（凝聚态物理专业论文）固体基质荧光特性的研究.pdf

旦堡茎堡茎堂鲎堡鲤婴壅塑量 论文题目：固体基质荧光特性的研究 作者简介：杨仁杰，男，1 9 7 8 年生，2 0 0 2 年从师于杨延勇教授，于2 0 0 5 年6 月毕业于南开大 学凝聚态专业，并获理学硕士学位。 论文摘要 固体基质荧光因为具有简单、快速、取样量少、灵敏度高、选择性高、费用少等优点得 到越来越多的关注。虽然对于固体基质荧光的研究开始于3 0 多年前，但对于其发光特性的研究 如峰值波长、量子产率、寿命等问蹶还没有得到解决。本学位论文对固体基质荧光进行了理论 与实验研究，从三个方面对固体基质荧光的特性进行了系统的研究。 首先，本论文通过对卜苯胺基萘一8 一磺酸盐( a n s ) 在各种固体基质中发光特性的研究。同 时与其处在甲醇溶剂中发光特性进行比较发现：( 1 ) 发射峰位置与在甲醇溶液中相比，发生明 显的蓝移；( 2 ) 荧光寿命明显缩短；( 3 ) 相对量子产率明显增大。同时我们还研究了环境如温 度、p h 值、湿度和气体等对其发光特性的影响。 其次，本论文通过直接对含油岩屑粉末进行荧光检测，提出了直接对含油岩屑进行荧光测量 是可行的。在这基础上，提出了一种新的荧光录井方法：直接对含油岩屑进行荧光测量，它可 以极大地缩短录井所需要的时间，还有可能实现在线测量。并研究了固体粉末表面荧光浓度猝 灭的机制，同时在理论上也分析了含有重质油的岩屑比含有轻质油的岩屑更容易发生浓度猝灭 的原因。 最后，本论文提出了三维荧光光谱技术与差谱技术相结合的新方法，预期将这种方法用于 荧光录井，这样可以极大地提高分析的灵敏度。本章从数学的角度推导了这种方法比常规差谱 方法的优势所在，我们采用这种方法分析了目前市场上的柴油中掺有微量的1 2 0 # 溶剂油的样 品，分析结果表明：这种方法能够测量待测组分中是否含有其它的微量组分。我们还提出了将 三维荧光光谱技术与化学计量学相结合，并将其应用于对水中污油含量进行预测。 关键词：固体基质，表面荧光，三维荧光差谱技术， 卜苯胺基蔡一8 一磺酸盐( a n s ) ， 含油岩屑 研究成果 1 杨仁杰，第一作者，三维荧光光谱差谱法测定柴油中的溶剂油，光谱学与光谱分析，已接 收 2 杨仁杰，第一作者，1 - 苯胺基萘8 一磺酸盐在各种固体基质中发光特性的研究，光谱实验室， 2 2 ，2 3 0 ( 2 0 0 5 ) 3 杨仁杰，第一作者，含油岩屑固体粉末荧光的研究，发光学报，2 6 ，1 3 1 ( 2 0 0 5 ) 4 杨仁杰，第一作者，第十届全国发光学学术会议论文8 ，3 4 8 ( 2 0 0 4 ) 固体基质荧光特性的研究 a b s t n c t 砸t i eo f t h 船i s ： r e s e a r c ho nf i u o 咒踮e n c ec h a r a c i e i i s t i c si ns o l i dm a t r i x i n 咖d 呲t j o no f t h ea u t h o r ：y 皇m gr e n j i e ，w 醛b o mo nm a r c h3 ，1 9 7 8 u n d e rt l l eg i l i d 如c eo f p m y 粕g y o n g ，h ew a sg w a r d e dt h em 船t 盯d e g 雎eo fs c i e n c ea tn a n k a iu n i v e r s i t yi n2 0 0 5 a b s h 鼍c t ：s o l i d m a t r i xf i u o r c s c e n c eh 弱b e c ns h 哪t 0as i m p l e ，s e n s m v e ，s e l e c 吐v e ，加dj n e x p e n s i v e w a yt 0c h 锄c t e f i z e 如dt od e t 岫e 仃a c ea m o 咖t s0 fav a r i e t yo fo r g a n i cc o m p 0 咖d s 舢山0 u 曲 s 0 1 i d m a 埘xn u o r e s c 印w 路丘揭to b s e r v e do v e rt h r d e d e sa g o ，s o m eb a s i cp m b l e m si n p h o t o l l i l l l i n c s c e n c ec h a r a c t e i i s t i 璐，s i i c ha sq u a n “蛐y i e l d s ，l i f e d m ec t c ，a f es up 蛐d i n g t h i st h c s i s s t i l d i e dp h o t o l 眦i n e s c c n c ec h a 糟c t e r i s t i 岱o f 蛐p l e si ns o n d 砌t r i ) ( i nt h 托ep a n s ： f i 培to fa l l ，s 缸i d y i n go p h o i o l u m i n e s c c n c cc h a n c t e r i s d c so fa n si s o l i dm a t r i x ，w cc o m p a r e d 血ep r o p e n i e so fa n sn u o 瑚咖c eb c 押e e ni n l i de n v i r 0 岫e 小a n di i lm c t h 珈i l u 0 n ( 1 ) t h e n u o r e s c e c ep e a ks h i f t ss b o f t e rw a v e l e 唱t hi n l i d 蛐v i r o 咄n t ；( 2 ) f l u o r e s c e n c e 坩b t i i m sc h 柚g c s h o r t ；( 3 ) r e l a d v eq u 姐t i l my i e l d so b v i o l i s l yi n c r c 船c a tt h es 锄et i i n e ，w ea l s o s t u d i e dt h a t e d v i r o 衄印t ss u c h 龉t c m p e m 眦，p hl e v e l ，h u m i d “y 姐dg 蠲e t c ，a f f e c t e do np h o t o l u m j n e s n c e c b m c l e d s d c s s c n d l y at h n i q 眦蛐d 沁c ta s s a y0 fs o u dp 0 州d e rn u o r c s c c n c ei no nc u 临寥w 勰s t u d i e d t h e r e i m l t ss h o w e dt h a tat e c h n i q u e 佃d i r e c ta s yo f 瑚p 。啊d e rn u o r e s c 锄c ei o nc u 她g sw a s f c a s i m e t h em e c h a n i 锄0 fc 0 舢仃a n 蚰q 岫n c h j n go f h dp o w d e rn u o r c s c c n c cw a ss t l i d i e d a tt h e s a m e 吐砒，也e 佗a s o nw h yf l u o s c tc o m 蜘 觚o 平嘲睑ho fh c a v yo 诅w 酷e 强i e rt h 蛆d 伯o 讧 w e ，甲l a j n c d a tl a s an 椰t e 吲q u eo nt h r e e - d i 玎n s i o ns p e c 订a is u b t r 虻t i o n 日u o r e s c e n c ew 船p u tf 0 唧盯d 1 1 l a tt h et c 删q u ew a sa p p h e di n 曲ta s s a yo fs o l i dp o w d e rn r e s c c n c e 加础c i l t 血g sw a s 蛆c i p a t e d ac o m p a r i nw a sm a d cb e t w e e t h et e c h n i q 呲姐dg 跖e r a ls p e c t r a ls u b t r a c 6 叩t e c h n i q u e a sv i e w e d 丘o mm a t h e m a “c s s t u d y i n go nc h a r a c t e 凼n c s0 faa d u l t e 豫t e ds 锄p ko fd j e s e lb y1 2 0 弟 s o l v e n tn a p h t l i ab yt h et e c h n i q u e t h er e s l l l t ss h o wt h a tt h et e 删q u em a ya n a l y s em i c r o m p o n e n t yw o r d s ： s o dm a t r i 】( ，s u r f a c en u o r e s c e n c e ，n 陀e - d i 舭n s i o s p e c t r a l s u b t r a c t i o nn u o r e s c e c c ， 1 吨n n i n o n a p h 也a l c n e - 8 - 虬n f o n a 钯， o 诅c u t t i n g r e s e a r c ha c h l e v e m e n t s 1 y a n gr c n i c ，s p e c 的s c o p y 姐ds p e c t r a ia n a l y s i s ，a c c e p t e d 2 y a n gr e n j i e ，s p e c c r o s c o p yb b o m t o 2 2 ，2 3 0 ( 2 0 0 5 ) 3 y a n gr e n j i e ，c h i n e s e j o 啪a lo fh i m i n e s c e n c e ，2 6 ，1 3 1 ( 2 0 0 5 ) 4 y h gr e n i e ，c l c 一1 0 ，2 0 0 4 8 ，3 4 8 1 第一章 绪 论 第一章绪论 1 1 引言 荧光分析法【1 1 】具有灵敏度高、选择性强、需样量少和方法简便等优点，它的 测定下限通常比分光光度法低2 。4 个数量级。( 目前) 荧光分析法已广泛应用于生 物、化学、医药、农业、轻工、化工、冶金、地质以及环境保护等各个领域中，可 以用荧光鉴定和测定的无机物、有机物、生物物质、药物等的数量与日俱增。 然而常规荧光法也有其局限性。当样品的吸光度高于0 1 时，由于自吸收和散 射会引起荧光强度的降低和激发谱的扭曲，有时甚至无法探测到荧光，以至于不能 对物质进行化学分析。为了避免这些问题，出现一种可供选择的方法表面荧光， 这种技术主要是用来测量对于高浓度( 血、油、光学增自剂等) 、不透明液体( 油 漆等) 和固体( 聚合物、薄膜、晶体等) 等物质【1 2 1 6 】。 近年来发现，这种技术也可广泛地应用在食品工业中( 用来测试食品的结构) ， 如鉴别牛奶经过温度处理后是否已达到均匀化，可以监控奶制品( 在控制条件下) 其成熟过程中蛋白质的变化。这种技术还能表征由于温度、溶解能力、蛋白质表面 变化以及蛋白质与其它分子相互作用所引起表面构型的变化。特别是近年来表面荧 光与化学计量学的结合，已经极大地扩展了我们对食物结构和在一定分子水平上属 性的了解。这种技术还成功地应用在测量血液中的血色素【1 7 】。 由于荧光物质所处的形态不同，其发光特性也不同，对于荧光物质在溶剂中的 发光特性已经得到广泛的研究，但对荧光物质处在固体基质中特性研究的很少。固 体表面荧光技术是一种灵敏的分析测试技术，它主要是通过测量吸附在固体材料中 的荧光物质或者固体荧光物质自身表面所发出的荧光来进行分析的一种方法。目 前，用于固体表面荧光分析的固体材料主要有硅胶、氧化铝、滤纸、硅氧橡胶、醋 酸钠、溴化钾、蔗糖、纤维素等材料【1 8 1 2 l 】。荧光物质处在固体基质中同其在溶 剂中相比有以下特点： ( 1 ) 由于荧光分子被固体基质吸附或者被镶嵌在固体介质内部，这样荧光分子就 被约束在一定的小空间中，荧光分子的运动受到一定的限制，并且隔离减弱了荧光 分子之间的相互作用，其平动、转动、和振动自由能减少，降低了荧光分子闻的相 互碰撞与扰动，因此可以提高荧光分子的发光效率。 第一章绪论 ( 2 ) 荧光分子处在固体基质中会增加其结构的刚性，随着剐性结构的增强，其荧 光效率也会增大。 ( 3 ) 荧光物质的内部杂质被孤立起来，对光谱的干扰减小，这样就相当于将荧光物 质进行纯化。 ( 4 ) 相似地，光分解产物无法迁移，从而避免光分解反应的进一步进行。 ( 5 ) 在固体基质中，荧光分子与周围的气体等是相隔离的，从而避免荧光分子与周 围分子及杂质发生不必要的反应和聚合。 正因为荧光物质处在固体基质中有以上特征，以及表面荧光所独有的特点，所 以固体基质表面荧光具有简单、快速、取样量少、灵敏度高，选择性高、费用少等 优点，广泛用于环境研究、法庭检测、食品分析、农药分析、生物化学、医学、临 床化学等方面。近年来随着电子计算机，激光光源，化学计量学的发展使固体表面 荧光分析具有更为广阔的用途。 历史上首次利用荧光分析的是1 8 6 7 年g o p p e l s r o d e r 应用铝一桑色素配合物的 荧光进行铝的测定。其实人们早就观察到表面荧光现象，但对于表面荧光的研究开 始于1 9 6 8 年，p a r k e rc a 等人发现对于一些浓度过高的样品如奶制品、血等，在 测其体荧光时候，由于自吸收和散射会引起荧光强度的降低和激发谱的扭曲，有时 甚至无法探测到荧光。为了克服这些问题，p a r k e rc a 等人提出了一种新的光谱 方法一表面荧光 1 2 2 ，并介绍了实验装置和方法。1 9 7 3 年，g o l d m a n 等人对固 体表面荧光进行了理论研究，建立模式来预测表面荧光物质发光强度与吸附化合物 的关系 1 2 3 。1 9 7 5 年v p o a k 和1 9 7 6 年h y a j n a m o t o 在理论上讨论了固体表面 荧光仪器的设计，并设计了测量表面荧光的光谱仪器，他们提出了一些优化仪器的 性能的方法；如采用双光路、采用飞点扫描来测量荧光强度，它已经成了固体表面 荧光定量测定的分析工具 1 2 4 一l2 5 1 9 8 1 年，r j h u r t u b i s e 对固体表面荧光 理论、实验装置，以及在各个领域的应用都作了介绍 1 8 。随后，人们又提出了 表面敏化荧光法：在基体表面上加上敏化剂。由于敏化剂吸收大量入射光，并将激 发能量转移至荧光体，可使难以检测的低浓度荧光体的荧光强度大大提高而易被检 溅，p g s s y b o l d 等以萘作为敏化剂，使蒽在滤纸上的荧光信号提高了约4 0 倍而易 于检测 1 2 6 第一章 绪论 由于荧光能直接地揭示界面过程更深刻的物理和化学意义，以及对新型发光材 料的需求，近年来，固体表面荧光的研究越来越受到重视 1 2 7 一1 4 4 。j o r g ef 研 究了多环芳环化合物的表面荧光 1 4 5 ，考察了这些物质荧光强度随着其p h 值、 基质种类，以及溶液种类的变化，提出了一种p a h 扫描传感器。 1 2 本工作研究的目的和意义 对固体基质表面荧光的研究有助于进一步了解表面吸附对分子能级、分子激发 态的辐射与无辐射跃迁的影响，也可以直观地揭示界面过程更深刻的物理和化学意 义。 对荧光物质处在固体基质中发光特性的研究( 峰值波长、量子产率、荧光寿命1 ， 可以了解荧光分子在固体体系中的光物理与光化学行为；同时也可以了解到荧光分 子与固体基质之间的相互作用，弄明白这些作用对于研究固体表面发光以及提高有 机物微量分析的灵敏度和选择性是非常重要的；而且对于发现新的固体基质和发展 表面荧光测量的传感器系统也具有重要的意义。 通过研究荧光分子在固体基质中的发光特性，确定在什么条件下，其发光量子 产率高，这对于开发更多的新型的发光材料具有潜在的参考价值。 再者，对于大多数荧光物质而言，其在固体基质中荧光寿命同在溶剂中相比， 都明显的缩短 1 4 6 ，这样它地发光特性就不容易受周围环境的影响，因此这对于 研究荧光物质本身的光物理化学过程以及光物理化学参数具有重要的意义。 有些荧光物质的溶液具有明显的光致变色性质，这样用普通的溶液法难以测定 起荧光物质本身的光物理、化学参数，但通过表面固体基质荧光可以克服这一问题。 而且由于将荧光物质吸附在固体基质的表面，因此荧光分子就被隔离，并限制了其 碰撞作用，这样这种技术就能对痕量的有机和无机物质在室温下进行荧光分析，而 不需要低温。 1 3 本文的主要研究内容 本学位论文研究了固体基质荧光特性，一方面研究环境对固体基质发光特性的 影响，从而提出了固体基质荧光可以提高检测的灵敏度；另一方面，通过对三维荧 光光谱定性定量化的研究，从而提出了提高固体基质荧光信噪比的方法。 本学位论文研究的主要内容如下： 第一章 绪论 在第二章中，我们介绍了关于荧光的基本理论，荧光物质在固体基质中的分布， 并将体荧光与表面荧光测量做了比较，以及影响固体基质荧光测量的主要因素。 在第三章中，我们研究了外部环境( 温度、p h 值、湿度和气体等) 对发光中 心特性的影响，同时研究了固体基质内部环境对发光中心特性的影响。通过对卜 苯胺基萘一8 一磺酸盐( a n s ) 在各种固体基质中发光特性研究，我们发现固体基质内 部微环境对发光特性有很大的影响。 在第四章中，提出一种新的荧光录井方法一直接对含油岩屑进行荧光检测并研 究了这种方法的可行性。它可以极大地缩短录井所需要的时间，还有可能实现在线 测量。并研究了固体粉末表面荧光浓度猝灭的机制，同时在理论上分析了含有重质 油的岩屑比含有轻质油的岩屑更容易发生浓度猝灭的原因。 在第五章中，提出三维荧光光谱技术与差谱技术相结合的新方法，从数学的角 度推导了这种方法比常规差谱方法的优势所在。我们采用这种方法分析了目前石油 市场上柴油中掺有微量的1 2 0 # 溶剂油的样品，分析结果表明：这种方法能够测量 待测组分中是否含有其它的微量组分。我们还提出了将三维荧光光谱技术与化学计 量学相结合，并将其应用于对水中污油含量进行预测。 4 苎二皇 堕一j 生 参考文献 1 1 陈国珍，黄贤智，郑朱梓荧光分析法北京：科学出版社，1 9 9 0 1 2 s p e xf 1 u o r e s c e n c cg m u p f r o n t f a c ed e t e c t i o nf b rh i g hc o n c e n 廿a t e d ，0 p a q u e ， o rs o l i ds a m p l e s f - 3 1 3 w eb l u m b e r g ，f hd o l e i d e n ，a al a m o l a ，h e m o 醴o b i nd e t e m i n e di n1 5 lo f w h o l eb l o o db y “丘o n tf a c c ”n u o r o m e 廿y ，c l i n c h e m 2 6 ( 1 9 8 0 ) 4 0 9 _ _ 4 1 3 1 4 ed u f o u r ，md a l g a l 驸o n d o ，a d a ml ，s c j 2 0 7 ( 1 9 9 8 ) 2 6 4 2 7 2 1 5 cg e n o t ，ft o n c t t i ，tm o n t e n a y g a r e s t i e r ，dm a r i o n ，r d r a p o n ，f r o n t f a c e n u o r e s c e n c e 印p l i e d t os t m c t i l r a ls t u d i e so fp r o t e i sa n dl i p i d p r o t e i ni 1 1 t c 阻c t i o n so f v i s c o d a s t i c 蕾d o dp r 矾u c t s 2 一a p p l i c a t i o nt ow h c a tg l u t e n ，s c i 舢i m e n t 1 2 ( 1 9 9 2 ) 6 8 7 - - 7 0 4 1 _ 6 r eh i r s c h ，r ln a g c l ，s t 叩p e df l o wf m n tf a c en u o m m e t e r ：ap m t o t y p cd e s i 鲫 t om e a s u f eh c m 0 9 1 0 b i nrtt 姗s i t i o n 虹n c t i c s ，a n a l b i o c h e m 1 7 6 ( 1 9 8 9 ) 1 乒之1 1 7 w eb l 嘲b e r g ，f hd o l e i d e ，a ah m 0 1 a ，h e m o 罾o b j nd e t c 姗i n e dj n1 5f lo f w h o l eb 1 0 0 db y 劬n tf k en u o m m e t r y c l i nc h e m1 9 8 0 2 6 1 8 r j h 1 】n l 】b i s e s o l i d s u r f 缸e h l n l i e s n c e a n a l y s i s m a r c c ld e l ( 1 【e r ，n e w r k ( 1 9 8 1 ) 1 9 】s m r 锄a s a m y 柚dr j h u n l l b i s e a n a l c h e m 5 9 ，4 3 2 ( 1 9 7 8 ) 1 1 0 s m r 锄a s 锄ya l l dr j h u r t u b i s e ，a n a l c h e m 5 9 ，2 1 4 4 ( 1 9 7 8 ) 1 1 1 s m r 锄勰a m y a n d r j h u i t u b i s e ，t a l a n t a 3 6 ，3 1 5 ( 1 9 8 9 ) 1 1 2 s m r 柚a s 锄y 删r j h u n i l b i s e ，a p p l s p e c t r o s c 4 3 ，6 1 6 ( 1 9 8 9 ) 1 1 3 s m r 踟a s 珊ya j l dr j h u n u b i s e a n a l c h e m 6 2 ，1 0 6 0 ( 1 9 9 0 ) 1 1 4 m d r i c h m o n d ，p h d t h e s i s ，u n i v e r s i t yo f w y o m i g ，l 肘锄j e ( 1 9 9 0 ) 1 _ 1 5 r j h u n u b i s ea n ds m r a m a s a m y a p p l s p e c t f o s c 4 5 ，5 5 5 ( 1 9 9 9 ) 1 1 6 r j h u r t u b i s ea i l ds 。m 。r a m a s a m y ，a p p l s p e c t r o s c 。4 5 ，11 2 6 ( 1 9 9 1 ) 1 1 7 m d r i c l 皿o n da n dr j h u m l b i s e ，a m a l c h 锄6 3 ，1 6 9 ( 1 9 9 1 ) 1 1 8 r j h u r t i l b i s ea n ds m r 锄a s a m y ，a p p l s p e d r o s c 4 7 ，1 1 6 ( 1 9 9 3 ) 1 1 9 c d f o r da n dr j h u n u b i s e a n a l c h e m 5 1 ，6 5 9 ( 1 9 7 9 ) 1 2 0 j m b e u oa n dr 】h u n u b i s e a p p l s p e c t r o s c 4 2 ，6 1 9 ( 1 9 8 8 ) 5 第一章绪论 1 2 1 r a d a l t e r i oa l l dr j h l l n u b i s e ，a n a l c h e m 5 4 ，2 2 4 ( 1 9 8 2 ) 1 2 2 c a p a r k e r ，a p p a m t u s a n de x p e r i i n e n t a l m e m o d s ，i ：p a d 【e fc a ( e d ) ， p h o t o l u m i n e s c e c co fs o l u t i 曲s 、v i t l l 印p l i c a t i o n st o p h o t o c h e m i s t r ya n da l l a l y t i c a l c h e l i s t r y ，e 1 s c v i e r ，a m s t e r d a m j n l en e m e d 锄d s ，1 9 6 8 ，p p 1 2 8 _ 3 0 2 1 2 3 j ，jg o l d m 趾，c h r o m a t o g r ，7 8 ，7 ( 1 9 7 3 ) 1 2 4 v p o l l a l 【，a a b o u l t o n ，j c h m m a t o 吼1 1 5 ，3 3 5 ，( 1 9 7 5 ) 1 2 5 h y 锄锄o t o ，e ta 1 c h 姗a t o 笋，1 1 6 ，2 9 ( 1 9 7 6 ) 【1 2 6 p ：g s s y b o l d ，e ta l ，a n a l c h e m ，5 5 ，( 1 9 8 3 ) 1 9 9 4 1 9 9 6 1 2 7 李运良，方炎，光散射学报，2 0 0 1 年第1 2 卷第4 期，2 4 6 2 5 0 1 2 8 l c c t l 广l a 锄d r j h u r t u b i s e a p p l i e ds p e c t r o s c o p y i1 9 9 1 9 ( 4 5 ) 1 5 4 7 - 1 5 5 2 n 2 9 j y d i n 岛p y 鼬l i l l ，c 1 【y i nm a t c r i a l sc h e m i s t r ya n dp h y s j c s8 4 ( 2 0 0 4 ) 2 6 3 2 7 2 1 3 0 袁淑娟，赵莉丽，潘志峰，李清山第七届全国固体薄膜学术会议，2 0 0 0 ， 1 0 2 l l 一2 1 3 1 3 1 袁淑娟，李清山，潘志峰等，半导体学报，2 0 0 1 ，1 l ( 2 2 ) 1 4 0 6 一1 4 1 0 1 3 2 王邃，常希俊，龚国权光谱学与光谱分析( s p e c t m s c o p ya i l ds p c c t r a l a a l y s i s ) ，3 ( 2 4 ) ，2 7 4 2 7 7 1 3 3 杨阳，李菡滢，陈慧兰等高等学校化学学报，2 0 0 2 5 7 8 7 7 1 1 3 4 何晓东，蔡东，邓桂春等，分析化学仪器装置与试验技术，2 0 0 2 年第7 期， 8 8 0 8 8 4 1 3 5 解宏智，董川，刘长松等，高等学校化学学报，1 9 9 6 年第8 期，1 2 1 6 1 2 1 8 1 3 6 宋慧春，项苏留，范雁，中国水产科学，1 9 9 8 年第5 卷第4 期，卜5 。 1 3 7 刘名扬，王风荣，陕西化工，2 0 0 0 年，第2 9 卷第2 期，4 5 4 6 1 3 8 林清赞，许金钩，徐秀伟，分析化学，1 9 8 9 年，1 7 ( 6 ) 5 0 7 5 1 0 1 _ 3 9 冀会辉，李清山，光电子激光，2 0 0 2 ( 1 3 ) 9 6 9 9 7 l 1 4 0 张鹏，庞美丽，王永梅，孟继本，等学校化学学报，2 0 0 2 ( 8 ) ，1 5 2 9 一1 5 3 2 1 4 1 尚晓虹，董川，刘长松，分析科学学报，1 9 9 9 年第1 5 卷第三期 第一章绪论 1 4 2 晋卫军，陈素娥，樊艳平等，高等学校化学学报，1 9 9 5 年第3 期，3 6 3 3 6 7 1 4 3 牛承岗，董川，晋卫军，刘长松，分析化学研究简报，2 0 0 0 年第2 8 卷第一 期，3 5 3 7 1 4 4 刘长松，董川，冯小花j 、晋卫军，武汉大学学报自然科学版，2 0 0 0 年第4 6 卷第6 期，6 4 9 6 5 4 1 4 5 f - j o r g cf e m 粕d e z - s a n c h e z ，a m t o n i os e g i l r ac a r r e t e r 0 ，e ta l ，t a l a n t a6 0 ( 2 0 0 3 ) 2 8 7 2 9 3 1 4 6 r j h u n u b i s c ，a n a l y t i c a jc h i m i c aa c t a3 5 1 ( 1 9 9 7 ) 1 2 2 7 第二章荧光基查墨迨 第二章荧光基本理论 2 1 荧光的基本原理 荧光不同于热辐射，它是由于某种形式的能量流入发射体所弓l 起的电磁辐射的 发射，当激发终止时，发光的衰退规律与温度无关。我们在本文中仅涉及光致发光。 大多数荧光物质在其它固体的表面也能发出同在溶液中类似的荧光。表面的荧光分 子吸收辐射能( 如紫外光) 后，被激发到不稳定的激发态，一部分以振动能的形式 消耗掉，变为最低振动能级，当分子由激发态的最低振动能级转化为基态时，则发 出比激发波长稍长，能反映化合物特性的荧光。以物质发射的荧光强度与浓度之间 的线性关系为依据进行定量分析及以荧光光谱的形状和荧光峰对应的波长进行定 性分析的方法称为荧光分析法，也称作分子荧光光谱法或荧光光谱法。 2 。l 。1 分子荧光的产生 光致荧光的产生过程包括分子吸收光能、激发及去活化三个阶段f 2 1 】。光通过 物质时，某些频率的光会被吸收丽强度减弱这一现象称为物质对光的吸收。原子、 分子或离子具有不连续的、数目有限的量子能级，只有能吸收与能级之差相同或为 其整数倍的能量。对于光来说，只能吸收一定频率的光子，即 丘一e 。加i ( 2 - 1 ) 式中民一吸光物质的基态能级能量 e 。一吸光物质的较高能级能量 一普朗克( p l a n k ) 常数 v 一光的频率 a 一光的波长 c 一真空中的光速 分子的吸收光谱包括转动、振动和电子光谱。 通常分子里的价电子数目是偶数，若一半的自旋方向正好和另一半的自旋方向 相反，价电子自旋量子数的总和为零，即s = 0 ，自旋的多重态m = 2 s + 1 = l ，称这 类分子处于单重态，用s 表示。物质被激发时，分子中可出现自旋平行的成对电子， 此时s = 1 ，m = 2 s 十1 = 3 ，称这类分子处于三重态，用t 表示。单重态的电子基态( s 。) 的分子被激发时，容易跃迁到单重态的电子激发态( s ns z ) ，面不容易跃迁到 8 第二章荧光基本理论 三重态的电子激发态( t 。t ：) 。同样t 。一 t ：或t ： t 。容易，t 。一 s 。难。大多数 分子在室温下处于基态的最低振动能级。荧光或磷光所涉及的分子其基态都处于单 重态，具有最低的电子能量。 当物质吸收了定频率的辐射之后，分子中的电子由原来的基态跃迁至激发态 的不同振动能级，这过程称为激发。处于激发态的分子是不稳定的，可通过辐射 跃迁和非辐射跃迁等分子内去活化过程丧失多余的能量而返回基态。 i 1l o 上l 上 i c ! 3 v r 2 v r 1 一雠 。 l ； u 0a lf p 1 r 2 l u t a - 、a 2 吸收；f 荧光；p 磷光；j c 内转化；i s c 体系间窜跃；v r 碰撞振动驰豫 图2 1 分子麓级跃迁示意图 f i g2 - 1d i a 伊锄o fe n e 唱yl e v e l t r 柚s f e ro fm o l e c u l e 辐射跃迁的去活化过程发生光予的发射，伴随着荧光或磷光现象如图2 一l 所 示。非辐射跃迁的去活化过程，其结果是电子激发能转化为振动能或转动能包括 内转化( 相同多重态的两个电子态间的非辐射跃迁，如s 。一 s 。) 、系统间交叉或称 体系间窜跃( 不同多重态的两个电子态间的非辐射跃迁，如s 。一 t 。) 、碰撞弛豫等。 处于s ，以上的某个电子激发单重态较高振动能级上的分子很快地( 约1 0 1 2 1 0 。1 s ) 发生振动弛豫，将多余的振动能量传递给介质而降落到该电子态的最低振动能级( v = o ) ，此后又经由内转化及碰撞振动弛豫而降落到s ，电子态的最低振动能级。激发 单重态间( 如s 。一 s ) 的内转化速率很快( 速率常数约为1 0 ”l o ”s 1 ) ，因此高激 9 第二章荧光基本理论 发单重态的寿命很短( 约1 0 ”1 0 4 s ) ，处于这种电子态的激发分子，在辐射跃迁发 生前，便内转化及振动弛豫落到s ，电子态的最低振动能级，所以观察到的荧光现象 通常情况下是发生自s 。态的最低振动能级的辐射跃迁。处于s 。电子态的最低振动能 级的激发分子，其分子的去活化作用有三种途径：( 1 ) 发生s 、一 s 。的辐射跃迁而伴 随的发光现象称为荧光；( 2 ) 发生s 。一 s 。的内转化；( 3 ) 发生s ，一 t 的体系间窜 跃。处于t 。电子态的最低振动能级的激发分子，其分子内的去活化作用有两种途径： ( 1 ) 发生t - 一 s 。的辐射跃迁而伴随的发光现象称为磷光；( 2 ) 发生t 。一 s 。的体系 间窜跃。 2 1 2 从荧光系统中获得的主要参量 ( 1 ) 荧光物质的激发光谱( c x c i t a t i o ns p e c t n l m ) 和发射光谱( e m i s s i o ns p e c t m m ) 。 扫描激发单色器，使不同波长的出射光激发荧光物质，产生的荧光通过固定输 出波长的发射单色器的光照射到检测器上，检测相应的荧光强度，记录荧光强度对 激发波长的关系的曲线，即为激发光谱。激发光谱的形状与测量时选择的发射波长 无关，但相对强度与所选择的发射波长相关。发射波长固定在它的峰值波长时，所 得到激发光谱的强度最大。激发光谱反映了不同波长激发光引起物质发射某波长 荧光的相对效率，可供鉴别荧光物质，在进行荧光测定时供选择适当的激发波长。 通常激发光谱的形状与吸收光谱的形状很相像，但由于仪器因素( 如监测器的响应 特性) 的影响，往往又有所差异。 保持激发光的波长和强度不变，物质所产生的荧光通过发射单色器照射到检测 器上，扫描发射单色器并检测各波长下相应的荧光强度，记录荧光强度对荧光发射 波长的关系曲线，即为发射光谱，也就是荧光光谱。发射光谱具有以下特点：a 斯 托克斯位移，即相对吸收光谱，荧光光谱向长波方向移动b 与激发波长没有关系； c 与吸收光谱呈镜像对称关系。荧光光谱表示荧光物质所发射的荧光在各种波长下 的相对强度，可供鉴别荧光物质，并作为荧光测定时选择适当的测定波长或滤光片 的根据。 ( 2 ) 荧光寿命 激发态的寿命定义为返回基态之前分子耽搁在激发态的平均时间，或者说处于 激发态的分子数目衰减到原来的形所经历的时间。对于处于s 电子态的荧光体来 1 0 整三量 说，其平均寿命( f ) 可用下式表示： 荧光基本理论 f ；乓 ( 2 2 ) 。i 面 。2 2 式中“一荧光发射的速率常数 k 一各种单分子的非辐射去活化过程的速率常数的总和 荧光发射是一种随机过程，只有少数激发分子才是f = r 的时刻发射光子的。 荧光的衰减情况通常是属于单指数衰变过程，在f = f 之前6 3 的激发分子已经衰 变，3 7 的激发分子在f _ f 时刻衰变。 粒子数容易增加的电子激发态，处于该电子态的粒子数也将是容易衰减的。荧 光分子的平均寿命与跃迁的许可性两者间的关系如下： f 1 0 形 ( 2 3 ) ，。 式中一最大吸收波长下的摩尔吸光系数。 式( 2 3 ) 可用来估计激发态的辐射寿命，如s 。一 s 是许可的跃迁，一般情况 下，g 。，值约为1 0 3 m 2 m o l ，因而荧光的寿命大致为l o 。8 s 没有非辐射去活化过程存在时，荧光分子的寿命称为内在的寿命，用r 。表示： 驴名， ( 2 4 ) 荧光强度的衰减遵从如下公式： l r i j 。一i n t = 么 2 - 5 ) 式中，。表示是f ，0 时的荧光强度，表示t = f 时的荧光强度。通过试验测量不 同时刻f 所对应的f ，值，并做出l n f ，一f 的关系曲线，其结果为一条直线，由该直线 的斜率可求得荧光寿命的数值。利用荧光分子寿命的差别可以进行荧光物质混合物 的分析。 ( 3 ) 量子产率 发生荧光必须具备两个条件：一是物质的分子吸收频率必须具有与照射光相同 的频率；二是吸收了与本身特征频率相同的能量的分子，必须具有高的荧光效率。 许多能吸收光的物质并不一定发生荧光，就是由于其分子的荧光效率不高，而将所 1 1 第二章荧光基本理论 吸收的能量消耗于与溶液分子或其它溶质分子之间的相互碰撞。荧光效率一般用量 子产率表示。 荧光量子产率k 定义为荧光物质吸收光后所发射的荧光的光子数与所吸收的 激发光的光子数的比值，即 荧光的量子产率= 发射的光子数吸收的光子数( 2 6 ) 由于激发分子的去活化过程包括辐射跃迁和非辐射跃迁，因而荧光量子产率可 表示为 七， 礴i q 。7 假如非辐射跃迁的速率远小于辐射跃迁的速率，即丫kc 破，荧光量予产率 的数值便接近于l ，通常的情况下k 的数值总是小于1 。荧光量子产率的数值越大， 化合物的荧光越强。不发荧光的物质，其荧光量子产率的数值为零或非常接近于零。 荧光寿命和量子产率是荧光物质的重要参数，任何能影响速率常数的因素都能 使荧光和量子产率发生变化。 2 1 3 有机分子发光 有机分子的荧光大多来源于分子中的：( 1 ) n 一“+ 电子跃迁，特别是离域n 电 子跃迁；( 2 ) n 一+ 电子跃迁。未成键n 电子能量比n 电子能量要高，更容易被激 发但由于n 一”+ 跃迁属于电子自旋禁戒。摩尔吸光系数小，相对于“一n ，荧光 微弱。 通常，强荧光物质具有如下特征： l 具有大的共轭“键结构； 2 具有刚性的平面结构； 3 最低单线电子激发态为，n 。型； 4 取代基团为给电子取代基。 2 1 4 荧光强度与溶液浓度之间的关系 荧光是物质在吸收光之后发射出的辐射，因此溶液的荧光强度与该溶液的吸光 程度即溶液中荧光物质的量子产率有关。 假设以每秒每平方厘米光强为，。的入射光照射一个吸光截面面积为a 的盛有荧 第二章 光物质溶液的液槽，检测系统测出的荧光强度为， ( l a m b e r t b e e r ) 定律，透过液槽的透射光的强度j ，为 荧光基本理论 根据朗伯一比尔 j r - m 0 1 0 一“ ( 2 8 ) 式中g 一荧光物质分子的摩尔吸光系数 c 一溶液中荧光物质的浓度 f 一液槽厚度 因吸收而减弱的光强度( 亦即单位时间吸收的光强) 可表示为 m o 一，。= m 。( 1 1 0 一“。) ( 2 9 ) 溶液的荧光强度与该溶液的吸光程度和溶液中荧光物质的荧光效率有 关。荧光强度f ，正比于似f 。一f ，) 和荧光量子产率磁，因雨 ，- 耳o 盯。一，) - y ，4 d ( 1 1 d 一“) ( 2 1 0 ) 展开上式指数项得到 p 弛卜z 一譬+ 孕】陇 当溶液很稀，亦即耐s 0 0 5 时，式( 2 儿) 中括号内从第二项开始可以忽略不 计。因此在每平方厘米的吸光截面上，式( 2 1 1 ) 可写成 ，一2 3 k j o 耐 ( 2 1 2 ) 式( 2 1 2 ) 表明，对于某一荧光物质的稀溶液，在一定频率和一定强度的光线 照射下，溶液所产生的荧光强度与溶液中该荧光物质的浓度成正比。 当测定某一荧光物质时，和，是确定的，c 增大时，1 0 “变小，当c 很小时， 荧光强度，随溶液c 的增加而增大，二者成线性关系；但是，假如当吸光度 c ，o 0 5 ，则荧光强度和溶液的浓度不成线性关系，此时应该考虑式( 2 1 2 ) 中的