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1、关于荧光和磷光1第1页，讲稿共69张，创作于星期三 教学要求n n掌握分子荧光、磷光的产生机理；掌握激发光谱和发射光掌握分子荧光、磷光的产生机理；掌握激发光谱和发射光谱特征。谱特征。n n掌握荧光与分子结构的关系以及溶液的荧光（磷光）强度的影响因素。n n了解荧光（磷光）分析法的特点及定量测定方法。了解荧光（磷光）分析法的特点及定量测定方法。n n了解磷光分析法的类型。了解磷光分析法的类型。n n了解荧光、磷光分析仪器的结构。了解荧光、磷光分析仪器的结构。简介第2页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理（一）荧光和磷光的产生（一）荧光和磷光的产生（一）荧光和磷光的产生（一）荧光和
2、磷光的产生1.1 1.1 电子由基态跃迁激发态电子由基态跃迁激发态S 2Ssi+1第3页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理（一）荧光和磷光的产生（一）荧光和磷光的产生（一）荧光和磷光的产生（一）荧光和磷光的产生1.1 1.1 电子由基态跃迁激发态电子由基态跃迁激发态处于分子基态单重态中的电子对，其自旋方向相反，当其中一处于分子基态单重态中的电子对，其自旋方向相反，当其中一个电子被激发时，通常跃迁至第一激发态单重态轨道上，也可个电子被激发时，通常跃迁至第一激发态单重态轨道上，也可能跃迁至能级更高的单重态上。这种跃迁是符合光谱选律的，能跃迁至能级更高的单重态上。这种跃迁是符合光谱
3、选律的，如果跃迁至第一激发三重态轨道上，则属于禁阻跃迁。单重态如果跃迁至第一激发三重态轨道上，则属于禁阻跃迁。单重态与三重态的区别在于电子自旋方向不同，激发三重态具有较低与三重态的区别在于电子自旋方向不同，激发三重态具有较低能级。能级。第4页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理单重态分子具有抗磁性，其激发态的平均寿命大约为单重态分子具有抗磁性，其激发态的平均寿命大约为1010-8-8s s，而三重而三重态分子具有顺磁性，其激发态的平均寿命为态分子具有顺磁性，其激发态的平均寿命为1010-4-4 1 1s s以上以上（通常（通常（通常（通常用用用用S S和和和和T T分别表示单重
4、态和三重态）。分别表示单重态和三重态）。分别表示单重态和三重态）。分别表示单重态和三重态）。第5页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理1.2 1.2 激发态分子退激激发态分子退激 辐射跃迁方式辐射跃迁方式辐射跃迁方式辐射跃迁方式 无辐射跃迁方式无辐射跃迁方式无辐射跃迁方式无辐射跃迁方式辐射跃迁主要涉及到荧光、延迟荧光或磷光的发射辐射跃迁主要涉及到荧光、延迟荧光或磷光的发射无辐射跃迁则是指以热的形式辐射其多余的能量，包括振动弛豫（无辐射跃迁则是指以热的形式辐射其多余的能量，包括振动弛豫（无辐射跃迁则是指以热的形式辐射其多余的能量，包括振动弛豫（无辐射跃迁则是指以热的形式辐射其多余
5、的能量，包括振动弛豫（VRVR）、）、）、）、内部转移（内部转移（内部转移（内部转移（IRIR）、）、）、）、系间窜跃（系间窜跃（系间窜跃（系间窜跃（IXIX）及外部转移（及外部转移（及外部转移（及外部转移（ECEC）等等等等各种跃迁方式发生的可能性及程度，与各种跃迁方式发生的可能性及程度，与荧光物质本身的结构荧光物质本身的结构荧光物质本身的结构荧光物质本身的结构及及激发时激发时激发时激发时的物理和化学环境等因素的物理和化学环境等因素的物理和化学环境等因素的物理和化学环境等因素有关。有关。第6页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理下面结合荧光和磷光的产生过程，进一步说明各种能量
6、传递方式在其中所起的作用。设处于基态单重态中的电子吸收波长为1和2的辐射光之后，分别激发至第二单重态S2及第一单重态S1。第7页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理振动弛豫振动弛豫振动弛豫振动弛豫 指指 在同一电子能级在同一电子能级在同一电子能级在同一电子能级中，中，电子由高振动能级转至低振动能级，而电子由高振动能级转至低振动能级，而将多余的能量以热的形式发出将多余的能量以热的形式发出。发生振动弛豫的时间为。发生振动弛豫的时间为1010-12-12s s数量数量级。级。第8页，讲稿共69张，创作于星期三 振动振动振动振动弛弛豫豫豫豫S0S2S1T1吸光1吸光2振振动弛豫在同一电
7、子能级中，电子由高振动能级转至低振动能级，而将多余的能量以热热 的形式发出。第9页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理内转移内转移内转移内转移当当两个电子能级两个电子能级两个电子能级两个电子能级非常靠近以至其非常靠近以至其振动能级有振动能级有重叠重叠重叠重叠时，常发生电子时，常发生电子由高能级以由高能级以无辐射跃迁方式无辐射跃迁方式无辐射跃迁方式无辐射跃迁方式转转移至低能级。右图中指出，处移至低能级。右图中指出，处于高激发单重态的电子，通过于高激发单重态的电子，通过内转移及振动弛豫，均回到第内转移及振动弛豫，均回到第一激发单重态的最低振动能级。一激发单重态的最低振动能级。S0S
8、2S1T1吸光1吸光2内转移内转移第10页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理荧光发射荧光发射荧光发射荧光发射处于第一激发单重态中的电子跃回处于第一激发单重态中的电子跃回至基态各振动能级时，将得到最大至基态各振动能级时，将得到最大波长为波长为3 3的荧光。的荧光。注意：注意：注意：注意：基态中也基态中也基态中也基态中也有振动驰豫跃迁有振动驰豫跃迁有振动驰豫跃迁有振动驰豫跃迁。很明显，。很明显，3 3的波的波长较激发波长长较激发波长1 1或或2 2都长，而且都长，而且不论电子开始被激发至什么高能级，不论电子开始被激发至什么高能级，最终将只发射出波长最终将只发射出波长3 3的荧光。
9、的荧光。荧光的产生在荧光的产生在1010-7-7-10-10-9-9s s内完成。内完成。S0S2S1T1吸光1吸光2荧光3荧光第11页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理系间窜跃系间窜跃系间窜跃系间窜跃不同多重态间不同多重态间不同多重态间不同多重态间的的无辐射跃迁无辐射跃迁无辐射跃迁无辐射跃迁，例如，例如S S1 1T T1 1就是一种系间窜跃。通常，发就是一种系间窜跃。通常，发生系间窜跃时，生系间窜跃时，电子由电子由电子由电子由S S1 1的较低振的较低振的较低振的较低振动能级转移至动能级转移至动能级转移至动能级转移至T T1 1的较高振动能级的较高振动能级的较高振动能级的
10、较高振动能级处处处处。有时，通过热激发，有可能。有时，通过热激发，有可能发生发生T T1 1S S1 1，然后由然后由S S1 1发生荧光。发生荧光。这是产生延迟荧光的机理。这是产生延迟荧光的机理。荧光、磷光荧光、磷光 能级图能级图S0S2S1T1吸光1吸光2荧光3系间窜跃系间窜跃第12页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理磷光发射磷光发射磷光发射磷光发射 电子由基态单重态激发至第一激发三重态的电子由基态单重态激发至第一激发三重态的几率很小，因为这是禁阻跃迁。但是，由第几率很小，因为这是禁阻跃迁。但是，由第一激发单重态的最低振动能级，有可能以系一激发单重态的最低振动能级，有可能
11、以系间窜跃方式转至第一激发三重态，再经过振间窜跃方式转至第一激发三重态，再经过振动驰豫，转至其最低振动能级，由此激发态动驰豫，转至其最低振动能级，由此激发态跃回至基态时，便发射磷光，这个跃迁过程跃回至基态时，便发射磷光，这个跃迁过程（T T1 1S S0 0）也是自旋禁阻的，其发光速率较也是自旋禁阻的，其发光速率较慢，约为慢，约为1010-4-4-10-10s s。因此，这种跃迁所发射因此，这种跃迁所发射的光，的光，在光照停止后，仍可持续一段时在光照停止后，仍可持续一段时在光照停止后，仍可持续一段时在光照停止后，仍可持续一段时间。间。间。间。荧光、磷光荧光、磷光 能级图能级图S0S1S2T1吸
12、光1吸光2荧光3磷光磷光第13页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理外转移外转移外转移外转移指激发分子与溶剂分子或其它溶质分子的相互作用及能量转移，使荧指激发分子与溶剂分子或其它溶质分子的相互作用及能量转移，使荧指激发分子与溶剂分子或其它溶质分子的相互作用及能量转移，使荧指激发分子与溶剂分子或其它溶质分子的相互作用及能量转移，使荧光或磷光强度减弱甚至消失。这一现象称为光或磷光强度减弱甚至消失。这一现象称为光或磷光强度减弱甚至消失。这一现象称为光或磷光强度减弱甚至消失。这一现象称为“熄灭熄灭熄灭熄灭”或或或或“猝灭猝灭猝灭猝灭”。第14页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一
13、、基本原理荧光与磷光的根本区别：荧光与磷光的根本区别：荧光与磷光的根本区别：荧光与磷光的根本区别：荧光荧光荧光荧光是由激发是由激发单重态单重态单重态单重态最低振动能级至基态各振动能级间跃迁产生的；最低振动能级至基态各振动能级间跃迁产生的；而而磷光磷光磷光磷光是由是由激发三重态激发三重态激发三重态激发三重态的最低振动能级至基态各振动能级间跃迁产生的最低振动能级至基态各振动能级间跃迁产生的。的。第15页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理（二）激发光谱曲线和荧光、磷光光谱曲线（二）激发光谱曲线和荧光、磷光光谱曲线（二）激发光谱曲线和荧光、磷光光谱曲线（二）激发光谱曲线和荧光、磷光光
14、谱曲线2.1 2.1 激发光谱曲线激发光谱曲线荧光和磷光均为光致发光，因此必须选择合适的激发光波长，可根据它荧光和磷光均为光致发光，因此必须选择合适的激发光波长，可根据它们的激发光谱曲线来确定。们的激发光谱曲线来确定。绘制激发光谱曲线时，固定测量波长为荧绘制激发光谱曲线时，固定测量波长为荧绘制激发光谱曲线时，固定测量波长为荧绘制激发光谱曲线时，固定测量波长为荧光（或磷光）最大发射波长，然后改变激发波长，根据所测得的荧光光（或磷光）最大发射波长，然后改变激发波长，根据所测得的荧光光（或磷光）最大发射波长，然后改变激发波长，根据所测得的荧光光（或磷光）最大发射波长，然后改变激发波长，根据所测得的荧
15、光（磷光）强度与激发光波长的关系，即可绘制（磷光）强度与激发光波长的关系，即可绘制（磷光）强度与激发光波长的关系，即可绘制（磷光）强度与激发光波长的关系，即可绘制 激发光谱曲线激发光谱曲线第16页，讲稿共69张，创作于星期三 应该指出，激发光谱曲线与其吸收曲线可能相同，但应该指出，激发光谱曲线与其吸收曲线可能相同，但激发光谱激发光谱激发光谱激发光谱曲线曲线曲线曲线是是荧光强度与波长的关系曲线荧光强度与波长的关系曲线，吸收曲线则是吸收曲线则是吸收曲线则是吸收曲线则是吸光度与波长吸光度与波长的关系曲线的关系曲线，两者在性质上是不同的。，两者在性质上是不同的。第17页，讲稿共69张，创作于星期三一、
16、基本原理一、基本原理2.2 2.2 荧光或磷光光谱曲线荧光或磷光光谱曲线如果如果 固定激发光波长为其最大激发波长，然后测定不同波长时固定激发光波长为其最大激发波长，然后测定不同波长时所发射的荧光或磷光强度所发射的荧光或磷光强度，即可绘制即可绘制荧光或磷光光谱曲线荧光或磷光光谱曲线荧光或磷光光谱曲线荧光或磷光光谱曲线。在荧光和磷光的产生过程中，由于存在各种形式的无辐射跃迁，损失能在荧光和磷光的产生过程中，由于存在各种形式的无辐射跃迁，损失能量，所以它们的最大发射波长都向长波方向移动，以磷光波长的移动最量，所以它们的最大发射波长都向长波方向移动，以磷光波长的移动最多，而且它的强度也相对较弱。多，而
17、且它的强度也相对较弱。第18页，讲稿共69张，创作于星期三激发波长的选择与发射波长的判断第19页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理2.3 2.3 荧光发射光谱的普遍特性：荧光发射光谱的普遍特性：荧光发射光谱的普遍特性：荧光发射光谱的普遍特性：（1 1）StokesStokes位移位移位移位移 在溶液中，分子荧光的发射相对于吸收在溶液中，分子荧光的发射相对于吸收位移到较长的波长位移到较长的波长位移到较长的波长位移到较长的波长，称为，称为StokesStokes位移位移位移位移。这是由于受激分子通过振动弛豫而失去能量，也由。这是由于受激分子通过振动弛豫而失去能量，也由于溶液中溶剂
18、分子与受激分子的碰撞，也会有能量的损失。因此，于溶液中溶剂分子与受激分子的碰撞，也会有能量的损失。因此，在激发和发射之间产生了能量损失。在激发和发射之间产生了能量损失。第20页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理2.3 2.3 荧光发射光谱的普遍特性：荧光发射光谱的普遍特性：荧光发射光谱的普遍特性：荧光发射光谱的普遍特性：（2 2）荧光发射光谱的形状与激发波长无关）荧光发射光谱的形状与激发波长无关）荧光发射光谱的形状与激发波长无关）荧光发射光谱的形状与激发波长无关分子吸收不同能量的光子可以由基态激发到几个分子吸收不同能量的光子可以由基态激发到几个不同的电子激发态不同的电子激发态
19、不同的电子激发态不同的电子激发态，而具有几个吸收带。由于较高激发态通过内转换及转动弛豫回到而具有几个吸收带。由于较高激发态通过内转换及转动弛豫回到第一电子激发态的几率较高，远大于由高能激发态直接发射光子第一电子激发态的几率较高，远大于由高能激发态直接发射光子的速度，故在荧光发射时，不论用哪一个波长的光辐射激发，电的速度，故在荧光发射时，不论用哪一个波长的光辐射激发，电子都子都从第一电子激发态的最低振动能层返回到基态的各个振动从第一电子激发态的最低振动能层返回到基态的各个振动从第一电子激发态的最低振动能层返回到基态的各个振动从第一电子激发态的最低振动能层返回到基态的各个振动能层能层能层能层，所以
20、荧光发射光谱与激发波长无关。，所以荧光发射光谱与激发波长无关。第21页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理（3 3）镜像规则）镜像规则）镜像规则）镜像规则通常通常荧光发射光谱荧光发射光谱荧光发射光谱荧光发射光谱和它的和它的吸收光谱吸收光谱吸收光谱吸收光谱呈镜像对称关系。呈镜像对称关系。第22页，讲稿共69张，创作于星期三 S0S2S1T1吸光1吸光2荧光3第23页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理（3 3）镜像规则）镜像规则）镜像规则）镜像规则通常通常荧光发射光谱荧光发射光谱荧光发射光谱荧光发射光谱和它的和它的吸收光谱吸收光谱吸收光谱吸收光谱呈镜像对称关系。呈
21、镜像对称关系。吸收光谱吸收光谱吸收光谱吸收光谱是物质分子由基态激发至第一电子激发态的各振动能级形成是物质分子由基态激发至第一电子激发态的各振动能级形成的。其形状决定于的。其形状决定于第一电子激发态第一电子激发态第一电子激发态第一电子激发态中各中各 振动能级的分布情况振动能级的分布情况振动能级的分布情况振动能级的分布情况。荧光光谱荧光光谱荧光光谱荧光光谱是激发分子从第一电子激发态的最低振动能级回到基态中各不是激发分子从第一电子激发态的最低振动能级回到基态中各不同能级形成的。所以同能级形成的。所以荧光光谱的形状荧光光谱的形状荧光光谱的形状荧光光谱的形状决定于决定于基态中各振动能级的分布情基态中各振
22、动能级的分布情基态中各振动能级的分布情基态中各振动能级的分布情况况况况。第24页，讲稿共69张，创作于星期三基态中振动能级的分布和第一电子激发态中振动能级的分布情况是类似基态中振动能级的分布和第一电子激发态中振动能级的分布情况是类似基态中振动能级的分布和第一电子激发态中振动能级的分布情况是类似基态中振动能级的分布和第一电子激发态中振动能级的分布情况是类似的。的。的。的。因此荧光光谱的形状和吸收光谱的形状极为相似。因此荧光光谱的形状和吸收光谱的形状极为相似。由基态最低振动能级跃迁到由基态最低振动能级跃迁到 第一电子激发态各个振动能级的吸第一电子激发态各个振动能级的吸第一电子激发态各个振动能级的吸
23、第一电子激发态各个振动能级的吸收过程中，振动能级越高收过程中，振动能级越高收过程中，振动能级越高收过程中，振动能级越高，两个能级之间的能量差越大，即激发所，两个能级之间的能量差越大，即激发所需的能量越高，所以吸收峰的波长越短。反之，由需的能量越高，所以吸收峰的波长越短。反之，由 第一电子激发态第一电子激发态第一电子激发态第一电子激发态的最低振动能级降落到基态各个振动能级的荧光发射过程中，基态振的最低振动能级降落到基态各个振动能级的荧光发射过程中，基态振的最低振动能级降落到基态各个振动能级的荧光发射过程中，基态振的最低振动能级降落到基态各个振动能级的荧光发射过程中，基态振动能级越高动能级越高动能
24、级越高动能级越高，两个能级之间的能量差越小，荧光峰的波长越长。，两个能级之间的能量差越小，荧光峰的波长越长。第25页，讲稿共69张，创作于星期三也可以从位能曲线解释镜像规则。由于光吸收在大约也可以从位能曲线解释镜像规则。由于光吸收在大约1010-15-15的短的短时间内发生，原子核没有发生明显的位移，即电子与核之间的位移没有时间内发生，原子核没有发生明显的位移，即电子与核之间的位移没有发生变化。假如在吸收过程中，基态的零振动能级与激发态的第二振动发生变化。假如在吸收过程中，基态的零振动能级与激发态的第二振动能级之间的能级之间的跃迁几率跃迁几率跃迁几率跃迁几率最大，那么，在荧光发射过程中，其相反
25、最大，那么，在荧光发射过程中，其相反跃迁的跃迁的跃迁的跃迁的几率几率几率几率也应该最大。也就是说，吸收和发射的能量都最大。也应该最大。也就是说，吸收和发射的能量都最大。第26页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理（三）荧光和分子结构的关系（三）荧光和分子结构的关系（三）荧光和分子结构的关系（三）荧光和分子结构的关系分子产生荧光必须具备两个条件：分子产生荧光必须具备两个条件：分子产生荧光必须具备两个条件：分子产生荧光必须具备两个条件：分子必须具有与所照射的辐射频率相适应的结构，才分子必须具有与所照射的辐射频率相适应的结构，才 能吸收激发光；能吸收激发光；吸收了与其本身特征频率相同
26、的能量之后，必须具有吸收了与其本身特征频率相同的能量之后，必须具有 一定的荧光量子产率。一定的荧光量子产率。第27页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理1.1.量子产率量子产率量子产率量子产率荧光量子产率也叫荧光效率或量子效率，它荧光量子产率也叫荧光效率或量子效率，它表示物质发射荧光的能力表示物质发射荧光的能力表示物质发射荧光的能力表示物质发射荧光的能力，通常用下式表示通常用下式表示 =发射荧光分子数发射荧光分子数/激发分子总数激发分子总数 或或 =发射荧光量子数发射荧光量子数/吸收光量子数吸收光量子数 在产生荧光的过程中，涉及到许多在产生荧光的过程中，涉及到许多辐射辐射辐射辐
27、射和和无辐射跃迁无辐射跃迁无辐射跃迁无辐射跃迁过程，如荧过程，如荧光发射、内转移，系间窜跃和外转移等。很明显，荧光的量子产光发射、内转移，系间窜跃和外转移等。很明显，荧光的量子产率，将与上述每一个过程的速率常数有关。率，将与上述每一个过程的速率常数有关。第28页，讲稿共69张，创作于星期三若用数学式来表达这些关系，得到若用数学式来表达这些关系，得到 =k kf f /（k kf f+k ki i）K Kf f 为为荧光发射荧光发射荧光发射荧光发射过程的过程的速率常数速率常数速率常数速率常数，k ki i 为为其它有关过程的速率常数的总其它有关过程的速率常数的总和和。凡是能使凡是能使凡是能使凡是
28、能使k kf f 值升高而使其它值升高而使其它值升高而使其它值升高而使其它k ki i 值降低的因素，都可增强荧光。值降低的因素，都可增强荧光。值降低的因素，都可增强荧光。值降低的因素，都可增强荧光。第29页，讲稿共69张，创作于星期三 实际上，对于高荧光分子，例如荧光素，其量子产率在某些情实际上，对于高荧光分子，例如荧光素，其量子产率在某些情况下接近况下接近1 1，说明，说明 k ki i 很小，可以忽略不计。一般来说，很小，可以忽略不计。一般来说，k kf f 主要取决于主要取决于化学结构，而化学结构，而 k ki i 则主要取决于化学环境，同时也与化学结构有关。则主要取决于化学环境，同时
29、也与化学结构有关。磷光的量子产率与此类似磷光的量子产率与此类似第30页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理2.2.荧光与有机化合物的结构荧光与有机化合物的结构荧光与有机化合物的结构荧光与有机化合物的结构（1 1）跃迁类型）跃迁类型）跃迁类型）跃迁类型 跃迁是产生荧光的主要跃迁类型跃迁是产生荧光的主要跃迁类型跃迁是产生荧光的主要跃迁类型跃迁是产生荧光的主要跃迁类型第31页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理激发：激发：或或n n（非键电子轨道）非键电子轨道）发射：发射：或或 n n跃迁跃迁n n 跃迁具有较大的摩尔吸光系数（一般比跃迁具有较大的摩尔吸光系数（一般比
30、 n n 大大100-1000100-1000倍）倍）n n 跃迁的寿命约为跃迁的寿命约为1010-7-71010-9-9s s，比比n n 跃跃 迁的寿命迁的寿命1010-5-51010-7-7s sn n 跃迁过程中，通过系间窜跃至三重态的跃迁过程中，通过系间窜跃至三重态的 速率常数也较小（速率常数也较小（S S1 1T T1 1能级差较大）能级差较大）第32页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理（2 2）共轭效应）共轭效应）共轭效应）共轭效应 容易实现容易实现 激发激发 的芳香族化合物容易发生荧光，能发生荧光的芳香族化合物容易发生荧光，能发生荧光的脂肪族和脂环族化合物极少
31、（仅少数高度共轭体系化合物除的脂肪族和脂环族化合物极少（仅少数高度共轭体系化合物除外）外）增加体系的共轭度增加体系的共轭度增加体系的共轭度增加体系的共轭度，荧光效率一般也将增大荧光效率一般也将增大荧光效率一般也将增大荧光效率一般也将增大。例如，在多烯结构中，。例如，在多烯结构中，phph（CH=CHCH=CH）3 3 ph ph和和phph（CH=CHCH=CH）2 2 ph ph在苯中的荧光效率分别为在苯中的荧光效率分别为0.680.68和和0.280.28。第33页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理共轭效应使荧光增强的原因共轭效应使荧光增强的原因共轭效应使荧光增强的原因共
32、轭效应使荧光增强的原因 ：主要是由于增大荧光物质的摩尔吸光系数，有利于产生更多的激发态主要是由于增大荧光物质的摩尔吸光系数，有利于产生更多的激发态分子，从而有利于荧光的发生。分子，从而有利于荧光的发生。第34页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理(3)(3)(3)(3)刚性平面结构刚性平面结构刚性平面结构刚性平面结构多数具有刚性平面结构的有机分子具有强烈的荧光。多数具有刚性平面结构的有机分子具有强烈的荧光。这种结构可以减少分子的振动，使分子与溶剂或其它溶质分子的这种结构可以减少分子的振动，使分子与溶剂或其它溶质分子的这种结构可以减少分子的振动，使分子与溶剂或其它溶质分子的这种结
33、构可以减少分子的振动，使分子与溶剂或其它溶质分子的相互作用减少，也就减少了碰撞去活的可能性。相互作用减少，也就减少了碰撞去活的可能性。相互作用减少，也就减少了碰撞去活的可能性。相互作用减少，也就减少了碰撞去活的可能性。第35页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理（4 4）取代基效应）取代基效应）取代基效应）取代基效应 芳香族化合物苯环上的不同取代基对该化合物的荧光强度和荧光光谱芳香族化合物苯环上的不同取代基对该化合物的荧光强度和荧光光谱有很大的影响。有很大的影响。第36页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理 给电子基团给电子基团给电子基团给电子基团，如，如-OH
34、OH、-OR-OR、-CN-CN、-NHNH2 2 、-NR-NR2 2等，使荧光增强等，使荧光增强 产生了产生了p-p-共轭作用，增强了共轭作用，增强了 电子共轭程度，使最低激发单电子共轭程度，使最低激发单 重态与基态之间的跃迁几率增大。重态与基态之间的跃迁几率增大。吸电子基团吸电子基团吸电子基团吸电子基团，如，如-COOHCOOH、-NO-NO、-C-C O O、卤素等，会减弱甚至会卤素等，会减弱甚至会 猝猝灭荧光。灭荧光。第37页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理 卤素取代基随原子序数的增加而荧光降低卤素取代基随原子序数的增加而荧光降低卤素取代基随原子序数的增加而荧光降
35、低卤素取代基随原子序数的增加而荧光降低“重原子效应重原子效应重原子效应重原子效应”使系间跨越速率增加使系间跨越速率增加使系间跨越速率增加使系间跨越速率增加（在重原子中，能级之间的交叉现象比较严重，因此容易发生自旋轨道的相（在重原子中，能级之间的交叉现象比较严重，因此容易发生自旋轨道的相（在重原子中，能级之间的交叉现象比较严重，因此容易发生自旋轨道的相（在重原子中，能级之间的交叉现象比较严重，因此容易发生自旋轨道的相互作用，增加了由单重态转化为三重态的速率）互作用，增加了由单重态转化为三重态的速率）互作用，增加了由单重态转化为三重态的速率）互作用，增加了由单重态转化为三重态的速率）取代基的空间障
36、碍对荧光也有影响取代基的空间障碍对荧光也有影响取代基的空间障碍对荧光也有影响取代基的空间障碍对荧光也有影响 立体异构现象对荧光强度有显著的影响立体异构现象对荧光强度有显著的影响立体异构现象对荧光强度有显著的影响立体异构现象对荧光强度有显著的影响第38页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理3.3.金属螯合物的荧光金属螯合物的荧光金属螯合物的荧光金属螯合物的荧光除过渡元素的顺磁性原子会发生线状荧光光谱外，大多数无机盐除过渡元素的顺磁性原子会发生线状荧光光谱外，大多数无机盐类金属离子，在溶液中只能发生无辐射跃迁，因而不产生荧光。类金属离子，在溶液中只能发生无辐射跃迁，因而不产生荧光。
37、但是，在某些情况下，金属螯合物却能产生很强的荧光，并可用但是，在某些情况下，金属螯合物却能产生很强的荧光，并可用于痕量金属元素分析。于痕量金属元素分析。第39页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理（1 1）螯合物中配位体的发光）螯合物中配位体的发光）螯合物中配位体的发光）螯合物中配位体的发光不少有机化合物虽然具有共轭双键，但由于不是刚性结构，分子处于不少有机化合物虽然具有共轭双键，但由于不是刚性结构，分子处于非同一平面，因而不发生荧光。若这些化合物和金属离子形成螯合物，非同一平面，因而不发生荧光。若这些化合物和金属离子形成螯合物，随着分子的刚性增强，平面结构的增大，常会发生荧光
38、。随着分子的刚性增强，平面结构的增大，常会发生荧光。如如8-8-羟基喹啉本身有很弱的荧光，但其金羟基喹啉本身有很弱的荧光，但其金属螯合物具有很强的荧光属螯合物具有很强的荧光第40页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理（2 2）螯合物中金属离子的特征荧光）螯合物中金属离子的特征荧光）螯合物中金属离子的特征荧光）螯合物中金属离子的特征荧光这类发光过程通常是螯合物首先通过配位体的这类发光过程通常是螯合物首先通过配位体的 跃迁激发，接着配跃迁激发，接着配位体把能量转给金属离子，导致位体把能量转给金属离子，导致d dd d 跃迁和跃迁和f ff f 跃迁，最终发射跃迁，最终发射的是的是d
39、*d*d d跃迁和跃迁和f*f*f f 跃迁光谱。跃迁光谱。第41页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理（四）溶液的荧光（或磷光）强度（四）溶液的荧光（或磷光）强度（四）溶液的荧光（或磷光）强度（四）溶液的荧光（或磷光）强度（1 1）荧光强度与溶液浓度的关系荧光强度与溶液浓度的关系荧光强度与溶液浓度的关系荧光强度与溶液浓度的关系 荧光强度荧光强度I If f 正比于吸收的光量正比于吸收的光量I Ia a与荧光量子产率与荧光量子产率 I If f =I Ia a式中式中 为荧光量子效率，又根据为荧光量子效率，又根据BeerBeer定律定律 I Ia a=I0-It t=I0 0(
40、1-e-l l C C)I I0 0和和I It t分别是入射光强度和透射光强度。代入上式得分别是入射光强度和透射光强度。代入上式得 I If f=I I0 0(1-10(1-10-l l c)=)=I I0 0(1-e(1-e-2.3-2.3 l c l c)第42页，讲稿共69张，创作于星期三在极稀的溶液中，在极稀的溶液中，当当当当 l l l lc c 0.050.050.050.05时时时时 I If f =2.3=2.3 I I0 0 l lc c当入射光强度当入射光强度当入射光强度当入射光强度I I0 0 和和和和l l l l一定时一定时一定时一定时，上式为：，上式为：I If
41、f =K=K c c 较浓溶液，由于猝灭现象和自吸收等原因，使荧较浓溶液，由于猝灭现象和自吸收等原因，使荧光强度和浓度不呈线性关系光强度和浓度不呈线性关系第43页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理（2 2）影响荧光强度的因素）影响荧光强度的因素）影响荧光强度的因素）影响荧光强度的因素 溶剂溶剂溶剂溶剂对荧光强度的影响对荧光强度的影响对荧光强度的影响对荧光强度的影响 溶剂的折射率和介电常数的影响。溶剂的折射率和介电常数的影响。荧光体和溶剂分子间的特殊化学作用荧光体和溶剂分子间的特殊化学作用如氢键的生成和化合作用如氢键的生成和化合作用一般溶剂效应一般溶剂效应一般溶剂效应一般溶剂效
42、应特殊溶剂效应特殊溶剂效应特殊溶剂效应特殊溶剂效应第44页，讲稿共69张，创作于星期三一般溶剂效应是普遍的，而特殊溶剂效应则决定于溶剂和荧光体一般溶剂效应是普遍的，而特殊溶剂效应则决定于溶剂和荧光体的化学结构的化学结构特殊溶剂效应所引起荧光光谱的移动值，往往大于一般溶剂效特殊溶剂效应所引起荧光光谱的移动值，往往大于一般溶剂效应所引起的影响。由于溶质分子与溶剂分子间的作用，应所引起的影响。由于溶质分子与溶剂分子间的作用，使同一种荧光物质在不同的溶剂中的荧光光谱使同一种荧光物质在不同的溶剂中的荧光光谱可能会有显著不同可能会有显著不同第45页，讲稿共69张，创作于星期三增大溶剂的极性，将使增大溶剂的
43、极性，将使n n 跃迁的能量增大，跃迁的能量增大，跃迁的能量减跃迁的能量减小，而导致荧光增强，荧光峰红移小，而导致荧光增强，荧光峰红移苯胺萘磺酸类化合物在戊醇、丁醇、丙醇、乙醇和甲醇中，随着苯胺萘磺酸类化合物在戊醇、丁醇、丙醇、乙醇和甲醇中，随着醇的极性增大，荧光强度减小，荧光峰蓝移醇的极性增大，荧光强度减小，荧光峰蓝移荧光光谱的位置和强度与溶剂极性之间的关系，荧光光谱的位置和强度与溶剂极性之间的关系，应根据荧光物质与溶剂的不同而异应根据荧光物质与溶剂的不同而异第46页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理 温度对荧光强度的影响温度对荧光强度的影响温度对荧光强度的影响温度对荧光强
44、度的影响温度上升使荧光强度下降温度上升使荧光强度下降1 1.分子内部能量转化作用分子内部能量转化作用分子内部能量转化作用分子内部能量转化作用2 2.碰撞频率增加碰撞频率增加碰撞频率增加碰撞频率增加，使外转换的去活几率增加。，使外转换的去活几率增加。第47页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理 溶液溶液溶液溶液pHpH值对荧光强度的影响值对荧光强度的影响值对荧光强度的影响值对荧光强度的影响带有酸性或碱性官能团的大多数芳香族化合物的荧光与溶液的带有酸性或碱性官能团的大多数芳香族化合物的荧光与溶液的pHpH有关。有关。不同的不同的pHpH值，化合物所处状态不同，不同的化合物或化合物的
45、分子与其值，化合物所处状态不同，不同的化合物或化合物的分子与其离子在电子构型上有所不同，因此，它们的荧光强度和荧光光谱就有一离子在电子构型上有所不同，因此，它们的荧光强度和荧光光谱就有一定的差别定的差别第48页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理对于金属离子与有机试剂形成的发光鏊合物，一方面对于金属离子与有机试剂形成的发光鏊合物，一方面pHpH会影响鏊合物的会影响鏊合物的形成，另一方面还会影响鏊合物的组成，因而影响它们的荧光性质。形成，另一方面还会影响鏊合物的组成，因而影响它们的荧光性质。第49页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理 内滤光作用和自吸收现象内滤光
46、作用和自吸收现象内滤光作用和自吸收现象内滤光作用和自吸收现象溶液中若存在能吸收激发或荧光物质所发射光能的物质，就会使荧光减溶液中若存在能吸收激发或荧光物质所发射光能的物质，就会使荧光减溶液中若存在能吸收激发或荧光物质所发射光能的物质，就会使荧光减溶液中若存在能吸收激发或荧光物质所发射光能的物质，就会使荧光减弱，这种现象称为弱，这种现象称为弱，这种现象称为弱，这种现象称为“内滤光作用内滤光作用内滤光作用内滤光作用”。内滤光作用的另一种情况是荧光物质的荧光发射光的短波长的内滤光作用的另一种情况是荧光物质的荧光发射光的短波长的一端与该物质的吸收光谱的长波长一端有重叠。一端与该物质的吸收光谱的长波长一
47、端有重叠。在溶液浓度较大时，一部分荧光发射被自身吸收，产生在溶液浓度较大时，一部分荧光发射被自身吸收，产生“自吸自吸收收”现象而降低了溶液的荧光强度。现象而降低了溶液的荧光强度。第50页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理（3 3）溶液荧光猝灭）溶液荧光猝灭）溶液荧光猝灭）溶液荧光猝灭荧光物质分子与溶剂分子或其它溶质分子的相互作用引起荧光强度降低荧光物质分子与溶剂分子或其它溶质分子的相互作用引起荧光强度降低荧光物质分子与溶剂分子或其它溶质分子的相互作用引起荧光强度降低荧光物质分子与溶剂分子或其它溶质分子的相互作用引起荧光强度降低的现象称为的现象称为的现象称为的现象称为荧光猝灭荧
48、光猝灭荧光猝灭荧光猝灭能引起荧光强度降低的物质称为猝灭剂能引起荧光强度降低的物质称为猝灭剂第51页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理导致荧光猝灭的主要类型：导致荧光猝灭的主要类型：碰撞猝灭碰撞猝灭碰撞猝灭碰撞猝灭碰撞猝灭碰撞猝灭碰撞猝灭碰撞猝灭是指处于激发单重态的荧光分子与猝灭剂分子相碰撞，是指处于激发单重态的荧光分子与猝灭剂分子相碰撞，使激发单重态的荧光分子以无辐射跃迁的方式回到基态，产生使激发单重态的荧光分子以无辐射跃迁的方式回到基态，产生猝灭作用。猝灭作用。第52页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理 静态猝灭（组成化合物的猝灭）静态猝灭（组成化合物的猝
49、灭）静态猝灭（组成化合物的猝灭）静态猝灭（组成化合物的猝灭）由于部分荧光物质分子与猝灭剂分子生成非荧光的配合物而产生由于部分荧光物质分子与猝灭剂分子生成非荧光的配合物而产生的。此过程往往还会引起溶液吸收光谱的改变。的。此过程往往还会引起溶液吸收光谱的改变。转入三重态的猝灭转入三重态的猝灭转入三重态的猝灭转入三重态的猝灭 分子由于系间的跨越跃迁，由单重态跃迁到三重态。转入分子由于系间的跨越跃迁，由单重态跃迁到三重态。转入三重态的分子在常温下不发光，它们在与其它分子的碰撞中消三重态的分子在常温下不发光，它们在与其它分子的碰撞中消耗能量而使荧光猝灭。耗能量而使荧光猝灭。溶液中的溶解氧对有机化合物的荧
50、光产生猝灭效应是溶液中的溶解氧对有机化合物的荧光产生猝灭效应是第53页，讲稿共69张，创作于星期三一、基本原理一、基本原理由于三重态基态的氧分子和单重激发态的荧光物质分子碰撞，形成了单由于三重态基态的氧分子和单重激发态的荧光物质分子碰撞，形成了单重激发态的氧分子和三重态的荧光物质分子，使荧光猝灭。重激发态的氧分子和三重态的荧光物质分子，使荧光猝灭。发生电子转移反应的猝灭发生电子转移反应的猝灭发生电子转移反应的猝灭发生电子转移反应的猝灭 某些猝灭剂分子与荧光物质分子相互作用时，发生了电子转移某些猝灭剂分子与荧光物质分子相互作用时，发生了电子转移反应，因而引起荧光猝灭。反应，因而引起荧光猝灭。荧光