激发光谱和发射光谱

激发光谱和发射光谱
荧光和磷光均属于光酸发光，因此都涉用到两种辐射，即激发光(吸收)和发射光，因此也都具有两种特点光谱，即激发光谱和发射光谱。

它们是笑光和磷光定性和定量分析的大体参数及依据。

1. 激发光谱
通过测量荧光(或磷光)体的发光通量(即强度)随激发光波长的转变而取得的光谱，称为激发光谱。

激发光谱的具体测绘方式，是通过扫描激发单色器，使不同波长的转变而取得的光谱，称为激发光谱。

激发光谱的具体测绘方式，是通过扫描激发单色器，使不同波长的入射光照射激发荧光(磷光)体，发出的荧光(磷光)通过固定波长的发射单色器而照射到检测器上，检测其荧光(磷光)强过，最后通过记录仪记录光强度对激发光波长的关系曲线，即为激发光谱。

通过激发光谱，选择最正确激发波长——发射荧光(磷光)强度最大的激发光波长，经常使用λex表示。

2. 发射光谱，也称荧光光谱或磷光光谱
通过测量荧光(或磷光)体的发光通量(强度)随发射光波长的转变而取得的光谱，称为发射光谱。

其测绘方式，是固定激光发光的波长，扫描发射的光的波长，记录发射光强度对发射光波长的关系曲线，即为发射光谱。

通过发射光谱选择最正确的发射波长——发射荧光(磷光)强度最大的发射波长，经常使用λem表示，磷光发射波长比荧光来得长，图为萘的激发光谱及荧光和磷光的发射光谱。

3. 荧江激发光谱和发射光谱的特点
★斯托克斯位移
在溶液荧光光谱中，所观察到的荧光发射波长总是大于激发波长，λem>λex Stokes于1852年首次发现这种波长位移现象，故称Stokes位移。

斯托克斯位移说明了在激发与发射之间存大着一定的能量损失。

激发态分子由于振动弛豫及内都转移的无辐射跃迁而迅速衰变到S1电子态的最低振动能级，这是产生其位移的主要原因；其次，荧光发射时，激发态的分子衰变到基态的各振动能级，此时，不同振动能级也发生振动弛豫至最低振动能级，也造成能量的损失；第三，溶剂效应和激发态分子可能发生的某些反应，也会加大斯托克斯位移。

★荧光发射光谱的形状与激发波长无关
由于荧光发射是激发态的分子由第一激发单重态的最低振动能级跃迁回基态的各振动能级所产生的，所以不管激发光的能量多大，能把电子激发到种激发态，都将经过司迅速的振动弛豫及内部转移跃迁至第一激发单重态的最低能级，然后发射荧光。

因此除了少数特殊情况，如S1与S2的能级间隔比一般分子大(如)及可能受溶液性质影响的物质外，荧光光谱只有一个发射带，且发射光谱的形状与激发波长无关。

★荧光激发光谱的形状与发射波长无关
由于在稀溶液中，荧光发射的效率(称为量子产率)与激发光的波长无关，因此用不同
发射波长绘制激发光谱时，激发光谱的形状不变，只是发射强度不同而已。

★荧光激发发光谱与吸收光谱的形状相近似，荧光发射光谱与吸收光谱成镜像关系
物质的分子只有对光
有吸收，才会被激发，
所以，从理论上说，某
化合物的荧光激发光谱
的形状，应与它的吸收
光谱的形状完全相同。

然而实际并非如此，由
于存在着测量仪器的因
素或测量环境的某些影
响，使得绝大多数情况
下，“表观”激发光谱
与吸收光谱两者的形状
有所差别。

只有在校正
仪器因素后，两者才非
常近似，而如果也校正了环境因素后，两面的形状才相同。

如果把某种物质的荧光发射光谱和它的吸收光谱相比较低，便会发现两者之间存在着“镜像对称”关系。

如图分别表示的苯溶液和硫酸奎宁的稀硫酸溶液的吸收光谱和荧光发射光谱。

为什么两种光谱会互为镜像关系呢？这不难由荧光发射光谱和吸收光谱的成因素解释。

吸收光谱中的第一吸收带(波长较长的吸收带)是由于基态分子吸收光能量被激发到第一电子激发态的各不同振动能级，所以，其形状取决于第一电子激发态中各振动能级的分布情况(即能量间隔情况)，而荧光光谱是激发态分子从第一电子激发单重态的最低振动能级跃回基态中的各不同振动能级所致，所以荧光光谱的形状取决于基态中各振动能级的分布情况。

一般情况下，基态和第一电了激发单重态中振动能级的分布情况是相同的，所以荧光发射光谱与吸收光谱的形状是类似的。

另一方面，吸收时由基态的最低振动能级跃迁到第一电子激发态的多振动能级，振
动能级越高，所吸收的能量越大，即吸收峰的波长越短；而相反，荧光发射是由第一电子激发单重态的最低振动能级跃迁回基态的多振动能级，振动能级越大，所释放的能量越小，即发射的荧光峰波长越长。

另外，由于电子跃迁的速率非常之快，以致于跃迁过程中分子中原子核的相对位置没有明显发光的变化，其(这里插图)结果是，假如吸收时由S0的v=0与第一激发态S1的v=2 之间的跃迁机率最大(即强度最大)，那末在荧光发射时，由S1的v=0跃回S0的v=2的机率应该最大，如图所示。

基于上述原因，荧光发射光谱与吸收光谱之间显现镜像对称关系。

跃回S0的v=2的机率必应该最大，如图所示。

基于上术原因，荧光发射光谱与吸收光谱之间显现镜像对称关系。

有机物的荧光
有机化合物的荧光——在已知大量的有机化合物当中，仅有一小部份发笛强的荧光，这与有机化合物的结构紧密相关。

能发射强荧光的有机化合物通常具有以下的结构特点：
1. 具有电子跃迁类型的结构
实验说明，大多数能发荧光的化合物都是由或跃迁激发，然后通过振动弛豫等无辐射跃迁，再发生或跃迁而产生荧光。

而其中吸收时跃迁的摩尔吸光系数比跃迁的大102～103倍，跃迁的寿命(10－7～10－9)比跃迁的寿命(10－5～10－7)短，因此荧光发射的速常数K f值较大，荧光发射的效率高。

因此，跃迁发射荧光的强度大。

另外，在跃迁进程中，通过系间跨跃从单重态跃迁至三重态的速度常数K ISC也有到于荧光的发射。

总之，跃迁的类型是产生荧光的最要紧跃迁类型。

2. 具有大的共轭π键结构
发生荧光(或磷光)的物质，其分子都含有共键双键(π键)的结构体系。

共轭体系越大，电子的离域性越大，越容易被激发，荧光也就越容易发生，且荧光光谱向长波移动。

大部份荧光物质都具有芳环或杂环，芳环越大，其荧光(或磷光)峰越向长波移动，且荧光强度往往也较强。

例如萃和萘的荧光位于紫外区，蒽位于蓝区，丁省位于绿区，戊省位于红区,见表()。

同一共轭环数的芳族化合物，线性环结构者的荧光波长比非线性者要长，如蒽和菲，其共轭环数相同，前者为线性环结构，后者为“角”形结构，前者λem为400nm，后者λem为350nm。

3. 具在刚性平面结构
实验发觉，多数具有性平面结构的有机化合物分子都具有强烈的荧光，因为这种结构可为减少分子的振动，使分子与溶剂或其他溶质分子之间的彼此作用减少，即可减少能量处部转移的损失，有利于荧光的发射。

而且平面平面结构能够增大分子的吸光截面，增大摩尔吸光系数，增强荧光强度。

酚酞与荧光黄(亦称荧光素)的结构十分相近(以下图所示)，只是由于荧光黄分子中的氧桥使其具有刚性平面结构，因此在溶液中呈现强烈的荧光，在l的NaOH 溶液中，荧光效率达，而酚酞却没有荧光。

又如芴与联二苯(以下图所示)，由于葱中的亚甲基使分子的刚性平面增加；致使二者在荧光性质上的显著不同，前者荧光产苯接近于1，后者仅为。

萘与维生素A都具有5个共轭π键(以下图所示)，而前者为平面结构，后者为非刚性结构，因此前者的荧光强度为后者的5倍。

4. 取代基的阻碍
取代基的性质(尤其是发色基因)对荧光体与的荧光特性和强度均有强烈的阻碍。

芳烃及杂环化合物的荧光激发光谱、发射光谱及荧光效率常随取代基的不同而异，由于目前关于激发态分子的性质了解还很不够，尚不能真正从机制上揭开其阻碍的秘密。

其阻碍规律多出自实验总结和推测。

表列出了部份取代基对苯的荧光特性的阻碍情形()。

取代基的阻碍要紧有以下几个方面。

★给电子取代基使荧光加强
属于这类基团的有－NH2，－NHR，－NR2，－OH，－OR，－CN等。

由于这些基团上的n电子云几乎与芳环上的π电子轨道平行，因而实际上它们共享了共轭π电子，形成了p～π共轭，扩大共轭体系。

因此，这类化合物的荧光强度增大(比较表中的苯、苯胺、苯酚、苯基氰)，考察这类取代基对荧光特性的影响时必需注意，这类基团中的n 电子容易与极性转化为共盐(共轭碱或共轭酸)，如酚在NaOH中，－OH转化为－O－，苯胺在酸中，－NH2转化为－NH3＋，它们的荧光均大为减弱。

★吸电子基团使荧光减弱而磷光增强
属于这类基团的有如羰基(－COOH，－CHO ，)，硝基(－NO2)及重氮基等。

这类基团都会发生跃迁，属于禁阻跃迁，所以摩尔吸光系数小，荧光发射也弱，而的系间跨跃较为强烈，同样使荧光减弱，相应磷光增强。

例如二苯甲酮
其的系间跨跃产率接近1，它在非酸性介质中的磷光很强。

硝基芳中－NO2对荧光体荧光的抑制作用尤为突出，硝基苯不发射荧光，其的产率为。

但会人荧解的是硝基苯的磷光也很弱，普遍认为可能产生比磷光速率更快的非辐
射的系间跨跃，或发生光化学反应。

和给电子基团一样，吸电子基团也都存在n 电子，所以对极性溶剂及酸，碱介质都较为敏感。

★取代基位置的影响
取代基位置对芳烃荧光
的影响通常为：邻位，对位取代
者增荧光，间位取代者抑制荧光
(－CN取代者例外)。

取代基的空
间阻碍对荧光也有明显的影响。

如下面化合物萘环上的8位引入
－SO3－基时，由于空间阻碍使－
NR2与萘这间的键扭转而减弱了
平面构型，影响了情况p～π共
轭，导致荧光的减弱。

同样，1,2
－二苯乙烯的反式异构体是强荧
光物质，而顺式异构体不发射荧
光。

荧光体取代上重原子后，荧光减弱，而磷光往往相应增强。

所谓重原子取代，
一般指的是卤素(Cl、Br和I)原子取代，芳烃取代，芳烃取代上卤素原子这后，其荧光强度随卤素原子量增加而减弱，而磷光通常相应地增强，这种效应称为“重原子效应”。

这种效应被解释为，由于重原子中，能级之间的交叉现象比较严重，使得荧光体中的电子自旋一轨道偶合作用加强，系间跨跃显著增加，结果导致荧强度减弱，磷光强度增强。

表()及图表示卤代萘的荧光及磷光光谱的情
荧光(或磷光)量子产率
激发态分子的去激发包括两种进程，即无辐射跃迁进程和辐射击跃进迁进程，辐射跃迁可发射荧光(延迟荧光)或磷光。

而有多少比例的激发分子发射出荧光(或磷光)呢。

能够用荧光量子产率ΦF--有时也叫也叫荧光效率或荧光产率(或磷光量子产率φP)表示。

φF概念为：荧光物质吸光后所发射荧光的光量子数与所吸光的光量子数之比，即:
许多吸光物质并非能发射荧光，这是因为激发态分子的去分子的去激过进程中，除发射荧光(磷光)外，还有无辐射跃迁进程与之竞争。

因此，荧光量子产率与其他各类进程的速成率常数有关。

表列出分子吸光及去激发的进程及速度常数()。

因此，ΦF能够表示为:
式中，ΣK i为无辐射跃迁各类进程的速度常数之和，即ΣK i＝K IC＋K ISC＋K Q[Q]。

从上式能够看出，凡是能使K f值升高而使其它K i值它降低的因素，都能够提高量子产量，增强荧光。

关于高荧光分子(如荧光素)来讲，Φf接近于1，说明该个子的K f较大，ΣK i相关于K f不可忽略不计。

一样荧光物质Φf小于1，不发荧光的物质K f为0，Φf＝0。

一样说来，K f要紧取决于化学结构(上节已表达)，K i那么要紧取决于化学环境的因素，同时也与化学结构有关。

从各类速度常驻数还能够取得荧光寿命τf:
磷光的量子产率ΦP与荧光最子产率相似。

荧光强度与荧光物质浓度的关系
荧光强度I f正比于吸收的光量(光强)I a及荧光量子产率Φf:
I f=I aΦf
吸收的光量(光强)I a应为入射光的光强的光强 I0与透射光的光强 I t之差，即：
I a＝I0－I t
依照吸收定律(朗伯-比耳定律)：
因此:
式中，ε为摩尔吸光系数，b为样品溶液的光程(即液池的厚度)，C为样品的摩尔浓度。

而的展开式为:
当浓度C很稀，吸收光量不超过总光量的2％时，(约为，那么展开式的高次项可忽略，即:
因此：
当I0及b一按时:I f＝KC
上式表明，荧光强度与荧光物质的浓度成正比，这是荧光分析法是量分析的依据。

但是，应该注意的是，此式只适合于荧光物质的稀溶液。

当C较大，时，线性关系将受到
破坏。

其缘故是受激后的激发态分子与体系中的其他分子所碰撞，使其以非辐射击跃迁的形式激化，产生荧光猝灭，或激发态分子所发射的荧光被没受激发的分子所吸收，而又因Φf 一样少于1因此发生所谓的“自吸收”现象而使荧光减弱。

为了减少碰撞去激发的机遇，能够用降低温度，增大溶液粘度或把荧光(磷光)物质附着在固体，支撑物测定的方式，以减少猝灭效应。

[专门要指出的是磷光发射，因其平均寿命较长，碰撞去激发的效应更大，因此常采纳低微磷光或固体磷光方式。

]
阻碍荧光强度的环境因素
阻碍荧光强度的因素除荧光物质的本身结构及其浓度之外，环增也是一个很重要的
因素，要紧的溶剂、温度、介质酸度、氢键的形成及其它的因素。

1. 溶剂的阻碍
●一般溶剂效应指的是溶剂的折身率的介电常数的影响。

这种影响是普遍存在的。

一般
情况下，折射率加大，将使荧光光谱的Stokes位移减少，而介电常数加大，将使Stokes
位移加大，且荧光效应提高。

●同一种荧光体系在不同的溶液中，其荧光光谱和荧光强度都可能会有显著的差别，尤
其是那些在芳环上含有极性取代基荧光体，它们更容易受到溶剂的影响。

溶剂的影响
一般分为一般分为一般的溶剂效应和特殊的溶剂效应。

特殊溶剂效应指的是荧光体与溶剂分子的特别化学作用，如氢键的形成和某些化合作用。

特殊溶剂效应对荧光光谱及强度的影响往往的大于一般溶剂效应。

对于荧光发射的主要电子跃迁类型跃迁来说，电子激发态比基态具有更大的极性，所以随着溶剂极性的增大，对激发态比对基态产生更大的稳定作用，因此降低了跃迁的能量，荧光光谱发生红移，而且荧光增强。

表为8-巯基喹啉在几种不同溶剂中荧光特性()。

但应该注意到一些相反的情况，如苯胺萘磺酸类化合物随溶剂极性的增大，光谱发生蓝移，且强度降低。

如果溶液分子与类光物质形成氢键，将使荧光峰明显红移，荧光强度一般增大。

如果溶剂分子和荧光物质形成化合物，或溶剂使荧光物质的电离状态或存在型体发生变化，则荧光峰位置和强度都会发生较大的变化。

以外，在含有重原子的溶剂如碘化乙醋、二碘焓、溴化正丙酯等）中，一般也使荧光体的荧光强度降低，而使磷光强度升高，这种现象称为“外重原子效应”。

溶剂中重原子的高核电荷引起溶质分子的自旋与轨道之间强烈的偶合作用，结果使的系间的跨跃，磷光发射及的系间跨跃等过程的几率增大。

因此荧光削弱，而磷光增强。

2. 温度的阻碍
温度关于溶液的荧光强度有着显著的阻碍。

通常，随着温度的增高，荧光物质溶液的荧光量子产率及荧光强度将降低，图为不同温度下邻菲啉的荧光光谱。

当溶液不存在猝灭剂时，荧光的量子产率与去激化的辐射跃迁进程及非辐射跃迁进程的相对速度有关。

一样以为辐射进程速度不随温度转变，因此，荧光量产率的转变反映了非辐射跃迁进程速度的转变。

随着溶液温度的升高，介质粘度增大，分子运动速度也变大，从而使荧光分子与溶剂分子或其它分了的碰撞机率增加，个部能量转移速度转变。

因此，荧江产率降低。

溶液温度上升而使荧光强度降低的另一个要紧缘故是分子的内部能量转化作用。

多原子分子的基态和激发态的位能曲线可能相交或相切于一点，如下图。

当激发态分子同意到额外热能而沿激发位能曲线AC移动致交点c时，有可能转换至基态的位能曲线NC，使激发转化为基态的振动能，随后通过振动弛豫而丧失振动能量。

3.介质酸度的阻碍
带有酸性基团或碱性基团的大多数芳香族化合物，其荧光特性都与溶液的酸度(pH)有关。

这是因为在不同酸度介质条件下，荧光体的存在型体不同，不同的型体(分子与其离子)在电子构型上有所不同，而且基态的激发态所表现出来的酸，碱性也有所不同。

因此不同酸度下，荧光光谱和荧光强度都可能发生转变。

因此在荧光分析中一样都要较严格地操纵溶液的pH值。

以下为两个实例:
4. 形成氢键的阻碍
荧光物质与溶剂分子或其他溶质分子所形成的分子间氢键可能有两种情形：一种是在激发之前荧光体的基态所形成的氢键，这种情形一样使摩尔吸光系数增大，即吸收增强，因此荧光强度增大，同时也可能发生分子极性及共轭程度的转变。

因此吸收光谱(荧光激发光谱)及荧光发射光谱都可能发生转变。

另一种情形是激发以后荧光体的激发态所形成的氢键，因此吸收光谱(激发光谱)不受阻碍，而荧光发射光谱会发生转变。

5. 其他方面阻碍
表面活性剂的存在对荧光光谱及强度都有会产生影响。

荧光体在由表面活性剂形成胶束的微环境中，不仅可以减少非辐射去激化过程和猝灭过程的速，提高荧光量子产率，而且由于表面活性剂参与组成更高次和配合物而增大配合物分子的有效吸光截面积，导致摩尔吸光系数的增大因此，在胶束溶液中，荧光强度增强，测定的灵敏度提高。

多元配合物的形成通常也可以平强荧光强度，提高荧光测定的灵敏度。

荧光的猝灭
荧光的猝灭(熄灭)一词，从广义上说，指的是任何可使某给定荧光物质的荧光强度降低的作用，或任何可使荧光强度不与荧光物质的浓度呈线性关系的作用。

从狭义上说，指的是荧光和质分子与溶剂分子或其它溶质分子之间的彼此作用，致使荧光强度降低的现象。

与荧光物质发生彼此作用而使荧光强度降低的物质，称为猝灭剂。

荧光猝灭的形式很多，机理也比较复杂。

要紧有为下几种类型:
1. 碰撞猝灭
碰撞猝灭是荧光猝灭的要紧类型之一。

它指的是处于激发单重态的荧光分子与猝灭剂分子Q相碰撞，使释放热量给环境以无辐射的形式跃迁回基态，产生猝灭作用(这种猝灭也称动态猝灭。

)这一进程能够表示如下：
根据荧光量子产率的定义在无Q时的量子产率φ0及Q存在时的量子产率φq别离为:
那么无Q时的荧光强度(I f)0及Q存在时的荧光强度(I f)q之比为:
式中，K称为猝灭速度常数，，能够推得，K与热力学温度T成正比，与溶液的粘度成反比。

可见，碰撞猝灭效应随温度的升高而增强，而随粘度的增大而降低。

2. 生成化合物的猝灭
生成化合物的猝灭也称为静态猝灭，它指的是基态的荧光物质与猝灭剂反映生成非荧光的化合物，致使荧光的猝灭，可用下式表示:
从上式也容易推导出荧光强度与猝灭剂平稳浓度之间的关系
式中(I f)0及(I f)q别离为加入猝灭剂Q之前及以后的荧光强度，C M为荧光物质的总浓度。

上式与动态猝灭的关系式一样，只是常数K的意义不同。

利用上面的关系式能够用于荧光猝灭法的定量分析。

3. 能量转移猝灭
当猝灭剂吸收光谱与荧光体的荧光光谱有重叠时，处于激发单重态的荧光体激发分子的能量就可能转移到猝灭剂分子上或猝灭剂吸收了荧光体发射的荧光，使荧光猝灭，而猝灭剂被激发，这是俗称“内滤作用”。

可用下式表示 :
4. 氧的猝灭
O2能够说是荧光和磷光的最普遍存的猝灭剂。

关于溶液磷光来讲，氧的猝灭作用是十分有效的，通常观看不到溶液的室温磷光现象。

而关于溶液荧光来讲，不同的荧光物质和同一荧光物质和同一荧光物质在不同的溶剂中，对氧的猝灭作用的灵敏性有所不同。

氧对溶液荧光产生猝灭作用的缘故比较复杂，尚未一个完整的确信说法，可能包括着多种机理。

有的以为可能是由于三重态的氧分子和激发单重态的荧光分子彼此作用形成激发单重态的荧光分子彼此作用形世激发单重态的氧分子和激发三重态的荧光分子所引发的，如下式表示:
也有的以为氧和其它须磁性的物质一样，它们之因此会使荧光猝灭，是由于它们能够增进激发单重态的荧光分子的系间跨跃()和提高荧光物质基态分子的系间吸收跃迁()的概率；还有的以为荧光猝灭是由于荧光物质受到氧化的缘故。

5. 转入三重态的猝灭
s在“重原子效应”段落已经表达，溴化物和碘化物都能产生“重原子效应”，促使荧光分子的激发单重态转入激发三重态，致使荧光的猝灭。

上面也已提及，氧的猝灭作用也可能是O2促使荧光体分子转入激发三重态所致。

6. 荧光物质的自猝灭
当荧光物质的浓度较大时，会使荧光强度降低，荧光强度与浓度不成线性关系，称为荧光物质的自猝灭。

自猝灭可能有如下几个缘故：
★荧光物质分子之间的碰撞能量损失，这实际上能量的外部转移形式：
★荧光物质的自吸收，当荧光物质的吸收光谱与荧光发射光谱重叠时，会发生自吸收现象，处于S1激发态的分子发射的荧光被处于基态的分子所吸收，使荧光强度降低。

★荧光物质分子的缔合。

某些荧光体分子处于基态时会形成二聚体或多聚体，或者激发态分子1与基态分子M形成激发态二聚体1(M*M)。

这些聚合物与荧光单体一般都会具有不同的荧光特性，有的使荧光强度降低甚至不发射荧光，有的使光谱发生变化。

此外，还有电荷转移猝灭，光化学反应猝灭等，不一一叙述。

荧光分析仪
荧光分析仪器与紫外-可见分光光度计的大体组成部件相同，即有光源、单色器、样品池、检测器和记录显示装置五个部份。

荧光仪器的单色器有两个，别离用选择激发波长和荧光发射波长。

除大体些部件的性能不同外，荧光仪器与紫外-可见分光光度计的最大不。