀性和二级发射等原因，荧光量由于荧光的非单色性

28、、各向的不均匀性和二级发射等原因，荧光量子产率的直接测定的重复性往往较差。因此，实际测量中大多采用的子产率的直接测定的重复性往往较差。因此，实际测量中大多采用的是是相对法相对法，即用一已知其荧光量子产率的参比化合物在相同条件下对，即用一已知其荧光量子产率的参比化合物在相同条件下对照测定，并可通过公式计算目标化合物的荧光量子产率：照测定，并可通过公式计算目标化合物的荧光量子产率： = sIscs/(Isc) s、 s、cs和和Is分别是参照物的荧光量子产率（已知）、摩尔消光系数、溶分别是参照物的荧光量子产率（已知）、摩尔消光系数、溶液浓度和荧光强度；液浓度和荧光强度； 、 、c和和I分别是被测物

29、的荧光量子产率（未知）、摩分别是被测物的荧光量子产率（未知）、摩尔消光系数、溶液浓度和荧光强度。尔消光系数、溶液浓度和荧光强度。参照物参照物应是应是 已知已知、无自吸收无自吸收、无浓度猝灭无浓度猝灭、在被测物所用溶剂中可溶在被测物所用溶剂中可溶、易易纯化纯化、稳定稳定和和对杂质不敏感对杂质不敏感的物质。常用的参照物如罗丹明的物质。常用的参照物如罗丹明B和喹啉硫酸氢盐和喹啉硫酸氢盐等。等。荧光产生的条件荧光产生的条件化合物能够产生荧光的化合物能够产生荧光的必要条件必要条件是：是： 它它吸收光子发生多重性不变的跃迁时所吸收的能量小吸收光子发生多重性不变的跃迁时所吸收的能量小于断裂其最弱的化学键所需

30、要的能量于断裂其最弱的化学键所需要的能量。另外，化合物要能发生荧光，其结构中必须有另外，化合物要能发生荧光，其结构中必须有荧光基团荧光基团。荧光基团荧光基团都是都是含有不饱和键含有不饱和键的基团，当这些基团是分子的的基团，当这些基团是分子的共轭体系的一部分时，则该化合物可能产生荧光。共轭体系的一部分时，则该化合物可能产生荧光。34影响荧光的主要因素影响荧光的主要因素1.1.荧光助色团与荧光消色团荧光助色团与荧光消色团：可使化合物荧光增强的基团被称为可使化合物荧光增强的基团被称为荧光助色团荧光助色团。一般。一般为为给电子取代基给电子取代基，如，如-NH-NH2 2、-OH-OH等。相反，等。相反

31、，吸电子基团吸电子基团如如-COOH-COOH、-CN-CN等将减弱或抑制荧光的产生，被称为等将减弱或抑制荧光的产生，被称为荧荧光消色团光消色团。35影响荧光的主要因素影响荧光的主要因素增加共平面的稠合环的数目，特别是当稠合环以线型排列时，将增加共平面的稠合环的数目，特别是当稠合环以线型排列时，将有利于体系内有利于体系内 电子的流动，从而使体系发生跃迁所需吸收的能量电子的流动，从而使体系发生跃迁所需吸收的能量降低，进而有利于荧光的产生。降低，进而有利于荧光的产生。2.2.增加稠合环可增强荧光增加稠合环可增强荧光：刚性增强后，将减弱分子的振动，从而使分子的激发能不易因振刚性增强后，将减弱分子的振

32、动，从而使分子的激发能不易因振动而以热能形式释放；另外，分子刚性的增加常有利于增加分子动而以热能形式释放；另外，分子刚性的增加常有利于增加分子的共平面，从而有利于增大分子内的共平面，从而有利于增大分子内 电子的流动性，也就有利于荧电子的流动性，也就有利于荧光的产生。光的产生。3.3.提高分子的刚性可增强荧光提高分子的刚性可增强荧光：36影响荧光的主要因素影响荧光的主要因素根据电子跃迁规则，根据电子跃迁规则，S S1 1态的电子组态是（态的电子组态是（ ， * *）态时，有利于荧）态时，有利于荧光的产生，当光的产生，当S S1 1态的电子组态是（态的电子组态是（n n， * *）态时，不利于荧光

33、的产）态时，不利于荧光的产生。生。4.4.激发态电子组态的影响激发态电子组态的影响：重原子具有增强系间窜越的作用，将增大从重原子具有增强系间窜越的作用，将增大从S S1 1态向态向T T1 1态的系间窜态的系间窜越的速率常数和量子产率，从而导致降低荧光量子产率。越的速率常数和量子产率，从而导致降低荧光量子产率。5.5.重原子将导致荧光量子产率的降低重原子将导致荧光量子产率的降低：37影响荧光的主要因素影响荧光的主要因素增加溶剂的极性，一般有利于荧光的产生。增加溶剂的极性，一般有利于荧光的产生。6.6.溶剂极性的影响溶剂极性的影响：降低体系温度可以提高荧光量子产率。降低体系温度可以提高荧光量子产

34、率。7.7.温度的影响温度的影响：如氢键、吸附、溶剂粘度增加等均可提高荧光的量子产率，这都如氢键、吸附、溶剂粘度增加等均可提高荧光的量子产率，这都可用减少了分子的热振动和增加了分子的刚性来解释。可用减少了分子的热振动和增加了分子的刚性来解释。8.8.其它影响因素其它影响因素：39荧光光谱仪的原理、操作及数据处理荧光光谱仪的原理、操作及数据处理40在实验样品受到激发的在实验样品受到激发的情况下，通过选择合适情况下，通过选择合适的探测器和工作模式，的探测器和工作模式，记录下发射光强与激发记录下发射光强与激发源特性、样品特性以及源特性、样品特性以及温度、时间、空间、能温度、时间、空间、能量等相关特性

35、之间的关量等相关特性之间的关系，以此来更好的研究系，以此来更好的研究或利用发光过程。或利用发光过程。荧光光谱仪的基本原理荧光光谱仪的基本原理41样品准备样品准备块状固体块状固体1.1. 为了获取尽可能理想的光谱，减小内外表面因素的干扰，最好为了获取尽可能理想的光谱，减小内外表面因素的干扰，最好切切成规则形状，并进行抛光成规则形状，并进行抛光。 2. 2. 如果要做系列样品特性的对比，应尽量在如果要做系列样品特性的对比，应尽量在尺寸和光洁度尺寸和光洁度上将其制为上将其制为同一规格同一规格。4. 4. 对于与各项异性有关的测试，务必要注意对于与各项异性有关的测试，务必要注意光轴（或光轴（或 x,y

36、,z x,y,z 轴）的轴）的位置位置。 5. 5. 对于有对于有自吸收自吸收特性的样品要注意其对测试结果的影响。特性的样品要注意其对测试结果的影响。42样品准备样品准备粉体和微晶粉体和微晶1.1. 避免混入诸如滤纸纤维、胶水等杂质避免混入诸如滤纸纤维、胶水等杂质，以免其发光对测试结果产生，以免其发光对测试结果产生影响。影响。 2. 2. 样品应尽量保存在样品应尽量保存在不会引入杂质又防潮避光不会引入杂质又防潮避光的样品管（盒）中。的样品管（盒）中。 3. 3. 对于强光下不稳定的化合物，测试时应特别注意对于强光下不稳定的化合物，测试时应特别注意控制入射光的强度控制入射光的强度，避免破坏样品。

37、避免破坏样品。4. 4. 粉体和微晶样品一般夹在粉体和微晶样品一般夹在石英玻璃片石英玻璃片进行测试。进行测试。43液体液体样品准备样品准备1. 1. 溶液样品尽量使用溶液样品尽量使用透明的玻璃化溶液透明的玻璃化溶液，避免在这种汇聚式光路中，避免在这种汇聚式光路中由于比色皿中溶液的前后吸收不均导致的光谱失真问题。由于比色皿中溶液的前后吸收不均导致的光谱失真问题。 2. 2. 为安全起见，对于使用挥为安全起见，对于使用挥发性剧毒溶剂发性剧毒溶剂的测试，一定要有合适的的测试，一定要有合适的防护防护。 3. 3. 易挥发、易变质易挥发、易变质的溶液最好的溶液最好现配现测现配现测。4. 4. 液体样品一

38、般放在液体样品一般放在带盖石英比色皿带盖石英比色皿（与紫外测试所用比色皿不同，（与紫外测试所用比色皿不同，为侧面全透明型）为侧面全透明型）中进行测试。中进行测试。44测试准备测试准备 由于物质的发射特性和吸收特性是紧密相关的，所以提前做好由于物质的发射特性和吸收特性是紧密相关的，所以提前做好吸收谱可以有效缩短荧光测试的摸索时间。吸收谱可以有效缩短荧光测试的摸索时间。 对于不知道相关特性的样品，吸收谱的测试比荧光光谱的测试对于不知道相关特性的样品，吸收谱的测试比荧光光谱的测试要容易很多。要容易很多。所以，建议大家所以，建议大家先测一下样品的吸收谱，并从中找出感兴先测一下样品的吸收谱，并从中找出感

39、兴趣的吸收峰和特性趣的吸收峰和特性，在荧光测试时以便参考。，在荧光测试时以便参考。45光谱测试光谱测试1.1. 开机开机 电源电源灯源灯源2.2.发射谱发射谱 根据吸收谱中感兴趣的峰确定激发波长，选择合适的发射谱波长根据吸收谱中感兴趣的峰确定激发波长，选择合适的发射谱波长范围、滤光片、光路狭缝、扫描速度等进行发射谱的扫描。范围、滤光片、光路狭缝、扫描速度等进行发射谱的扫描。3.3.激发谱激发谱 根据发射谱中感兴趣的峰确定发射波长，选择合适的激发谱波长根据发射谱中感兴趣的峰确定发射波长，选择合适的激发谱波长范围、滤光片、光路狭缝、扫描速度等进行激发谱的扫描。范围、滤光片、光路狭缝、扫描速度等进行

40、激发谱的扫描。464.4.发射谱发射谱 根据激发谱中感兴趣的峰确定激发波长，选择合适的发射谱波长根据激发谱中感兴趣的峰确定激发波长，选择合适的发射谱波长范围、滤光片、光路狭缝、扫描速度等进行发射谱的扫描。范围、滤光片、光路狭缝、扫描速度等进行发射谱的扫描。5.5.重复重复3 3、4 4步循环扫描得到理想的光谱图。步循环扫描得到理想的光谱图。7.7.关机关机 光源光源电源电源6.6.保存数据保存数据光谱测试光谱测试47滤光片的选择滤光片的选择1.1.按光谱波段分：按光谱波段分：紫外滤光片、可见滤光片、红外滤光片；紫外滤光片、可见滤光片、红外滤光片； 2.2.按光谱特性分：按光谱特性分： 带通滤光

41、片、截止滤光片、分光滤光片、中性密度滤光片、带通滤光片、截止滤光片、分光滤光片、中性密度滤光片、反射滤光片；反射滤光片； 带通型带通型： 选定波段的光通过，通带以外的光截止。选定波段的光通过，通带以外的光截止。 短波通型短波通型( (又叫低波通又叫低波通) )：短于选定波长的光通过，长于该：短于选定波长的光通过，长于该波长的光截止。波长的光截止。 比如红外截止滤光片，比如红外截止滤光片，IBG-650IBG-650。 长波通型长波通型( (又叫高波通又叫高波通) )：长于选定波长的光通过，短于该：长于选定波长的光通过，短于该波长的光截止波长的光截止 比如红外透过滤光片，比如红外透过滤光片，IP

42、G-800. IPG-800. 滤光片的分类滤光片的分类48滤光片的选择滤光片的选择为了消除剩余入射光对荧光光谱产生影响，我们通常要选择合为了消除剩余入射光对荧光光谱产生影响，我们通常要选择合适的适的长波通型截止滤光片长波通型截止滤光片。激发波长一定要小于发射波长激发波长一定要小于发射波长。发射谱发射谱扫描过程中，通常选择扫描过程中，通常选择比激发波长长，比发射谱最短波比激发波长长，比发射谱最短波长短长短的长波通型截止滤光片。的长波通型截止滤光片。激发谱激发谱扫描过程中，通常选择扫描过程中，通常选择比发射波长短，比激发谱最长波比发射波长短，比激发谱最长波长长长长的长波通型截止滤光片。的长波通型

43、截止滤光片。49光路狭缝和扫描速度的选择光路狭缝和扫描速度的选择如果光路狭缝太大，荧光信号太强，容易超出仪器检测范围，如果光路狭缝太大，荧光信号太强，容易超出仪器检测范围，损伤仪器；如果狭缝开的太小，荧光信号又太弱，检测比较困损伤仪器；如果狭缝开的太小，荧光信号又太弱，检测比较困难，所以要选择大小合适的狭缝。难，所以要选择大小合适的狭缝。如果扫描太快，容易跳峰，忽略特征性的峰信号；扫描太慢则如果扫描太快，容易跳峰，忽略特征性的峰信号；扫描太慢则浪费时间。所以只要能扫描得到平滑的光谱曲线就可以了。浪费时间。所以只要能扫描得到平滑的光谱曲线就可以了。50光谱数据处理光谱数据处理测得的数据结果需要应

44、用测得的数据结果需要应用originorigin软件软件进行数据处理和作图分析。进行数据处理和作图分析。为了消除仪器本身的影响，测得的光谱曲线需要应用校正曲线为了消除仪器本身的影响，测得的光谱曲线需要应用校正曲线进行进行校正校正。校正过的光谱数据可以校正过的光谱数据可以应用应用色坐标色坐标软件进行颜软件进行颜色分析。色分析。51荧光寿命和量子产率的测试和数据处理荧光寿命和量子产率的测试和数据处理荧光寿命：荧光寿命：根据发射谱和激发谱选择感兴趣的根据发射谱和激发谱选择感兴趣的发射波长发射波长和和激发波长激发波长，测试，测试荧光强度随时间的衰减荧光强度随时间的衰减曲线，同样需要数据进行校正，然后应

45、曲线，同样需要数据进行校正，然后应用用originorigin软件进行作图和数据拟合得到寿命结果。软件进行作图和数据拟合得到寿命结果。量子产率：量子产率：根据发射谱和激发谱选择感兴趣的根据发射谱和激发谱选择感兴趣的发射波长范围发射波长范围和和激发波长激发波长，运用运用积分球积分球分别测试分别测试加、减衰减片时的荧光强度加、减衰减片时的荧光强度，然后应用软，然后应用软件进行数据处理得到量子产率。件进行数据处理得到量子产率。52荧光图实例荧光图实例53荧光光谱的应用荧光光谱的应用荧光光谱的应用54荧光探针荧光探针金属金属-有机配合物（有机配合物（MOF）发光材料发光材料分子传感器分子传感器物质的检

46、测物质的检测稀土掺杂发光材料稀土掺杂发光材料发光器件发光器件光谱光谱55金属金属-有机配合物（有机配合物（MOF）的发光机理）的发光机理Ligand-金属金属- -有机配合物发光机理示意图有机配合物发光机理示意图561.1.配体内的电荷转移（配体内的电荷转移（ILCTILCT）2.2.配体到金属的电荷转移（配体到金属的电荷转移（LMCTLMCT）3.3.金属到配体的电荷转移（金属到配体的电荷转移（MLCTMLCT）4.4.配体到配体的电荷转移（配体到配体的电荷转移（LLCTLLCT）5.5.金属金属- -金属到配体的电荷转移（金属到配体的电荷转移（MMLCTMMLCT）等）等过渡金属过渡金属-

47、有机配合物（有机配合物（MOF）的发光机理）的发光机理很多过渡金属与配体配合时能形成很多过渡金属与配体配合时能形成新的能级结构新的能级结构（HOMO/LUMOHOMO/LUMO），），基态与这些能级的跃迁较容易导致量子产率相对于配体的显著增基态与这些能级的跃迁较容易导致量子产率相对于配体的显著增强，同时可以通过改变配位中心或配体结构在很宽的波段内调控强，同时可以通过改变配位中心或配体结构在很宽的波段内调控其发射波段。其发射波段。57过渡金属过渡金属-有机配合物（有机配合物（MOF）的发光机理）的发光机理常见常见d d8 8/d/d1010过渡金属配合物的发光机理过渡金属配合物的发光机理Zn(I

48、I)、Cd(II)配合物配合物-ILCT/LMCT单核单核Cu(I)、Ag(I)、Au(I)、Pt(II)、Pd(II)配合物配合物-ILCT/LMCT/MLCT多核多核Cu(I)、Ag(I)、Au(I)、Pt(II)、Pd(II)配合物配合物-MLCT/MMLCT58稀土离子稀土离子能级图能级图（Dieke图图) )稀土金属稀土金属-有机配合物（有机配合物（MOF）的发光机理）的发光机理59荷兰的荷兰的R. T. Wegh等利等利用德国用德国DESY同步辐射同步辐射装置对稀土离子装置对稀土离子VUV波段的激发谱做了细波段的激发谱做了细致研究，并对比理论致研究，并对比理论计算对计算对VUV谱区

49、谱区4f能能级的预测，成功地将级的预测，成功地将Dieke图扩展到了图扩展到了70000cm-1的能量范围。的能量范围。扩展扩展DiekeDieke图图稀土金属稀土金属-有机配合物（有机配合物（MOF）的发光机理）的发光机理60金属离子发光金属离子发光f-f跃迁：跃迁：Sm3+、Eu3+、Tb3+、Dy3+、Tm3+、Nd3+、Er3+、Yb3+等等 天线效应天线效应优点：色度纯、寿命长等优点：色度纯、寿命长等缺点：缺点：f-f禁阻，强度低禁阻，强度低稀土金属稀土金属-有机配合物（有机配合物（MOF）的发光机理）的发光机理61稀土金属稀土金属-有机配合物（有机配合物（MOF）的发光机理）的发光

50、机理天线效应示意图天线效应示意图 配体发光配体发光 La3+、Gd3+、Lu3+等等 f-df-d跃迁：跃迁：Eu2+、Yb2+、Sm2+、Ce3+等等 宽峰宽峰62Yu-Bin Dong, et al.,J. Am. Chem. Soc., 2007 (129): 10620-106211.1.客体离子的影响：客体离子的影响：金属金属-有机配合物（有机配合物（MOF）发光的影响因素）发光的影响因素63Y. K. Park, et al., Angew. Chem. Int. Ed., 2007 (46): 8230-82332.2.客体分子的影响：客体分子的影响：金属金属-有机配合物（有机配

51、合物（MOF）发光的影响因素）发光的影响因素64Zhe-Ming Wang, Song Gao, et al.,Inorg. Chem., 2007 (46): 1337-13423.3.结晶水的影响结晶水的影响金属金属-有机配合物（有机配合物（MOF）发光的影响因素）发光的影响因素65M. D. Allendorf, C. A. Bauer, et al.,Chem. Soc. Rev., 2009 (38): 133013524.4.配体共轭程度的影响配体共轭程度的影响*n or配体配体 金属金属配体配体金属金属发发射射增大共轭增大共轭发发射射能级跃迁示意图能级跃迁示意图金属金属-有机配合

52、物（有机配合物（MOF）发光的影响因素）发光的影响因素665.5.溶剂的影响溶剂的影响M. C. Hong, et al.,Cryst. Growth. Des., 2008 (8): 2721-2728 金属金属-有机配合物（有机配合物（MOF）发光的影响因素）发光的影响因素67Avelino Corma, Joo Rocha, et al.,Angew. Chem. Int. Ed., 2009 (48): 6476-64796.pH6.pH的影响的影响金属金属-有机配合物（有机配合物（MOF）发光的影响因素）发光的影响因素68Guo-Cong Guo, et al.,J. Am. Che

53、m. Soc., 2009 (131): 13572-13573 7.7.激发波长的影响激发波长的影响金属金属-有机配合物（有机配合物（MOF）发光的影响因素）发光的影响因素69稀土掺杂发光材料稀土掺杂发光材料1.1.稀土掺杂激光晶体稀土掺杂激光晶体2.2.稀土掺杂纳米材料稀土掺杂纳米材料70稀土掺杂激光晶体稀土掺杂激光晶体71稀土掺杂激光晶体稀土掺杂激光晶体72稀土掺杂激光晶体稀土掺杂激光晶体73稀土掺杂激光晶体稀土掺杂激光晶体74稀土掺杂纳米材料稀土掺杂纳米材料稀土离子和半导体纳米晶本身都是很好的发光材料。稀土离子和半导体纳米晶本身都是很好的发光材料。稀土离子的发光可以被半导体的激子复合所

54、敏化，使得稀土离子稀土离子的发光可以被半导体的激子复合所敏化，使得稀土离子的发光效率大大增强。的发光效率大大增强。通过控制合成半导体纳米晶的尺寸来剪裁半导体的带隙以匹配发通过控制合成半导体纳米晶的尺寸来剪裁半导体的带隙以匹配发光中心的激发态能级，实现高效能量传递或发光。光中心的激发态能级，实现高效能量传递或发光。稀土离子是最好的对结构敏感的稀土离子是最好的对结构敏感的光谱探针光谱探针，可以设计实验来原位，可以设计实验来原位探测某些很小的半导体纳米晶室温结构相变过程并分析其内在机制。探测某些很小的半导体纳米晶室温结构相变过程并分析其内在机制。稀土掺杂半导体纳米材料在绿色照明光源、纳米光电子器件、

55、平稀土掺杂半导体纳米材料在绿色照明光源、纳米光电子器件、平板显示、纳米生物标记和传感器等方面有着广阔的应用前景。板显示、纳米生物标记和传感器等方面有着广阔的应用前景。 75稀土掺杂纳米材料稀土掺杂纳米材料4005006007000501001505D07F35D07F15D07F2 Intensity (a.u.)Wavelength (nm)ExcitationEmissionsite Bsite A7F05D2VBCB(a)(b)ZnO:Eu3+ZnOLnZnOLn3+3+ 能量传递能量传递ZnO ZnO 敏化发光更高效敏化发光更高效基质敏化的稀土离子发光基质敏化的稀土离子发光76与蛋白质

56、或其他大分子结构与蛋白质或其他大分子结构非共价相互作用非共价相互作用而使一种或几而使一种或几种种荧光性质发生改变荧光性质发生改变的小分子物质。可用于研究大分子物的小分子物质。可用于研究大分子物质的性质和行为。质的性质和行为。 荧光探针荧光探针目前常用的荧光探针有荧光素类探针、无机离子荧光探针、荧光量子目前常用的荧光探针有荧光素类探针、无机离子荧光探针、荧光量子点、分子信标等。点、分子信标等。荧光探针除应用于核酸和蛋白质的定量分析外，在核酸染色、荧光探针除应用于核酸和蛋白质的定量分析外，在核酸染色、DNADNA电泳、电泳、核酸分子杂交、定量核酸分子杂交、定量PCRPCR技术以及技术以及DNADN

57、A测序上都有着广泛的应用。测序上都有着广泛的应用。 荧光探针：荧光探针：77荧光探针荧光探针过渡金属配合物过渡金属配合物很多能实现较强的红外波段宽带发射，很多能实现较强的红外波段宽带发射，可以有效避开组织体的吸收，可以穿透组织体实现红外可以有效避开组织体的吸收，可以穿透组织体实现红外成像，克服同位素原子示踪对人体的伤害；寿命处于成像，克服同位素原子示踪对人体的伤害；寿命处于s s 量级，可以用于较大分子的形变和转动扩散研究，量级，可以用于较大分子的形变和转动扩散研究，当然，结合其特有的发射波段也能对活体环境中的许多当然，结合其特有的发射波段也能对活体环境中的许多扩散和转变过程进行研究。扩散和转

58、变过程进行研究。78稀土离子稀土离子是一类核酸探针的检测试剂。是一类核酸探针的检测试剂。在水溶液中仅有在水溶液中仅有Tb()和和Eu()发出荧光，与发出荧光，与DNA配合后仍保留荧配合后仍保留荧光性能，可特异识别核苷酸。光性能，可特异识别核苷酸。Tb()和和Eu()与一些小分子配体配合，由于配体本身性质、中心与一些小分子配体配合，由于配体本身性质、中心离子离子-配体成键及溶剂等因素影响，使配合物的激发态寿命达到配体成键及溶剂等因素影响，使配合物的激发态寿命达到ms 级，并发出窄而强的荧光。级，并发出窄而强的荧光。Tb()和和Eu()与小分子的配合物探针通过共价键与靶与小分子的配合物探针通过共价

59、键与靶DNA 共价共价结合后多用于实时定量荧光结合后多用于实时定量荧光PCR 反应产物的分析及杂交测试。反应产物的分析及杂交测试。该类探针要求稀土配合物易于合成并且足够稳定，同时荧光发射该类探针要求稀土配合物易于合成并且足够稳定，同时荧光发射强度大。强度大。Nurmi 等用等用Tb()和和Eu()标记的探针进行实时同步扩增标记的探针进行实时同步扩增及前列腺特异抗原的测定，信噪比要高于传统的及前列腺特异抗原的测定，信噪比要高于传统的TaqMan 探针，而探针，而循环阈值则降低。循环阈值则降低。荧光探针荧光探针79量子点荧光探针量子点荧光探针是由是由-族和族和-族元素组成的半导体族元素组成的半导体纳米颗粒，将核酸连接到量子点的表面，做成探针，通过纳米颗粒，将核酸连接到量子点的表面，做成探针，通过体外杂交常规荧光体外杂交常规荧光(FISH)(FISH)分析，发现染色体的异常及变异，分析，发现染色体的异常及变异，可取代一些有机荧光染料进行生物分子检测。研究较多的可取代一些有机荧光染料进行生物分子检测。研究较多的有有CdSeCdSe、CdTeCdTe、ZnS ZnS 等。等。荧光探针荧光探针80量子点探针量子点探针较传统的有机荧光染料具有一定的优越性：较传统的有机荧光染料具有一定的优越性：首先，荧光光谱范围宽，通过改变纳米晶体材料和尺寸，获得的激光首先，荧光光谱范围宽，通过改