2.分子发光-1.ppt

1、1,第二章,分子发光光谱法-1,molecular luminescence analysis,2,3,2.1 分子发光的基本原理,第一次记录荧光现象的是16世纪西班牙的内科医生和植物学家N.Monardes，1575年他提到在含有一种称为“Lignum Nephriticum”的木头切片的水溶液中，呈现了极为可爱的天蓝色。 直到1852年，Stokes在考察奎宁和叶绿素的荧光时，用分光光度计观察到其荧光的波长比入射光的波长稍微长些，才判断这种现象是这些物质在吸收光能后重新发射不同波长的光，而不是由光的漫射作用所引起的，从而导入了荧光是光发射的概念，他还由发荧光的矿石“萤石”推演而提出“荧光”

2、这一术语。 1867年，Goppelsroder进行了历史上首次的荧光分析工作，应用铝桑色素配合物的荧光进行铝的测定。 19世纪以前，荧光的观察是靠肉眼进行的，直到1928年，才由Jette和West提出了第一台荧光计。,4,一、荧光与磷光的产生过程luminescence process of molecular fluorescence phosphorescence,由分子结构理论，主要讨论荧光及磷光的产生机理。 1. 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)：吸收特定频率的辐射；量子化；跃迁一次

3、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 ；,5,2.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)；进入的几率小；,洪特规则：分子分布到能量简并的原子轨道时，优先以自旋相同的方式分别占据不同的轨道，因为这种排布方式原子的总能量最低。,6,2.激发态基态的能量传递途

4、径(分子的去激过程),电子处于激发态是不稳定状态，返回基态时，通过辐射跃迁(发光)和非辐射跃迁等方式失去能量；,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：10-710 -9 s,第一激发单重态的最低振动能级基态； 磷光：10-410s；第一激发三重态的最低振动能级基态；,7,分子吸收和发射过程的能级图,l 4,8,非辐射跃迁过程,振动弛豫 内转换 外转换 系间窜跃,9,振动弛豫,在凝聚相体系中，被激发到激发态(如S1和S2)的分子能通过与溶剂分子的碰撞迅速以热的形式把多余的振动能量传递给周围的分子，而自身返回该电子能级的最低振动能级，这个过程称为振动弛豫。发生振

5、动弛豫的时间约为10 -12 s。,10,内转换,处于高激发单重态的电子，通过内转换及振动弛豫，均跃回到第一激发单重态的最低振动能级。,内转换：发生在同一多重态的两个电子能级间。当S2的较低振动能级与S1的较高振动能级的能量非常接近时，分子有可能从S2的振动能级以非辐射方式过渡到S1的能量相近的振动能级上。这个过程称为内转换。内转换发生的时间约为10-13 s。,11,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失去能量，并以热的形式释放。常发生在激发单重态或激发三重态的最低振动能级向基态的转换过程中。,12,系间跨越：是不同多重态之间的一种非辐射跃迁。该过程是激发电子改变其自旋

6、状态，分子的多重性发生变化的结果。当两种电子能态的振动能级重叠时，则可通过自旋-轨道偶合等作用，使S1 T1。,系间窜跃,通常，发生系间窜跃时，电子由S1的较低振动能级转移至T1的较高振动能级处。有时，通过热激发，有可能发生T1S1，然后由S1发生荧光。这是产生延迟荧光的机理。,这种跃迁是“禁阻”的，跃迁速率小，一般要10-610-2 s。,13,辐射跃迁过程,荧光发射 磷光发射,14,荧光,荧光发射： 处于第一激发单重态中的电子跃回至基态各振动能级时，将得到最大波长为3的荧光。,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 3的荧光，发射荧光的能量比分子吸收的

7、能量小，波长长： 3 2 1 ；。 当分子处于第一激发单重态S1的最低能级时，分子返回基态的过程比振动弛豫和内转换过程慢得多。荧光的产生在10-910-6s内完成。,15,磷光,这个跃迁过程（T1S0）也是自旋禁阻的，其发光速率较慢，约为10-410 s。因此，这种跃迁所发射的光，在光照停止后，仍可持续一段时间。,磷光发射：激发态分子经过系间窜跃达到激发三重态后，并经过迅速的振动弛豫达到第一激发三重态(T1)的最低振动能级上，从T1态返回基态（T1S0）发射磷光。,16,由于振动弛豫和内转换过程极为迅速(10-12 s)，因此，激发后的分子很快回到电子第一激发单重态S1的最低振动能级。所以高于

8、第一激发态的荧光发射十分少见。,非辐射跃迁对荧光、磷光发射的影响,外转换过程是荧光或磷光的竞争过程，因此，该过程使荧光或磷光减弱或“猝灭”。,17,二. 分子荧光(磷光)光谱,1. 荧光(磷光)激发光谱与发射光谱,荧光(磷光)均为光致发光，在光辐射的作用下，荧光物质发射出不同波长的荧光。,任何荧光分子都具有两种特征的光谱，即激发光谱和发射光谱。,荧光(磷光)：光致发光，照射光波长如何选择？,18,A. 荧光激发光谱,固定em=620nm(MAX),ex =290nm (MAX),固定发射波长 扫描激发波长,荧光激发光谱与紫外-可见吸收光谱形状相似,固定测量波长(选最大发射波长),化合物发射的荧

9、光(磷光)强度与照射光波长的关系曲线。,19,B. 发射光谱(荧光光谱),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。,20,D.磷光光谱,与发射光谱相同条件下的磷光光谱,激发光谱,发射光谱,21,200,250,300,350,400,450,500,荧光激发光谱,荧光发射光谱,nm,蒽的激发光谱和荧光光谱,22,三、荧光光谱的特征激发光谱与发射光谱的关系,1、Stokes位移,在溶液中，分子的荧光发射波长总是比其相应的激发光的波长长，荧光发射这种波长位移的现象称为Stokes位移。,处于激发态的分子由于：振动弛豫、内转换等损失了能量，辐射跃迁可是

10、跃迁到基态的较高振动能级，再通过振动弛豫损失能量；与溶剂分子碰撞损失能量。因而产生了发射光谱波长的位移，这种位移表明在荧光激发和发射之间所产生的能量损失。,23,2. 镜像对称规则,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。,24,镜像规则的解释,吸收光谱的形状表明了分子的第一激发态的振动能级结构，而荧光发射光谱则表明了分子基态的振动能级结构。,一般情况下，分子的基态和第一激发态的振动能级分布相似，因此吸收光谱的形状与荧光发生光谱的形状呈镜像对称关系。,25,3、荧光发射光谱的形状与激发波长无关,一般地，用不同波长的激发光激发荧光分子，可以观察到形状相同的荧光发射光谱

11、。,荧光分子无论被激发到哪一个激发态，处于激发态的分子经振动弛豫及内转换等过程最终回到第一激发态的最低振动能级。而分子的荧光发射总是从第一激发态的最低振动能级跃迁到基态的各振动能级上，所以荧光光谱的形状与激发波长无关。,26,分子吸收和发射过程的Jablonski能级图,l 4,27,1. 荧光强度与溶液浓度的关系 荧光强度If正比于吸收的光量Ia与荧光量子产率 。 If = Ia 式中为荧光量子效率，又根据Beer定律 Ia = I0 - It = I0(1- e -A) I0和It分别是入射光强度和透射光强度。代入上式得 If = I0(1- 10 -A) = I0(1- e -2.3A),三. 分子荧光(磷光)强度与浓度的关系,28,整理得： If =2.3 I0 bc 当入射光强度I0 和I一定时，上式为： If = K c 即荧光强度与荧光物质的浓度成正比，但这种线性关系只有在极稀的