1、2022-3-20第四章第四章熒光光譜熒光光譜一、分子熒光與磷光產生過程一、分子熒光與磷光產生過程二、激發光譜與熒光光譜二、激發光譜與熒光光譜三、熒光的產生與分子結構關系三、熒光的產生與分子結構關系四、影響熒光強度的因素四、影響熒光強度的因素五、樣品要求五、樣品要求六、基本定量關系六、基本定量關系七、熒光儀器七、熒光儀器八、熒光分析特點八、熒光分析特點九、熒光光譜的應用九、熒光光譜的應用 2022-3-20一、熒光與磷光的產生過程一、熒光與磷光的產生過程 分子發光：分子發光：處于基態的分子吸收能量（電、熱、化學和光能處于基態的分子吸收能量（電、熱、化學和光能等）被激發至激發態，然后從不穩定的激

2、發態返回至基態并等）被激發至激發態，然后從不穩定的激發態返回至基態并發射出光子，此種現象稱為發光。發射出光子，此種現象稱為發光。發光分析包括熒光、磷光、化學發光、生物發光等。發光分析包括熒光、磷光、化學發光、生物發光等。分子熒光光譜也是電子光譜，但屬于于二次發射光譜。分子熒光光譜也是電子光譜，但屬于于二次發射光譜。由兩個步驟產生：由兩個步驟產生：吸收激發光過程和后繼的發射過程。吸收激發光過程和后繼的發射過程。由分子結構理論，主要討論熒光及磷光的產生機理。由分子結構理論，主要討論熒光及磷光的產生機理。2022-3-20一、熒光與磷光的產生過程一、熒光與磷光的產生過程 由分子結構理論，主要討論熒光

3、及磷光的產生機理。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；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；在每個電子能級上，都存在振動、轉動能級； 基態基態(S0)激發態激發態(S1、S2、激發態振動能級激發態振動能級) )：吸收特定吸收特定頻率的輻射；躍遷一次到位；頻率的輻射；躍遷一次到位； 激發態激發態基態：多種途徑和方式基態：多種途徑和方式( (見能級圖見能級圖) )； 第一、第二、第一、第二、電子激發單重態電子激發單重態 S1 、S2 ； 第一、第二、第一、第二、電子激發三重態電子激發三重態 T1

4、 、 T2 ；2022-3-202.2.電子激發態的多重度電子激發態的多重度基態基態：電子自旋配對，以：電子自旋配對，以S0表示。表示。激發單重態激發單重態：分子吸收能量，電子自旋配對，與基態中自旋：分子吸收能量，電子自旋配對，與基態中自旋方向相反為單重態，稱為激發單重態，以方向相反為單重態，稱為激發單重態，以S1，S2表示表示.激發三重態激發三重態：分子吸收能量，電子自旋與基態自旋方向相同：分子吸收能量，電子自旋與基態自旋方向相同，為三重態，稱為激發三重態，以，為三重態，稱為激發三重態，以T1，T2.表示。表示。平行自旋比成對自旋穩定平行自旋比成對自旋穩定( (洪特規則洪特規則) )，三重態

5、能級比相應單，三重態能級比相應單重態能級低；重態能級低； 大多數有機分子的大多數有機分子的基態處于單重態基態處于單重態； S0T1 禁阻躍遷；禁阻躍遷；通過其他途徑進入通過其他途徑進入(見能級圖見能級圖)；進入的；進入的幾率小；幾率??； 2022-3-203.3.激發態激發態基態的能量傳遞途徑基態的能量傳遞途徑 電子處于激發態是不穩定狀態，返回基態時，通過輻射電子處于激發態是不穩定狀態，返回基態時，通過輻射躍遷躍遷(發光發光)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磷光內轉移外轉移系間跨越振動弛振動弛豫豫無輻射躍遷 激發態停留時間短、返回速度快的途徑

6、，發生的幾率大，發光強度相對大；熒光熒光：10-710 -9 s,第一激發單重態單重態的最低振動能級基態；磷光磷光：10-410s；第一激發三重態三重態的最低振動能級基態；2022-3-20S2S1S0T1吸吸收收發發射射熒熒光光發發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2022-3-20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：同一電子能級內以熱能量交換形式由高振動能級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。發生振動弛豫的時間至低相鄰振動能級間的躍遷。發生振動弛豫的時間10 -12

7、s。 內轉換內轉換：同多重度電子能級中：同多重度電子能級中,等能級間的無輻射能級交換等能級間的無輻射能級交換。 通過內轉換和振動弛豫，通過內轉換和振動弛豫，高激發單重態高激發單重態的電子躍回的電子躍回第一激發第一激發單重態的最低振動能級單重態的最低振動能級。 外轉換外轉換：激發分子與溶劑或其他分子之間產生相互作用而轉：激發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；移能量的非輻射躍遷； 外轉換使熒光或磷光減弱或外轉換使熒光或磷光減弱或“猝滅猝滅”。系間跨越系間跨越：不同多重態：不同多重態,有重疊的轉動能級間的非輻射躍遷。有重疊的轉動能級間的非輻射躍遷。 改變電子自旋。改變電子自

8、旋。2022-3-20輻射能量傳遞過程輻射能量傳遞過程 熒光發射熒光發射：電子由：電子由第一激發第一激發單重態單重態的最低振動能級的最低振動能級基態（基態（ 多為多為 S1 S0躍遷躍遷），），發射波長為發射波長為 l l 2的熒光；的熒光； 10-710 -9 s 。 由圖可見，發射熒光的能量比分子吸收的能量小，波長由圖可見，發射熒光的能量比分子吸收的能量小，波長長；長； l l 2 l l 2 l l 1 ； 磷光發射磷光發射：電子由電子由第一激發第一激發三重態三重態的最低振動能級的最低振動能級基態（基態（ T1 S0躍遷躍遷）；）； 電子由電子由S0進入進入T1的可能過程：（的可能過程：

9、（ S0 T1禁阻躍遷）禁阻躍遷） S0 激發激發振動弛豫振動弛豫內轉移內轉移系間跨越系間跨越振動弛豫振動弛豫 T1 發光速度很慢：發光速度很慢： 10-4100 s 。 光照停止后，可持續一段時間。光照停止后，可持續一段時間。2022-3-20二、激發光譜與熒光二、激發光譜與熒光( (磷光磷光) )光譜光譜 熒光熒光( (磷光磷光) )：光致發光光致發光，照射光波長如何選擇，照射光波長如何選擇1.1.熒光熒光( (磷光磷光) )的激發光譜曲線的激發光譜曲線是是固定發射單色器波長固定發射單色器波長，使，使激發單色器的波長連續變化激發單色器的波長連續變化，以，以激發波長對熒光強度作圖可得到激發光

10、譜。激發波長對熒光強度作圖可得到激發光譜。縱坐標是相對熒縱坐標是相對熒光強度，橫坐標為激發光的波長。光強度，橫坐標為激發光的波長。 激發光譜形狀與吸收光譜形狀完全相似，這是因為分子吸收激發光譜形狀與吸收光譜形狀完全相似，這是因為分子吸收光能的過程就是分子的激發過程。光能的過程就是分子的激發過程。化合物發射的熒光化合物發射的熒光( (磷光磷光) )強度與照射光波長的關系曲線強度與照射光波長的關系曲線 （圖（圖中曲線中曲線I I ） 。 2022-3-202.2.熒光光譜熒光光譜( (或磷光光譜或磷光光譜) )固定激發單色器的波長，固定激發單色器的波長，使使發射單色器的波長連續發射單色器的波長連續

11、變化變化，以熒光強度為縱坐以熒光強度為縱坐標，橫坐標為發射光的波標，橫坐標為發射光的波長。長。化合物發射的熒光化合物發射的熒光( (或磷或磷光強度光強度) )與發射光波長關與發射光波長關系曲線系曲線( (圖中曲線圖中曲線II或或III) )。2022-3-20200260320380440500560620熒光激發光譜熒光激發光譜熒光發射光譜熒光發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2022-3-203.3.激發光譜與發射光譜的關系激發光譜與發射光譜的關系 a.Stokesa.Stokes位移位移 激發光譜與發射光譜之間的波長差值激發光譜與發射

12、光譜之間的波長差值。發射光譜的波長比發射光譜的波長比激發光譜的長，激發光譜的長，振動弛豫消耗了能量。振動弛豫消耗了能量。 b. .發射光譜的形狀與激發波長無關發射光譜的形狀與激發波長無關 電子躍遷到不同激發態能級，吸收不同波長的能量電子躍遷到不同激發態能級，吸收不同波長的能量( (如能級如能級圖圖l l 2 ,l l 1)，產生不同吸收帶，產生不同吸收帶，但均回到第一激發但均回到第一激發單重態單重態的最的最低振動能級再躍遷回到基態，產生波長一定的熒光低振動能級再躍遷回到基態，產生波長一定的熒光(如如l l 2 )。 2022-3-20c. . 鏡像規則鏡像規則 通常熒光發射光譜與激發光譜成鏡像

13、對稱關系。通常熒光發射光譜與激發光譜成鏡像對稱關系。 200250300350400450500熒光激發光譜熒光激發光譜熒光發射光譜熒光發射光譜nm蒽的激發光譜和熒光光譜蒽的激發光譜和熒光光譜2022-3-20三、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 1. 1.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）具有合適的結構；具有合適的結構；（2）具有一定的熒光量子產率。）具有一定的熒光量子產率。 熒光量子產率（熒光量子產率（ ）：）：吸收的光量子數發射的光量子數 2022-3-202.2.化合物的結構與熒光化合物的結構與熒光（1）躍遷類型躍遷類型： * 的熒光效率

14、的熒光效率高高，系間跨越，系間跨越過程的速率常數小，有利于熒光的產生；過程的速率常數小，有利于熒光的產生；（2）共軛效應共軛效應：提高提高共軛度共軛度有利于有利于增加熒光效率并增加熒光效率并產生產生紅移紅移 含含 * 躍遷能級的躍遷能級的芳香族芳香族化合物的熒光最強化合物的熒光最強化合物（在環己烷中）化合物（在環己烷中） f /nm/nm 苯苯 0.07 2830.07 283 聯苯聯苯 0.18 3160.18 316對對- -聯三苯聯三苯 0.93 3420.93 3422022-3-20（3）剛性平面結構剛性平面結構：可可降低降低分子分子振動振動，減少與溶劑，減少與溶劑的相互作用，故具有

15、很強的熒光。如熒光素和酚酞的相互作用，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。有相似結構，熒光素有很強的熒光，酚酞卻沒有。2022-3-20（4）取代基效應取代基效應：芳環族化合物苯環上不同取代：芳環族化合物苯環上不同取代基對該化合物的熒光強度和熒光光譜有很大的影響基對該化合物的熒光強度和熒光光譜有很大的影響，可歸為下列幾種類型：，可歸為下列幾種類型：第一，第一，給電子基團常常使熒光增強；給電子基團常常使熒光增強；第二，第二，吸電子基團會減弱甚至破壞熒光；吸電子基團會減弱甚至破壞熒光；第三，第三，同同 電子體系相互作用小的取代基和烷基對電子體系相互作用小的取

16、代基和烷基對發光影響不明顯；發光影響不明顯；第四，第四，將一個將一個高原子序數高原子序數的原子引入，常常的原子引入，常常增強磷增強磷光而減弱熒光；光而減弱熒光；第五，第五，雙取代和多取代較難預測，但若能增加分子雙取代和多取代較難預測，但若能增加分子的平面性，則熒光增強，反之，則熒光減弱。的平面性，則熒光增強，反之，則熒光減弱。2022-3-202022-3-20四、影響熒光強度的因素四、影響熒光強度的因素 影響熒光強度的影響熒光強度的外部因素外部因素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

17、生變化；都將使化合物的熒光發生變化；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，外轉換去活的幾熒光強度對溫度變化敏感，溫度增加，外轉換去活的幾率增加。率增加。3. 溶液溶液pH 對酸堿化合物，溶液對酸堿化合物，溶液pH的影響較大，需要嚴格控制；的影響較大，需要嚴格控制；2022-3-20五、樣品五、樣品一、聚合物一、聚合物多用溶液體系多用溶液體系,溶液濃度一般為溶液濃度一般為10-410-5mol/L。樣品槽：石英液槽樣品槽：石英液槽溶劑：溶劑：、要選擇非極性或極性很小的溶劑；、要選擇非極性或極性很小的溶劑；、要求溶劑本身的吸光度??；、要求溶劑本身的吸光度小；、要保證溶劑的

18、純度、要保證溶劑的純度二、無機材料多用固體，樣品壓制所片狀，放在小托盤二、無機材料多用固體，樣品壓制所片狀，放在小托盤中，樣品平面屯入射光成中，樣品平面屯入射光成。放置。放置。2022-3-20六、定量基本關系式六、定量基本關系式 稀溶液中樣品的熒光強度If正比于濃度c，根據朗白-比耳定律可導出 If =qI0 bl K熒光儀器常數 q 熒光的量子產率。q=發射的光子數/吸收的光子數。 I0入射光強度。2022-3-20七、熒光儀器七、熒光儀器1）光源：氙燈、高壓汞燈、激光；）光源：氙燈、高壓汞燈、激光；2）樣品池：石英（低熒光材料）；）樣品池：石英（低熒光材料）；3）兩個單色器：選擇激發光單

19、色器；）兩個單色器：選擇激發光單色器；分離熒光單色器分離熒光單色器；4）檢測器：光電倍增管。）檢測器：光電倍增管。第一單色器第一單色器或濾光片或濾光片記錄儀第二單色器第二單色器或濾光片或濾光片熒光熒光光源光源激發激發樣品池樣品池2022-3-20l光源樣品光檢測器譜圖l Abs單色器紫外紫外-可見分光光度計可見分光光度計2022-3-20l激發l發射光源樣品檢測器熒光分光光度計熒光分光光度計單色器單色器2022-3-20八、熒光分析的特點：八、熒光分析的特點： 靈敏度高：靈敏度高：靈敏度比紫外可見光譜高。熒光分析是直接測靈敏度比紫外可見光譜高。熒光分析是直接測定次級發射，所以較吸性光譜分析有較高的靈敏度和較好定次級發射，所以較吸性光譜分析有較高的靈敏度和較好的選擇性。熒光光譜的靈敏度可以通過增大入射激光強度的選擇性。熒光光譜的靈敏度可以通過增大入射激光強度I0或進一步入大熒光信號得到提高?；蜻M一步入大熒光信號得到提高。 選擇性好：可同時用激發光譜和熒光發射光譜定性。選擇性好：可