荧光光谱的原理及应用.ppt

荧光光谱的原理及应用,2,主要内容,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,2,荧光光谱的应用,3,参考资料,4,3,荧光光谱的基本原理,4,荧光定义,荧光是辐射跃迁的一种，是物质从激发态失活到多重性相同的低能状态时所释放的辐射。,5,构造原理：电子在原子或分子中排布所遵循的规则。,基态和激发态,能量最低原理泡利不相容原理洪特规则,基态：当一个分子中的所有电子的排布都遵从构造原理时，此分子被称为处于基态。,激发态：当一个分子中的电子排布不完全遵从构造原理时，此分子被称为处于激发态。,6,电子激发态的多重度：M=2S+1S为电子自旋量子数的代数和(0或1)；,电子激发态的多重度,根据洪特规则(平行自旋比成对自旋稳定)，大多数有机分子的基态处于单重态；,7,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；,分子能级与跃迁,激发：基态(S0)激发态(S1、S2激发态振动能级)：吸收特定频率的辐射；量子化；跃迁一次到位；失活：激发态基态：多种途径和方式(见能级图)；速度最快、激发态寿命最短的途径占优势；,第一、第二、电子激发单重态S1、S2；第一、第二、电子激发三重态T1、T2；,8,雅布隆斯基分子能级图,9,跃迁规则,跃迁前后原子核的构型没有发生改变、跃迁过程中电子自旋没有改变、跃迁前后电子的轨道在空间有较大的重叠和轨道的对映性发生了改变的跃迁是允许的；,跃迁过程中电子自旋发生了改变、跃迁前后电子的轨道在空间不重叠或轨道的对映性未发生改变的跃迁是禁阻的。,夫兰克-康登原理：在电子跃迁完成的瞬间，分子中原子核的构型是来不及改变的。,10,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(发光)和无辐射跃迁等方式失去能量，这个过程就称为失活。,激发态停留时间短、返回速度快的途径，发生的几率大。,失活的途径,11,振动弛豫：同一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。发生振动弛豫的时间一般为10-12s。,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激发单重态的最低振动能级。,内转换：多重度相同的电子能级中等能级间的无辐射能级跃迁。,12,无辐射跃迁失活的途径,系间窜越：不同多重态,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，通过自旋轨道耦合进行。,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移能量的非辐射跃迁；外转换使荧光或磷光减弱或“猝灭”。,13,荧光发射：电子由第一激发单重态的最低振动能级基态（多为S1S0跃迁），发射波长为2的荧光；10-710-9s。,辐射跃迁失活的途径,磷光发射：电子由第一激发三重态的最低振动能级基态（多为T1S0跃迁）；发射波长为3的磷光；10-4100s。,电子由S0进入T1的可能过程：（S0T1禁阻跃迁）S0激发振动弛豫内转换系间窜越振动弛豫T1发光速度很慢，光照停止后，可持续一段时间。,14,激发谱固定发射波长(一般将其固定于发射波段中感兴趣的峰位)，扫描出的化合物的发射光强(荧光/磷光)与入射光波长的关系曲线。,主要光谱参量,发射谱固定激发波长(一般将其固定于激发波段中感兴趣的峰位),扫描出的化合物的发射光强(荧光/磷光)与入射光波长的关系曲线。,吸收谱化合物的吸收光强与入射光波长的关系曲线。,15,主要光谱参量,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。通常状态下的物质的表观颜色大部分时候取决于其吸收特性。,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时，吸收不同波长的能量(如能级图2,1)，产生不同吸收带，但均回到第一激发单重态的最低振动能级再跃迁回到基态，产生波长一定的荧光(如2)。因此，发射谱的形状与激发波长无关。,16,荧光光谱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II。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。磷光光谱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III。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。,荧光光谱与磷光光谱,17,荧光寿命,荧光寿命是荧光强度衰减为初始时的1/e所需要的时间，常用表示。,如荧光强度的衰减符合指数衰减的规律:ItI0e-kt,其中I0是激发时最大荧光强度，It是时间t时的荧光强度，k是衰减常数。假定在时间时测得的It为I0的1/e，则是我们定义的荧光寿命。,18,寿命是衰减常数k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强度值下降到其1/e所需的时间都应等于。,荧光寿命,19,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。,荧光寿命,因此有F1/KF,F表示荧光分子的固有荧光寿命，kF表示荧光发射速率的衰减常数。荧光发射速率即为单位时间中发射的光子数。,20,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(如淬灭和能量转移)回到基态，其结果是加快了激发态分子回到基态的过程(或称失活过程)，结果是荧光寿命降低。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k可以用各种失活过程的速率常数之和来表示:kkF+kiki表示各种非辐射过程的衰减速率常数。则总的寿命为:1/k1/(kF+ki),荧光寿命,21,由于吸收几率与发射几率有关，F与最大吸收位置的摩尔消光系数max(单位为cm2mol-1或(moldm-3)-1cm-1)也密切相关。从下式可以得到F的粗略估计值(单位为秒)。1/F104max,注意：在讨论寿命时，不要把寿命与跃迁时间混淆起来。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。,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,22,荧光产生的条件,化合物能够产生荧光的必要条件是：它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要的能量。,另外，化合物要能发生荧光，其结构中必须有荧光基团。荧光基团都是含有不饱和键的基团，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。,23,影响荧光的主要因素,1.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荧光助色团。一般为给电子取代基，如-NH2、-OH等。相反，吸电子基团如-COOH、-CN等将减弱或抑制荧光的产生，被称为荧光消色团。,24,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降低，进而有利于荧光的产生。,2.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电子的流动性，也就有利于荧光的产生。,3.提高分子的刚性可增强荧光：,25,影响荧光的主要因素,根据电子跃迁规则，S1态的电子组态是（，*）态时，有利于荧光的产生，当S1态的电子组态是（n，*）态时，不利于荧光的产生。,4.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S1态向T1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。,5.重原子将导致荧光量子产率的降低：,26,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。,6.溶剂极性的影响：,降低体系温度可以提高荧光量子产率。,7.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，这都可用减少了分子的热振动和增加了分子的刚性来解释。,8.其它影响因素：,什么是时间分辨荧光光谱,激发光谱和荧光光谱都是稳态光谱，其记录的是荧光强度（I）与波长（Wavelength）的关系，如图1左。准确的说，这里的荧光强度都是平均强度。在时间分辨荧光光谱中，纵坐标为荧光强度（I（t），横坐标为时间（t）。其记录的是荧光强度随时间的变化。一般在测试中，利用一定波长的激光脉冲信号激发样品，然后观测样品所发出荧光信号的衰减情况，所得曲线称为荧光衰减曲线，如图1右所示。,为什么需要时间分辨荧光光谱,产生荧光的本质为激发电子与空穴的辐射性复合，而这种复合可以有多种类型。比如可以单通道、双通道、多通道等等。比如在大分子中，不同的构型往往对应着不同的衰减通道，荧光寿命也不尽相同。在量子点纳米晶中，衰减通道常常和表面缺陷、能量转移、多激子发射有关。这些信息在稳态光谱中都无法体现，但时间分辨荧光光谱则能够给出相关信息,荧光究竟是如何衰减的,用很短脉冲光激发荧光体，荧光体被激发到激发态。处于激发态的荧光体将辐射跃迁并发出荧光。如果发出荧光的过程为一级反应，将有下式：,积分上式，并且通常荧光强度I和n（t）成正比，所以荧光强度随时间的变化关系式：,上式中n（t）为激发后t时刻处于激发态荧光分子的数目，T、Knr为辐射跃迁和非辐射跃迁速率，如图2所示。,式中=1/（T+Knr），即荧光寿命。以ln（I）对t作图就可以得到图1b所示荧光衰减曲线，通过斜率可以算出荧光