荧光和磷光
荧光与磷光的基本原理
荧光与磷光的基本原理荧光和磷光是物质光致发光过程中常见的两种现象。
它们可以被用来检测材料的性质、追踪物质在生物体内的分布，以及在科学研究和工业中扮演着至关重要的角色。
本文将讨论荧光和磷光的基本原理，以及它们的应用。
一、荧光的基本原理荧光是一种光致发光现象。
当某些物质被激发时，它们会吸收能量，并在吸收后发射光子。
这个过程可以被描述为：M +hυ(excited state) → M* → M + hυ(emission) 。
其中M为物质，hυ为光子，excited state和emission分别表示激发态和发射态。
荧光在荧光检测和生物学研究中被广泛使用。
它可以用于探测药物、发现病毒、细菌和细胞，以及跟踪DNA和RNA等生物大分子。
荧光还有广泛的应用，如流式细胞仪、荧光显微镜等。
二、磷光的基本原理磷光是一种光致发光现象，与荧光相似。
它的过程可以被描述为：M + hυ(excited state) → M* → M + hυ(emission) 。
在此过程中，“excited state”可以分为单重态和三重态。
单重态和三重态分别对应于分子的不同电子的自旋状态。
在很多情况下，荧光和磷光都可以同时存在。
磷光通常比荧光持久，因为在它的发生过程中，光子被释放的能量不是来自分子的振动能，而是来自分子的旋转能。
在这种情况下，分子释放出的能量被分散到周围的基体中，而不是以光子的形式释放。
因此，磷光可以从几纳秒持续到数百微秒。
三、荧光和磷光的应用荧光和磷光的应用非常广泛，从材料科学到医学和环境科学。
在材料科学中，荧光和磷光被广泛用于表面分析、光辐射测量和固体物性等方面。
在医学中，荧光和磷光能够帮助识别肿瘤和病原体，优化药物筛选和治疗方法。
在环境科学中，荧光和磷光可以用于监测水体和土壤中的有机物和无机物质的分布和迁移。
值得注意的是，荧光和磷光的应用通常需要结合化学、光学、电子学和计算机学等多个领域的知识。
例如，荧光和磷光分析需要分析样品中的存在物种和激发条件，并根据荧光和磷光的特性来选择合适的检测设备和荧光染料。
荧光和磷光
荧光和磷光荧光和磷光是一对相辅相成的光学现象。
这对现象都是由光子和原子因素造成的，荧光源可以是天然现象，也可以是人造的，而磷光则主要是人工合成的。
两种光学现象有着不同的来源和用途，但在某些方面也存在类似之处。
荧光是紫外线照射物体表面后释放的可见光，是一种自发辐射现象，可以使物体显得特别耀眼。
它的主要原理是激发态经过一段时间，从激发态向某一较低能态转变，释放出可见光。
像耀斑、流星、火星、月牙等天然现象都能够产生荧光效果，同时也可以通过有机荧光染料等进行人工合成。
此外，荧光还广泛用于衣服上的发光图案，常用的物质有荧光染料和发光粉，可以使衣服发出荧光，从而增添色彩和魅力。
磷光则是微小的化学物质由于能够激发而发出的放射性光，主要由磷原子放射出来。
它是一种计划激发态，只有在做精确控制的情况下，原子才能被激发，并发出有节律的可见光。
磷光主要用于生物学检测，如蛋白质、抗原、抗体等检测，还可以用于全息成像、光照明和能量转换等领域。
荧光和磷光的共性有：首先，它们都需要能够激发原子，以及原子经历一段时间后才能释放出特定的可见光。
其次，它们均可以适用于光学仪器和设备，提升其精度和灵敏度，帮助科学家更好地研究宇宙构成。
最后，它们都能够给人视觉上的享受，使人们觉得惊叹不已。
在总结荧光和磷光的特点之后，不难看出，它们的独特性质给科学家和大众带来令人难以置信的视觉感受，而它们的相似之处在于都是一种使得物体发出可见光的光学现象。
此外，它们也为研究宇宙的构成提供了重要的帮助，在光子学行业中发挥着重要作用。
但无论是荧光还是磷光，它们共同拥有一个重要特征，即扩大我们对宇宙的认识，引领我们进入一个更大的宇宙，探索一个新的世界。
荧光、磷光定义
荧光、磷光定义
荧光：
荧光是指某些物质吸收高能量的光（如紫外线或X射线）后，电子被激发至较高能级，在很短时间内（通常为纳秒至毫秒级别）就返回到较低能级，并在此过程中释放出能量较小、波长长于激发光的光子。
这种发光现象随激发光源的消失而迅速停止。
荧光材料的发光效率高，但寿命短，常见于荧光灯、荧光染料、荧光标记等领域。
磷光：
磷光则是另一种光致发光现象，类似于荧光，物质同样因吸收高能量的光而使电子跃迁到激发态。
然而，不同于荧光，磷光物质的电子从激发态下降至基态的过程中，会发生所谓的三重态跃迁，由于这一过程涉及到自旋禁戒效应，导致跃迁速率大大降低。
因此，即使激发光源停止后，磷光物质仍能继续发光一段时间，发光时间可以从几毫秒到几小时不等。
典型的磷光材料包括夜光粉、某些宝石（如萤石）以及某些塑料制品中的发光添加剂。
荧光和磷光解析
一、基本原理
（1）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。
如8-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
一、基本原理
（2）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跃迁激发， 接着配位体把能量转给金属离子，导致dd 跃迁和ff 跃迁， 最终发射的是d*d跃迁和f *f 跃迁光谱。
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10-8s， 而三重态分子具有顺磁性，其激发态的平均寿命为10-4 ~ 1s 以上（通常用S和T分别表示单重态和三重态）。
一、基本原理
1.2 激发态分子退激 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
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（VR）、内部转移（IR）、系间窜跃（IX）及外部转移 （EC）等
一、基本原理
（3）镜像规则
通常荧光发射光谱和它的吸收光谱呈镜像对称关系。
S2
S1 T1
S0
吸光1
吸光2
荧光3
一、基本原理
（3）镜像规则 通常荧光发射光谱和它的吸收光谱呈镜像对称关系。 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 级形成的。其形状决定于第一电子激发态中各 振动能级的分布 情况。
激发波长的选择与发射波长的判断
一、基本原理
2.3 荧光发射光谱的普遍特性： （1）Stokes位移 在溶液中，分子荧光的发射相对于吸收位移到较长的波长， 称为Stokes位移。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。
第七章 分子发光-荧光与磷光解读
激发光谱
发射光谱
l
荧光激发光谱
荧光发射光谱
200
250
300
350
400
450
蒽的激发光谱和荧光光谱
500 nm
三、荧光光谱的特征—激发光谱与发射光谱的关系
1、Stokes位移 在溶液中，分子的荧光发射波长总是比其相应的吸收(或激 发)光谱的波长长，荧光发射这种波长位移的现象称为Stokes 位移。 处于激发态的分子一方面由于振动弛豫等损失了部分能量，
T1
紫 外 可 见 吸 收 光 谱
紫 外 可 见 共 振 荧 光 S0 光 谱
S1
迟 滞 荧 光
振动弛豫: Vr 10-12sec 外 转 移:无辐射跃迁 回到基态 内 转 移:S2~S1能级 之间有重叠 系间窜跃: S2~T1能级 之间有重叠 反系间窜跃:由外部获 取能量后 T1 ~ S2
磷 光
外转移
蒽的发射光谱
蒽的三维等高线光谱图
蒽的三维等荧光强度光谱
VB1和VB2的三维荧光光谱
3.三维共振光散射光谱
ADS ATS ADS ATS RLS DS TS
RLS
DS
TS 散射片三维共振光散射光谱
固定lex=270nm
共振光散射 瑞利散射 拉曼光 二级共振光散射 三级共振光散射
500 550 600 650 700 750 800 850 900
2.电子激发态的多重度
电子激发态的多重度：M=2S+1 S为电子自旋量子数的代数和(0或1)； 平行自旋比成对自旋稳定(洪特规则)，三重态能级比相应单 重态能级低；
大多数有机分子的基态处于单重态；
S0→T1 禁阻跃迁；
通过其他途径进入
荧光和磷光
第七章分子发光分析一．教学内容1．荧光和磷光分析法的基本原理（光谱的产生、各种光谱的特征、光谱与化合物结构的关系、强度及影响因素等）2．荧光和磷光仪器3．荧光、磷光分析法的特点及大致应用4．化学发光的基本原理、发光类型、仪器及大致应用二．重点与难点1．分子的去激发过程及荧光、磷光的发射2．荧光、磷光的发射与物质结构的关系3．各种光谱的特征、区别与联系4．荧光（磷光）强度表达式的意义及影响因素三．教学要求1．基本掌握荧光和磷光发射的原理及与物质结构的关系2．了解各种光谱的绘制方法、特征与联系3．掌握强度表达式的意义、影响因素及适应性4．掌握荧光、磷光仪器的组件、工作流程及异同点5．基本了解化学发光分析法的原理、发光类型、仪器、特点及大致应用6．了解荧光、磷光分析的大致应用第一节分子荧光和磷光分析一、基本原理（一）荧光和磷光的产生在电磁辐射基础中，已经简单地讨论过荧光及磷光的产生机理。
这里将根据分子结构理论，将进一步讨论。
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，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能级。
在单重激发态中，两个电子平行自旋，单重态分子具有抗磁性，其激发态的平均寿命大约为10-8s，而三重态分子具有顺磁性，其激发态的平均寿命为10-4~ 1s以上（通常用S和T分别表示单重态和三重态）。
处于激发态的电子，通常以辐射跃迁方式或无辐射跃迁方式再回到基态。
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（VR）、内部转移（IR）、系间窜跃（IX）及外部转移（EC）等，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及激发时的物理和化学环境等因素有关。
第五章 荧光及磷光光谱法
磷光是分子吸光成为激发态分子，在返回基态时 的发光现象。
光致发光
常见的光致发光现象是荧光和磷光。
荧光:
激发光停止照射后，发光过程持续
10-9-10-6s。
磷光:
激发光停止照射后，发光过程持续 10-3-10s。
分析方法特点： ★灵敏度高。检测限比吸收光谱法低1~3个 数量级； ★线性范围宽，试样用量少，方法简便； ★选择性比吸收光谱法好。因为能产生紫外 可见吸收的分子不一定发射荧光或磷光；
活的机率下降，荧光量子效率提高。如荧光素和酚 酞有相似结构，荧光素有很强的荧光，酚酞却没有，
芴的荧光强，而联苯的荧光弱。
5.3 影响因素
5.3.1 温度与溶剂效应
溶剂效应
溶剂的影响可分为一般溶剂效应和特殊溶剂效应。 一般溶剂效应指的是溶剂的折射率和介电常数的影响。 特殊溶剂效应指的是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。 一般溶剂效应是普遍的，而特殊溶剂效应则决定于
12:36:43
去活化 (5) 磷光发射
T1最低振动能级→ S0时产生磷光辐射 10-2-10s，寿命长多了！能量更低！
室 温 无 磷 光
(6) 外部转换 external conversion
激发态分子和溶剂等能量转换 荧光/磷光 消失，称熄灭或猝灭
12:36:43
去活化演示 驰豫 吸收
e
e
e
基态单重态
激发单重态
激发三重态
5.2.2
去活化过程
电子处于激发态是不稳定状态，返回基态时， 通过辐射跃迁(发光)和无辐射跃迁等方式失去能 量；激发态停留时间短、返回速度快的途径，发 生的几率大，发光强度相对大。
传递途径 辐射跃迁 无辐射跃迁
医学：分子荧光与分子磷光分析法
在疾病诊断和治疗中的应用
肿瘤诊断
荧光与磷光分析法可用于肿瘤的早期 诊断和监测，通过检测肿瘤标志物或 特定基因的表达水平，为肿瘤治疗提 供依据。
感染性疾病诊断
药物疗效评估
荧光与磷光分析法可用于评估药物治 疗的效果，通过监测疾病标志物的变 化，了解药物治疗对疾病的影响。
荧光与磷光分析法可用于检测病原体 和抗体，快速准确地诊断感染性疾病， 如细菌、病毒和寄生虫感染。
06
未来展望
分析技术的发展趋势
智能化
01
随着人工智能和机器学习技术的快速发展，分析方法将更加智
能化，提高检测的准确性和效率。
高灵敏度
02
通过改进荧光和磷光的发光机制，提高检测的灵敏度，实现对
低浓度生物分子的快速检测。
多组分同时检测
03
发展多组分同时检测技术，实现对复杂生物样本中多种生物分
子的快速、准确检测。
在医学领域的应用前景
01
02
03
疾病诊断
利用荧光和磷光分析法对 生物分子进行高灵敏度检 测，为疾病诊断提供准确 依据。
药物研发
通过荧光和磷光分析法对 药物与生物分子相互作用 进行研究，为新药研发提 供有力支持。
个体化医疗
根据个体基因组、蛋白质 组等信息的检测结果，制 定针对性的治疗方案，实 现个体化医疗。
在生物分子检测中的应用
蛋白质检测
荧光与磷光分析法可用于检测蛋白质的含量和性质，有助于研究蛋 白质的功能和相互作用。
核酸检测
通过荧光与磷光分析法，可以检测DNA和RNA的含量和序列，用 于基因诊断、基因表达研究和疾病诊断。
生物标记物检测
荧光与磷光分析法可用于检测生物体内的生物标记物，如肿瘤标志物、 炎症标志物等，有助于疾病的早期发现和治疗监测。
第七章分子发光荧光和磷光
❖ 19世纪以前，荧光的观察是靠肉眼进行的，直到1928Jette和 West提出了第一台荧光计。
一、荧光与磷光的产生过程
luminescence process of molecular fluorescence phosphorescence
内转换
振动弛豫 内转换
S2
系间跨越
S1
能
T1 T2
量
吸 收
发
射
外转换
荧
光
发
射
磷 振动弛豫 光
S0
l3 l 1 分子吸收l 2和发射l 过2 程的Jablonski能级图
非辐射能量传递过程
振动弛豫：在凝聚相体系中，被激发到激发态(如S1和S2)的分子能通 过与溶剂分子的碰撞迅速以热的形式把多余的振动能量传递给周围的 分子，而自身返回该电子能级的最低振动能级，这个过程称为振动弛 豫。发生振动弛豫的时间10 -12 s。 内转换：当S2的较低振动能级与S1的较高振动能级的能量相当或重叠 时，分子有可能从S2的振动能级以无辐射方式过渡到S1的能量相等的 振动能级上。这个过程称为内转换。内转换发生的时间约为10 -12 s。 内转换过程同样也发生在激发态三重态的电子能级间。
?直到1852年年stokes在考察奎宁和叶绿素的荧光时用分光光度计观察到其荧光的波长比入射光的波长稍微长些才判断这种现象是这些物质在吸收光能后重新发射不同波长的光而不是由光的漫射作用所引起的从而导入了荧光是光发射的概念他还由发荧光的矿石萤石推演而提出荧光这一术语
第七章分子发光荧光和磷光
§7.1 分子发光的基本原理
荧光和磷光
S2
S1
T1
S0 吸光1
吸光2 荧光3
荧光
一、基本原理
系间窜跃
不同多重态间的无辐射跃迁， 例如S1→T1就是一种系间窜 跃。通常，发生系间窜跃时 ，电子由S1的较低振动能级 转移至T1的较高振动能级处 。有时，通过热激发，有可 能发生T1→S1，然后由S1发 生荧光。这是产生延迟荧光 的机理。
系间窜跃
在极稀的溶液中，当lc0.05时 If =2.3 I0 lc
当入射光强度I0 和l一定时，上式为： If = K c
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
一、基本原理
（2）影响荧光强度的因素 ① 溶剂对荧光强度的影响
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 态中各不同能级形成的。所以荧光光谱的形状决定于基态中各 振动能级的分布情况。
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。 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 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，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
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多，而且它的强度也相对较弱。
激发波长的选择与发射波长的判断
一、基本原理
2.3 荧光发射光谱的普遍特性：
（1）Stokes位移
在溶液中，分子荧光的发射相对于吸收位移到较长的波长， 称为Stokes位移。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。
荧光和磷光的产生原理
荧光和磷光的产生原理
荧光是一种不发光的物质在受到紫外光、可见光或者其他射
线照射后，其内部的化学键会断裂，产生自由电子和空穴，在重
新结合时就会发出光。
荧光是一种很容易发光的物质，在一些适
当的条件下，这种物质可以发出很强的光。
所以磷光的强度远比
荧光强。
这种现象叫做磷光效应。
我们用荧光粉来做实验，就会看到荧光粉发出一束很强的绿光。
在磷光粉中加入适量的荧光粉就会产生荧光。
人们利用磷光光谱可以进行能量转换，用磷光粉来做光源时，发出的是绿光。
当把磷光粉和其他物质混合时就会产生出红光。
人们还利用磷光光谱可以检测到生物分子内电子转移及离子
对之间的交换等过程，如DNA分子中含有的电子转移、DNA复制
时的离子交换等过程都可以用磷光光谱来检测。
同时利用磷光粉
还可以用来做激光材料，例如用它做激光器时，就可以发出很强
的绿光和红光。
—— 1 —1 —。
磷光和荧光的区别及其依据
磷光和荧光的区别及其依据磷光和荧光是两种常见的发光现象，它们在物理特性和应用上有着一些区别。
磷光是一种特殊的发光现象，它是物质受到外界激发后，在不受外界激发的情况下持续发光。
而荧光是物质受到外界激发后，在激发源消失后立即停止发光。
磷光的产生是通过磷光材料受到外界激发后，处于激发态的电子通过非辐射跃迁的方式回到基态，释放出光能。
这种非辐射跃迁的时间较长，所以磷光能够持续发光。
常见的磷光材料有磷光粉、夜光表等。
磷光的颜色与材料的成分有关，可以通过控制材料的配比来实现不同颜色的磷光。
荧光的产生是通过荧光物质受到外界激发后，处于激发态的电子通过辐射跃迁的方式回到基态，释放出光能。
这种辐射跃迁的时间非常短，通常只有纳秒级别，所以荧光的持续时间很短暂，激发源消失后即停止发光。
常见的荧光材料有荧光染料、荧光灯等。
荧光的颜色也与材料的成分有关，可以通过不同的材料来实现不同颜色的荧光。
磷光和荧光的区别主要有以下几点：1. 激发和发光方式不同：磷光是通过非辐射跃迁发光，而荧光是通过辐射跃迁发光。
磷光的非辐射跃迁时间较长，荧光的辐射跃迁时间较短。
2. 持续时间不同：磷光能够持续发光，而荧光在激发源消失后即停止发光。
3. 应用领域不同：由于磷光的持续发光特性，它常被用于夜光材料、指示灯等需要长时间发光的场合。
而荧光的短暂发光特性使其常被用于荧光染料、荧光标记等需要及时获得信息的场合。
4. 发光颜色控制方式不同：磷光的颜色可以通过控制材料的成分和配比来实现，而荧光的颜色通常是由荧光物质的结构决定的。
磷光和荧光的区别基于它们发光的方式和特性。
磷光是通过非辐射跃迁持续发光，荧光是通过辐射跃迁短暂发光。
这使得它们在应用上有着不同的特点，适用于不同的场合。
磷光常用于需要长时间发光的场合，而荧光常用于需要及时获得信息的场合。
对于材料的研究和应用开发，了解磷光和荧光的区别是非常重要的。
第七章 分子发光-荧光与磷光
x x2 x3 x4 xn ex 1 1! 2! 3! 4! n!
( 2.30 ε bC )2 ( 2.30 ε bC )3 ( 2.30 ε bC )4 I F I 0 ( 2.30 ε bC ) 2! 3! 4!
荧光
斯托克斯荧光(Stokes)： λex < λem 反斯托克斯荧光 (Antistokes)：λex > λem 共振荧光(Resonance)： λex = λem
分子的活化与去活化
振动弛豫
S2
内转移 荧光
反系间 窜跃
系间 窜跃
１. 辐射跃迁的类型 共振荧光：10-12 sec 荧 光：10-8 sec 磷 光：1~10-4 sec 迟滞荧光:102~10-4 sec ２. 无辐射跃迁的类型
电子处于激发态是不稳定状态，返回基态时，通过辐射 跃迁(发光)和无辐射跃迁等方式失去能量； 传递途径 辐射跃迁 无辐射跃迁
荧光
延迟荧光
磷光
系间跨越 内转移
外转移
振动弛预
激发态停留时间短、返回速度快的途径，发生的几率大， 发光强度相对大； 荧光：10-7～10 -9 s,第一激发单重态的最低振动能级→基态； 磷光：10-4～10s；第一激发三重态的最低振动能级→基态；
1. 分子能级与跃迁
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； 基态(S0)→激发态(S1、S2、激发态振动能级)：吸收特定频率 的辐射；量子化；跃迁一次到位； 激发态→基态：多种途径和方式(见能级图)；速度最快、激 发态寿命最短的途径占优势；
第一、第二、…电子激发单重态 S1 、S2… ； 第一、第二、…电子激发三重态 T1 、 T2 … ；
chapter 4 分子发光-荧光与磷光
*
3
k1
3
MM (M M) 2M kT
* 3
没有除氧，溶液中难以观察到磷光
仪器分析
4. 自熄灭与自吸收 当荧光物质的浓度大于1g/L时，常发生荧光的自熄灭(浓度熄灭)
自吸收：
D D hv D hv D*
*
由于F < 1，使荧光 强度减弱或消失.
D* ( S1 ) A( S0 ) D( S0 ) A* ( S1 ) D* (T1 ) A( S0 ) D( S0 ) A* ( S1 )
CH3 N CH3
hv
+
_
N
CH3
CH3
仪器分析
3. 氧的熄灭作用
氧分子是荧光、磷光的熄灭剂，
1
M O 2 3 M* 3 O 2
色。
直到1852年，Stokes在考察奎宁和叶绿素的荧光时，用分光光 度计观察到其荧光的波长比入射光的波长稍微长些，才判断这
种现象是这些物质在吸收光能后重新发射不同波长的光，而不
是由光的漫射作用所引起的，从而导入了荧光是光发射的概念， 他还由发荧光的矿石“萤石”推演而提出“荧光”这一术语。
仪器分析
k--与仪器灵敏度有关的参数
I0--入射光强度。
IF K C
I P KC
仪器分析
§4.3 荧光(磷光)分光光度计
一. 主要组成及部件的功能
光源
氙 灯 光电倍增管 数据处理 仪器控制 激发单色器
样品池
发射单色器
仪器分析
二. 光源
1. 光源的要求
发射强度足够且稳定的连续光谱 光辐射强度随波长的变化小 有足够长的使用寿命
第七章分子发光荧光与磷光
共振光散射
瑞利散射
二级共振光散射
拉曼光
三级共振光散射
0 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900
l
三. 分子荧光(磷光)强度与荧光物质浓度的关系
1. 荧光强度(磷光)与浓度的关系
光吸收定律（Lambert – Beer Law）
电子由第一激发单重态的最低振动能级→基态（ 多为 S1→ S0
跃迁），发射波长为 l’2的荧光； 10-7～10 -9 s 。
由图可见，发射荧光的能量比分子吸收的能量小，波长
长； l’2 > l 2 > l 1 ；
磷光发射：激发态分子经过系间跨跃达到激发三重态后，并经 过迅速的振动弛豫达到第一激发三重态(T1)的最低振动能级上， 从T1态分子经发射光子返回基态。此过程称为磷光发射。
❖ 19世纪以前，荧光的观察是靠肉眼进行的，直到1928年，才由 Jette和West提出了第一台荧光计。
一、荧光与磷光的产生过程
luminescence process of molecular fluorescence phosphorescence
由分子结构理论，主要讨论荧光及磷光的产生机理。
如S1到T1跃迁就是系间跃迁的例子，即单重态到三重态的 跃迁。即较低单重态振动能级与较高的三重态振动能级重叠。 这种跃迁是“禁阻”的。
改变电子自旋，禁阻跃迁，通过自旋—轨道耦合进行。
辐射能量传递过程
荧光发射：当分子处于第一激发单重态S1的最低能级时，分 子返回基态的过程比振动弛豫和内转化过程慢得多。分子可 能通过发射光子跃迁回到基态S0的各振动能级上，这个过程 称为荧光发射。
荧光与磷光
荧光与磷光荧光荧光（fluorescence）是指一种光致发光的冷发光现象。
当某种常温物质经某种波长的入射光（通常是紫外线或X射线）照射，吸收光能后进入激发态，并且立即退激发并发出比入射光的的波长长的出射光（通常波长在可见光波段）；而且一旦停止入射光，发光现象也随之立即消失。
具有这种性质的出射光就被称之为荧光。
在日常生活中，人们通常广义地把各种微弱的光亮都称为荧光，而不去仔细追究和区分其发光原理。
有的宝石在暗处会发光，如1603年，鲍络纳(Bologna)的一个鞋匠发现当地一种石头(含硫酸钡)经阳光照射被移到暗处后，会继续发光。
当时关于磷光的记载中描述：鲍络纳石经阳光照射，须孕育一段时间后才产生光。
经过几个世纪后，人们才弄清楚这一现象的发光原理与发光过程。
1845年，Herschel报道硫酸奎宁溶液经日光照射后发射出强烈的光。
含有奎宁的通宁水在紫外线的照射下发出荧光荧光 - 照明荧光灯常见的荧光灯就是一个例子。
灯管内部被抽成真空再注入少量的水银。
灯管电极的放电使水银发出紫外波段的光。
这些紫外光是不可见的，并且对人体有害。
所以灯管内壁覆盖了一层称作磷（荧）光体的物质，它可以吸收那些紫外光并发出可见光。
钞票的荧光防伪标记在紫外线灯的照射下发出可见光就是利用了这一特性。
自然界中最典型的荧光就是极光，由于太阳带电粒子（太阳风）进入地球磁场，在地球南北两极附近地区的高空，夜间出现的灿烂美丽的光辉。
极光荧光与生化、医药荧光在生化和医药领域有着广泛的应用。
人们可以通过化学反应把具有荧光性的化学基团粘到生物大分子上，然后通过观察示踪基团发出的荧光来灵敏地探测这些生物大分子。
实例：采用荧光标记的链终止剂所得到的DNA测序图水母发光蛋白最早是从海洋生物水母（Aequorea victoria）中分离出来的。
当它与Ca2+离子共存时，可以发出绿色的荧光。
这一性质已经被应用于实时观察细胞内Ca2+离子的流动。
水母发光蛋白的发现推动了人们进一步研究海洋水母并发现了绿色荧光蛋白（Green Fluorescent Protein，GFP）。
荧光现象和磷光现象名词解释
荧光现象与磷光现象：荧光现象：是指叶绿素在透射光下为绿色，而在反射光下为红色的现象，这红光就是叶绿素受光激发后发射的荧光。
叶绿素溶液的荧光可达吸收光的10%左右。
而鲜叶的荧光程度较低，只占其吸收光的0.1~1%左右。
产生原因：（1）对着光源观察叶绿素提取液时，看到的是叶绿素的吸收光谱。
由于叶绿素提取液吸收的绿光部分最少，故用肉眼观察到的为绿色透射光。
（2）背光源观察叶绿素提取液时，看到的是叶绿素分子受激发后所产生的发射光谱。
当叶绿素分子吸收光子后，就由最稳定的、能量最低的基态提高到一个不稳定的、高能量的激发态。
由于激发态不稳定，因此发射光波(此光波即为荧光)，消失能量，迅速由激发态回到基态。
叶绿素分子吸收的光能有一部分用于分子内部振动上，辐射出的能量就小。
由“光子说”可知，光是以一份一份光子的形式不连续传播的，而且E=hv= hc/λ，即波长与光子能量成反比。
因此，反射出的光波波长比入射光波的波长长，叶绿素提取液在反射光下呈红色。
叶绿素溶液在透射光下呈绿色，在反射光下呈红色的现象叫做荧光现象。
由实验现象及观察结果得出结论：观察叶绿素提取液时，对着光源将看到试管内提取液呈绿色；背着光源将看到试管内提取液呈红色。
磷光现象：是指在激发源停止作用之后可感觉到的具有特征衰减率的发冷光现象。
当去掉光源后，叶绿素溶液还能继续辐射出极微弱的红光，它是由三线态回到基态时所产生的光，这种发光现象称为磷光现象。
人或动物的尸体在腐烂的过程中，磷就会以联磷或磷化氢气体形式钻过土壤，钻出地面。
磷在空气中缓慢氧化，当表面聚集热量达40摄氏度时，引起自燃，部分反应能量以光能的形式放出，这就是磷在暗处能发光的原因，叫“磷光现象”。
荧光,热激活延迟荧光,磷光机理和各自优点
荧光，热激活延迟荧光，磷光机理和各自优点荧光、热激活延迟荧光和磷光是三种不同的发光机理，它们各自具有独特的优点。
以下是对这三种机理的详细介绍：1. 荧光：定义：荧光是一种常见的发光现象，发生在某些物质吸收光能后。
当特定波长的光线照射到某些物质上时，物质内部的电子从基态跃迁至激发态，然后从激发态返回到基态，释放出光子，产生荧光。
优点：荧光材料具有高亮度、低能耗、长寿命等优点，因此在显示器、照明、生物成像等领域得到广泛应用。
此外，荧光材料还可以通过不同的颜色和标记技术进行定制，具有较高的灵活性和可调性。
2. 热激活延迟荧光：定义：热激活延迟荧光（TADF）是一种特殊的荧光现象，发生在某些具有较低的单线态和三线态能隙的有机分子中。
这些分子在受到光激发后，能够将部分激发能以热量形式散失，避免非辐射衰减，从而提高荧光量子效率。
热激活延迟荧光材料通常需要较高的温度或光照射条件才能激发，但一旦激发，它们可以持续发出亮丽的荧光。
优点：TADF材料具有高荧光量子效率、低成本、易于合成等优点。
此外，TADF材料在蓝光和绿光区域的发射光谱较窄，有利于实现高色纯度和高显色指数的照明和显示应用。
由于这些优点，TADF材料在有机电致发光器件（OLED）等领域具有广阔的应用前景。
3. 磷光：定义：磷光是一种长寿命的发光现象，发生在某些具有多重最低激发态的物质中。
当这些物质受到光激发后，电子通过不同的能级跃迁进入不同的激发态，然后通过自旋轨道耦合作用返回到基态，释放出磷光。
磷光的寿命通常较长，可以达到毫秒级别，因此可以用于时间分辨实验和生物成像等应用。
优点：磷光材料具有高亮度和长寿命等优点，因此在显示器、生物成像和传感器等领域得到广泛应用。
此外，磷光材料还可以通过不同的掺杂技术进行定制，实现高性能和多功能的应用。
由于磷光材料在长波长区域具有较强的吸收和发射能力，因此它们在红外光谱区域的应用也备受关注。
综上所述，荧光、热激活延迟荧光和磷光各自具有独特的优点，可以应用于不同的领域。
高中物理：荧光和磷光
荧光和磷光实验内容如果用紫外线照射荧光物质、磷光物质，就可以看到在自然光下看不到的颜色。
所需材料黑色紫光管（验钞机灯管）（或紫外线发生装置），各种荧光·磷光物质，分光器，黑色紫光管（验钞机灯管）是可以发出蓝色和紫色的可见光线和紫外线的装置，在大型电器店可以买到。
市场上也有出售白炽灯类型的黑色紫光管（验钞机灯管）的。
但是比荧光灯效果要差。
荧光物质A：荧光笔，荧光蜡笔，荧光漆，洗涤剂，白衬衫，复印纸，钓鱼浮标，荧光带（可以有几种颜色的，在文具店很容易买到），纸币，指甲，牙齿。
荧光物质B：荧光矿物套装。
磷光物质：蓄光贴纸（颗粒状磷光物质，贴在墙壁上装饰房间）。
注意事项不要直接去看黑色紫光管（验钞机灯管）（或紫外线发生装置）发出的光，尽量使房间明亮些。
实验方法1．关于荧光物质A在黑暗处不发光。
虽然在自然光下和紫外线下颜色没有变化，但颜色的感觉有些不同。
通过分光器观察其中的差别。
为了使洗涤物看起来白净，洗涤剂中掺入了荧光物质。
这样洗出来的衬衫有荧光。
复印用的纸也是同样的原理（名片纸的荧光是最好的）。
2．关于荧光物质B荧光物质的趣味在于荧光物质B，所以请务必买来看看。
它在黑暗中也不发光。
照射紫外线，用分光器观察荧光。
3．关于磷光物质在黑暗处也能发光。
事先把磷光物质的一部分贴上胶条，隔几个小时后，在黑暗处揭去胶带，只有被贴住的部分不发光。
如果用紫外线照射，这一部分也开始发光。
【用磷光物质制作自己的独特作品】1．把颗粒状磷光物质在研钵中磨成粉末状。
2．在纸上画上自己喜欢的画，然后把它剪下来。
3．把剪好的纸放在黑色的厚纸上，喷上喷雾胶水。
4．把1中研磨的粉末均匀地涂抹在上面，用手按住使它粘牢。
5．把多余的粉末抖落下去。
6．自己的独特作品就完成了。
说明荧光物质和磷光物质荧光物质：能够把吸收到的（紫外线）能量马上以可见光形式释放出来的物质。
所以荧光物质只有在被能量照射（紫外线）照射的时候才能发出可见光。
荧光物质可以进一步分为荧光物质A（被自然光和紫外线照射时颜色相同），荧光物质B（被自然光和紫外线照射时颜色不同）。
荧光和磷光的产生过程
1．荧光和磷光(de)产生过程荧光：处于基态(de)分子吸收光子能量,跃迁至电子激发态,然后通过内转换和振动弛豫回到第一激发单重态(de)最低振动能级,最后跃迁回基态时发射(de)光激发态振动弛豫内转换振动弛豫发射荧光S磷光：处于基态(de)分子吸收光子能量,跃迁至电子激发态,然后通过内转换和振动弛豫和系间窜越到了第一激发三重态,最后回到基态时发射(de)光激发态振动弛豫内转换系间跨越振动弛豫S发射荧光2.激发光谱和发射光谱概念,有何异同（1）激发光谱：固定发射光(de)波长,测量激发光(de)波长与发射光强度之间(de)关系（选择最佳激发波长）（2）发射光谱：固定激发波(de)波长,测定发射光强度与发射光波长(de)关系（选择最佳发射波长）同：都是给样品能量使之发光测量发光强度异：控制(de)变量不同.3.化合物荧光与结构(de)关系a．具有一定(de)荧光量子产率b．具有合适(de)结构如：大(de)共轭π键、刚性平面结构、最低(de)单重电子激发态为S1 为ππ型、取代基为给电子基团4.荧光量子产率、荧光猝灭、系间跨越、振动弛豫A．荧光量子产率Q：量子产率表示物质将吸收(de)光能转化为荧光(de)本领,是荧光物质发出光子数与吸收光子数(de)比值.B．荧光猝灭：指荧光物质与溶剂分子之间相互作用,导致荧光强度下降(de)现象,荧光猝灭分为静态猝灭、动态猝灭等.C．系间跨越：处于激发态分子(de)电子发生自旋反转而使分子(de)多重性发生变化(de)过程；分子由激发单重态跨越到激发三重态.D．振动弛豫：同一电子能级内异热交换形式由高振动能级至地振动能级间(de)跃迁.时间为10-12s5.实时定量PCR与普通PCR(de)区别所谓实时荧光定量PCR技术[1],是指在PCR反应体系中加入荧光基团,利用荧光信号积累实时监测整个PCR进程,最后通过标准曲线对未知模板进行定量分析(de)方法.实时荧光定量PCR技术是起点检测,实现了每一轮循环均检测一次荧光信号(de)强度,并记录在之中,通过对每个Ct值(de)计算,根据获得定量结果.具有重现性,误差小(de)特点.传统PCR技术是终点检测,即PCR到达平台期后进行检测,而PCR经过扩增到达平台期时,检测重现性.同一个模板在96孔PCR仪上做96次重复实验,所得结果有很大差异,因此无法直接从终点产物量推算出起始模板量.加入内标后,可部分消除终产物定量所造成(de)不准确性.但即使如此,传统(de)定量方法也都只能算作半定量、粗略定量(de)方法.6.简述影响荧光效率(de)主要因素1.。
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芳环上 取代基 吸电子基团 减弱甚至会猝灭荧光
如-COOH、-NO、-C O、卤素
卤素取代基随原子序数的增加而荧光降低
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 20 率
3. 金属螯合物的荧光 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。 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。 但是，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
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磷光分析仪器
荧光计上配上磷光测量附件即可对磷光进行测量。 在有荧光发射的同时测量磷光
应用
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化学发光分析法
一、基本原理
A +B
→C
+ D*
D* → D + h
某些化合物接受能量而被激发，从激发态返回基态时， 发射出一定波长的光
（1）能够发光的化合物大多为有机化合物，芳香族化合物 （2）发光反应多为氧化还原反应，激发能与反应能相当 E=170～300 kJ/mol；位于可见光区 （3）发光持续时间较长，反应持续进行 发光反应如果存在于生物体(萤火虫)中，称生物发光
其中S0、S1和S2分别表示分子的基态、第一和第二电子激发的单重态
T1和T2则分别表示分子的第一和第二电子激发的三重态。 V=0、1、2、3、…表示基态和激发态的振动能级。
5
非辐射能量传递过程；
S1
S2
T1
振动弛豫:
在同一电子能级 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 的 形式发出。发生
整理得：
If =2.3 I0 kbc 当入射光强度I0 和b一定时，上式为： If = K c 即荧光强度与荧光物质的浓度成之正比， 但这种线性关系只有在极稀的溶液中， 当 kbc0.05时才成立。 对于较浓溶液，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。
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2 、影响荧光强度的环境因素
NO + O3 → NO2*
NO2* → NO2 + h
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（2）液相化学发光
化学发光反应在液相中进行
应用最多的发光试剂：鲁米诺（3-氨基苯二甲酰肼）；
荧光是由激发单重态最低振动能层至基态
区别
磷光是由激发三重态最低振动能层至基态
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(二 )荧光的激发光谱和发射光谱
激发光谱:(ex) 以不同波长的入射光激发荧光物质,在荧 光最强的波长处测量荧光强度 即以激发光波长为横坐标,以荧光强度为 纵坐标绘制曲线即可得到激发光谱曲线。
发射光谱：(em)
固定激发光波长（最大） 然后测定不同的波长时所发射的荧光强度 即可绘制荧光发射光谱曲线
磷光发射：电子由第一激发三重态的最低振动能级 →基态， T1 → S0跃迁；
电子由S0进入T1的可能过程：（ S0 → T1禁阻跃迁） 增加试样的刚性: 固体磷光法： 分子缔合物的形成： 重原子效应： 敏化磷光： 低温冷冻 吸附于固相载体（滤纸） 加入表面活性剂等 加入含重原子的物质，如银盐等 通过能量转移产生磷光
定义：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
激发单重态的荧光分子与猝灭剂分子相碰撞 碰撞猝灭荧光分子以无辐射跃迁的方式回到基态
静态猝灭
荧光物质分子与猝灭剂分子生成非荧光
的络合物
溶解氧与荧光物质
类型 转入三重态的猝灭
发生电子转移反应的猝灭
猝灭剂与荧光物质
荧光物质的自猝灭
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在荧光的产生过程中，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 波长的移动最多，而且它的强度也相对较 弱。
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激发光谱与发射光谱的关系
a. Stokes位移 激发光谱与发射光谱之间的波长差值。发射光谱的波长比
激发光谱的长，振动弛豫消耗了能量。
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S0 吸光1 吸光2 荧光3
辐射能量传递过程 荧光发射: 电子由第一激发单重态的最低振动能级→基态 得到最大波长为λ 3的荧光 由图可见，发射荧光的能量
S1 S2 T1
比>λ
1
S0 吸光1 吸光2 荧光3
荧光
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磷光发射:
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，由第一激发单重态的最 低振动能级，有可能以系间窜跃 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 S0 级，由此激发态跃回至基态时， 便发射磷光，
原子吸收光谱 原子光谱 原子发射光谱 原子荧光 光谱分析法 分子吸收 分子光谱 分子发光 红外光谱 紫外可见光谱
第二章 分子发光分析
分子
吸收能量
激发为激发态
释放出能量
基态
辐射跃迁 电能 化学能 光能
光的形式释放
非辐射跃迁
以热的形式释放
称为“发光” 光致发光 分子发光 荧光 磷光
2
化学发光
分子荧光分析法 一、基本原理 （一）荧光和磷光的产生 从分子结构理论来讨论
电子所处的能级
振动能级 转动能级
分子中电子 的能量状态
电子的多重态
S=0, J=1 单重态S表示
（所有电子都是自旋配对的）
J=2S+1
S：为各电子自旋量子 数的代数和
大多数基态分子都处于单重态
S=1, J=3
三重态 T表示 电子在跃迁过程中伴随着
3 自旋方向的变化（自旋平行）
基态单重态S
激发态单重态S
浓度较高单重激发态的分子在发生荧光之前和未 激发的荧光物质分子碰撞而引起的自猝灭 28
二、荧光分析仪
光源
氙灯和高压汞灯
激发单色器 扫描激发光谱，选择激发波长 I0
光电倍增管
光栅
样品池
发射单色器
检测器
显示器
If
I
扫描发射光谱 消除其它光线的干扰 获得所需的荧光
两个单色器 与分光光度计的差别
两个单色器互成直角
dc/dt是分析物参加反应的速率
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若化学发光反应是一级动力学反应则
dc A I cl t dt cl dt cl c 0 0 dt
t t
即发光总强度与被测物浓度成线性： 二、化学发光反应类型
1. 直接化学发光和间接化学发光 直接发光 是被测物作为反应物直接参加化学发光反应 ，生成电子激发态产物分子，此初始激发态能辐射光子 A + B C* + D C* C + h
2. 荧光与有机化合物结构的关系 （1）跃迁类型 实验证明，对于大多数荧光物质，首先经历 激发，然后经过振动弛豫或其他无辐射 跃迁，再发生 跃迁而得到荧光。 （2）共轭效应 实验证明，容易实现激发 的芳香族化合物 容易发生荧光，增加体系的共轭度荧光效率一般 也将增大，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
被测物本身有荧光
直接荧光法
被测物与试剂反应后
被测物使荧光熄灭
F与物质的 浓度成正比
方法
荧光猝灭法
由荧光强度降低的强度来测定被 测物的含量 某些阴离子夺取金属络合物中金属 离子，而释放出能发荧光的配位体
间接荧光法
催化荧光法
反应速度慢，荧光微弱，难测定 31 金属离子将加速反应进行
磷光分析法
1．如何获得较强的磷光
16
1.荧光效率 它表示物质发射荧光的能力，通常用下 式表示 发荧光的分子数 f 激发分子的总数
荧光效率越高；物质发射荧光越强
f
Kf Kf
kf为荧光发射过程的速率常数（与化学结构有关） ki为其它有关过程的速率常数的总和（化学环境）
Ki
凡使kf 值升高而使ki值降低的因素，都可增强荧光。 17
b. 发射光谱的形状与激发波长无关 电子跃迁到不同激发态能级，吸收不同波长的能量(如能级 图
2
, 1)，产生不同吸收带，但均回到第一激发单重态的
最低振动能级再跃迁回到基态，产生波长一定的荧光
c. 镜像规则
通常荧光发射光谱与它的吸收光谱（与激发光谱形状一 样）成镜像对称关系。
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（三）荧光的影响因素 分子产生荧光必须具备两个条件： ① 分子必须具有与所照射的辐射频 率(紫外-可见光）相适应的结构 （共轭双键），才能吸收激发光； ② 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。
21
22
4．溶剂效应
同一种荧光物质溶于不同溶剂，其荧光光谱的位置和强度 可能有明显不同。
一般情况下，随着溶剂的极性的增加，荧光物质的π→π*
跃迁几率增加，荧光强度将增强，荧光波长也发生红移。
5 ．温度的影响
一般说来，大多数荧光物质的溶液随着温度的降低， 荧光效率和荧光强度将增加 如荧光素的乙醇溶液在0℃以下每降低10 ℃， 荧光效率增加3%，冷至-80℃时，荧光效率为100%。
激发态三重态T
激发单重态S与激发三重态T的不同点：
⑴ S是抗磁分子，T是顺磁分子
⑵ tS = 10-8s, tT = 10-4～1s；(发光速度很慢)
⑶ 基态单重态到激发单重态的激发为允许跃迁，
基态单重态到激发三重态的激发为禁阻跃迁；
⑷ 激发三重态的能量较激发单重态的能量低
4
2．分子内的光物理过程
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三、分子荧光分析法及其应用
1. 荧光分析方法的特点
（1）灵敏度高
（2）选择性强
（3）试样量少和方法简单 （4）提供比较多的物理参数 2、荧光定量分析的方法 标准曲线法 荧光强度与荧光物质浓度成正比的关系 比较法 同样条件下，测定试样溶液和一标准溶液