chapter分子磷光和荧光

1、一、一、分子荧光与磷光产生过程分子荧光与磷光产生过程luminescence process of molecular fluorescence phosphorescence二、激发光谱与荧光光谱二、激发光谱与荧光光谱excitation spectrum and fluore-scence spectrum三、荧光的产生与分子结构关系三、荧光的产生与分子结构关系 relation between fluorescence and molecular structure四、影响荧光强度的因素四、影响荧光强度的因素factor influenced fluorescencemolecularm

2、olecularmolecular luminescenceluminescenceluminescenceanalysisanalysisanalysis molecular fluorescence molecular fluorescence molecular fluorescence and phosphorescenceand phosphorescenceand phosphorescence第五章第五章分子发光分析法分子发光分析法第一节第一节分子荧光和磷光分子荧光和磷光光分析法及其特点光分析法及其特点概念概念基于电磁辐射能量与待测物质相互作用后所产生基于电磁辐射能量与待测物质相

3、互作用后所产生的辐射信号与物质组成及结构关系所建立起来的的辐射信号与物质组成及结构关系所建立起来的分析方法分析方法相互作用方式相互作用方式发射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射等发射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射等 电磁辐射基本性质电磁辐射基本性质 (1) 吸收吸收 物质选择性吸收特定频率的辐射能，并从低能物质选择性吸收特定频率的辐射能，并从低能 级跃迁到高能级；级跃迁到高能级； (2) 发射发射 将吸收的能量以光的形式释放出；将吸收的能量以光的形式释放出； (3) 散射散射 丁铎尔散射和分子散射；丁铎尔散射和分子散射； (4) 折射折射 折射是光在两种介质中的传播速度不同；折射是光在

4、两种介质中的传播速度不同； (5) 反射反射 (6) 干涉干涉 干涉现象；干涉现象； (7) 衍射衍射 光绕过物体而弯曲地向他后面传播的现象；光绕过物体而弯曲地向他后面传播的现象； (8) 偏振偏振 只在一个固定方向有振动的光称为平面偏振光。只在一个固定方向有振动的光称为平面偏振光。电磁辐射范围：射线电磁辐射范围：射线-无线电波所有范围无线电波所有范围光分析法在研究物质组成、结构表征、表面分析等光分析法在研究物质组成、结构表征、表面分析等方面具有其他方法不可取代的地位方面具有其他方法不可取代的地位三个基本过程三个基本过程（1） 能源提供能量能源提供能量（2） 能量与被测物之间的相互作用能量与被

5、测物之间的相互作用（3） 产生信号产生信号基本特点基本特点（1）所有光分析法均包含三个基本过程）所有光分析法均包含三个基本过程（2）选择性测量，不涉及混合物分离）选择性测量，不涉及混合物分离（3）涉及大量光学元件）涉及大量光学元件三、光分析法分类三、光分析法分类1、光谱法、光谱法基于物质与辐射能作用时，分子发生能级跃迁而产生基于物质与辐射能作用时，分子发生能级跃迁而产生的发射、吸收或散射的波长强度进行分析的方法的发射、吸收或散射的波长强度进行分析的方法（1）原子光谱：常见三种）原子光谱：常见三种基于基于原子外层电子跃迁原子外层电子跃迁:原子吸收光谱（原子吸收光谱（AAS）、原子发射光谱（原子发

6、射光谱（AES）、原）、原子荧光光谱（子荧光光谱（AFS）基于基于原子内层电子跃迁原子内层电子跃迁: X-射线荧光光谱（射线荧光光谱（XFS）基于基于原子核与射线作用原子核与射线作用: 穆斯堡谱，穆斯堡谱，能量分辨率可高达能量分辨率可高达10-13 （2）分子光谱）分子光谱基于分子中电子能级、振基于分子中电子能级、振-转能级跃迁转能级跃迁紫外光谱法（紫外光谱法（UV）红外光谱法（红外光谱法（IR）分子荧光光谱法（分子荧光光谱法（MFS）分子磷光光谱法（分子磷光光谱法（MPS）核磁共振与顺磁共振波谱（核磁共振与顺磁共振波谱（NMR）2、非光谱法、非光谱法不涉及能级跃迁，物质与辐射作用时，仅改变转

7、播方向不涉及能级跃迁，物质与辐射作用时，仅改变转播方向等物理性质；等物理性质；偏振法、干涉法（测膜厚和折射率）、旋光法等偏振法、干涉法（测膜厚和折射率）、旋光法等光分析法光分析法光谱分析法光谱分析法非光谱分析法非光谱分析法原子光谱分析法原子光谱分析法分子光谱分析法分子光谱分析法原原子子吸吸收收光光谱谱原原子子发发射射光光谱谱原原子子荧荧光光光光谱谱X射射线线荧荧光光光光谱谱折折射射法法圆圆二二色色性性法法X射射线线衍衍射射法法干干涉涉法法旋旋光光法法紫紫外外光光谱谱法法红红外外光光谱谱法法分分子子荧荧光光光光谱谱法法分分子子磷磷光光光光谱谱法法核核磁磁共共振振波波谱谱法法 各种光分析法各种光分

8、析法1. 原子发射光谱分析法原子发射光谱分析法 以火焰、电弧、等离子炬等作为光源，使气态原子以火焰、电弧、等离子炬等作为光源，使气态原子的外层电子受激发射出特征光谱进行定量分析的方法的外层电子受激发射出特征光谱进行定量分析的方法2. 原子吸收光谱分析法原子吸收光谱分析法 利用特殊光源发射出待测元素的共振线，并将溶液利用特殊光源发射出待测元素的共振线，并将溶液中离子转变成气态原子后，测定气态原子对共振线吸中离子转变成气态原子后，测定气态原子对共振线吸收而进行的定量分析方法收而进行的定量分析方法3. 原子荧光分析法原子荧光分析法 气态原子吸收特征波长的辐射后，外层电子从基态或气态原子吸收特征波长的

9、辐射后，外层电子从基态或低能态跃迁到高能态，在低能态跃迁到高能态，在10-8s后跃回基态或低能态时，后跃回基态或低能态时，发射出与吸收波长相同或不同的荧光辐射，在与光源成发射出与吸收波长相同或不同的荧光辐射，在与光源成90度的方向上，测定荧光强度进行定量分析的方法度的方向上，测定荧光强度进行定量分析的方法4. 分子荧光分析法分子荧光分析法 某些物质被紫外光照射激发后，在回到基态的过程某些物质被紫外光照射激发后，在回到基态的过程中中发射出比原激发波长更长的荧光发射出比原激发波长更长的荧光，通过测量荧光强度，通过测量荧光强度进行定量分析的方法进行定量分析的方法5. 分子磷光分析法分子磷光分析法 处

10、于第一最低单重激发态分子以无辐射弛豫方式进处于第一最低单重激发态分子以无辐射弛豫方式进入第一三重激发态，再跃迁返回基态发出磷光。测定磷入第一三重激发态，再跃迁返回基态发出磷光。测定磷光强度进行定量分析的方法。光强度进行定量分析的方法。6. X射线荧光分析法射线荧光分析法 原子受高能辐射，其内层电子发生能级跃迁，发射原子受高能辐射，其内层电子发生能级跃迁，发射出特征出特征X射线（射线（ X射线荧光），测定其强度可进行定量射线荧光），测定其强度可进行定量分析。分析。7. 化学发光分析法化学发光分析法 利用化学反应提供能量，使待测分子被激发，返回利用化学反应提供能量，使待测分子被激发，返回基态时发出

11、一定波长的光，依据其强度与待测物浓度基态时发出一定波长的光，依据其强度与待测物浓度之间的线性关系进行定量分析的方法。之间的线性关系进行定量分析的方法。8. 紫外吸收光谱分析法紫外吸收光谱分析法 利用溶液中分子吸收紫外和可见光产生跃迁所记录利用溶液中分子吸收紫外和可见光产生跃迁所记录的吸收光谱图，可进行化合物结构分析，根据最大吸收的吸收光谱图，可进行化合物结构分析，根据最大吸收波长强度变化可进行定量分析。波长强度变化可进行定量分析。9. 红外吸收光谱分析法红外吸收光谱分析法 利用分子中基团吸收红外光产生的振动利用分子中基团吸收红外光产生的振动-转动吸收转动吸收光谱进行定量和有机化合物结构分析的方

12、法。光谱进行定量和有机化合物结构分析的方法。10. 核磁共振波普分析法核磁共振波普分析法 在外磁场的作用下，核自旋磁矩与磁场相互作用而在外磁场的作用下，核自旋磁矩与磁场相互作用而裂分为能量不同的核磁能级，吸收射频辐射后产生能级裂分为能量不同的核磁能级，吸收射频辐射后产生能级跃迁，根据吸收光谱可进行有机化合物结构分析。跃迁，根据吸收光谱可进行有机化合物结构分析。11. 顺磁共振波谱分析法顺磁共振波谱分析法 在外磁场的作用下，电子的自旋磁矩与磁场相互作在外磁场的作用下，电子的自旋磁矩与磁场相互作用而裂分为磁量子数不同的磁能级，吸收微波辐射后产用而裂分为磁量子数不同的磁能级，吸收微波辐射后产生能级跃

13、迁，根据吸收光谱可进行结构分析。生能级跃迁，根据吸收光谱可进行结构分析。12. 旋光法旋光法 溶液的旋光性与分子的非对称结构有密切关系，可溶液的旋光性与分子的非对称结构有密切关系，可利用旋光法研究某些天然产物及配合物的立体化学问题，利用旋光法研究某些天然产物及配合物的立体化学问题，旋光计测定糖的含量。旋光计测定糖的含量。13. 衍射法衍射法 X射线衍射：研究晶体结构，不同晶体具有不同衍射图射线衍射：研究晶体结构，不同晶体具有不同衍射图 电子衍射：电子衍射是透射电子显微镜的基础，研究物电子衍射：电子衍射是透射电子显微镜的基础，研究物质的内部组织结构。质的内部组织结构。一、荧光与磷光的产生过程一、

14、荧光与磷光的产生过程一、荧光与磷光的产生过程一、荧光与磷光的产生过程一、荧光与磷光的产生过程一、荧光与磷光的产生过程luminescence process of molecular luminescence process of molecular luminescence process of molecular fluorescence phosphorescencefluorescence phosphorescencefluorescence phosphorescence1. 分子能级与跃迁分子能级与跃迁 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

15、动、转动能级；在每个电子能级上，都存在振动、转动能级； 基态基态(S0)激发态激发态(S1、S2、激发态振动能级激发态振动能级) )：吸收特定吸收特定频率的辐射；量子化；跃迁一次到位；频率的辐射；量子化；跃迁一次到位； 激发态激发态基态：多种途径和方式基态：多种途径和方式( (见能级图见能级图) )；速度最快、；速度最快、激发态寿命最短的途径占优势；激发态寿命最短的途径占优势； 第一、第二、第一、第二、电子激发单重态电子激发单重态 S1 、S2 ； 第一、第二、第一、第二、电子激发三重态电子激发三重态 T1 、 T2 ；2. 2. 2.电子激发态的多重度电子激发态的多重度电子激发态的多重度电子

16、激发态的多重度电子激发态的多重度电子激发态的多重度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)；分子中一对电子为自旋反平行，分子中一对电子为自旋反平行，S=0，M=1，这种态被称为单重，这种态被称为单重态或单线态，大多数有机分子的基态处于单重态。态或单线态，大多数有机分子的基态处于单重态。处于处于S0态的一对电子吸收光子受激后，产生了在两个轨道中自态的一对电子吸收光子受激后，产生了在两个轨道中自旋方向平行的电子，旋方向平行的电子，这时这时S=1，M=3，这种状态称为三重态或三这种状态称为三重态或三线态。线态。 平行自旋比成

17、对自旋平行自旋比成对自旋稳定稳定(洪特规则洪特规则)，三三重态能级比相应单重重态能级比相应单重态能级低；态能级低；2.2.2.2.2.2.激发态激发态激发态激发态激发态激发态基态的能量传递途径基态的能量传递途径基态的能量传递途径基态的能量传递途径基态的能量传递途径基态的能量传递途径 电子处于激发态是不稳定状态，返回基态时，通过电子处于激发态是不稳定状态，返回基态时，通过辐射跃辐射跃迁迁(发光发光)和无辐射跃迁（热）和无辐射跃迁（热）等方式失去能量；等方式失去能量；传递途径传递途径辐射跃迁辐射跃迁荧光荧光延迟荧光延迟荧光磷光磷光内转移内转移外转移外转移系间跨跃系间跨跃振动弛豫振动弛豫无辐射跃迁无

18、辐射跃迁 激发态停留时间短、返回速度快的途径，发生的几率大，激发态停留时间短、返回速度快的途径，发生的几率大，发光强度相对大；发光强度相对大；荧光荧光：10-710 -9 s,第一激发第一激发单重态单重态的的最低振动能级最低振动能级基态；基态；磷光磷光：10-410s；第一激发第一激发三重态三重态的的最低振动能级最低振动能级基态；基态； S2S1S0T1吸吸 收收发发射射荧荧光光发发射射磷磷光光系间跨跃系间跨跃内转换内转换振动弛豫振动弛豫能能量量l l 2l l 1l l 3外转换外转换l l 2T2内转换内转换振动弛豫振动弛豫1)振动弛豫振动弛豫(Vibrational Relaxation

19、, VR) 在液相或压力足够高的气相中，处于激发态的分在液相或压力足够高的气相中，处于激发态的分子因碰撞将能量以热的形式传递给周围的分子，从而子因碰撞将能量以热的形式传递给周围的分子，从而从高振动能层失活至低振动能层的过程，称为振动弛从高振动能层失活至低振动能层的过程，称为振动弛豫。豫。2)内转化内转化( Internal Conversion，IC ) 对于具有相同多重度的分子，若较高电子能级的低对于具有相同多重度的分子，若较高电子能级的低振动能层与较低电子能级的高振动能层相重叠时，则振动能层与较低电子能级的高振动能层相重叠时，则电子可在重叠的能层之间通过振动耦合产生无辐射跃电子可在重叠的能

20、层之间通过振动耦合产生无辐射跃迁，如迁，如S2-S1；T2-T1。 非辐射能量传递过程非辐射能量传递过程非辐射能量传递过程非辐射能量传递过程非辐射能量传递过程非辐射能量传递过程3)系间跨跃系间跨跃 指不同多重态间的无辐射跃迁，例如指不同多重态间的无辐射跃迁，例如S1T1就是一就是一种系间跨跃。通常，发生系间跨跃时，电子由种系间跨跃。通常，发生系间跨跃时，电子由S1的较的较低振动能级转移至低振动能级转移至T1的较高振动能级处。的较高振动能级处。 有时，通过热激发，有可能发生有时，通过热激发，有可能发生T1S1，然后由然后由S1发生荧光。这是产生延迟荧光的机理。发生荧光。这是产生延迟荧光的机理。4

21、)外转换外转换(External Conversion，EC) 受激分子与溶剂或其它溶质分子相互作用发生能量受激分子与溶剂或其它溶质分子相互作用发生能量转换而使荧光或磷光强度减弱甚至消失的过程，也称转换而使荧光或磷光强度减弱甚至消失的过程，也称“熄灭熄灭”或或“猝灭猝灭”。辐射能量传递过程辐射能量传递过程辐射能量传递过程辐射能量传递过程辐射能量传递过程辐射能量传递过程荧光发射：荧光发射：电子由电子由第一激发单重态的最低振动能级第一激发单重态的最低振动能级基态基态（ 多多为为 S1 S0跃迁跃迁），），发射波长为发射波长为 l l 2的荧光；的荧光；而且不论电子开始而且不论电子开始被激发至什么高

22、能级，最终将只发射出波长为被激发至什么高能级，最终将只发射出波长为l l 2的荧光的荧光。时。时间间 10-710 -9 s 。 由图可见，发射荧光的能量比分子吸收的能量小，波长长；由图可见，发射荧光的能量比分子吸收的能量小，波长长； l l 2 l l 2 l l 1 ；磷光发射：磷光发射：电子由电子由第一激发三重态的最低振动能级第一激发三重态的最低振动能级基态基态（ T1 S0跃迁跃迁）；）； 电子由电子由S0进入进入T1的可能过程（的可能过程（ S0 T1）是禁阻跃迁，几率小。是禁阻跃迁，几率小。发光速度很慢：发光速度很慢： 10-4100 s 。 光照停止后，可持续一段时间。光照停止后

23、，可持续一段时间。所谓的所谓的在黑暗中发光在黑暗中发光的材料通常都是磷光性材料，如夜明珠的材料通常都是磷光性材料，如夜明珠。 二、激发光谱与荧光二、激发光谱与荧光二、激发光谱与荧光二、激发光谱与荧光二、激发光谱与荧光二、激发光谱与荧光( ( (磷光磷光磷光磷光磷光磷光) ) )光谱光谱光谱光谱光谱光谱 excitation spectrum and excitation spectrum and excitation spectrum and fluore-scencefluore-scencefluore-scence spectrum spectrum spectrum 荧光荧光(磷光磷光

24、)：光致发光光致发光，照射光波长如何选择？，照射光波长如何选择？1.荧光荧光(磷光磷光)的激发光谱曲线的激发光谱曲线 激发光的光源用单色器分光，测定不同波长激发光照射下激发光的光源用单色器分光，测定不同波长激发光照射下荧光强度的变化。荧光强度的变化。以激发波长（以激发波长（）为横坐标，荧光强度（）为横坐标，荧光强度（IF）为纵坐标作图，便可得到荧光物质的激发光谱）为纵坐标作图，便可得到荧光物质的激发光谱 （图中曲线（图中曲线I ） 。激发光谱中荧光强度最大处所对应的激发波长称为最大激发激发光谱中荧光强度最大处所对应的激发波长称为最大激发波长。波长。激发光谱的形状与测量时选择的发射波长无关，但其

25、激发光谱的形状与测量时选择的发射波长无关，但其相对强度与发射波长有关。通常用最大激发波长辐射样品。相对强度与发射波长有关。通常用最大激发波长辐射样品。 2.2.2.2.2.2.荧光光谱荧光光谱荧光光谱荧光光谱荧光光谱荧光光谱( ( ( ( ( (或磷光光谱或磷光光谱或磷光光谱或磷光光谱或磷光光谱或磷光光谱) ) ) ) ) )固定激发光波长和强度固定激发光波长和强度(选最选最大激发波长大激发波长), 让物质发出的荧让物质发出的荧光通过单色器测定不同波长的光通过单色器测定不同波长的荧光强度。以荧光的波长（荧光强度。以荧光的波长（）为横坐标，荧光强度（）为横坐标，荧光强度（IF）为纵坐标作图，便得

26、荧光光谱为纵坐标作图，便得荧光光谱。(图中曲线图中曲线II或或III)。荧光光谱中荧光强度最大处荧光光谱中荧光强度最大处所对应的发射波长称为最大所对应的发射波长称为最大发射波长。发射波长。200260320380440500560620荧光激发光谱荧光激发光谱荧光发射光谱荧光发射光谱磷光光谱磷光光谱室温下菲的乙醇溶液荧（磷）光光谱室温下菲的乙醇溶液荧（磷）光光谱3.3.3.3.3.3.激发光谱与发射光谱的关系激发光谱与发射光谱的关系激发光谱与发射光谱的关系激发光谱与发射光谱的关系激发光谱与发射光谱的关系激发光谱与发射光谱的关系 a.Stokes位移位移 激发光谱与发射光谱之间的波长差值激发光谱

27、与发射光谱之间的波长差值。发射光谱的波长比发射光谱的波长比激发光谱的长，激发光谱的长，振动弛豫消耗了能量。振动弛豫消耗了能量。 b.发射光谱的形状与激发波长无关发射光谱的形状与激发波长无关 电子跃迁到不同激发态能级，吸收不同波长的能量电子跃迁到不同激发态能级，吸收不同波长的能量(如能级如能级图图l l 2 ,l l 1)，产生不同吸收带，经过内转化和振动弛豫但均回，产生不同吸收带，经过内转化和振动弛豫但均回到第一激发到第一激发单重态单重态的最低振动能级再跃迁回到基态，的最低振动能级再跃迁回到基态，产生波产生波长一定的荧光长一定的荧光(如如l l 2 )。 c. 镜像规则镜像规则 通常荧光发射光

28、谱与它的吸收光谱（与激发光谱形状一通常荧光发射光谱与它的吸收光谱（与激发光谱形状一样）成镜像对称关系。样）成镜像对称关系。 镜像规则的解释镜像规则的解释镜像规则的解释镜像规则的解释镜像规则的解释镜像规则的解释解释解释1 1：能层结构相似性：能层结构相似性 荧光为第一电子激发单重态的最低荧光为第一电子激发单重态的最低振动能层跃迁到基态的各个振动能层而振动能层跃迁到基态的各个振动能层而形成，形成，即其形状与基态振动能级分布有即其形状与基态振动能级分布有关。关。 吸收光谱是由基态最低振动能层跃吸收光谱是由基态最低振动能层跃迁到第一电子激发单重态的各个振动能迁到第一电子激发单重态的各个振动能层而形成，

29、即其形状与第一电子激发单层而形成，即其形状与第一电子激发单重态的振动能级分布有关。重态的振动能级分布有关。由于由于激发态激发态和基态的振动能层分布具有相似性和基态的振动能层分布具有相似性，因，因而呈镜像对称。而呈镜像对称。 S1S0解释解释2：位能曲线位能曲线(Frank-Condon原理原理) 由于电子吸收跃迁速率极快由于电子吸收跃迁速率极快(10-15s)，此时核的相对位置可此时核的相对位置可视为不变视为不变(核较重核较重)。当两个能层间吸收跃迁的几率越大，其相。当两个能层间吸收跃迁的几率越大，其相反跃迁的几率也越大，即产生的光谱呈镜像对称反跃迁的几率也越大，即产生的光谱呈镜像对称。200

30、250300350400450500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三、荧光的产生与分子结构的关系三、荧光的产生与分子结构的关系三、荧光的产生与分子结构的关系三、荧光的产生与分子结构的关系三、荧光的产生与分子结构的关系三、荧光的产生与分子结构的关系 relation between fluorescence and molecular structurerelation between fluorescence and molecular structurerelation between fluorescence and mol

31、ecular structure 1. 1.分子产生荧光必须具备的条件分子产生荧光必须具备的条件（1）具有合适的结构：）具有合适的结构：分子必须具有与所照射的辐射频率相分子必须具有与所照射的辐射频率相适应的结构适应的结构, 才能吸收激发光；才能吸收激发光；（2）具有一定的荧光量子产率。）具有一定的荧光量子产率。荧光量子产率也叫荧光效率荧光量子产率也叫荧光效率或量子效率，它表示物质发射荧光的能力，通常用下式表示或量子效率，它表示物质发射荧光的能力，通常用下式表示 荧光量子产率（荧光量子产率（ ）：）：吸收的光量子数吸收的光量子数发射的光量子数发射的光量子数在产生荧光的过程中，涉及到许多辐射和无辐

32、射跃迁过程，在产生荧光的过程中，涉及到许多辐射和无辐射跃迁过程，如荧光发射、内转移、系间跨跃和外转移等。因此，如荧光发射、内转移、系间跨跃和外转移等。因此，荧光的荧光的量子产率，将与上述每一个过程的速率常数有关。量子产率，将与上述每一个过程的速率常数有关。如外转换过程速度快，不出现荧光发射。如外转换过程速度快，不出现荧光发射。2 .化合物的结构与荧光化合物的结构与荧光(1)跃迁类型跃迁类型 对于大多数荧光物质，首先经历对于大多数荧光物质，首先经历 或或n(非键电子轨道非键电子轨道) 激发，然后经过振动弛豫或其它无辐射跃迁，再发生激发，然后经过振动弛豫或其它无辐射跃迁，再发生 或或 n跃迁而得到

33、荧光。跃迁而得到荧光。 跃迁跃迁常能发出较强的荧光常能发出较强的荧光(较大的量子产率较大的量子产率)。这是由于。这是由于 跃迁具有较大的摩尔吸光系数跃迁具有较大的摩尔吸光系数(一般比一般比n 大大100-1000倍倍)。 其次，其次， 跃迁的寿命约为跃迁的寿命约为10-710-9s，比，比n 跃迁的寿命跃迁的寿命10-510-7s要短。在各种跃迁过程的竞争中，它是有利于发射荧光要短。在各种跃迁过程的竞争中，它是有利于发射荧光的。此外，在的。此外，在跃迁过程中，通过系间跨跃至三重态的速率跃迁过程中，通过系间跨跃至三重态的速率常数也较小，有利于荧光的产生。常数也较小，有利于荧光的产生。 S1T1能

34、级差较大，这也有利能级差较大，这也有利于荧光的发射。于荧光的发射。 总之，总之，跃迁是产生荧光的主要跃迁类型。跃迁是产生荧光的主要跃迁类型。(2)共轭效应共轭效应 容易实现容易实现 激发激发 的芳香族化合物容易发生荧光，能发生的芳香族化合物容易发生荧光，能发生荧光的脂肪族和脂环族化合物极少荧光的脂肪族和脂环族化合物极少(仅少数高度共轭体系化合物除仅少数高度共轭体系化合物除外外)。 此外，此外，增加体系的共轭度，荧光效率一般也将增大。增加体系的共轭度，荧光效率一般也将增大。例如：在多烯结构中，例如：在多烯结构中，Ph(CH=CH)3 Ph和和Ph(CH=CH)2 Ph在苯中在苯中的荧光效率分别为

35、的荧光效率分别为0.68和和0.28。共轭效应使荧光增强的原因共轭效应使荧光增强的原因 ： 主要是由于增大荧光物质的摩尔吸光系数，有利于产生更多主要是由于增大荧光物质的摩尔吸光系数，有利于产生更多的激发态分子，从而有利于荧光的发生。的激发态分子，从而有利于荧光的发生。(3)刚性平面结构刚性平面结构 多数具有刚性平面结构的有机分子具有强烈的荧光。多数具有刚性平面结构的有机分子具有强烈的荧光。因因为这种结构可以减少分子的振动，使分子与溶剂或其它溶为这种结构可以减少分子的振动，使分子与溶剂或其它溶质分子的相互作用减少，也就减少了碰撞去活的可能性。质分子的相互作用减少，也就减少了碰撞去活的可能性。(4

36、)取代基效应取代基效应 芳香族化合物苯环上的不同取代基对该化合物的荧光强芳香族化合物苯环上的不同取代基对该化合物的荧光强度和荧光光谱有很大的影响。度和荧光光谱有很大的影响。给电子基团给电子基团，如如-OH、-OR、-CN、-NH2 、 -NR2等，等，使荧使荧光增强。光增强。因为产生了因为产生了p- 共轭作用，增强了共轭作用，增强了 电子共轭程度，电子共轭程度，使最低激发单重态与基态之间的跃迁几率增大。使最低激发单重态与基态之间的跃迁几率增大。吸电子基团，吸电子基团，如如-COOH、-NO、-C O、卤素等卤素等，会减弱甚，会减弱甚至会猝灭荧光。至会猝灭荧光。 卤素取代基随原子序数的增加而荧光

37、降低。这可能是由所卤素取代基随原子序数的增加而荧光降低。这可能是由所谓谓“重原子效应重原子效应”使系间窜跃速率增加所致使系间窜跃速率增加所致。在重原子中，。在重原子中，能级之间的交叉现象比较严重，因此容易发生自旋轨道的相能级之间的交叉现象比较严重，因此容易发生自旋轨道的相互作用，增加了由单重态转化为三重态的概率。互作用，增加了由单重态转化为三重态的概率。 取代基的空间障碍对荧光也有影响。取代基的空间障碍对荧光也有影响。 立体异构现象对荧立体异构现象对荧光强度有显著的影响。光强度有显著的影响。5 、金属螯合物的荧光、金属螯合物的荧光 除过渡元素的顺磁性原子会发生线状荧光光谱外，除过渡元素的顺磁性

38、原子会发生线状荧光光谱外，大多大多数无机盐类金属离子，在溶液中只能发生无辐射跃迁，因而数无机盐类金属离子，在溶液中只能发生无辐射跃迁，因而不产生荧光。不产生荧光。但是，在某些情况下，金属螯合物却能产生很但是，在某些情况下，金属螯合物却能产生很强的荧光，并可用于痕量金属元素分析。强的荧光，并可用于痕量金属元素分析。(1)螯合物中配位体的发光螯合物中配位体的发光 不少有机化合物虽然具有共轭双键，但由于不是刚性结不少有机化合物虽然具有共轭双键，但由于不是刚性结构，分子处于非同一平面，因而不发生荧光。构，分子处于非同一平面，因而不发生荧光。若这些化合物若这些化合物和金属离子形成螯合物，随着分子的刚性增

39、强，平面结构的和金属离子形成螯合物，随着分子的刚性增强，平面结构的增大，常会发生荧光。增大，常会发生荧光。 如：如：8-羟基喹啉本身有很弱的荧光，但其金属螯合物具羟基喹啉本身有很弱的荧光，但其金属螯合物具有很强的荧光。有很强的荧光。(2)螯合物中金属离子的特征荧光螯合物中金属离子的特征荧光 这类发光过程通常是螯合物首先通过配位体的这类发光过程通常是螯合物首先通过配位体的跃跃迁激发，接着配位体把能量转给金属离子，迁激发，接着配位体把能量转给金属离子，导致导致dd*跃迁和跃迁和ff*跃迁，最终发射的是跃迁，最终发射的是dd*跃迁和跃迁和ff*跃迁光谱。跃迁光谱。四四 影响荧光强度的因素影响荧光强度

40、的因素 溶剂溶剂对荧光强度的影响对荧光强度的影响 溶剂的影响可分为溶剂的影响可分为一般溶剂效应和特殊溶剂效应一般溶剂效应和特殊溶剂效应。 一般溶剂效应一般溶剂效应：溶剂的折射率和介电常数的影响。：溶剂的折射率和介电常数的影响。 特殊溶剂效应特殊溶剂效应：荧光体和溶剂分子间的特殊化学作用，：荧光体和溶剂分子间的特殊化学作用，如氢键的生成和化合作用。如氢键的生成和化合作用。 一般溶剂效应是普遍的，而特殊溶剂效应则决定于溶剂一般溶剂效应是普遍的，而特殊溶剂效应则决定于溶剂和荧光体的化学结构。特殊溶剂效应所引起荧光光谱的移动和荧光体的化学结构。特殊溶剂效应所引起荧光光谱的移动值，往往大于一般溶剂效应所

41、引起的影响。由于溶质分子与值，往往大于一般溶剂效应所引起的影响。由于溶质分子与溶剂分子间的作用，使溶剂分子间的作用，使同一种荧光物质在不同的溶剂同一种同一种荧光物质在不同的溶剂同一种 荧光物质在不同的溶剂中的荧光光谱可能会有显著不同。荧光物质在不同的溶剂中的荧光光谱可能会有显著不同。 有的情况，有的情况，增大溶剂的极性，增大溶剂的极性，将使将使n 跃迁的能量增大，跃迁的能量增大， 跃迁的能量减小，跃迁的能量减小，而导致荧光增强，荧光峰红移。而导致荧光增强，荧光峰红移。 但也但也有相反的情况，有相反的情况，例如，苯胺、萘磺酸类化合物在戊醇、丁醇、例如，苯胺、萘磺酸类化合物在戊醇、丁醇、丙醇、乙醇

42、和甲醇中，随着醇的极性增大，荧光强度减小，丙醇、乙醇和甲醇中，随着醇的极性增大，荧光强度减小，荧光峰蓝移。荧光峰蓝移。因此荧光光谱的位置和强度与溶剂极性之间的因此荧光光谱的位置和强度与溶剂极性之间的关系，应根据荧光物质与溶剂的不同而异。关系，应根据荧光物质与溶剂的不同而异。 如果溶剂和荧光物质形成了化合物，或溶剂使荧光物质如果溶剂和荧光物质形成了化合物，或溶剂使荧光物质的电性状态改变，则荧光峰位和强度都会发生较大的变化。的电性状态改变，则荧光峰位和强度都会发生较大的变化。 温度对荧光强度的影响温度对荧光强度的影响 温度上升使荧光强度下降。温度上升使荧光强度下降。 其中一个原因是分子的内部能量转

43、化作用。其中一个原因是分子的内部能量转化作用。当激发分子接受当激发分子接受额外热能时，有可能使激发能转换为基态的振动能量，随后迅速额外热能时，有可能使激发能转换为基态的振动能量，随后迅速振动弛豫而丧失振动能量。振动弛豫而丧失振动能量。 另一个原因是碰撞频率增加，使外转换的去活几率增加。另一个原因是碰撞频率增加，使外转换的去活几率增加。 溶液溶液pH值对荧光强度的影响值对荧光强度的影响 带有酸性或碱性官能团的大多数芳香族化合物的荧光与溶液带有酸性或碱性官能团的大多数芳香族化合物的荧光与溶液的的pH有关。有关。 具有酸性或碱性基团的有机物质，具有酸性或碱性基团的有机物质，在不同在不同pH值时，其结

44、构值时，其结构 可能发生变化，因而荧光强度将发生改变；可能发生变化，因而荧光强度将发生改变；对无机荧光物质，对无机荧光物质，因因pH值会影响其稳定性，因而也可使其荧光强度发生改变。值会影响其稳定性，因而也可使其荧光强度发生改变。 对于金属离子与有机试剂形成的发光对于金属离子与有机试剂形成的发光螯螯合物，合物，一方面一方面pH会会影响合影响合螯螯物的形成，另一方面还会影响物的形成，另一方面还会影响螯螯合物的组成，从而影合物的组成，从而影响它们的荧光性质。响它们的荧光性质。 内滤光作用和自吸收现象内滤光作用和自吸收现象 溶液中若存在能吸收激发或荧光物质所发射光能的物质，溶液中若存在能吸收激发或荧光

45、物质所发射光能的物质，就会使荧光减弱，就会使荧光减弱，这种现象称为这种现象称为“内滤光作用内滤光作用”。如色胺酸中如色胺酸中的重铬酸钾的重铬酸钾。 如如荧光物质的荧光发射光谱的短波长的一端与该物质的吸荧光物质的荧光发射光谱的短波长的一端与该物质的吸收光谱的长波长一端有重叠收光谱的长波长一端有重叠，产生产生“自吸收自吸收”现象现象，而降低了而降低了溶液的荧光强度溶液的荧光强度，如蒽化合物如蒽化合物 。顺磁性物质的存在，顺磁性物质的存在，使激发单重态的系间跨跃速率增大使激发单重态的系间跨跃速率增大,因因而会使荧光效率降低而会使荧光效率降低。5、溶液荧光猝灭溶液荧光猝灭 荧光物质分子与溶剂分子或其它

46、溶质分子的相互作用引荧光物质分子与溶剂分子或其它溶质分子的相互作用引起荧光强度降低的现象称为起荧光强度降低的现象称为荧光猝灭荧光猝灭。能引起荧光强度降低的物质称为猝灭剂。能引起荧光强度降低的物质称为猝灭剂。 导致荧光猝灭的主要类型：导致荧光猝灭的主要类型： 碰撞猝灭碰撞猝灭 碰撞猝灭碰撞猝灭是指处于激发单重态的荧光分子与猝灭剂分子是指处于激发单重态的荧光分子与猝灭剂分子相碰撞，使激发单重态的荧光分子以无辐射跃迁的方式回到相碰撞，使激发单重态的荧光分子以无辐射跃迁的方式回到基态，产生猝灭作用。基态，产生猝灭作用。 静态猝灭静态猝灭(组成化合物的猝灭组成化合物的猝灭) 由于部分荧光物质分子与猝灭剂

47、分子生成非荧光的配合由于部分荧光物质分子与猝灭剂分子生成非荧光的配合物而产生的。物而产生的。此过程往往还会引起溶液吸收光谱的改变。此过程往往还会引起溶液吸收光谱的改变。 转入三重态的猝灭转入三重态的猝灭 分子由于系间的跨越跃迁，由单重态跃迁到三重态。转分子由于系间的跨越跃迁，由单重态跃迁到三重态。转入三重态的分子在常温下不发光，它们在与其它分子的碰撞入三重态的分子在常温下不发光，它们在与其它分子的碰撞中消耗能量而使荧光猝灭。中消耗能量而使荧光猝灭。 溶液中的溶解氧对有机化合物的荧光产生猝灭效应。溶液中的溶解氧对有机化合物的荧光产生猝灭效应。是是由于三重态基态的氧分子和单重激发态的荧光物质分子碰

48、撞，由于三重态基态的氧分子和单重激发态的荧光物质分子碰撞，形成了单重激发态的氧分子和三重态的荧光物质分子，使荧形成了单重激发态的氧分子和三重态的荧光物质分子，使荧光猝灭。光猝灭。 发生电子转移反应的猝灭发生电子转移反应的猝灭 某些猝灭剂分子与荧光物质分子相互作用时，发生了电子某些猝灭剂分子与荧光物质分子相互作用时，发生了电子转移反应，因而引起荧光猝灭。转移反应，因而引起荧光猝灭。 荧光物质的自猝灭荧光物质的自猝灭 在浓度较高的荧光物质溶液中，单重激发态的分子在发生在浓度较高的荧光物质溶液中，单重激发态的分子在发生荧光之前和未激发的荧光物质分子碰撞而引起的自猝灭。有些荧光之前和未激发的荧光物质分

49、子碰撞而引起的自猝灭。有些荧光物质分子在溶液浓度较高时会形成二聚体或多聚体，使它荧光物质分子在溶液浓度较高时会形成二聚体或多聚体，使它们的吸收光谱发生变化，也引起溶液荧光强度的降低或消失。们的吸收光谱发生变化，也引起溶液荧光强度的降低或消失。一、一、 仪器与结构流程仪器与结构流程instrument and general process 二、二、 荧光分析法和应用荧光分析法和应用fluorescence analysis and application三、三、 磷光分析法的应用磷光分析法的应用phosphorescence analysis and application第二节第二节第二节第

50、二节第二节第二节 分子荧光与磷光分析法分子荧光与磷光分析法分子荧光与磷光分析法分子荧光与磷光分析法分子荧光与磷光分析法分子荧光与磷光分析法molecularmolecularmolecular luminescenceluminescenceluminescenceanalysisanalysisanalysis molecular fluorescence molecular fluorescence molecular fluorescence and phosphorescence and phosphorescence and phosphorescence analysisanaly

51、sisanalysis 第五章第五章分子发光分析法分子发光分析法一、仪器结构流程一、仪器结构流程一、仪器结构流程一、仪器结构流程一、仪器结构流程一、仪器结构流程 测量荧光的仪器主要由测量荧光的仪器主要由四个部分组成四个部分组成：激发光源、样品：激发光源、样品池、双单色器系统、检测器池、双单色器系统、检测器。 特殊点特殊点：有两个单色器，光源与检测器通常成直角：有两个单色器，光源与检测器通常成直角。光源：光源：氙灯、氙灯、高压汞灯，染高压汞灯，染料激光器料激光器( (可见与紫外区可见与紫外区) )样品池：样品池：石英石英(低荧光材料低荧光材料)单色器：单色器：选择激发光波长的选择激发光波长的第一

52、单色器和选择发射光第一单色器和选择发射光( (测量测量) )波长的第二单色器；波长的第二单色器；检测器：检测器：光电倍增管光电倍增管。仪仪仪仪仪仪器器器器器器光光光光光光路路路路路路图图图图图图仪器框图仪器框图仪器框图仪器框图仪器框图仪器框图该型仪器可该型仪器可进行荧光、进行荧光、磷光和发光磷光和发光分析；分析；同步扫描技术同步扫描技术同步扫描技术同步扫描技术同步扫描技术同步扫描技术 根据激发和发射单色器在扫描过程中彼此间所保持的根据激发和发射单色器在扫描过程中彼此间所保持的关系，同步扫描可分为固定波长差关系，同步扫描可分为固定波长差( (ll) )和固定能量差及可和固定能量差及可变波长三种；

53、变波长三种； 同步扫描技术可简化光谱同步扫描技术可简化光谱，谱带变谱带变窄，减少光谱重叠，提高分辨率；窄，减少光谱重叠，提高分辨率； 如图。如图。 合适的合适的ll可可减少光谱重叠；减少光谱重叠；酪氨酸和色氨酸的荧光激发光谱相似酪氨酸和色氨酸的荧光激发光谱相似，发射光谱严重重叠，但，发射光谱严重重叠，但ll60nm时，只显示时，只显示色氨酸的特征色氨酸的特征光谱，实现分别测定。光谱，实现分别测定。可获得三维光谱图的仪器可获得三维光谱图的仪器可获得三维光谱图的仪器可获得三维光谱图的仪器可获得三维光谱图的仪器可获得三维光谱图的仪器 可获得激发光谱与发射光谱同时变化时的荧可获得激发光谱与发射光谱同时

54、变化时的荧( (磷磷) )光光谱图光光谱图黄酒的荧光光谱研究黄酒的荧光光谱研究获得激发波长与发射波长同时变化时的荧光强度信息获得激发波长与发射波长同时变化时的荧光强度信息采用采用FLS920稳稳态荧光光谱仪态荧光光谱仪磷光检测磷光检测磷光检测磷光检测磷光检测磷光检测荧光计上配上磷光测量附件即可对磷光进行测量。在有荧光荧光计上配上磷光测量附件即可对磷光进行测量。在有荧光发射的同时测量磷光。发射的同时测量磷光。 测量方法：测量方法：（1 1）通常借助于荧光和磷）通常借助于荧光和磷光寿命的差别，采用磷光光寿命的差别，采用磷光镜的装置将荧光隔开。镜的装置将荧光隔开。（2 2）采用脉冲光源和可控）采用脉

55、冲光源和可控检测及时间分辨技术。检测及时间分辨技术。 二、荧光分析方法与应用二、荧光分析方法与应用二、荧光分析方法与应用二、荧光分析方法与应用二、荧光分析方法与应用二、荧光分析方法与应用1. 1. 特点特点（1）灵敏度高）灵敏度高 比紫外比紫外-可见分光光度法高可见分光光度法高24个数量级；个数量级； 检测下限：检测下限：0.10.1 g/cm-3 相对灵敏度：相对灵敏度：0.05mol/L 奎宁硫酸氢盐的硫酸溶液。奎宁硫酸氢盐的硫酸溶液。（2）选择性强）选择性强 可同时用激发光谱和荧光发射光谱定性。可同时用激发光谱和荧光发射光谱定性。（3）试样量少）试样量少 缺点：缺点：主要是因为能发荧光的

56、物质不具普遍性、增强荧光的方法有主要是因为能发荧光的物质不具普遍性、增强荧光的方法有限、外界环境对荧光量子效率影响大、干扰测量的因素较多限、外界环境对荧光量子效率影响大、干扰测量的因素较多。2. 2. 2. 定量定量定量定量定量定量依据与方法依据与方法依据与方法依据与方法依据与方法依据与方法(1)定量依据定量依据 荧光强度荧光强度 If正比于正比于吸收的光量吸收的光量Ia和荧光量子效率和荧光量子效率 ： If = Ia 由朗由朗-比耳定律：比耳定律： Ia = I0(1-10- l c ) If = I0(1-10- l c ) = I0(1-e-2.3 l c ) 浓度很低时，将括号项近似处

57、理后：浓度很低时，将括号项近似处理后： If = 2.3 I0 l c = Kc（2 2 2 2 2 2）定量方法）定量方法）定量方法）定量方法）定量方法）定量方法标准曲线法：标准曲线法： 配制一系列标准浓度试样测定荧光强度，绘制标准曲配制一系列标准浓度试样测定荧光强度，绘制标准曲线，再在相同条件下测量未知试样的荧光强度，在标准曲线线，再在相同条件下测量未知试样的荧光强度，在标准曲线上求出浓度；上求出浓度；比较法：比较法： 在线性范围内，测定标样和试样的荧光强度，比较；在线性范围内，测定标样和试样的荧光强度，比较；3.3.3.3.3.3.荧光分析法的应用荧光分析法的应用荧光分析法的应用荧光分析

58、法的应用荧光分析法的应用荧光分析法的应用(1)(1)无机化合物的分析无机化合物的分析 与有机试剂配合物后测量；可测量约与有机试剂配合物后测量；可测量约6060多种元素。多种元素。 铍、铝、硼、镓、硒、镁、稀土常采用荧光分析法；铍、铝、硼、镓、硒、镁、稀土常采用荧光分析法； 氟、硫、铁、银、钴、镍采用荧光熄灭法测定；氟、硫、铁、银、钴、镍采用荧光熄灭法测定； 铜、铍、铁、钴、锇及过氧化氢采用催化荧光法测定；铜、铍、铁、钴、锇及过氧化氢采用催化荧光法测定； 铬、铌、铀、碲采用低温荧光法测定；铬、铌、铀、碲采用低温荧光法测定； 铈、铕、锑、钒、铀采用固体荧光法测定铈、铕、锑、钒、铀采用固体荧光法测定

59、(2)(2)生物与有机化合物的分析生物与有机化合物的分析 见表见表 三、磷光分析法的应用三、磷光分析法的应用三、磷光分析法的应用三、磷光分析法的应用三、磷光分析法的应用三、磷光分析法的应用1.1.稠环芳烃分析稠环芳烃分析 采取固体表面室温磷光分析法快速灵敏测定稠环芳烃和采取固体表面室温磷光分析法快速灵敏测定稠环芳烃和杂环化合物（致癌物质）；见表杂环化合物（致癌物质）；见表2.2.农药、生物碱、植物生长激素的分析农药、生物碱、植物生长激素的分析 烟碱、降烟碱、新烟碱等分析烟碱、降烟碱、新烟碱等分析 检测限检测限0.01 g/cm-3 3.3.药物分析和临床分析药物分析和临床分析 见表见表第五章第

60、五章第五章第五章第五章第五章 分子发光分析法分子发光分析法分子发光分析法分子发光分析法分子发光分析法分子发光分析法一、一、基本原理基本原理principle 二、化学发光分析的特点二、化学发光分析的特点characteristics三三 装置与技术装置与技术instrument and technology第三节第三节第三节第三节第三节第三节 化学发光分析法化学发光分析法化学发光分析法化学发光分析法化学发光分析法化学发光分析法molecular luminescenceanalysischemiluminescenceanalysis一、基本原理一、基本原理一、基本原理一、基本原理一、基本原理