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1、关于关于荧光的原理及光的原理及应用用第1页，讲稿共90张，创作于星期三2主要内容主要内容荧光光谱的基本原理荧光光谱的基本原理1荧光光谱仪的原理、操作及数据处理荧光光谱仪的原理、操作及数据处理2荧光光谱的应用荧光光谱的应用3参考资料参考资料4第2页，讲稿共90张，创作于星期三3荧光光谱的基本原理荧光光谱的基本原理第3页，讲稿共90张，创作于星期三4荧光定义荧光定义荧光荧光是是辐射跃迁辐射跃迁的一种，是物质从的一种，是物质从激发态激发态失活失活到到多重性多重性相同的低能状态时所释放的辐射。相同的低能状态时所释放的辐射。第4页，讲稿共90张，创作于星期三5构造原理构造原理：电子在原子或分子中排布所遵
2、循的规则。：电子在原子或分子中排布所遵循的规则。基态和激发态基态和激发态 能量最低原理能量最低原理 泡利不相容原理泡利不相容原理 洪特规则洪特规则基态基态：当一个分子中的所有电子的排布都遵从当一个分子中的所有电子的排布都遵从构造原理构造原理时，此分子被称为处于基态。时，此分子被称为处于基态。激发态激发态：当一个分子中的电子排布不完全遵从：当一个分子中的电子排布不完全遵从构造原理构造原理时，时，此分子被称为处于激发态。此分子被称为处于激发态。第5页，讲稿共90张，创作于星期三6电子激发态的多重度电子激发态的多重度：M=2S+1S为电子自旋量子数的代数和为电子自旋量子数的代数和(0或或1)；电子激
3、发态的多重度电子激发态的多重度根根据据洪洪特特规规则则(平平行行自自旋旋比比成成对对自自旋旋稳稳定定)，三三重重态态能能级级比比相相应应单单重重态态能能级级低低；大大多多数数有有机机分子的基态处于单重态；分子的基态处于单重态；第6页，讲稿共90张，创作于星期三7分子能级比原子能级复杂；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；在每个电子能级上，都存在振动、转动能级；分子能级与跃迁分子能级与跃迁激激发发：基基态态(S S0 0)激激发发态态(S S1 1、S S2 2激激发发态态振振动动能能级级)：吸吸收收特特定定频频率的辐射；量子化；跃迁一次到位；率的辐射；量子化；跃迁一
4、次到位；失失活活：激激发发态态 基基态态：多多种种途途径径和和方方式式(见见能能级级图图)；速速度度最最快、激发态寿命最短的途径占优势；快、激发态寿命最短的途径占优势；第一、第二、第一、第二、电子激发电子激发单重态单重态 S S1 1、S S2 2 ；第一、第二、第一、第二、电子激发电子激发三重态三重态 T T1 1、T T2 2 ；第7页，讲稿共90张，创作于星期三8雅布隆斯基分子能级图雅布隆斯基分子能级图S2S1S0T1吸吸收收发发射射荧荧光光发发射射磷磷光光系间窜越内转换振动弛豫能量 2 1 3 外转换 2T2内转换振动弛豫第8页，讲稿共90张，创作于星期三9跃迁规则跃迁规则跃迁前后跃迁
5、前后原子核的构型原子核的构型没有发生改变、跃迁过程中没有发生改变、跃迁过程中电子自旋电子自旋没有改变、没有改变、跃迁前后跃迁前后电子的轨道电子的轨道在空间有较大的在空间有较大的重叠重叠和和轨道的对映性轨道的对映性发生了改变发生了改变的跃迁是允许的；的跃迁是允许的；跃迁过程中跃迁过程中电子自旋电子自旋发生了改变、跃迁前后发生了改变、跃迁前后电子的轨道电子的轨道在空间不在空间不重叠重叠或或轨轨道的对映性道的对映性未发生改变的跃迁是禁阻的。未发生改变的跃迁是禁阻的。Franck-Condon原理原理：在电子跃迁完成的瞬间，分子中在电子跃迁完成的瞬间，分子中原子核的构型原子核的构型是来不及改变的。是来
6、不及改变的。第9页，讲稿共90张，创作于星期三10 电电子子处处于于激激发发态态是是不不稳稳定定状状态态，容容易易返返回回基基态态，在在这这个个过过程程中中通通过过辐辐射射跃跃迁迁(发发光光)和和无辐射跃迁无辐射跃迁等方式失去能量，这个过程就称为等方式失去能量，这个过程就称为失活失活。失活途径失活途径辐射跃迁荧光磷光内转换外转换系间窜越振动弛豫无辐射跃迁 激发态激发态停留时间短、返回速度快停留时间短、返回速度快的途径，发生的的途径，发生的几率大几率大。失活的途径失活的途径第10页，讲稿共90张，创作于星期三11 振动弛豫振动弛豫：同一：同一电子能级内以热能量交换形式由高振动能级电子能级内以热能
7、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一般为至低相邻振动能级间的跃迁。发生振动弛豫的时间一般为10-12s。无辐射跃迁失活的途径无辐射跃迁失活的途径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的最低振动能级。单重态的最低振动能级。内转换内转换：多重度相同的电子能级中等能级间的无辐射能级跃迁。：多重度相同的电子能级中等能级间的无辐射能级跃迁。第11页，讲稿共90张，创作于星期三12无辐射跃迁失活的途径无辐射跃迁失活的途径系间窜越系间窜越：不同多重态：不同多重态,有重叠的转动能级间的非辐射跃迁。有重叠的转
8、动能级间的非辐射跃迁。改变电子自旋，禁阻跃迁，通过自旋改变电子自旋，禁阻跃迁，通过自旋轨道耦合进行轨道耦合进行。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：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；射跃迁；外转换使荧光或磷光减弱或外转换使荧光或磷光减弱或“猝灭猝灭”。第12页，讲稿共90张，创作于星期三13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：电子由第一激发单重态的最低振动能级基态（基态（多为多为 S S1 1 S S0 0跃迁跃迁），），发射波长为发射波长为 2 2的荧光；的荧光；1010-7-71010-9-9 s s。辐射
9、跃迁失活的途径辐射跃迁失活的途径磷光发射磷光发射：电子由第一激发三重态的最低振动能级：电子由第一激发三重态的最低振动能级基态（基态（多为多为 T T1 1 S S0 0跃迁跃迁）；）；发射波长为发射波长为 3 3 的磷光；的磷光；1010-4-4100 s 100 s。电子由电子由 S S0 0 进入进入 T T1 1 的可能过程：（的可能过程：（S S0 0 T T1 1禁阻跃迁）禁阻跃迁）S S0 0 激发激发振动弛豫振动弛豫内转换内转换系间窜越系间窜越振动弛豫振动弛豫T T1 1 发光速度很慢，光照停止后，可持续一段时间发光速度很慢，光照停止后，可持续一段时间。由图可见，由图可见，发射荧
10、光的能量比分子吸收的能量小，波长长发射荧光的能量比分子吸收的能量小，波长长；2 2 2 2 1 1；第13页，讲稿共90张，创作于星期三14激发谱激发谱 固定发射波长固定发射波长(一般将其固定于发射波段中感兴趣的峰位一般将其固定于发射波段中感兴趣的峰位)，扫描出的化合物，扫描出的化合物的的发射光强发射光强(荧光荧光/磷光磷光)与与入射光波长入射光波长的关系曲线。的关系曲线。主要光谱参量主要光谱参量发射谱发射谱 固定激发波长固定激发波长(一般将其固定于激发波段中感兴趣的峰位一般将其固定于激发波段中感兴趣的峰位),扫描出的化合物的扫描出的化合物的发射光强发射光强(荧光荧光/磷光磷光)与与入射光波长
11、入射光波长的关系曲线。的关系曲线。吸收谱吸收谱 化合物的化合物的吸收光强吸收光强与与入射光波长入射光波长的关系曲线的关系曲线。第14页，讲稿共90张，创作于星期三15主要光谱参量主要光谱参量 吸收谱吸收谱反映出的是物质的基态能级与激发态能级之间所有的允许跃迁。反映出的是物质的基态能级与激发态能级之间所有的允许跃迁。通常状态下的物质的通常状态下的物质的表观颜色表观颜色大部分时候取决于其大部分时候取决于其吸收特性吸收特性。激发谱激发谱则反映的是基态与所有与该荧光发射有关的能级之间的跃迁。其所呈现的关系比则反映的是基态与所有与该荧光发射有关的能级之间的跃迁。其所呈现的关系比吸收谱要有选择性，但有时候
12、又不如吸收谱来的直接。吸收谱要有选择性，但有时候又不如吸收谱来的直接。电子跃迁到不同激发态能级时，吸收电子跃迁到不同激发态能级时，吸收不同波长的能量不同波长的能量(如能级图如能级图 2 2 ,1 1)，产生不同吸收带，但均回到，产生不同吸收带，但均回到第一激发单重态的最低振动能第一激发单重态的最低振动能级再跃迁回到基态，产生波长级再跃迁回到基态，产生波长一定的荧光一定的荧光(如如 2 2 )。因此，。因此，发射发射谱的形状与激发波长无关谱的形状与激发波长无关。第15页，讲稿共90张，创作于星期三16斯托克位移斯托克位移一一个个化化合合物物的的发发射射光光谱谱常常常常与与其其吸吸收收光光谱谱很很
13、类类似似，但但总总是是较较相相应应的的吸收光谱红移，这称为吸收光谱红移，这称为斯托克位移斯托克位移（Stokes shift）。）。蒽在溶液中的吸收（虚线）和发蒽在溶液中的吸收（虚线）和发射（实线）光谱射（实线）光谱第16页，讲稿共90张，创作于星期三17产生斯托克位移的主要原因：产生斯托克位移的主要原因：1.1.跃迁到激发态高振动能级的激发态分子，首先以更快的速率发生跃迁到激发态高振动能级的激发态分子，首先以更快的速率发生振动弛豫（其速率在振动弛豫（其速率在10101313/s/s数量级），散失部分能量，达到零振动能级，数量级），散失部分能量，达到零振动能级，一般从零振动能级发射荧光；一般从
14、零振动能级发射荧光；2.2.激发态形成后，其分子的构型将很快进一步调整，以达到激发态激发态形成后，其分子的构型将很快进一步调整，以达到激发态的稳定构型，这又损失了部分能量；的稳定构型，这又损失了部分能量；3.3.发射荧光的激发态多为（发射荧光的激发态多为（，*）态，这种激发态较基态时有更大）态，这种激发态较基态时有更大的极性，因此将在更大程度上为极性溶剂所稳定，使激发态的能量进的极性，因此将在更大程度上为极性溶剂所稳定，使激发态的能量进一步降低。一步降低。斯托克位移斯托克位移第17页，讲稿共90张，创作于星期三18不过，有时在高温下也可观察到不过，有时在高温下也可观察到反斯托克位移反斯托克位移
15、现象，即荧光光谱移向吸收光谱的短现象，即荧光光谱移向吸收光谱的短波方向。这是由于高温使更多的激发态分子处于高振动能级，荧光主要从激发态波方向。这是由于高温使更多的激发态分子处于高振动能级，荧光主要从激发态的高振动能级发出所致。的高振动能级发出所致。既没发生斯托克位移也没发生反斯托克位移的荧光称既没发生斯托克位移也没发生反斯托克位移的荧光称共振荧光共振荧光。反斯托克位移反斯托克位移第18页，讲稿共90张，创作于星期三19荧荧光光发发射射是是光光吸吸收收的的逆逆过过程程。荧荧光光发发射射光光谱谱与与吸吸收收光光谱谱有有类类似似镜镜影影的的关关系系。但但当当激激发发态态的的构构型型与与基基态态的的构
16、构型型相相差差很很大大时时，荧荧光光发发射射光光谱谱将将明明显显不不同同于于该该化合物的吸收光谱。化合物的吸收光谱。镜像规则镜像规则第19页，讲稿共90张，创作于星期三20荧光光谱荧光光谱 固定激发光波长物质发射的荧光强度与发射固定激发光波长物质发射的荧光强度与发射光波长关系曲线，如右图中曲线光波长关系曲线，如右图中曲线II。荧光本身则是由电子在两能级间不发生自旋反转的辐荧光本身则是由电子在两能级间不发生自旋反转的辐射跃迁过程中所产生的光。射跃迁过程中所产生的光。磷光光谱磷光光谱 固定激发光波长物质发射的磷光强度与发射光波长关固定激发光波长物质发射的磷光强度与发射光波长关系曲线，如右图中曲线系
17、曲线，如右图中曲线III。磷光本身则是由电子在两能级间发生自旋反转的辐射磷光本身则是由电子在两能级间发生自旋反转的辐射跃迁过程中所产生的光。跃迁过程中所产生的光。荧光光谱与磷光光谱荧光光谱与磷光光谱第20页，讲稿共90张，创作于星期三21光谱图光谱图第21页，讲稿共90张，创作于星期三22自吸收现象自吸收现象：化合物的荧光发射光谱的短波长端与其吸收光谱的长波长：化合物的荧光发射光谱的短波长端与其吸收光谱的长波长端重叠，产生自吸收；如蒽化合物。端重叠，产生自吸收；如蒽化合物。内滤光作用内滤光作用：溶液中含有能吸收激发光或荧光物质发射的荧光，：溶液中含有能吸收激发光或荧光物质发射的荧光，如色胺酸中
18、的重铬酸钾；如色胺酸中的重铬酸钾；内滤光作用和自吸收现象内滤光作用和自吸收现象200250300350400450500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第22页，讲稿共90张，创作于星期三23荧光寿命荧光寿命荧光寿命荧光寿命 是荧光强度衰减为初始时的是荧光强度衰减为初始时的1/e1/e所需要的时间，常用所需要的时间，常用 表表示。示。如荧光强度的衰减符合指数衰减的规律如荧光强度的衰减符合指数衰减的规律:I It t I I0 0e e-kt-kt 其中其中I I0 0是激发时最大荧光强度，是激发时最大荧光强度，I It t是时间是
19、时间t t时的荧光强度，时的荧光强度，k k是衰减常数。假定在时是衰减常数。假定在时间间 时测得的时测得的I It t为为I I0 0的的1/e1/e，则，则 是我们定义的是我们定义的荧光寿命荧光寿命。第23页，讲稿共90张，创作于星期三24寿寿命命 是是衰衰减减常常数数k k的的倒倒数数。事事实实上上，在在瞬瞬间间激激发发后后的的某某个个时时间间，荧荧光光强强度度达达到到最最大大值值，然然后后荧荧光光强强度度将将按按指指数数规规律律下下降降。从从最最大大荧荧光光强强度度值值后后任任一一强强度度值值下下降降到到其其1/e1/e所所需需的时间都应等于的时间都应等于。荧光寿命荧光寿命第24页，讲稿
20、共90张，创作于星期三25如如果果激激发发态态分分子子只只以以发发射射荧荧光光的的方方式式丢丢失失能能量量，则则荧荧光光寿寿命与荧光发射速率的衰减常数成反比。命与荧光发射速率的衰减常数成反比。荧光寿命荧光寿命因此有因此有 F F 1/K1/KF F F F表示表示荧光分子的固有荧光寿命荧光分子的固有荧光寿命，k kF F表示表示荧光发射速率的衰减常数荧光发射速率的衰减常数。荧光发射速率荧光发射速率即为单位时间中发射的光子数。即为单位时间中发射的光子数。第25页，讲稿共90张，创作于星期三26处处于于激激发发态态的的分分子子，除除了了通通过过发发射射荧荧光光回回到到基基态态以以外外，还还会会通通
21、过过一一些些其其它它过过程程(如如淬淬灭灭和和能能量量转转移移)回回到到基基态态，其其结结果果是是加加快快了了激激发发态态分分子子回回到到基基态态的的过过程程(或称失活过程或称失活过程)，结果是荧光寿命降低。，结果是荧光寿命降低。寿寿命命 和和这这些些过过程程的的速速率率常常数数有有关关，总总的的失失活活过过程程的的速速率率常常数数k k可可以以用用各各种种失活过程的速率常数之和来表示失活过程的速率常数之和来表示:k k k kF F+k ki ik ki i表示各种非辐射过程的衰减速率常数。表示各种非辐射过程的衰减速率常数。则总的则总的寿命寿命 为为:1/k1/k 1/(k1/(kF F+k
22、 ki i)荧光寿命荧光寿命第26页，讲稿共90张，创作于星期三27由由于于吸吸收收几几率率与与发发射射几几率率有有关关，F F与与最最大大吸吸收收位位置置的的摩摩尔尔消消光光系系数数 maxmax (单单位位为为cmcm2 2molmol-1-1或或 (mol(mol dmdm-3-3)-1-1cmcm-1-1)也密切相关。也密切相关。从下式可以得到从下式可以得到 F F的粗略估计值的粗略估计值(单位为秒单位为秒)。1/1/F F10104 4 maxmax注意注意：在在讨讨论论寿寿命命时时，不不要要把把寿寿命命与与跃跃迁迁时时间间混混淆淆起起来来。跃跃迁迁时时间间是是跃跃迁迁频频率率的的倒
23、倒数数，而寿命是指分子在某种特定状态下存在的时间。而寿命是指分子在某种特定状态下存在的时间。通过测量寿命，可以得到有关分子结构和动力学方面的信息。通过测量寿命，可以得到有关分子结构和动力学方面的信息。荧光寿命荧光寿命第27页，讲稿共90张，创作于星期三28延迟荧光延迟荧光一一般般荧荧光光寿寿命命为为1010-8-8s s，最最长长可可达达1010-6-6s s。但但有有时时却却可可能能观观察察到到长长达达1010-3-3s s。这这种种长长寿寿命命的的延延时时发发射射的的荧荧光光，被被称称为为延延迟迟荧荧光光或或缓缓发发荧光。荧光。延延迟迟荧荧光光与与普普通通荧荧光光的的区区别别主主要要在在于
24、于辐辐射射寿寿命命不不同同。这这种种长长寿寿命命的的延延迟迟荧荧光光来来源源于于从从第第一一激激发发三三重重态态（T T1 1）重重新新生生成成的的S S1 1态态的的辐辐射射跃跃迁迁。即即延延迟迟荧荧光光产生的过程为：产生的过程为：S1T1S1S0+hf第28页，讲稿共90张，创作于星期三29延迟荧光延迟荧光E E型延迟荧光型延迟荧光：当当第第一一激激发发单单重重态态S S1 1与与第第一一激激发发三三重重态态T T1 1能能差差较较小小时时，T T1 1态态有有时时可可从从环环境境获获取取一一定定的热能后又达到能量更高的的热能后又达到能量更高的S S1 1态。即态。即T1S1这种现象首先从
25、四溴荧光素（这种现象首先从四溴荧光素（eosin）观察到，故得名）观察到，故得名E型延迟荧光型延迟荧光。P P型延迟荧光型延迟荧光：当当单单重重态态（S S1 1）与与三三重重态态（T T1 1）能能差差较较大大时时，T T1 1不不可可能能靠靠从从环环境境取取得得热热能能而而到到达达S S1 1态态。这这时时有有可可能能在在两两个个三三重重态态分分子子靠靠近近时时，通通过过两两个个三三重重态态分分子子的湮灭过程重新生成的湮灭过程重新生成S S1 1态。即态。即S1+S1T1+T1(T1T1)S0+S1S0+S0+hp这种现象首先从芘（这种现象首先从芘（pyrene）和菲（）和菲（phenan
26、thrence）观察到，故得名）观察到，故得名P型延迟荧光型延迟荧光。第29页，讲稿共90张，创作于星期三30荧光荧光量子产率量子产率是物质荧光特性中最基本的参数之一，它表示物质发射荧光的效率。是物质荧光特性中最基本的参数之一，它表示物质发射荧光的效率。量子产率量子产率荧光荧光量子产率量子产率通常用通常用 来表示，定义为来表示，定义为荧光发射量子数荧光发射量子数与与被物质吸收的光子被物质吸收的光子数数之比，也可表示为之比，也可表示为荧光发射强度荧光发射强度与与被吸收的光强被吸收的光强之比，或表示为之比，或表示为荧光发射速率荧光发射速率与与吸收光速率常数吸收光速率常数之比，即：之比，即：=荧光发
27、射量子数荧光发射量子数/吸收的光子数吸收的光子数 =k=kf fSS1 1/吸光速率吸光速率 =I=If f/I/Ia a第30页，讲稿共90张，创作于星期三31量子产率量子产率一般情况下，荧光一般情况下，荧光量子产率量子产率（)不随激发光波长而改变，这被称为不随激发光波长而改变，这被称为Kasha-Kasha-VavilovVavilov规则规则。但如果形成的激发态会导致化学反应或系间窜越与内转换的竞争，。但如果形成的激发态会导致化学反应或系间窜越与内转换的竞争，则可能使则可能使 受到影响。例如，在低压气相以受到影响。例如，在低压气相以254 nm的光激发苯，的光激发苯，=0.4，而，而当以
28、小于当以小于240 nm的光激发苯时，则未检测到荧光。这是由于苯的高振动能级的光激发苯时，则未检测到荧光。这是由于苯的高振动能级的的S1态会使其转变为杜瓦苯。不同化合物的态会使其转变为杜瓦苯。不同化合物的 差别可以很大。差别可以很大。另外，另外，还会受环境（如温度、溶剂等）的影响，例如，降低温度可导还会受环境（如温度、溶剂等）的影响，例如，降低温度可导致一个化合物的致一个化合物的 增大，提高温度可导致一个化合物的增大，提高温度可导致一个化合物的 降低。降低。第31页，讲稿共90张，创作于星期三32量子产率量子产率由于荧光的非单色性、各向的不均匀性和二级发射等原因，荧光量子产由于荧光的非单色性、
29、各向的不均匀性和二级发射等原因，荧光量子产率的直接测定的重复性往往较差。因此，实际测量中大多采用的是率的直接测定的重复性往往较差。因此，实际测量中大多采用的是相对法相对法，即用一已知其荧光量子产率的参比化合物在相同条件下对照测定，并可通即用一已知其荧光量子产率的参比化合物在相同条件下对照测定，并可通过公式计算目标化合物的荧光量子产率：过公式计算目标化合物的荧光量子产率：=sIscs/(Isc)s、s、cs和和Is分别是参照物的荧光量子产率（已知）、摩尔消光系数、溶液浓度和分别是参照物的荧光量子产率（已知）、摩尔消光系数、溶液浓度和荧光强度；荧光强度；、c和和I分别是被测物的荧光量子产率（未知）
30、、摩尔消光系数、溶分别是被测物的荧光量子产率（未知）、摩尔消光系数、溶液浓度和荧光强度。液浓度和荧光强度。参照物参照物应是应是 已知已知、无自吸收无自吸收、无浓度猝灭无浓度猝灭、在被测物所用溶剂中可溶在被测物所用溶剂中可溶、易纯化易纯化、稳稳定定和和对杂质不敏感对杂质不敏感的物质。常用的参照物如罗丹明的物质。常用的参照物如罗丹明B和喹啉硫酸氢盐等。和喹啉硫酸氢盐等。第32页，讲稿共90张，创作于星期三33荧光产生的条件荧光产生的条件化合物能够产生荧光的化合物能够产生荧光的必要条件必要条件是：是：它它吸收光子发生多重性不变的跃迁时所吸收的能量小于断裂其最吸收光子发生多重性不变的跃迁时所吸收的能量
31、小于断裂其最弱的化学键所需要的能量弱的化学键所需要的能量。另外，化合物要能发生荧光，其结构中必须有另外，化合物要能发生荧光，其结构中必须有荧光基团荧光基团。荧光基团荧光基团都是都是含有不饱和键含有不饱和键的基团，当这些基团是分子的共轭体的基团，当这些基团是分子的共轭体系的一部分时，则该化合物可能产生荧光。系的一部分时，则该化合物可能产生荧光。第33页，讲稿共90张，创作于星期三34影响荧光的主要因素影响荧光的主要因素1.1.荧光助色团与荧光消色团荧光助色团与荧光消色团：可使化合物荧光增强的基团被称为可使化合物荧光增强的基团被称为荧光助色团荧光助色团。一般为。一般为给电子给电子取代基取代基，如，
32、如-NH-NH2 2、-OH-OH等。相反，等。相反，吸电子基团吸电子基团如如-COOH-COOH、-CN-CN等等将减弱或抑制荧光的产生，被称为将减弱或抑制荧光的产生，被称为荧光消色团荧光消色团。第34页，讲稿共90张，创作于星期三35影响荧光的主要因素影响荧光的主要因素增加共平面的稠合环的数目，特别是当稠合环以线型排列时，将有利于体系内增加共平面的稠合环的数目，特别是当稠合环以线型排列时，将有利于体系内 电电子的流动，从而使体系发生跃迁所需吸收的能量降低，进而有利于荧光的产生。子的流动，从而使体系发生跃迁所需吸收的能量降低，进而有利于荧光的产生。2.2.增加稠合环可增强荧光增加稠合环可增强
33、荧光：刚性增强后，将减弱分子的振动，从而使分子的激发能不易因振动而以热能形式刚性增强后，将减弱分子的振动，从而使分子的激发能不易因振动而以热能形式释放；另外，分子刚性的增加常有利于增加分子的共平面，从而有利于增大分子释放；另外，分子刚性的增加常有利于增加分子的共平面，从而有利于增大分子内内 电子的流动性，也就有利于荧光的产生。电子的流动性，也就有利于荧光的产生。3.3.提高分子的刚性可增强荧光提高分子的刚性可增强荧光：第35页，讲稿共90张，创作于星期三36影响荧光的主要因素影响荧光的主要因素根据电子跃迁规则，根据电子跃迁规则，S S1 1态的电子组态是（态的电子组态是（，*）态时，有利于荧光
34、的）态时，有利于荧光的产生，当产生，当S S1 1态的电子组态是（态的电子组态是（n n，*）态时，不利于荧光的产生。）态时，不利于荧光的产生。4.4.激发态电子组态的影响激发态电子组态的影响：重原子具有增强系间窜越的作用，将增大从重原子具有增强系间窜越的作用，将增大从S S1 1态向态向T T1 1态的系间窜越的速率态的系间窜越的速率常数和量子产率，从而导致降低荧光量子产率。常数和量子产率，从而导致降低荧光量子产率。5.5.重原子将导致荧光量子产率的降低重原子将导致荧光量子产率的降低：第36页，讲稿共90张，创作于星期三37影响荧光的主要因素影响荧光的主要因素增加溶剂的极性，一般有利于荧光的
35、产生。增加溶剂的极性，一般有利于荧光的产生。6.6.溶剂极性的影响溶剂极性的影响：降低体系温度可以提高荧光量子产率。降低体系温度可以提高荧光量子产率。7.7.温度的影响温度的影响：如氢键、吸附、溶剂粘度增加等均可提高荧光的量子产率，这都可用如氢键、吸附、溶剂粘度增加等均可提高荧光的量子产率，这都可用减少了分子的热振动和增加了分子的刚性来解释。减少了分子的热振动和增加了分子的刚性来解释。8.8.其它影响因素其它影响因素：第37页，讲稿共90张，创作于星期三38第38页，讲稿共90张，创作于星期三39荧光光谱仪的原理、操作及数据处理荧光光谱仪的原理、操作及数据处理第39页，讲稿共90张，创作于星期
36、三40在实验样品受到激发的情在实验样品受到激发的情况下，通过选择合适的探况下，通过选择合适的探测器和工作模式，记录下测器和工作模式，记录下发射光强与激发源特性、发射光强与激发源特性、样品特性以及温度、时间、样品特性以及温度、时间、空间、能量等相关特性之空间、能量等相关特性之间的关系，以此来更好的间的关系，以此来更好的研究或利用发光过程。研究或利用发光过程。荧光光谱仪的基本原理荧光光谱仪的基本原理第40页，讲稿共90张，创作于星期三41样品准备样品准备块状固体块状固体1.1.为了获取尽可能理想的光谱，减小内外表面因素的干扰，最好为了获取尽可能理想的光谱，减小内外表面因素的干扰，最好切成规则切成规
37、则形状，并进行抛光形状，并进行抛光。2.2.2.2.如果要做系列样品特性的对比，应尽量在如果要做系列样品特性的对比，应尽量在尺寸和光洁度尺寸和光洁度上将其制为上将其制为同一规格同一规格。4.4.对于与各项异性有关的测试，务必要注意对于与各项异性有关的测试，务必要注意光轴（或光轴（或 x,y,z x,y,z 轴）的位置轴）的位置。5.5.对于有对于有自吸收自吸收特性的样品要注意其对测试结果的影响。特性的样品要注意其对测试结果的影响。第41页，讲稿共90张，创作于星期三42样品准备样品准备粉体和微晶粉体和微晶1.1.避免混入诸如滤纸纤维、胶水等杂质避免混入诸如滤纸纤维、胶水等杂质，以免其发光对测试
38、结果产生影响。，以免其发光对测试结果产生影响。2.2.2.2.样品应尽量保存在样品应尽量保存在不会引入杂质又防潮避光不会引入杂质又防潮避光的样品管（盒）中。的样品管（盒）中。3.3.对于强光下不稳定的化合物，测试时应特别注意对于强光下不稳定的化合物，测试时应特别注意控制入射光的强度控制入射光的强度，避免破，避免破坏样品。坏样品。4.4.粉体和微晶样品一般夹在粉体和微晶样品一般夹在石英玻璃片石英玻璃片进行测试。进行测试。第42页，讲稿共90张，创作于星期三43液体液体样品准备样品准备1.1.溶液样品尽量使用溶液样品尽量使用透明的玻璃化溶液透明的玻璃化溶液，避免在这种汇聚式光路中由于比色皿，避免在
39、这种汇聚式光路中由于比色皿中溶液的前后吸收不均导致的光谱失真问题。中溶液的前后吸收不均导致的光谱失真问题。2.2.为安全起见，对于使用挥为安全起见，对于使用挥发性剧毒溶剂发性剧毒溶剂的测试，一定要有合适的的测试，一定要有合适的防护防护。3.3.易挥发、易变质易挥发、易变质的溶液最好的溶液最好现配现测现配现测。4.4.液体样品一般放在液体样品一般放在带盖石英比色皿带盖石英比色皿（与紫外测试所用比色皿不同，为侧面（与紫外测试所用比色皿不同，为侧面全透明型）全透明型）中进行测试。中进行测试。第43页，讲稿共90张，创作于星期三44测试准备测试准备 由于物质的发射特性和吸收特性是紧密相关的，所以提前做
40、好吸由于物质的发射特性和吸收特性是紧密相关的，所以提前做好吸收谱可以有效缩短荧光测试的摸索时间。收谱可以有效缩短荧光测试的摸索时间。对于不知道相关特性的样品，吸收谱的测试比荧光光谱的测试要容易对于不知道相关特性的样品，吸收谱的测试比荧光光谱的测试要容易很多。很多。所以，建议大家所以，建议大家先测一下样品的吸收谱，并从中找出感兴趣的吸收先测一下样品的吸收谱，并从中找出感兴趣的吸收峰和特性峰和特性，在荧光测试时以便参考。，在荧光测试时以便参考。第44页，讲稿共90张，创作于星期三45光谱测试光谱测试1.1.开机开机 2.2.电源电源灯源灯源2.2.发射谱发射谱 根据吸收谱中感兴趣的峰确定激发波长，
41、选择合适的发射谱波长范围、滤光片、光根据吸收谱中感兴趣的峰确定激发波长，选择合适的发射谱波长范围、滤光片、光路狭缝、扫描速度等进行发射谱的扫描。路狭缝、扫描速度等进行发射谱的扫描。3.3.激发谱激发谱 根据发射谱中感兴趣的峰确定发射波长，选择合适的激发谱波长范围、滤光片、光根据发射谱中感兴趣的峰确定发射波长，选择合适的激发谱波长范围、滤光片、光路狭缝、扫描速度等进行激发谱的扫描。路狭缝、扫描速度等进行激发谱的扫描。第45页，讲稿共90张，创作于星期三464.4.发射谱发射谱 根据激发谱中感兴趣的峰确定激发波长，选择合适的发射谱波长范围、根据激发谱中感兴趣的峰确定激发波长，选择合适的发射谱波长范
42、围、滤光片、光路狭缝、扫描速度等进行发射谱的扫描。滤光片、光路狭缝、扫描速度等进行发射谱的扫描。5.5.重复重复3 3、4 4步循环扫描得到理想的光谱图。步循环扫描得到理想的光谱图。7.7.关机关机 光源光源电源电源6.6.保存数据保存数据光谱测试光谱测试第46页，讲稿共90张，创作于星期三47滤光片的选择滤光片的选择1.1.按光谱波段分：按光谱波段分：紫外滤光片、可见滤光片、红外滤光片；紫外滤光片、可见滤光片、红外滤光片；2.2.按光谱特性分：按光谱特性分：带通滤光片、截止滤光片、分光滤光片、中性密度滤光片、反射滤光带通滤光片、截止滤光片、分光滤光片、中性密度滤光片、反射滤光片；片；带通型带
43、通型：选定波段的光通过，通带以外的光截止。选定波段的光通过，通带以外的光截止。短波通型短波通型(又叫低波通又叫低波通)：短于选定波长的光通过，长于该波长的光截止。：短于选定波长的光通过，长于该波长的光截止。比如红外截止滤光片，比如红外截止滤光片，IBG-650IBG-650。长波通型长波通型(又叫高波通又叫高波通)：长于选定波长的光通过，短于该波长的光：长于选定波长的光通过，短于该波长的光截止截止 比如红外透过滤光片，比如红外透过滤光片，IPG-800.IPG-800.滤光片的分类滤光片的分类第47页，讲稿共90张，创作于星期三48滤光片的选择滤光片的选择为了消除剩余入射光对荧光光谱产生影响，
44、我们通常要选择合适为了消除剩余入射光对荧光光谱产生影响，我们通常要选择合适的的长波通型截止滤光片长波通型截止滤光片。激发波长一定要小于发射波长激发波长一定要小于发射波长。发射谱发射谱扫描过程中，通常选择扫描过程中，通常选择比激发波长长，比发射谱最短波长短比激发波长长，比发射谱最短波长短的长的长波通型截止滤光片。波通型截止滤光片。激发谱激发谱扫描过程中，通常选择扫描过程中，通常选择比发射波长短，比激发谱最长波长长比发射波长短，比激发谱最长波长长的的长波通型截止滤光片。长波通型截止滤光片。第48页，讲稿共90张，创作于星期三49光路狭缝和扫描速度的选择光路狭缝和扫描速度的选择如果光路狭缝太大，荧光
45、信号太强，容易超出仪器检测范围，损如果光路狭缝太大，荧光信号太强，容易超出仪器检测范围，损伤仪器；如果狭缝开的太小，荧光信号又太弱，检测比较困难，伤仪器；如果狭缝开的太小，荧光信号又太弱，检测比较困难，所以要选择大小合适的狭缝。所以要选择大小合适的狭缝。如果扫描太快，容易跳峰，忽略特征性的峰信号；扫描太慢则浪费时间。所以如果扫描太快，容易跳峰，忽略特征性的峰信号；扫描太慢则浪费时间。所以只要能扫描得到平滑的光谱曲线就可以了。只要能扫描得到平滑的光谱曲线就可以了。第49页，讲稿共90张，创作于星期三50光谱数据处理光谱数据处理测得的数据结果需要应用测得的数据结果需要应用originorigin软
46、件软件进行数据处理和作图分析。进行数据处理和作图分析。为了消除仪器本身的影响，测得的光谱曲线需要应用校正曲线进行为了消除仪器本身的影响，测得的光谱曲线需要应用校正曲线进行校正校正。校正过的光谱数据可以应用校正过的光谱数据可以应用色坐标色坐标软件进行颜色分析。软件进行颜色分析。第50页，讲稿共90张，创作于星期三51荧光寿命和量子产率的测试和数据处理荧光寿命和量子产率的测试和数据处理荧光寿命：荧光寿命：根据发射谱和激发谱选择感兴趣的根据发射谱和激发谱选择感兴趣的发射波长发射波长和和激发波长激发波长，测试，测试荧光强荧光强度随时间的衰减度随时间的衰减曲线，同样需要数据进行校正，然后应用曲线，同样需
47、要数据进行校正，然后应用originorigin软件软件进行作图和数据拟合得到寿命结果。进行作图和数据拟合得到寿命结果。量子产率：量子产率：根据发射谱和激发谱选择感兴趣的根据发射谱和激发谱选择感兴趣的发射波长范围发射波长范围和和激发波长激发波长，运用，运用积分积分球球分别测试分别测试加、减衰减片时的荧光强度加、减衰减片时的荧光强度，然后应用软件进行数据处理得到，然后应用软件进行数据处理得到量子产率。量子产率。第51页，讲稿共90张，创作于星期三52荧光图实例荧光图实例第52页，讲稿共90张，创作于星期三53荧光光谱的应用荧光光谱的应用第53页，讲稿共90张，创作于星期三54荧光光谱的应用荧光光
48、谱的应用荧光探针荧光探针金属金属-有机配合物（有机配合物（MOF）发光材料发光材料分子传感器分子传感器物质的检测物质的检测稀土掺杂发光材料稀土掺杂发光材料发光器件发光器件光谱光谱第54页，讲稿共90张，创作于星期三55金属金属-有机配合物（有机配合物（MOF）的发光机理）的发光机理Ligand-金属金属-有机配合物发光机理示意图有机配合物发光机理示意图第55页，讲稿共90张，创作于星期三561.1.配体内的电荷转移（配体内的电荷转移（ILCTILCT）2.2.配体到金属的电荷转移（配体到金属的电荷转移（LMCTLMCT）3.3.金属到配体的电荷转移（金属到配体的电荷转移（MLCTMLCT）4.
49、4.配体到配体的电荷转移（配体到配体的电荷转移（LLCTLLCT）5.5.金属金属-金属到配体的电荷转移（金属到配体的电荷转移（MMLCTMMLCT）等）等过渡金属过渡金属-有机配合物（有机配合物（MOF）的发光机理）的发光机理很多过渡金属与配体配合时能形成很多过渡金属与配体配合时能形成新的能级结构新的能级结构（HOMO/LUMOHOMO/LUMO），基态与这些能），基态与这些能级的跃迁较容易导致量子产率相对于配体的显著增强，同时可以通过改变配位中心级的跃迁较容易导致量子产率相对于配体的显著增强，同时可以通过改变配位中心或配体结构在很宽的波段内调控其发射波段。或配体结构在很宽的波段内调控其发射
50、波段。第56页，讲稿共90张，创作于星期三57过渡金属过渡金属-有机配合物（有机配合物（MOF）的发光机理）的发光机理常见常见d d8 8/d/d1010过渡金属配合物的发光机理过渡金属配合物的发光机理Zn(II)、Cd(II)配合物配合物-ILCT/LMCT单核单核Cu(I)、Ag(I)、Au(I)、Pt(II)、Pd(II)配合物配合物-ILCT/LMCT/MLCT多核多核Cu(I)、Ag(I)、Au(I)、Pt(II)、Pd(II)配合物配合物-MLCT/MMLCT第57页，讲稿共90张，创作于星期三58稀土离子稀土离子能级图能级图（Dieke图图)稀土金属稀土金属-有机配合物（有机配合