分子荧光与磷光

1、2021-11-20第十第十第十第十第十第十一一一一一一章章章章章章 荧光荧光荧光荧光荧光荧光分析法分析法分析法分析法分析法分析法一、分子荧光与磷光产生过程二、激发光谱与荧光光谱三、荧光的产生与分子结构关系 四、影响荧光强度的因素五、仪器结构流程六、荧光分析方法与应用molecularmolecularmolecular fluorescence fluorescence fluorescence analysisanalysisanalysis 2021-11-20一、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一、荧光与磷光的产生过程一、荧光

2、与磷光的产生过程 luminescence process of molecular fluorescence luminescence process of molecular fluorescence luminescence process of molecular fluorescence phosphorescencephosphorescencephosphorescence 由分子结构理论，主要讨论荧光及磷光的产生机理。1. 1. 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； 在每个电子能级上，都存在振动、转动能级； 基态(S0)激发态(S1、S2、激发态振动能级)：吸

3、收特定频率的辐射；量子化；跃迁一次到位； 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 ；2021-11-202.2.2.2.2.2.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(0或1)； 平行自旋比成对自旋稳定(洪特规则)，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； S0T1 禁阻跃迁；通过其他途径进入(见能级图)；进入的

4、几率小； 2021-11-202.2.2.2.2.2.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，通过辐射电子处于激发态是不稳定状态，返回基态时，通过辐射跃迁跃迁(发光发光)和无辐射跃迁等方式失去能量；和无辐射跃迁等方式失去能量；传递途径传递途径辐射跃迁荧光延迟荧光磷光内转移外转移系间跨越振动弛预无辐射跃迁 激发态停留时间短、返回速度快的途径，发生的几率大，发光强度相对大；荧光荧光：10-710 -9 s,第一激发单重态单重态的最低振动能级基态；磷光磷光

5、：10-410s；第一激发三重态三重态的最低振动能级基态；2021-11-20S2S1S0T1吸吸收收发发射射荧荧光光发发射射磷磷光光系间跨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2021-11-20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 振动弛豫振动弛豫：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10 -12 s。 内转换内转换：同多重度电子能级中,等能级间的无辐射能级交换。 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

6、的最低振动能级。 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移能量的非辐射跃迁； 外转换使荧光或磷光减弱或“猝灭”。系间跨越系间跨越：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，通过自旋轨道耦合进行。2021-11-20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：电子由第一激发单重态的最低振动能级基态（ 多为 S1 S0跃迁），发射波长为 l 2的荧光； 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； l 2 l 2 l 1 ； 磷光发射磷光发射：电子由第一

7、激发三重态的最低振动能级基态（ T1 S0跃迁）； 电子由S0进入T1的可能过程：（ S0 T1禁阻跃迁） S0 激发振动弛豫内转移系间跨越振动弛豫 T1 发光速度很慢： 10-4100 s 。 光照停止后，可持续一段时间。2021-11-20二、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 fluor

8、efluorefluore- - -scencescencescence spectrum spectrum spectrum 荧光(磷光)：光致发光，照射光波长如何选择？1.1.荧光荧光( (磷光磷光) )的激发光谱曲线的激发光谱曲线 固定测量波长(选最大发射波长),化合物发射的荧光(磷光)强度与照射光波长的关系曲线 （图中曲线I ） 。 激发光谱曲线的最高处，处于激发态的分子最多，荧光强度最大；2021-11-202.2.2.2.2.2.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) ) ) ) ) )

9、固定激发光波长(选最大激发波长), 化合物发射的荧光(或磷光强度)与发射光波长关系曲线(图中曲线II或III)。2021-11-20200260320380440500560620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2021-11-203.3.3.3.3.3.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.Stokesa.Stokes位移位移 激发光谱与发射光谱之间的波长差值。发射光谱的波长比激发光谱的

10、长，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(如能级图l 2 ,l 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l 2 )。 c. . 镜像规则镜像规则 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。 2021-11-20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 基态上的各振动能级分布与第一激发态上的各振动能级分布类似； 基态上的零振动能级与第一激发态的二振动能级之间的跃迁几率最大，相反

11、跃迁也然。 2021-11-20200250300350400450500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2021-11-20三、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

12、 between fluorescence and molecular structure 荧光量子产率与激发态能量释放各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；吸收的光量子数发射的光量子数1.荧光寿命和荧光效率荧光寿命和荧光效率荧光寿命（荧光寿命（fluorescence life time）：当除去激发光源后，分子的荧光强度降低到激发时最大荧光强度的1/e所需的时间。荧光量子产率（荧光量子产率（ fluoerescence quantum yield）：max5/10f2021-11-202.2.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）具有强的紫外-可见吸

13、收； （2）具有一定的荧光量子产率。 2021-11-203.3.3.3.3.3.化合物的结构与荧光化合物的结构与荧光化合物的结构与荧光化合物的结构与荧光化合物的结构与荧光化合物的结构与荧光（1）跃迁类型： *的荧光效率高，系间跨越过程的速率常数小，有利于荧光的产生；（2）共轭效应：提高共轭度有利于增加荧光效率并产生红移（3）刚性平面结构：可降低分子振动，减少与溶剂的相互作用，故具有很强的荧光。如荧光素和酚酞有相似结构，荧光素有很强的荧光，酚酞却没有。（4）取代基效应：芳环上有供电基，使荧光增强。2021-11-202021-11-20四、影响荧光强度的因素四、影响荧光强度的因素四、影响荧光强

14、度的因素四、影响荧光强度的因素四、影响荧光强度的因素四、影响荧光强度的因素 relation between fluorescence and molecular structurerelation between fluorescence and molecular structurerelation between fluorescence and molecular structure 影响荧光强度的外部因素1.1.溶剂的影响溶剂的影响 除一般溶剂效应外，溶剂的极性、氢键、配位键的形成都将使化合物的荧光发生变化；2.2.温度的影响温度的影响 荧光强度对温度变化敏感，温度增加，外转换去活的

15、几率增加。3. 溶液溶液pH 对酸碱化合物，溶液pH的影响较大，需要严格控制；2021-11-204.4.4.4.4.4.散射光的干扰散射光的干扰散射光的干扰散射光的干扰散射光的干扰散射光的干扰 拉曼光拉曼光：光子和物质分子发生非弹性碰撞，光子运动方向发生的同时，光子与物质分子发射功能能量交换，使光子能量发生改变，其波长可能长于入射光，也可能短于入射光。瑞利光瑞利光：光子和物质分子发生弹性碰撞，不发生能量交换，光子的运动方向发生改变，其波长与入射光相同。2021-11-205.5.5.5.5.5.溶液荧光的猝灭溶液荧光的猝灭溶液荧光的猝灭溶液荧光的猝灭溶液荧光的猝灭溶液荧光的猝灭 荧光熄灭：荧

16、光熄灭：指荧光物质分子与溶剂分子或溶质分子的相互作用引起荧光其哪个度降低或荧光强度与浓度偏离线性的现象。熄灭原因熄灭原因： 碰撞猝灭；氧的熄灭作用等。2021-11-20五五五五五五、仪器结构流程、仪器结构流程、仪器结构流程、仪器结构流程、仪器结构流程、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四个部分组成：激发光源、样品组成：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。 基本流程如图：基本流程如图：单色器单色器：选择激发光波长的第一单色器和选择发射光(测量)波长的第二单色器；光源光源：灯和高压汞灯

17、，染料激光器(可见与紫外区)检测器检测器：光电倍增管。2021-11-20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2021-11-20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进行荧光、磷光和发光分析；2021-11-20六六六六六六、荧光分析方法与应用、荧光分析方法与应用、荧光分析方法与应用、荧光分析方法与应用、荧光分析方法与应用、荧光分析方法与应用1. 1. 特点特点（1 1）灵敏度高）灵敏度高 比紫外-可见分光光度法高24个数量级；为什么？ 检测下限：0.10.0001g/cm-3 相对灵敏度：0.05mol/L 奎宁硫酸氢盐的硫酸溶液。（2 2）选择

18、性强）选择性强 既可依据特征发射光谱，又可根据特征吸收光谱；（3 3）试样量少）试样量少 缺点缺点：应用范围小。2021-11-202.2.2.2.2.2.定量依据与方法定量依据与方法定量依据与方法定量依据与方法定量依据与方法定量依据与方法(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，将括号项近似处理后：浓度很低时，将括号项近似处理后： If = 2.3 I0 l c = Kc2021-1