西北大学仪器分析课件+(2)

Stokes
Δλ = λem,max − λex ,max
*斯托克斯位移说明了在激发与发射之间存在着一定 的能量损失。
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产生Stokes位移的原因：
激发态分子由于振动弛豫及内转换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； 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； 溶剂效应以及激发态分子可能发生的某些反应，也会加 大斯托克斯位移。
第五章
分子发光光谱法
分子发光包括分子荧光(fluorescence)、 分子磷光(phosphorescence)、化学发光 (chemiluminescence) 等。
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§1 荧光和磷光的基本原理
处于基态的分子吸收能量（电、热、化学和光 能等）被激发至激发态，然后从不稳定的激发态返回 至基态并发射出光子，此种现象称为发光。物质吸收 光能后所产生的光辐射称之为荧光和磷光。这一机理 同样适用于说明化学发光和生物发光的原理。
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(3) 荧光发射光谱与吸收光谱呈镜像对称
图4. 芘的吸收光谱及荧光发射光谱
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解释：能层结构相似性 荧光为第一电子激发单重态的最 低振动能层跃迁到基态的各个振动能 层而形成，即其形状与基态振动能级 分布有关。 吸收光谱是由基态最低振动能层 跃迁到第一电子激发单重态的各个振 动能层而形成，即其形状与第一电子 激发单重态的振动能级分布有关。 由于激发态和基态的振动能层分 布具有相似性，因而呈镜像对称。
S0
λ1
λ2
λ 2′
Hale Waihona Puke Baiduλ3
Jablonski diagram
Jablonski diagram
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2. 去活化过程（Deactivation） 传递途径 辐射跃迁 无辐射跃迁
荧光
磷光
系间跨越 内转移
外转换
振动弛豫
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：10-4～10 s；第一激发三重态的最低振动能级→基态；
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同步荧光光谱的优点： 9简化光谱； 9窄化光谱； 9减小光谱的重叠现象； 9减小散射光的影响
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激发光谱与发射光谱
同步荧光光谱
蒽的荧光光谱
使光谱简化
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四．荧光发射光谱的特征
(1) 斯托克斯(Stokes)位移
在溶液的荧光光谱中，所观察到的荧光 发射波长总是大于激发光的波长。Stokes于 1852年首次发现这种波长位移现象，故称 Stokes位移。
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5)荧光发射(Fluorescence emission,FE) 处于激的单重态的电子经振动弛豫及内部转移后到达第 一激发单重态(S1)的最低振动能级(v=0)后，以辐射的形式跃 迁回基态(S0)的各振动能级，这个过程为荧光发射。电于经过 振动弛豫和内部转移的能量损失，因此荧光发射的能量比分子 吸收的能量要小，荧光发射的波长比分子吸收的波长要长。第 一发单重态最低振动能级的平均寿命为10－9～10－4S，因此荧 光寿命也在这一数量级。
2. 环境因素:
溶剂效应： 溶剂的影响可分为一般的溶剂效应和特殊的溶剂效应。 （1）一般的溶剂效应： 指溶剂的折射率（n）和介电常数（ε）的影响。 （2）特殊的溶剂效应： 指荧光体和溶剂分子间的特殊化学作用，如形成氢键和 配合作用。 特殊的溶剂效应所引起的荧光光谱的移动值往往大于一 般的溶剂所引起的。
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一.分子荧光和磷光的产生
１．分子吸收和发射过程的能级图（Jablonski能级图） 两类电子激发态 电子激发态的多重度可用M = 2S + 1表示（Ｓ＝０或 １），多数分子含有偶数电子，根据 Pauli不相容原理，分 子中同一轨道所占据的两个电子必须具有相反的自旋方 向，即自旋配对。假如分子中任一轨道都是自旋配对的， 此时S = 0，所以分子的多重度M = 1，分子体系处于单重 态，一般用符号S表示。大多数有机分子的基态处于单重态
S0 S1
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五．影响荧光强度的因素
1. 分子结构 跃迁类型： 实验表明，大多数能发荧光的化合物都是由π—π*或 n—π*跃迁激发，然后经过振动弛豫等无辐射跃迁，再发生 π * —π或π * —n 跃迁而产生荧光。而其中π—π*时的摩 尔吸光系数比n—π* 跃迁的大102～103倍， π—π* 跃迁的 寿命(10－7～10－9)比n—π* 跃迁的寿命(10－5～10-7)短，因 此荧光发射的速常数Kf值较大，荧光发射的效率高。因此， π * —π跃迁发射荧光的强度大。总之， π* —π跃迁的类 型是产生荧光的最主要跃迁类型。
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6)磷光发射(Phosphorescence emission) 激发态的电子经系间跨跃后到达激发三重态，经过迅 速的振动弛豫而跃迁至第一激发三重态的最低振动能级， 然后以辐射形式跃迁回基态的各振动能级，这个过程为磷 光发射。磷光发射的跃迁仍然是自旋禁阻的，所以发光速 度很慢。磷光的寿命为10－4～10 S。因此，外光源照射停 止后，磷光仍可持续一短时间。由于经过系间跨跃及T1 中 振动弛豫丢失了一部分能量，所以磷光波长比荧光波长要 长。
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3) 外转换(External conversion,EC) 激发态分子与溶剂分子或其它溶质分子相互碰撞，并发生 能量转移的过程称为外部转移。外部转移能使荧光或磷光的强 度减弱甚至消失，这种现象称为猝灭或熄灭。
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4)系间跨跃(Intersystem Crossing, ISC) 系间跨跃是指不同多重态之间的无辐射跃迁过程，它涉 及到受激发电子自旋状态的改变。如由第一激发单重态S1跃 迁至第一激发三重态T1，使原来两个自旋配对的电子不再配 对。这种跃迁是禁阻的，但如果两个能态的能层有较大重叠 时，S1的最低振动能级与 T1的较高振动能级重叠，就有可 能通过自旋一轨道偶合等作用实现这一跃迁。系间跨跃的速 度很小，经历的时间较长。
λex λem （nm） （nm） 205 278
萘 蒽
0.29 0.46
286 365
321 400
刚性结构：
实验发现，多数具有刚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相互作用减少，即可减少能 量处部转移的损失，有利于荧光的发射。而且平面结构可以 增大分子的吸光截面，增大摩尔吸光系数，增强荧光强度。
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共轭效应： 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。 大部分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。
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化合物 苯
量子产 率φF 0.11
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二．荧光量子产率
荧光量子产率 (ϕ)：表示物质发射荧光的能力．
ϕ=
发射的荧光量子数 kF = 吸收的光量子数 k F + ∑ ki
式中，KＦ为荧光发射过程的速率常数，ΣKi为无辐射 跃迁各种过程的速率常数之和可见，凡是使 kF 增加，使 其它去活化常数降低的因素均可增加荧光量子产率。通 常，kF 由分子结构决定（内因），而ΣKi则由化学环境和 结构共同决定。
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温度：温度增加，荧光强度下降（因为内、外转换增加、 粘度 或“刚性”降低）。因此体系降低温度可增加荧光分析 灵敏度。 pH值：具酸或碱性基团的有机物质，在不同pH值时，其 结构可能发生变化，因而荧光强度将发生改变；对无机荧 光物质，因pH值会影响其稳定性，因而也可使其荧光强度 发生改变。
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0.92
0
1
0.18
取代基的影响
1)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 2)吸电子基团使荧光减弱而磷光增强 如-COOH、-C=O、 -NO2、-NO、-X等.这类基团都会发 生n—π* 跃迁，属于禁阻跃迁，所以摩尔吸光系数小，荧光 发射也弱，而 S1-T1 的系间跨跃较为强烈，同样使荧光减 弱，相应磷光增强。
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基态单重态 S0
激发单重态 S1 S2…
激发三重态
T1 T2…
处于分立轨道上的非成对电子，自旋平行要比自旋配 对更稳定些(洪特规则)，因此在同一激发态中，三重态能 级总是比单重态能级略低。
内转换 S2 S1 能 量 吸 收
内转换 振动弛豫 系间跨越
T1 发 射 荧 光
T2
外转换
发 射 磷 振动弛豫 光
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(2) 荧光发射光谱的形状与激发波长无关
400 300 200 100 0 390 420 450 480 510
图3. 不同激发波长下4-甲基伞形酮的荧光光谱
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荧光强度
波长/ nm
原
因:
由于荧光发射是激发态的分子由S1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， 能把电子激发到哪种激发态，都将经过迅速的振动弛豫及内 转换跃迁至S1的最低振动能级，然后发射荧光。因此荧光发 射光谱的形状与激发波长无关。
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(1) 振动弛豫(Vibration relaxation，简写为VR) 在凝聚相体系中，被激发到激发单重态分子能通过与溶 剂分子间的碰撞，以热的形式分子可将多余的振动能量传递 给周围环境，而自身从激发态的高振动能级跃迁至该电子能 级的最低振动能级上，这个过程称为振动弛豫。发生振动弛 豫的时间为10－12S数量级。
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分子吸收外界辐射能量后，如果电子在跃迁过程中不 发生自旋方向上的变化，这时分子就处于激发的单重态， 图中基态用S0表示，第一电子激发单重态和第二电子激发 单重态分别用S1、S2表示。 如果电子在跃迁过程中发生了自旋方向的改变，这时 分子便具有两个自旋不配对的电子，此时S = 1，分子的多 重度M = 3，即分子处于激发的三重态，用符号T表示。电 子激发三重态分别用T1、T2表示， = 0、1、2、3 …表示基 态和各个激发态的振动能级。
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三．荧光的激发光谱和发射光谱
激发光谱 通过固定发射波长，扫描激发波长而获得的荧光强度－ 激发波长的关系曲线，称为激发光谱。激发光谱反映了在某 一固定发射波长下，不同激发波长激发的荧光相对效率。 发射光谱(也称荧光光谱) 通过固定激发波长，扫描发射波长所获得的荧光强度－ 发射波长的关系曲线称为荧光发射光谱。它反映了在相同的 激发条件系，不同波长处分子的相对发射强度。荧光发射光 谱可用于荧光物质的鉴别。
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100 1 80 60 40 20 0 2
可确定最大激 发及最大发射 波长
图2. 罗丹明B类化合物的激发(1, λem = 640 nm ) 和发射光谱(2, λex = 480 nm )
荧光强度
520
540
560
580
600
620
波长/ nm
同步荧光光谱
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同步荧光光谱： 同时扫描激发和发射两个单色器波长，由测得的荧光 强度信号与对应的激发波长（或发射波长）构成光谱图， 称为同步荧光光谱。 同步荧光分析法包括： （1）恒波长同步荧光分析法； （2）恒能量同步荧光分析法； （3）可变角同步荧光法； （4）恒基体同步荧光分析法；
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(2) 内转换(Internal conversion，简写为IC) 当高电子能级中的低振动能级与低电子能级中的高振动 能级发生重叠时，常发生电子从高电子能级以无辐射跃迁形 式转移至低电子能级。这个过程称为内部转移。内部转移的 时间为10－11～10－13 s数量级。 振动弛豫及内部转移的速率比由高激发态直接发射光子 的速率快得多，所以，分子吸收辐射能后不管激发到哪一个 激发单重态，都能通过振动弛豫及内部转移而跃迁到最低 (第一)激发单重态的最低振动能级。
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3)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)。 4) 重原子效应 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。 以上为内在因素.