荧光的原理及应用

1、荧光光谱原理与应用，福州大学冯瑞检测中心，2，主要内容，荧光光谱基本原理，1，荧光光谱仪的原理、操作和数据处理，2，荧光光谱的应用，3，参考文献，4，3，荧光光谱基本原理，4，荧光的定义，荧光是一种辐射跃迁，5。构造原理：原子或分子中电子排列遵循的规则。基态和激发态，最低能量原理泡利不相容原理亨特法则，基态：当一个分子中的所有电子都按照构造原理排列时，这个分子就叫做基态。激发态：当一个分子的电子构型不完全符合构造原理时，就称其处于激发态。6，电子激发态的多重性：M=2S 1 S是电子自旋量子数的代数和(0或1)；根据亨特法则(平行自旋比成对自旋更稳定)，三重态能级低于相应的单重态能级；大多数有

2、机分子的基态都是单线态。7、分子能级比原子能级更复杂；每个电子能级都有振动和旋转能级。分子能级和跃迁，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；量化；过渡到位一次；失活：激发态基态：各种方式和手段(见能级图)；最快速度和最短激发态寿命的方式占主导地位；第一、第二和电子激发的单重态S1和S2；第一、第二和电子激发的三重态T1和T2；8，贾布隆斯基分子能级图，9，跃迁规则，跃迁前后原子核构型不变，跃迁过程中电子自旋不变，跃迁前后电子轨道在空间上有很大重叠，且轨道对映体变化是允许的；在跃迁过程中，电子自旋发生了变化，跃迁前后电子的轨道在空间上没有重叠，或者轨道的对映体

3、性质没有变化。弗兰克-康登原理：在电子跃迁完成的那一刻，分子中原子核的构型改变为时已晚。10，电子的激发态是不稳定的，并且很容易回到基态。在这个过程中，能量通过辐射转变(发光)和非辐射转变而损失，这被称为失活。停留时间短、激发态返回速度快的方式发生几率高。灭活的方式。振动弛豫：在相同的电子能级中，以热能交换的形式，从高振动能级过渡到相邻的低振动能级。振动松弛时间一般为10-12秒。没有辐射跃迁失活的方法。通过内部转换和振动弛豫，处于高激发态的电子跳回到第一激发态的最低振动能级。内部转换：在同一电子能级中具有多个度的相等能级之间的非辐射能级跃迁。12，非辐射跃迁失活的方式，系统间交叉：具有重叠旋

4、转能级的不同状态之间的非辐射跃迁。改变电子自旋，抑制跃迁，并通过自旋轨道耦合进行。外部转变：一种非辐射转变，它刺激分子和溶剂或其他分子之间的相互作用来转移能量；外部转换减弱或“淬灭”荧光或磷光。13，荧光发射：单重态的最低振动能级基态被第一电子激发(大部分是S1 S0跃迁)，发射波长为2的荧光；10-710-9 s .辐射跃迁失活、磷光发射的方式：第一电子激发的三重态最低振动能级基态(多为T1 S0跃迁)；发出波长为3的磷光；10-4100 s .电子从S0进入T1的可能过程：(S0 T1禁跃迁)S0激发振动弛豫跃迁间振动弛豫T1发光速度很慢，在光照停止后可以持续一段时间。从图中可以看出，荧光

5、发射的能量小于摩尔吸收的能量，主要光谱参数，发射光谱固定激发波长(通常固定在激发带中感兴趣的峰值)，以及扫描化合物的发射强度(荧光/磷光)和入射光波长之间的关系曲线。吸收强度与入射光波长的关系曲线。15，主要光谱参数，吸收光谱反映了物质基态能级和激发态能级之间所有允许的跃迁。正常状态下物质的表观颜色主要取决于其吸收特性。激发光谱反映了基态和所有与荧光发射相关的能级之间的跃迁。它的关系比吸收光谱更有选择性，但有时不如吸收光谱直接。当电子跃迁到不同的激发态能级时，它们吸收不同波长的能量(如能级图2和1)，并产生不同的吸收带，但它们都返回到第一个激发态的最低振动能级，然后跃迁回到基态，产生某一波长的

6、荧光(如2)。因此，发射光谱的形状与激发波长无关。16，斯托克斯位移，化合物的发射光谱通常与其吸收光谱非常相似，但与相应的吸收光谱相比，它总是红移，这称为斯托克斯位移。蒽在溶液中的吸收光谱(虚线)和发射光谱(实线)17、斯托克位移的主要原因如下：1 .跃迁到具有高振动能级的激发态的激发态分子首先以更快的速率(速率在1013/s的量级)经历振动弛豫，失去一些能量并达到零振动能级，并且通常从零振动能级发射荧光；2.激发态形成后，其分子构型将很快进一步调整，达到激发态的稳定构型，失去一些能量；3.发射荧光的激发态大部分是(，*)态，它们比基态更具极性，因此它们将在更大程度上被极性溶剂稳定，并进一步降

7、低激发态的能量。斯托克街18号。然而，有时在高温下可以观察到反斯托克斯位移现象，即荧光光谱向吸收光谱的短波方向移动。这是因为高温使更多的分子处于高振动能级，而荧光主要来自高振动能级的激发态。没有斯托克位移或反斯托克位移的荧光称为共振荧光。反斯托克位移，19，荧光发射是光吸收的反向过程。荧光发射光谱和吸收光谱具有相似的镜像关系。然而，当激发态的构型与基态的构型很不同时，荧光发射光谱将明显不同于该化合物的吸收光谱。镜像法则，20，具有固定激发光波长的物质发射的荧光强度与发射光波长之间的关系曲线，如右图中的曲线II所示。荧光本身是由两个能级之间的电子辐射跃迁产生的光，没有自旋反转。激发光波长固定的物

8、质发出的磷光强度与发射光波长的关系曲线如右图中的曲线三所示。磷光本身是由两个能级之间自旋反转的电子辐射跃迁产生的光。荧光光谱和磷光光谱，21，光谱图，22，自吸收现象：化合物荧光发射光谱的短波长端与吸收光谱的长波长端重叠，导致自吸收；例如蒽化合物。内滤功能：溶液中含有能吸收激发光的荧光或荧光物质，如色胺酸中的重铬酸钾；23，荧光寿命，即荧光强度衰减到初始时间的1/e所需的时间，通常被表示。例如，荧光强度的衰减符合： ItI0e-kt的指数衰减规律，其中I0是激发时的最大荧光强度，它是时间t的荧光强度，k是衰减常数。假设在时间上测量的它是I0的1/e，它是我们定义的荧光寿命，所以有f 1/kF，

9、其中f代表荧光分子的固有荧光寿命，kF代表荧光发射率的衰减常数。荧光发射率是每单位时间发射的光子数。26，处于激发态的分子将通过除发射荧光之外的一些其他过程(例如猝灭和能量转移)返回到基态。结果，激发态分子返回基态的过程(或失活过程)加快，荧光寿命缩短。寿命与这些过程的速率常数有关，总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 ki ki代表各种非辐射过程的衰变速率常数。那么总寿命是： 1/k1/(kF ki)，荧光寿命是27。因为吸收概率与发射概率相关，所以F也与最大吸收位置处的摩尔消光系数max密切相关(单位为cm2mol-1或(moldm-3)-1cm-1)。f

10、的粗略估计值(以秒为单位)可以从下面的公式中得到。1/F104最大值，注意：当讨论生活时，不要混淆生活和过渡时间。跃迁时间是跃迁频率的倒数，而寿命是指分子以特定状态存在的时间。通过测量寿命，我们可以得到关于分子结构和动力学的信息。荧光寿命，28，延迟荧光，一般荧光寿命是10-8s，最长可达10-6s。但是有时它可能被观察到长达10-3秒。这种长时间延迟的荧光发射被称为延迟荧光或延迟荧光。延迟荧光与普通荧光的区别主要在于辐射寿命的不同。这种长寿命的延迟荧光源于从第一激发态三重态(T1)再生的S1态的辐射跃迁。也就是说，延迟荧光的产生过程是：S1T1S1S0 hf，29，延迟荧光，e型延迟荧光：当

11、第一激发态单重态S1和第一激发态三重态T1之间的能量差小时，T1态有时可以从环境中获得一定的热能，然后以较高的能量到达S1态。也就是说，首次从四溴荧光素(曙红)中观察到T1S1，因此命名为E型延迟荧光。p型延迟荧光：当单重态(S1)和三重态(T1)之间的能量差较大时，T1不可能通过从环境中获得热能而到达S1。此时，当两个三重态分子接近时，有可能通过两个三重态分子的湮灭过程再生S1态。也就是说，首次从芘和菲中观察到S1 S1T1 T1(T1T1)S0 S1S0 S0 hp现象，因此命名为p型延迟荧光。30，荧光量子产率是物质荧光特性中最基本的参数之一，它表明物质发射荧光的效率。量子产率，荧光量子

12、产率通常用来表示，定义为荧光发射量子数与被物质吸收的光子数之比，也表示为荧光发射强度与吸收光强度之比，或者表示为荧光发射速率与吸收光速率常数之比，即：=荧光发射量子数/吸收光子数=kfS1/吸收速率=If/Ia，31，量子产率，一般来说，荧光不过，如果激发态会导致化学反应或系统间交叉和内部转换之间的竞争，它可能会受到影响。例如，在低压气相中，苯被254纳米的光激发，而当苯被小于240纳米的光激发时，则检测不到荧光。这是因为具有高振动能级的苯的S1态会将其转化为杜瓦苯。不同的化合物差异很大。此外，它还受环境(如温度、溶剂等)的影响。)。例如，降低温度会导致化合物增加，而升高温度会导致化合物减少。

13、32，量子产率。由于荧光的非单色性、各个方向的不均匀性和二次发射，直接测定荧光量子产率的重复性往往很差。因此，在实际测量中大多采用相关方法，即在相同条件下，用荧光量子产率已知的参比化合物进行对照测量，荧光量子产率为参考物质应该是已知的、非自吸收的、非浓度淬灭的、可溶的、易于纯化的、稳定的和对杂质不敏感的。常用的参考材料如罗丹明b和喹啉硫酸氢盐等。33，化合物产生荧光的必要条件是当它吸收光子并经历多次跃迁时所吸收的能量小于打破其最弱化学键所需的能量。此外，如果一种化合物能够发出荧光，它的结构中必须有荧光基团。荧光基团是所有含有不饱和键的基团。当这些基团是分子共轭系统的一部分时，化合物可能产生荧光

14、。34、影响荧光的主要因素，1。荧光发色团和荧光无色：能增强化合物荧光的基团称为荧光发色团。通常，它是给电子取代基，如-NH2，-OH等。相反，吸电子基团，如-COOH，-CN等。会减弱或抑制荧光的产生，这称为荧光消色差基团。35，影响荧光的主要因素，增加共面稠环的数量，特别是当稠环线性排列时，将有利于系统中的电子流，从而减少系统跃迁吸收的能量，并因此有利于荧光的产生。2.加入稠环可以增强荧光；加强刚性后，会减弱分子的振动，使分子的激发能量不易因振动而以热能的形式释放出来；另外，分子刚性的增加有利于增加分子的共面性，这有利于增加分子中电子的迁移率，也有利于荧光的产生。3。增加分子的刚性可以增强

15、荧光，36是影响荧光的主要因素。根据电子跃迁规律，当S1态的电子构型为(，*)时，有利于荧光的产生，而当S1态的电子构型为(n，*)时，不利于荧光的产生。4。激发态电子构型的影响：重原子可以增强系统间的交叉，这将增加从S1态到T1态的系统间交叉的速率常数和量子产率，导致荧光量子产率的降低。5.重原子将导致荧光量子产率的降低；37.影响荧光的主要因素是增加溶剂的极性，这通常有利于荧光的产生。6.溶剂极性的影响：降低体系温度可以提高荧光量子产率。温度的影响，如氢键、吸附和溶剂粘度的增加，可以提高荧光的量子产率，这可以通过减少分子的热振动和增加分子的刚性来解释。8。其他影响因素：38，39，荧光光谱

16、仪的原理、操作和数据处理，40。当实验样品被激发时，记录发射强度与激发源特性、样品特性、温度、时间、空间、能量等相关特性之间的关系，以便更好地研究或利用发光过程。荧光光谱仪的基本原理，41。样品制备，块状固体，为了尽可能获得理想的光谱并减少内外表面因素的干扰，最好将其切割成规则的形状并抛光。2.如果要比较系列样品的特性，就尺寸和平滑度而言，它们应符合相同的规格。4.对于与各向异性相关的测试，请注意光轴(或x、y、z轴)的位置。5.对于具有自吸收特性的样品，应注意其对测试结果的影响。42、样品制备时，粉末和微晶，避免混入滤纸纤维和胶水等杂质，以免其发光对测试结果的影响。2.样品应保存在不会引入杂质的样品管(盒)中，并且防潮、防光。3.对于强光下的不稳