分子熒光與磷光

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 熒光熒光熒光熒光熒光熒光分析法分析法分析法分析法分析法分析法一、分子熒光與磷光產生過程二、激發(fā)光譜與熒光光譜三、熒光的產生與分子結構關系 四、影響熒光強度的因素五、儀器結構流程六、熒光分析方法與應用molecularmolecularmolecular fluorescence fluorescence fluorescence analysisanalysisanalysis 2021-11-20一、熒光與磷光的產生過程一、熒光與磷光的產生過程一、熒光與磷光的產生過程一、熒光與磷光的產生過程一、熒光與磷光的產生過程一、熒光

2、與磷光的產生過程 luminescence process of molecular fluorescence luminescence process of molecular fluorescence luminescence process of molecular fluorescence phosphorescencephosphorescencephosphorescence 由分子結構理論，主要討論熒光及磷光的產生機理。1. 1. 分子能級與躍遷分子能級與躍遷 分子能級比原子能級復雜； 在每個電子能級上，都存在振動、轉動能級； 基態(tài)(S0)激發(fā)態(tài)(S1、S2、激發(fā)態(tài)振動能級)：吸

3、收特定頻率的輻射；量子化；躍遷一次到位； 激發(fā)態(tài)基態(tài)：多種途徑和方式(見能級圖)；速度最快、激發(fā)態(tài)壽命最短的途徑占優(yōu)勢； 第一、第二、電子激發(fā)單重態(tài) S1 、S2 ； 第一、第二、電子激發(fā)三重態(tài) T1 、 T2 ；2021-11-202.2.2.2.2.2.電子激發(fā)態(tài)的多重度電子激發(fā)態(tài)的多重度電子激發(fā)態(tài)的多重度電子激發(fā)態(tài)的多重度電子激發(fā)態(tài)的多重度電子激發(fā)態(tài)的多重度 電子激發(fā)態(tài)的多重度：M=2S+1 S為電子自旋量子數的代數和(0或1)； 平行自旋比成對自旋穩(wěn)定(洪特規(guī)則)，三重態(tài)能級比相應單重態(tài)能級低； 大多數有機分子的基態(tài)處于單重態(tài)； S0T1 禁阻躍遷；通過其他途徑進入(見能級圖)；進入的

4、幾率??； 2021-11-202.2.2.2.2.2.激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)基態(tài)的能量傳遞途徑基態(tài)的能量傳遞途徑基態(tài)的能量傳遞途徑基態(tài)的能量傳遞途徑基態(tài)的能量傳遞途徑基態(tài)的能量傳遞途徑 電子處于激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定狀態(tài)，返回基態(tài)時，通過輻射電子處于激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定狀態(tài)，返回基態(tài)時，通過輻射躍遷躍遷(發(fā)光發(fā)光)和無輻射躍遷等方式失去能量；和無輻射躍遷等方式失去能量；傳遞途徑傳遞途徑輻射躍遷熒光延遲熒光磷光內轉移外轉移系間跨越振動弛預無輻射躍遷 激發(fā)態(tài)停留時間短、返回速度快的途徑，發(fā)生的幾率大，發(fā)光強度相對大；熒光熒光：10-710 -9 s,第一激發(fā)單重態(tài)單重態(tài)的最低振動能級基態(tài)；磷光磷光

5、：10-410s；第一激發(fā)三重態(tài)三重態(tài)的最低振動能級基態(tài)；2021-11-20S2S1S0T1吸吸收收發(fā)發(fā)射射熒熒光光發(fā)發(fā)射射磷磷光光系間跨越內轉換振動弛豫能量l l 2l l 1l l 3 外轉換l l 2T2內轉換振動弛豫2021-11-20非輻射能量傳遞過程非輻射能量傳遞過程非輻射能量傳遞過程非輻射能量傳遞過程非輻射能量傳遞過程非輻射能量傳遞過程 振動弛豫振動弛豫：同一電子能級內以熱能量交換形式由高振動能級至低相鄰振動能級間的躍遷。發(fā)生振動弛豫的時間10 -12 s。 內轉換內轉換：同多重度電子能級中,等能級間的無輻射能級交換。 通過內轉換和振動弛豫，高激發(fā)單重態(tài)的電子躍回第一激發(fā)單重態(tài)

6、的最低振動能級。 外轉換外轉換：激發(fā)分子與溶劑或其他分子之間產生相互作用而轉移能量的非輻射躍遷； 外轉換使熒光或磷光減弱或“猝滅”。系間跨越系間跨越：不同多重態(tài),有重疊的轉動能級間的非輻射躍遷。 改變電子自旋，通過自旋軌道耦合進行。2021-11-20輻射能量傳遞過程輻射能量傳遞過程輻射能量傳遞過程輻射能量傳遞過程輻射能量傳遞過程輻射能量傳遞過程 熒光發(fā)射熒光發(fā)射：電子由第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動能級基態(tài)（ 多為 S1 S0躍遷），發(fā)射波長為 l 2的熒光； 10-710 -9 s 。 由圖可見，發(fā)射熒光的能量比分子吸收的能量小，波長長； l 2 l 2 l 1 ； 磷光發(fā)射磷光發(fā)射：電子由第一

7、激發(fā)三重態(tài)的最低振動能級基態(tài)（ T1 S0躍遷）； 電子由S0進入T1的可能過程：（ S0 T1禁阻躍遷） S0 激發(fā)振動弛豫內轉移系間跨越振動弛豫 T1 發(fā)光速度很慢： 10-4100 s 。 光照停止后，可持續(xù)一段時間。2021-11-20二、激發(fā)光譜與熒光二、激發(fā)光譜與熒光二、激發(fā)光譜與熒光二、激發(fā)光譜與熒光二、激發(fā)光譜與熒光二、激發(fā)光譜與熒光( ( ( ( ( (磷光磷光磷光磷光磷光磷光) ) ) ) ) )光譜光譜光譜光譜光譜光譜 excitation spectrum and excitation spectrum and excitation spectrum and fluor

8、efluorefluore- - -scencescencescence spectrum spectrum spectrum 熒光(磷光)：光致發(fā)光，照射光波長如何選擇？1.1.熒光熒光( (磷光磷光) )的激發(fā)光譜曲線的激發(fā)光譜曲線 固定測量波長(選最大發(fā)射波長),化合物發(fā)射的熒光(磷光)強度與照射光波長的關系曲線 （圖中曲線I ） 。 激發(fā)光譜曲線的最高處，處于激發(fā)態(tài)的分子最多，熒光強度最大；2021-11-202.2.2.2.2.2.熒光光譜熒光光譜熒光光譜熒光光譜熒光光譜熒光光譜( ( ( ( ( (或磷光光譜或磷光光譜或磷光光譜或磷光光譜或磷光光譜或磷光光譜) ) ) ) ) )

9、固定激發(fā)光波長(選最大激發(fā)波長), 化合物發(fā)射的熒光(或磷光強度)與發(fā)射光波長關系曲線(圖中曲線II或III)。2021-11-20200260320380440500560620熒光激發(fā)光譜熒光激發(fā)光譜熒光發(fā)射光譜熒光發(fā)射光譜磷光光譜磷光光譜室溫下菲的乙醇溶液熒（磷）光光譜室溫下菲的乙醇溶液熒（磷）光光譜2021-11-203.3.3.3.3.3.激發(fā)光譜與發(fā)射光譜的關系激發(fā)光譜與發(fā)射光譜的關系激發(fā)光譜與發(fā)射光譜的關系激發(fā)光譜與發(fā)射光譜的關系激發(fā)光譜與發(fā)射光譜的關系激發(fā)光譜與發(fā)射光譜的關系 a.Stokesa.Stokes位移位移 激發(fā)光譜與發(fā)射光譜之間的波長差值。發(fā)射光譜的波長比激發(fā)光譜的

10、長，振動弛豫消耗了能量。 b. .發(fā)射光譜的形狀與激發(fā)波長無關發(fā)射光譜的形狀與激發(fā)波長無關 電子躍遷到不同激發(fā)態(tài)能級，吸收不同波長的能量(如能級圖l 2 ,l 1)，產生不同吸收帶，但均回到第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動能級再躍遷回到基態(tài)，產生波長一定的熒光(如l 2 )。 c. . 鏡像規(guī)則鏡像規(guī)則 通常熒光發(fā)射光譜與它的吸收光譜（與激發(fā)光譜形狀一樣）成鏡像對稱關系。 2021-11-20鏡像規(guī)則的解釋鏡像規(guī)則的解釋鏡像規(guī)則的解釋鏡像規(guī)則的解釋鏡像規(guī)則的解釋鏡像規(guī)則的解釋 基態(tài)上的各振動能級分布與第一激發(fā)態(tài)上的各振動能級分布類似； 基態(tài)上的零振動能級與第一激發(fā)態(tài)的二振動能級之間的躍遷幾率最大，相反

11、躍遷也然。 2021-11-20200250300350400450500熒光激發(fā)光譜熒光激發(fā)光譜熒光發(fā)射光譜熒光發(fā)射光譜nm蒽的激發(fā)光譜和熒光光譜蒽的激發(fā)光譜和熒光光譜2021-11-20三、熒光的產生與分子結構的關系三、熒光的產生與分子結構的關系三、熒光的產生與分子結構的關系三、熒光的產生與分子結構的關系三、熒光的產生與分子結構的關系三、熒光的產生與分子結構的關系 relation between fluorescence and molecular structurerelation between fluorescence and molecular structurerelation

12、 between fluorescence and molecular structure 熒光量子產率與激發(fā)態(tài)能量釋放各過程的速率常數有關，如外轉換過程速度快，不出現熒光發(fā)射；吸收的光量子數發(fā)射的光量子數1.熒光壽命和熒光效率熒光壽命和熒光效率熒光壽命（熒光壽命（fluorescence life time）：當除去激發(fā)光源后，分子的熒光強度降低到激發(fā)時最大熒光強度的1/e所需的時間。熒光量子產率（熒光量子產率（ fluoerescence quantum yield）：max5/10f2021-11-202.2.分子產生熒光必須具備的條件分子產生熒光必須具備的條件（1）具有強的紫外-可見吸

13、收； （2）具有一定的熒光量子產率。 2021-11-203.3.3.3.3.3.化合物的結構與熒光化合物的結構與熒光化合物的結構與熒光化合物的結構與熒光化合物的結構與熒光化合物的結構與熒光（1）躍遷類型： *的熒光效率高，系間跨越過程的速率常數小，有利于熒光的產生；（2）共軛效應：提高共軛度有利于增加熒光效率并產生紅移（3）剛性平面結構：可降低分子振動，減少與溶劑的相互作用，故具有很強的熒光。如熒光素和酚酞有相似結構，熒光素有很強的熒光，酚酞卻沒有。（4）取代基效應：芳環(huán)上有供電基，使熒光增強。2021-11-202021-11-20四、影響熒光強度的因素四、影響熒光強度的因素四、影響熒光強

14、度的因素四、影響熒光強度的因素四、影響熒光強度的因素四、影響熒光強度的因素 relation between fluorescence and molecular structurerelation between fluorescence and molecular structurerelation between fluorescence and molecular structure 影響熒光強度的外部因素1.1.溶劑的影響溶劑的影響 除一般溶劑效應外，溶劑的極性、氫鍵、配位鍵的形成都將使化合物的熒光發(fā)生變化；2.2.溫度的影響溫度的影響 熒光強度對溫度變化敏感，溫度增加，外轉換去活的

15、幾率增加。3. 溶液溶液pH 對酸堿化合物，溶液pH的影響較大，需要嚴格控制；2021-11-204.4.4.4.4.4.散射光的干擾散射光的干擾散射光的干擾散射光的干擾散射光的干擾散射光的干擾 拉曼光拉曼光：光子和物質分子發(fā)生非彈性碰撞，光子運動方向發(fā)生的同時，光子與物質分子發(fā)射功能能量交換，使光子能量發(fā)生改變，其波長可能長于入射光，也可能短于入射光。瑞利光瑞利光：光子和物質分子發(fā)生彈性碰撞，不發(fā)生能量交換，光子的運動方向發(fā)生改變，其波長與入射光相同。2021-11-205.5.5.5.5.5.溶液熒光的猝滅溶液熒光的猝滅溶液熒光的猝滅溶液熒光的猝滅溶液熒光的猝滅溶液熒光的猝滅 熒光熄滅：熒

16、光熄滅：指熒光物質分子與溶劑分子或溶質分子的相互作用引起熒光其哪個度降低或熒光強度與濃度偏離線性的現象。熄滅原因熄滅原因： 碰撞猝滅；氧的熄滅作用等。2021-11-20五五五五五五、儀器結構流程、儀器結構流程、儀器結構流程、儀器結構流程、儀器結構流程、儀器結構流程 測量熒光的儀器主要由測量熒光的儀器主要由四個部分四個部分組成：激發(fā)光源、樣品組成：激發(fā)光源、樣品池、雙單色器系統(tǒng)、檢測器。池、雙單色器系統(tǒng)、檢測器。 特殊點特殊點：有兩個單色器，光源與檢測器通常成直角。 基本流程如圖：基本流程如圖：單色器單色器：選擇激發(fā)光波長的第一單色器和選擇發(fā)射光(測量)波長的第二單色器；光源光源：燈和高壓汞燈

17、，染料激光器(可見與紫外區(qū))檢測器檢測器：光電倍增管。2021-11-20儀儀儀儀儀儀器器器器器器光光光光光光路路路路路路圖圖圖圖圖圖2021-11-20儀器框圖儀器框圖儀器框圖儀器框圖儀器框圖儀器框圖該型儀器可進行熒光、磷光和發(fā)光分析；2021-11-20六六六六六六、熒光分析方法與應用、熒光分析方法與應用、熒光分析方法與應用、熒光分析方法與應用、熒光分析方法與應用、熒光分析方法與應用1. 1. 特點特點（1 1）靈敏度高）靈敏度高 比紫外-可見分光光度法高24個數量級；為什么？ 檢測下限：0.10.0001g/cm-3 相對靈敏度：0.05mol/L 奎寧硫酸氫鹽的硫酸溶液。（2 2）選擇

18、性強）選擇性強 既可依據特征發(fā)射光譜，又可根據特征吸收光譜；（3 3）試樣量少）試樣量少 缺點缺點：應用范圍小。2021-11-202.2.2.2.2.2.定量依據與方法定量依據與方法定量依據與方法定量依據與方法定量依據與方法定量依據與方法(1)定量依據定量依據 熒光強度熒光強度 If正比于正比于吸收的光量吸收的光量Ia和熒光量子效率和熒光量子效率 ： 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 ) 濃度很低時，將括號項近似處理后：濃度很低時，將括號項近似處理后： If = 2.3 I0 l c = Kc2021-1