荧光磷光分析

1、Modern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical Method第二章第二章第二章第二章第二章第二章Modern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodMo

2、dern Instrument Analytical Method荧光是如何产生的？荧光是如何产生的？荧光是如何产生的？荧光是如何产生的？荧光是如何产生的？荧光是如何产生的？ 激发态激发态激发态激发态激发态激发态光辐光辐光辐光辐光辐光辐射射射射射射基态分子基态分子基态分子基态分子基态分子基态分子荧光荧光荧光荧光荧光荧光磷光磷光磷光磷光磷光磷光非辐射非辐射非辐射非辐射非辐射非辐射跃迁跃迁跃迁跃迁跃迁跃迁Modern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical

3、 Method2. 分子的活化与去活化分子的活化与去活化 分析中有意义分析中有意义分析中有意义分析中有意义分析中有意义分析中有意义刚性、粘稠刚性、粘稠刚性、粘稠刚性、粘稠刚性、粘稠刚性、粘稠 介质中介质中介质中介质中介质中介质中 （溶液中）（溶液中）（溶液中）（溶液中）（溶液中）（溶液中）（高温稀薄气体中）（高温稀薄气体中）（高温稀薄气体中）（高温稀薄气体中）（高温稀薄气体中）（高温稀薄气体中）（气体、晶体中气体、晶体中气体、晶体中气体、晶体中气体、晶体中气体、晶体中） Modern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytica

4、l MethodModern Instrument Analytical Method电子自旋状态的多重性电子自旋状态的多重性 大多数分子含有偶数电子，基态分子每一个轨道大多数分子含有偶数电子，基态分子每一个轨道中两个电子自旋方向总是相反的中两个电子自旋方向总是相反的 ，处于基态单，处于基态单重态。用重态。用 “S0” 表示表示 ；当物质受光照射时，基态；当物质受光照射时，基态分子吸收光能产生电子能级跃迁，分子吸收光能产生电子能级跃迁，由基态跃迁至由基态跃迁至更高的单重态，电子自旋方向没有改变，更高的单重态，电子自旋方向没有改变，净自旋净自旋 = 0 .这种跃迁是符合光谱选律的这种跃迁是符合光

5、谱选律的 基态单重态基态单重态基态单重态 第一激发单重态第一激发单重态第一激发单重态 单重态分子具有抗磁性，激发态的平均寿命约为单重态分子具有抗磁性，激发态的平均寿命约为单重态分子具有抗磁性，激发态的平均寿命约为单重态分子具有抗磁性，激发态的平均寿命约为单重态分子具有抗磁性，激发态的平均寿命约为单重态分子具有抗磁性，激发态的平均寿命约为101010-8-8-8Modern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical Method 若分子中电子跃迁过程中伴随

6、着自旋方向的改若分子中电子跃迁过程中伴随着自旋方向的改变，由基态单重态变，由基态单重态激发三重态，净自旋激发三重态，净自旋 0。这种跃迁为禁阻跃迁这种跃迁为禁阻跃迁 T1、T2、T3分别表示第一、二、三激发三重态分别表示第一、二、三激发三重态 基态单重态基态单重态基态单重态基态单重态基态单重态基态单重态 第一激发三重态第一激发三重态第一激发三重态第一激发三重态第一激发三重态第一激发三重态 自旋平行自旋平行自旋平行自旋平行自旋平行自旋平行三重态分子具有顺磁性，激发态的平均寿命约为三重态分子具有顺磁性，激发态的平均寿命约为三重态分子具有顺磁性，激发态的平均寿命约为三重态分子具有顺磁性，激发态的平均

7、寿命约为三重态分子具有顺磁性，激发态的平均寿命约为三重态分子具有顺磁性，激发态的平均寿命约为101010-4-4-41S1S1SModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical Method分子的活化与去活化分子的活化与去活化Modern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical Method 荧光及磷光的产

8、生 分子具有一系列严格分立的能级电子能级 每个电子能级中又含有一系列振动能层和转动能层分子中电子能级、分子中电子能级、分子中电子能级、振动能级和转动能级示意图振动能级和转动能级示意图振动能级和转动能级示意图电电电电电电子子子子子子能能能能能能级级级级级级转转转转转转动动动动动动能能能能能能级级级级级级振振振振振振动动动动动动能能能能能能级级级级级级Modern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical Method单重态：单重态：单重态：如果分子中全部轨

9、道里的如果分子中全部轨道里的如果分子中全部轨道里的电子都是自旋配对的，即电子都是自旋配对的，即电子都是自旋配对的，即s=0, s=0, s=0, 分分分子的多重度子的多重度子的多重度=1, =1, =1, 该分子体系处于单该分子体系处于单该分子体系处于单重态重态重态 基态(S0): 室温下，分子处于基态的振动能级。 此时所有电子皆遵从能量最低原理、Pauli不相容原理和洪特规则。 激发态: 被激发后, 能量变高, 属非稳状态。 单重态（S） 三重态（T）基态基态基态S S S0 0 0第一电子激发态第一电子激发态第一电子激发态S S S1 1 1第二电子激发态第二电子激发态第二电子激发态S S

10、 S2 2 2三重态三重态三重态三重态三重态三重态：如果电子在跃迁过程中：如果电子在跃迁过程中：如果电子在跃迁过程中还伴随着自旋方向的改变，这时还伴随着自旋方向的改变，这时还伴随着自旋方向的改变，这时分子具有两个自旋不配对的电子分子具有两个自旋不配对的电子分子具有两个自旋不配对的电子洪特规则洪特规则洪特规则：处于分立轨道上的非成处于分立轨道上的非成处于分立轨道上的非成对电子，平行自旋要比成对自旋更对电子，平行自旋要比成对自旋更对电子，平行自旋要比成对自旋更稳定。稳定。稳定。PauliPauliPauli不相容原理不相容原理不相容原理：分子中同一轨：分子中同一轨：分子中同一轨道所占据的两个电子必

11、须具有相反道所占据的两个电子必须具有相反道所占据的两个电子必须具有相反的自旋方向，即自旋配对。的自旋方向，即自旋配对。的自旋方向，即自旋配对。Modern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical Method 去活过程：从激发单重态（S1、S2）或激发三重态（T1）回到基态（ S0 ） 非辐射过程发射光子的过程 分分 子子 发发 光光：处于基态的分子吸收能量（电、热、化学和光能等）被激发至激发态，然后从不稳定的激发态返回至基态并发射出光子，此种现象称为

12、分子发光。 荧光和磷光荧光和磷光:当紫外光照射某些物质时，由于这些物质结构的特殊性，会发出比吸收波长更长的光，当紫外光停止照射时, 随之消失的光叫做荧光荧光，不立即消失的光叫磷光磷光。Modern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodVRVRVRVRVRVRVRVRVRv=v=v=0 0 0v=v=v=0 0 0v=v=v=0 0 01 1 1v=v=v=0 0 02 2 23 3 31 1 12 2 21 1 12 2 21 1 12

13、 2 2S S S2 2 2S S S1 1 1S S S0 0 0T T T1 1 1分子内的光物理过程VR-VR-VR-振动驰豫振动驰豫振动驰豫振动驰豫振动驰豫振动驰豫，是指在同一，是指在同一，是指在同一，是指在同一，是指在同一，是指在同一电子能级中，分子由较高振电子能级中，分子由较高振电子能级中，分子由较高振电子能级中，分子由较高振电子能级中，分子由较高振电子能级中，分子由较高振动能级向该电子态的最低振动能级向该电子态的最低振动能级向该电子态的最低振动能级向该电子态的最低振动能级向该电子态的最低振动能级向该电子态的最低振动能级的非辐射跃迁。动能级的非辐射跃迁。动能级的非辐射跃迁。动能级的

14、非辐射跃迁。动能级的非辐射跃迁。动能级的非辐射跃迁。VR-VR-VR-振动驰豫振动驰豫振动驰豫振动驰豫振动驰豫振动驰豫Modern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical Method 振动弛豫（Vibrational Relaxation, VR） 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，从而从Sn高振动能层失活至该电子能级最低振动能层的过程，称为振动弛豫。 高振动能级 低振动能级 发生振动弛豫的时间：10

15、-12sModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical Methodic ic icic ic icv=v=v=0 0 0v=v=v=0 0 0v=v=v=0 0 01 1 1v=v=v=0 0 02 2 23 3 31 1 12 2 21 1 12 2 21 1 12 2 2S S S2 2 2S S S1 1 1S S S0 0 0T T T1 1 1123 分子内的光物理过程ic ic ic- - -内转化内转化内转化内转化内转化内转化 ，

16、是相，是相，是相，是相，是相，是相同多重态的两个同多重态的两个同多重态的两个同多重态的两个同多重态的两个同多重态的两个相邻电子态之间相邻电子态之间相邻电子态之间相邻电子态之间相邻电子态之间相邻电子态之间的非辐射跃迁。的非辐射跃迁。的非辐射跃迁。的非辐射跃迁。的非辐射跃迁。的非辐射跃迁。ic ic ic- - -内转化内转化内转化内转化内转化内转化Modern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical Method 内转换（Internal Convers

17、ion，IC） 当两个电子能级非常靠近,以致其振动能级有重叠时，发生电子由高能级以无辐射跃迁方式转移至低能级， 相同多重态的两个电子态间的非辐射跃迁 【例】:高电子能能级低电子能级 S2 S1 T2 T1 发生内转换的时间： 10-13 10-11sModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical Methodiscisciscv=v=v=0 0 0v=v=v=0 0 0v=v=v=0 0 01 1 1v=v=v=0 0 02 2 23 3 31

18、1 12 2 21 1 12 2 21 1 12 2 2iscisciscS S S2 2 2S S S1 1 1S S S0 0 0T T T1 1 1 分子内的光物理过程isciscisc- - -体系间窜跃体系间窜跃体系间窜跃体系间窜跃体系间窜跃体系间窜跃，是指不同多重是指不同多重是指不同多重是指不同多重是指不同多重是指不同多重态的两个电子态的两个电子态的两个电子态的两个电子态的两个电子态的两个电子态间的非辐射态间的非辐射态间的非辐射态间的非辐射态间的非辐射态间的非辐射跃迁。跃迁。跃迁。跃迁。跃迁。跃迁。isciscisc- - -体系间窜跃体系间窜跃体系间窜跃体系间窜跃体系间窜跃体系间

19、窜跃Modern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical Method 体系间窜跃体系间窜跃（Intersystem Conversion，ISC） 两个不同多重态之间的无辐射跃迁，如从S1到T1，该跃迁是禁阻的。 但当不同多重态的两个电子能层有较大重叠时，处于这两个能层上的受激电子的自旋方向发生变化，即可通过自旋-轨道耦合而产生无辐射跃迁，该过程称为系间跨跃。 不同多重态的两个电子能态间的非辐射跃迁 外转换（External Conversion，E

20、C） 受激分子与溶剂或其它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“熄灭”或“猝灭”Modern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical Methodv=v=v=0 0 0v=v=v=0 0 0v=v=v=0 0 01 1 1v=v=v=0 0 02 2 23 3 31 1 12 2 21 1 12 2 21 1 12 2 2F F FP P PS S S2 2 2S S S1 1 1S S S0 0 0T T T1 1 1

21、3 分子内的光物理过程分子荧光，分子荧光，分子荧光，分子荧光，分子荧光，分子荧光，处于处于处于处于处于处于第一电子激发单第一电子激发单第一电子激发单第一电子激发单第一电子激发单第一电子激发单重态最低振动能重态最低振动能重态最低振动能重态最低振动能重态最低振动能重态最低振动能级的分子，以辐级的分子，以辐级的分子，以辐级的分子，以辐级的分子，以辐级的分子，以辐射跃迁的形式返射跃迁的形式返射跃迁的形式返射跃迁的形式返射跃迁的形式返射跃迁的形式返回基态各振动能回基态各振动能回基态各振动能回基态各振动能回基态各振动能回基态各振动能级时产生的辐射级时产生的辐射级时产生的辐射级时产生的辐射级时产生的辐射级时

22、产生的辐射跃迁。跃迁。跃迁。跃迁。跃迁。跃迁。分子荧光分子荧光分子荧光分子荧光分子荧光分子荧光Modern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical Method 荧光发射荧光发射 荧光：分子中电子从单重激发态的最低振动能级在很短时间（10-9-10-6s）跃迁到基态各振动能层时所产生的光子辐射称为荧光。 荧光发射：产生荧光的过程 S1 S0Modern Instrument Analytical MethodModern Instrument Anal

23、ytical MethodModern Instrument Analytical Methodv=v=v=0 0 0v=v=v=0 0 0v=v=v=0 0 01 1 1v=v=v=0 0 02 2 23 3 31 1 12 2 21 1 12 2 21 1 12 2 2F F FP P PS S S2 2 2S S S1 1 1S S S0 0 0T T T1 1 1分子内的光物理过程分子分子分子分子分子分子 ，处于亚处于亚处于亚处于亚处于亚处于亚稳态的电子激发稳态的电子激发稳态的电子激发稳态的电子激发稳态的电子激发稳态的电子激发三重态最低振动三重态最低振动三重态最低振动三重态最低振动三重

24、态最低振动三重态最低振动能级的分子，以能级的分子，以能级的分子，以能级的分子，以能级的分子，以能级的分子，以辐射跃迁的形式辐射跃迁的形式辐射跃迁的形式辐射跃迁的形式辐射跃迁的形式辐射跃迁的形式返回基态各振动返回基态各振动返回基态各振动返回基态各振动返回基态各振动返回基态各振动能级时产生的辐能级时产生的辐能级时产生的辐能级时产生的辐能级时产生的辐能级时产生的辐射跃迁。射跃迁。射跃迁。射跃迁。射跃迁。射跃迁。磷光磷光磷光磷光磷光磷光Modern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrum

25、ent Analytical Method 磷光发射 从单重态（S）到三重态（T）分子间发生系间跨越跃迁后，再经振动弛豫回到三重态最低振动能层，最后，在10-4-10s内跃迁到基态的各振动能层所产生的辐射。Modern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodS S S2 2 2S S S1 1 1S S S0 0 0T T T1 1 1吸吸吸吸吸吸收收收收收收发发发发发发射射射射射射荧荧荧荧荧荧光光光光光光发发发发发发射射射射射射磷磷磷磷

26、磷磷光光光光光光系间跨越系间跨越系间跨越内转换内转换内转换振动弛豫振动弛豫振动弛豫能能能量量量l l l 2 2 2l l l 1 1 1l l l 3 3 3 外转换外转换外转换l l l 2 2 2T T T2 2 2内转换内转换内转换振动弛豫振动弛豫振动弛豫分子内的光物理过程分子内的光物理过程分子内的光物理过程Modern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical Method去活化过程（Deactivation） 过程：激发态分子辐射或非辐射跃迁

27、等基态 处于激发态的电子，通常以辐射跃迁方式或无辐射跃迁方式等再回到基态。去活化去活化去活化发射光子发射光子发射光子非辐射跃迁非辐射跃迁非辐射跃迁化学反应化学反应化学反应荧光荧光荧光磷光磷光磷光振动驰豫振动驰豫振动驰豫内转换内转换内转换外转换外转换外转换系间跨越系间跨越系间跨越Modern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical Method 分子被激发时的散射问题分子被激发时的散射问题分子被激发时的散射问题分子被激发时的散射问题分子被激发时的散射问题

28、分子被激发时的散射问题 激发激发激发激发激发激发光的能量光的能量光的能量光的能量光的能量光的能量太低、不足以外层电子跃迁到太低、不足以外层电子跃迁到太低、不足以外层电子跃迁到太低、不足以外层电子跃迁到太低、不足以外层电子跃迁到太低、不足以外层电子跃迁到 S S S1 1 1 但仍可将电子激发至基态的但仍可将电子激发至基态的但仍可将电子激发至基态的但仍可将电子激发至基态的但仍可将电子激发至基态的但仍可将电子激发至基态的高振动能级高振动能级高振动能级高振动能级高振动能级高振动能级上上上上上上 受激后能量无损失，受激后能量无损失，受激后能量无损失，受激后能量无损失，受激后能量无损失，受激后能量无损失

29、，瞬间瞬间瞬间瞬间瞬间瞬间(10(10(10 s s s) ) ) 返回原返回原返回原返回原返回原返回原能级能级能级能级能级能级受激发后有能量改受激发后有能量改受激发后有能量改受激发后有能量改受激发后有能量改受激发后有能量改变变变变变变, , ,返回原来稍高返回原来稍高返回原来稍高返回原来稍高返回原来稍高返回原来稍高或稍低能级上或稍低能级上或稍低能级上或稍低能级上或稍低能级上或稍低能级上在不同方向上发射与原激在不同方向上发射与原激在不同方向上发射与原激在不同方向上发射与原激在不同方向上发射与原激在不同方向上发射与原激发光相同波长发光相同波长发光相同波长发光相同波长发光相同波长发光相同波长111

30、的辐射的辐射的辐射的辐射的辐射的辐射瑞利散射瑞利散射瑞利散射瑞利散射瑞利散射瑞利散射不同方向伴随的波长不同方向伴随的波长不同方向伴随的波长不同方向伴随的波长不同方向伴随的波长不同方向伴随的波长发射为发射为发射为发射为发射为发射为 111拉曼散射拉曼散射拉曼散射拉曼散射拉曼散射拉曼散射散射光波长激发光波长散射光波长激发光波长散射光波长激发光波长散射光波长激发光波长散射光波长激发光波长散射光波长激发光波长 拉曼带波长随激发光波长而变拉曼带波长随激发光波长而变拉曼带波长随激发光波长而变拉曼带波长随激发光波长而变拉曼带波长随激发光波长而变拉曼带波长随激发光波长而变 举例：在举例：在举例：在举例：在举例

31、：在举例：在0.1mol/L0.1mol/L0.1mol/L硫酸中，硫酸奎宁荧光光谱的变化硫酸中，硫酸奎宁荧光光谱的变化硫酸中，硫酸奎宁荧光光谱的变化硫酸中，硫酸奎宁荧光光谱的变化硫酸中，硫酸奎宁荧光光谱的变化硫酸中，硫酸奎宁荧光光谱的变化Modern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical Method200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 9000400800120016002

32、0002400280032003600400044004800 IF *MXMX n1iihv n1jjhvMXMX*Modern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical Method200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 90004008001200160020002400280032003600400044004800 IF Modern Instrument Analytic

33、al MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical Method200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 90004008001200160020002400280032003600400044004800 IF Modern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern

34、 Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodbC303. 20teT,bCIIlgTlgA bC303.20te1T1II1 )e1(IIIbC303.20t0 )e1(I)II(IbC303.20t0F !nx!4x!3x!2x!1x1en432x Modern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytica

35、l Method)!4)bC30. 2(!3)bC30. 2(!2)bC30. 2(bC30. 2(II4320F CbIk30. 2I0FF CbIk30. 2I0PP CKIF KCIP I I I I I I0 0 0 变化对荧光强度的影响变化对荧光强度的影响变化对荧光强度的影响变化对荧光强度的影响变化对荧光强度的影响变化对荧光强度的影响 比比比比比比UV-VisUV-VisUV-Vis的灵敏度高得多（的灵敏度高得多（的灵敏度高得多（的灵敏度高得多（的灵敏度高得多（的灵敏度高得多（2-42-42-4个数量级）个数量级）个数量级）个数量级）个数量级）个数量级）为什么？为什么？为什么？Mod

36、ern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical Method激激发发分分子子总总数数发发射射荧荧光光的的分分子子数数 F n1iiFFFkkk 激激发发分分子子总总数数发发射射磷磷光光的的分分子子数数 P n1iiPPstPkkk Modern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical Method 强荧光的有机

37、化合物具备下特征强荧光的有机化合物具备下特征强荧光的有机化合物具备下特征强荧光的有机化合物具备下特征强荧光的有机化合物具备下特征强荧光的有机化合物具备下特征: : :具有大的共轭具有大的共轭具有大的共轭具有大的共轭具有大的共轭具有大的共轭 键结构；键结构；键结构；键结构；键结构；键结构；具有刚性的平面结构；具有刚性的平面结构；具有刚性的平面结构；具有刚性的平面结构；具有刚性的平面结构；具有刚性的平面结构；具有最低的单重电子激发态为具有最低的单重电子激发态为具有最低的单重电子激发态为具有最低的单重电子激发态为具有最低的单重电子激发态为具有最低的单重电子激发态为S S S1 1 1为为为为为为 *

38、 * * 型；型；型；型；型；型；取代基团为给电子取代基。取代基团为给电子取代基。取代基团为给电子取代基。取代基团为给电子取代基。取代基团为给电子取代基。取代基团为给电子取代基。Modern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodN

39、 NN NCCOO-O-OCOCOO-O-OCH2OHCH3H3CModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodONO2Modern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodNCH3H3C-O3SNCH3H3CSO3-CCHHCCHHOHO-OHO-Modern Instrume

40、nt Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical Method三三. 金属螯合物的荧光金属螯合物的荧光NOHNOZnNNOOAlNNOHHOModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical Me

41、thodModern Instrument Analytical Method四四. 荧光的熄灭荧光的熄灭Hhvhvk*,k*1QMQMMMMM2 *,*hvhvAADD )(A)D()A()(D)(A)D()A()(D1*0011*001SSSTSSSS* NCH3CH3NCH3CH3+_Modern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical Method23*3231OMOM 1k*hvhvDDDD D)(DDD11* kT M2M)M(MM*3*3*3Modern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrument Analytical MethodModern Instrume