分子熒光與磷光

第十一章

熒光分析法一、分子熒光與磷光產(chǎn)生過(guò)程二、激發(fā)光譜與熒光光譜三、熒光的產(chǎn)生與分子結(jié)構(gòu)關(guān)系

四、影響熒光強(qiáng)度的因素五、儀器結(jié)構(gòu)流程六、熒光分析方法與應(yīng)用molecular

fluorescence

analysis

2024/12/4一、熒光與磷光的產(chǎn)生過(guò)程

luminescenceprocessofmolecularfluorescencephosphorescence由分子結(jié)構(gòu)理論，主要討論熒光及磷光的產(chǎn)生機(jī)理。1.分子能級(jí)與躍遷分子能級(jí)比原子能級(jí)復(fù)雜；在每個(gè)電子能級(jí)上，都存在振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)；

基態(tài)(S0)→激發(fā)態(tài)(S1、S2、激發(fā)態(tài)振動(dòng)能級(jí))：吸收特定頻率的輻射；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(jiàn)能級(jí)圖)；速度最快、激發(fā)態(tài)壽命最短的途徑占優(yōu)勢(shì)；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…

；2024/12/42.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(shù)的代數(shù)和(0或1)；平行自旋比成對(duì)自旋穩(wěn)定(洪特規(guī)則)，三重態(tài)能級(jí)比相應(yīng)單重態(tài)能級(jí)低；大多數(shù)有機(jī)分子的基態(tài)處于單重態(tài)；

S0→T1

禁阻躍遷；通過(guò)其他途徑進(jìn)入(見(jiàn)能級(jí)圖)；進(jìn)入的幾率小；

2024/12/42.激發(fā)態(tài)→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(shí)，通過(guò)輻射躍遷(發(fā)光)和無(wú)輻射躍遷等方式失去能量；傳遞途徑輻射躍遷熒光延遲熒光磷光內(nèi)轉(zhuǎn)移外轉(zhuǎn)移系間跨越振動(dòng)弛預(yù)無(wú)輻射躍遷

激發(fā)態(tài)停留時(shí)間短、返回速度快的途徑，發(fā)生的幾率大，發(fā)光強(qiáng)度相對(duì)大；熒光：10-7～10-9

s,第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)→基態(tài)；磷光：10-4～10s；第一激發(fā)三重態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)→基態(tài)；2024/12/4S2S1S0T1吸收發(fā)射熒光發(fā)射磷光系間跨越內(nèi)轉(zhuǎn)換振動(dòng)弛豫能量l2l1l

3

外轉(zhuǎn)換l

2T2內(nèi)轉(zhuǎn)換振動(dòng)弛豫2024/12/4非輻射能量傳遞過(guò)程

振動(dòng)弛豫：同一電子能級(jí)內(nèi)以熱能量交換形式由高振動(dòng)能級(jí)至低相鄰振動(dòng)能級(jí)間的躍遷。發(fā)生振動(dòng)弛豫的時(shí)間10-12

s。

內(nèi)轉(zhuǎn)換：同多重度電子能級(jí)中,等能級(jí)間的無(wú)輻射能級(jí)交換。通過(guò)內(nèi)轉(zhuǎn)換和振動(dòng)弛豫，高激發(fā)單重態(tài)的電子躍回第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)。

外轉(zhuǎn)換：激發(fā)分子與溶劑或其他分子之間產(chǎn)生相互作用而轉(zhuǎn)移能量的非輻射躍遷；外轉(zhuǎn)換使熒光或磷光減弱或“猝滅”。系間跨越：不同多重態(tài),有重疊的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的非輻射躍遷。改變電子自旋，通過(guò)自旋—軌道耦合進(jìn)行。2024/12/4輻射能量傳遞過(guò)程

熒光發(fā)射：電子由第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)→基態(tài)（多為S1→S0躍遷），發(fā)射波長(zhǎng)為

‘2的熒光；10-7～10-9

s。

由圖可見(jiàn)，發(fā)射熒光的能量比分子吸收的能量小，波長(zhǎng)長(zhǎng)；

‘2>

2>

1；磷光發(fā)射：電子由第一激發(fā)三重態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)→基態(tài)（T1→S0躍遷）；電子由S0進(jìn)入T1的可能過(guò)程：（S0→T1禁阻躍遷）

S0→激發(fā)→振動(dòng)弛豫→內(nèi)轉(zhuǎn)移→系間跨越→振動(dòng)弛豫→T1發(fā)光速度很慢：10-4～100s。

光照停止后，可持續(xù)一段時(shí)間。2024/12/4二、激發(fā)光譜與熒光(磷光)光譜

excitationspectrumandfluore-scencespectrum熒光(磷光)：光致發(fā)光，照射光波長(zhǎng)如何選擇？1.熒光(磷光)的激發(fā)光譜曲線

固定測(cè)量波長(zhǎng)(選最大發(fā)射波長(zhǎng)),化合物發(fā)射的熒光(磷光)強(qiáng)度與照射光波長(zhǎng)的關(guān)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(qiáng)度最大；2024/12/42.熒光光譜(或磷光光譜)固定激發(fā)光波長(zhǎng)(選最大激發(fā)波長(zhǎng)),

化合物發(fā)射的熒光(或磷光強(qiáng)度)與發(fā)射光波長(zhǎng)關(guān)系曲線(圖中曲線II或III)。2024/12/42024/12/43.激發(fā)光譜與發(fā)射光譜的關(guān)系

a.Stokes位移激發(fā)光譜與發(fā)射光譜之間的波長(zhǎng)差值。發(fā)射光譜的波長(zhǎng)比激發(fā)光譜的長(zhǎng)，振動(dòng)弛豫消耗了能量。

b.發(fā)射光譜的形狀與激發(fā)波長(zhǎng)無(wú)關(guān)電子躍遷到不同激發(fā)態(tài)能級(jí)，吸收不同波長(zhǎng)的能量(如能級(jí)圖

2,

1)，產(chǎn)生不同吸收帶，但均回到第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)再躍遷回到基態(tài)，產(chǎn)生波長(zhǎng)一定的熒光(如

‘2)。

c.

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(duì)稱關(guān)系。2024/12/4鏡像規(guī)則的解釋

基態(tài)上的各振動(dòng)能級(jí)分布與第一激發(fā)態(tài)上的各振動(dòng)能級(jí)分布類(lèi)似；基態(tài)上的零振動(dòng)能級(jí)與第一激發(fā)態(tài)的二振動(dòng)能級(jí)之間的躍遷幾率最大，相反躍遷也然。

2024/12/4200250300350400450500熒光激發(fā)光譜熒光發(fā)射光譜nm蒽的激發(fā)光譜和熒光光譜2024/12/4三、熒光的產(chǎn)生與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系

relationbetweenfluorescenceandmolecularstructure

熒光量子產(chǎn)率與激發(fā)態(tài)能量釋放各過(guò)程的速率常數(shù)有關(guān)，如外轉(zhuǎn)換過(guò)程速度快，不出現(xiàn)熒光發(fā)射；1.熒光壽命和熒光效率熒光壽命（fluorescencelifetime）：當(dāng)除去激發(fā)光源后，分子的熒光強(qiáng)度降低到激發(fā)時(shí)最大熒光強(qiáng)度的1/e所需的時(shí)間。熒光量子產(chǎn)率（

fluoerescencequantumyield）：2024/12/42.分子產(chǎn)生熒光必須具備的條件（1）具有強(qiáng)的紫外-可見(jiàn)吸收；（2）具有一定的熒光量子產(chǎn)率。

2024/12/43.化合物的結(jié)構(gòu)與熒光（1）躍遷類(lèi)型：→*的熒光效率高，系間跨越過(guò)程的速率常數(shù)小，有利于熒光的產(chǎn)生；（2）共軛效應(yīng)：提高共軛度有利于增加熒光效率并產(chǎn)生紅移（3）剛性平面結(jié)構(gòu)：可降低分子振動(dòng)，減少與溶劑的相互作用，故具有很強(qiáng)的熒光。如熒光素和酚酞有相似結(jié)構(gòu)，熒光素有很強(qiáng)的熒光，酚酞卻沒(méi)有。（4）取代基效應(yīng)：芳環(huán)上有供電基，使熒光增強(qiáng)。2024/12/42024/12/4四、影響熒光強(qiáng)度的因素

relationbetweenfluorescenceandmolecularstructure

影響熒光強(qiáng)度的外部因素1.溶劑的影響除一般溶劑效應(yīng)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.溫度的影響熒光強(qiáng)度對(duì)溫度變化敏感，溫度增加，外轉(zhuǎn)換去活的幾率增加。3.溶液pH

對(duì)酸堿化合物，溶液pH的影響較大，需要嚴(yán)格控制；2024/12/44.散射光的干擾

拉曼光：光子和物質(zhì)分子發(fā)生非彈性碰撞，光子運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生的同時(shí)，光子與物質(zhì)分子發(fā)射功能能量交換，使光子能量發(fā)生改變，其波長(zhǎng)可能長(zhǎng)于入射光，也可能短于入射光。瑞利光：光子和物質(zhì)分子發(fā)生彈性碰撞，不發(fā)生能量交換，光子的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，其波長(zhǎng)與入射光相同。2024/12/45.溶液熒光的猝滅

熒光熄滅：指熒光物質(zhì)分子與溶劑分子或溶質(zhì)分子的相互作用引起熒光其哪個(gè)度降低或熒光強(qiáng)度與濃度偏離線性的現(xiàn)象。熄滅原因：碰撞猝滅；氧的熄滅作用等。2024/12/4五、儀器結(jié)構(gòu)流程

測(cè)量熒光的儀器主要由四個(gè)部分組成：激發(fā)光源、樣品池、雙單色器系統(tǒng)、檢測(cè)器。

特殊點(diǎn)：有兩個(gè)單色器，光源與檢測(cè)器通常成直角?；玖鞒倘鐖D：?jiǎn)紊鳎哼x擇激發(fā)光波長(zhǎng)的第一單色器和選擇發(fā)射光(測(cè)量)波長(zhǎng)的第二單色器；光源：燈和高壓汞燈，染料激光器(可見(jiàn)與紫外區(qū))檢測(cè)器：光電倍增管。2024/12/4儀

器

光

路

圖2024/12/4儀器框圖該型儀器可進(jìn)行熒光、磷光和發(fā)光分析；2024/12/4六、熒光分析方法與應(yīng)用1.特點(diǎn)（1）靈敏度高比紫外-可見(jiàn)分光光度法高2～4個(gè)數(shù)量級(jí)；為什么？檢測(cè)下限：0.1～0.0001

g/cm-3相對(duì)靈敏度：0.05mol/L奎寧硫酸氫鹽的硫酸溶液。（2）選擇性強(qiáng)既可依據(jù)特征發(fā)射光譜，又可根據(jù)特征吸收光譜；（3）試樣量少

缺點(diǎn)：應(yīng)用范圍小。2024/12/42.定量依據(jù)與方法(1)定量依據(jù)

熒光強(qiáng)度

If正比于吸收的光量Ia和熒光量子效率

：

If=

Ia由朗-比耳定律：Ia=I0(1-10-

lc)If=

I0(1-10-

lc)=

I0(1-e-2.3

lc)濃度很低時(shí)，將括號(hào)項(xiàng)近似處理后：

If

=2.3

I0

lc

=Kc2024/12/4（2）定量方法標(biāo)準(zhǔn)曲線法：

配制一系列標(biāo)準(zhǔn)濃度試樣測(cè)定熒光強(qiáng)度，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，再在相同條件下測(cè)量未知試樣的熒光強(qiáng)度，在標(biāo)準(zhǔn)曲線上求出濃度；比較法：在線性范圍內(nèi)，測(cè)定標(biāo)樣和試樣的熒光強(qiáng)度，比較；2024/12/43.熒光分析法的應(yīng)用(1)無(wú)機(jī)化合物的分析

與有機(jī)試劑配合物后測(cè)量；可測(cè)量約60多種元素。鈹、鋁、硼、鎵、硒、鎂、稀土常采用熒光分析法；氟、硫、鐵、銀、鈷、鎳采用熒光熄滅法測(cè)定；銅、鈹、鐵、鈷、鋨及過(guò)氧化氫采用催化熒光法測(cè)定；鉻、鈮、鈾、碲采用低溫?zé)晒夥y(cè)定；鈰、銪、銻、釩、鈾采用固體熒光法測(cè)定(2)生物與有機(jī)化合