《仪器分析》第十四章分子发光光谱法
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同步荧光光 谱 =3nm （b）
三维荧光光谱－20世纪80年代发展起来，以荧光强 度为激发波长和发射波长的函数得到的光谱图，也 称为总发光光谱，等高线光谱等。 ① 三维曲线光谱图 ② 平面显示的等强度线光谱图 ③特点：提高完整的光谱信息，可作为光谱指纹技 术用于环境检测和法庭试样的判证。
（a）蒽和萘的三维荧光光谱图 （b）8-羟基苯芘的等强度光谱图
振动驰豫－受激溶质分子向溶剂分子转移过剩 的能量，以10-13s~10-11s的极快速度
荧光发射－以10-9s~10-7s左右的短时间内发射光 量子回到基态的各振动能级
内部转换－激发能转化为热能。其速度取决于 此过程所包含的两个能态之间的相对能量差。 当两个电子能级非常靠近，以至其振动能级有 重叠时，内部转换十分容易发生。如两个单重 激发态或两个三重激发态的较低激发态的高振 动能级常常与较高激发态的低振动能级重叠， 重叠的地方两激发态能量一致，内部转换效率 很高，速率很快，一般只需要10-13s~10-11s的时 间。
① 固定波长同步扫描荧光法：= em -ex不变 ② 固定能量同步扫描荧光法：= (1/ex -1/em)不变 ③ 可变波长同步扫描荧光法：两个单色器以不同的速率扫描
④特点：光谱简化，谱带窄化，减小光谱重叠，减 小散射光的影响，选择性提高，但损失其他光谱带 含有的信息
并四苯的激 发光谱和发 射光谱（a）
灵敏度较紫外-可见吸收光谱法高几个数量级。
1 荧光和磷光的基本机理
分子荧光与磷光的产生：
3
S2
2 1
0
内转换
2 S1 1
0
Hale Waihona Puke Baidu
振动驰豫
系 间 跨 越
外转换
2 1 T2
0 4 3 2 T1 1 0
3 S0 2
1
0吸收 1
吸收 2 荧光 3
磷光 4
对于大多数有机物分子，其电子数为偶数，净自 旋之和为S＝0，即基态分子为单重态（M＝ 2S+1=1）。
分子发光光谱法
基本要求： 1. 理解分子荧光和分子磷光的基本原理 2. 理解分子荧光激发光谱、发射光谱、同步光谱
和三维荧光光谱的含义 3. 掌握分子荧光发射光谱的特性 4. 了解荧光光谱仪的组成和各部分作用 5. 掌握荧光分析法和磷光分析法的主要应用范围 6. 了解化学发光分析法的原理和应用
分子发光光谱法包括： 光致发光 ➢ 分子荧光 ➢ 分子磷光 化学发光 生物发光
荧光光谱的特征
斯托克斯（Stokes）位移：在溶液中，荧光发射波长总
是比其相应的吸收（激发）光谱的波长长，该现象是1852年 由Stokes发现，因此称为Stokes位移。这种位移反映了荧光 激发与发射间产生的能量损失（来源于振动驰豫和溶剂的分 子的驰豫作用）。
镜像对称规则：吸收光谱形状表明了第一激发态的振动能
这是由于荧光分子无论被激发到哪一个激发态，处于激 发态的分子经振动驰豫即内转换等过程最终回到第一激发态 的最低振动能级上，而分子荧光的发射总是从该能级跃迁到 基态的各振动能级上，因此其形状与激发波长无关。
反映在光谱图上就是具有一个吸收带和两个吸收带的不 同物质，一般都发射一个荧光谱带（个别例外）。
影响荧光强度的因素
外转换－激发态分子与溶剂和其它溶质分子之 间的相互作用即能量转换过程。它是荧光和磷 光的竞争过程，因此该过程使发光强度减弱甚 至消失，这种现象称为“淬灭”或“熄灭”。
体系间跨越跃迁－受激分子从激发单重态转至 能量较低的激发三重态。这一过程中分子的电 子自旋倒转，多重性发生变化。与内部转换一 样，如果两能态的振动能级重叠，这种跃迁的 概率增大。
分子处于激发态时，某个电子可能会改变自旋方 向，即自旋平行，此时S＝1/2+1/2=1，分子处于这样 的激发态为三重态，以T表示。由于自旋平行比自旋 配对的状态更稳定，因此三重态能级比单重态略低。
根据光谱选律，分子直接被激发到三重态T1的概 率比较小，因为是S0－T1禁阻跃迁。
分子的去激发过程 速率最快，激发态寿命最短的途径占优势。
磷光发射－经过系间跨越后到达激发三重态， 并经过迅速的振动驰豫到达第一激发三重态（T1） 的最低振动能级上，从T1态分子经发射光返回基 态称为磷光发射。磷光发射属于不同多重态之 间的跃迁（ T1 － S0 ），是“禁阻”跃迁，因此 磷光的寿命比荧光长得多，约为10-3s~10s。
由于分子结构和所处环境不同，各去激发过 程的速率不同。如荧光发射过程较其它过程快， 则可观察到荧光现象。
荧光发射光谱－固定激发波长，扫描发射波长得到 的荧光强度－发射波长的关系曲线，反映了在某一 固定激发波长下，不同波长处分子的相对发射强度。 荧光光谱用于进行荧光测定时选择恰当的测定波长 或滤光片。
同步荧光光谱－同时扫描激发和发射单色器波长的 条件下，测绘光谱图，所得荧光强度-激发波长（或 发射波长）曲线为同步荧光光谱。
分子结构
跃迁类型：*→量子效率高，因为跃迁摩尔吸光系数 大 100-1000 倍 ， 跃 迁 寿 命 短 （ 10-7~10-9s ） ， n→* （ 107~10-9s），其次，系间跨越速率常数小
共轭效应：稠环化合物一般发强荧光
取 代 基 效 应 ： 给 电 子 基 团 （ -NH2, -OH, -OCH3, NHCH3, -N(CH3)2等）荧光增强，吸电子基团（-Cl, -Br, I, -NHCOCH3, -NO2, -COOH等）荧光减弱 结构刚性效应：平面刚性结构有利于荧光发射, 荧光物 质吸附于固体表面可荧光增强
级结构，荧光光谱形状取决于基态中各振动能级的分布情况。 一般基态中振动能级与第一激发态振动能级分布是类似的， 因此荧光光谱的形状和吸收光谱极为相似。
苝的苯溶液的荧光光谱和吸收光谱
荧光光谱的特征
荧光发射光谱的形状与激发波长的选择无关：
荧光物质发射荧光的特性之一是不管引起物质分子激发 的波长是1还是2，荧光的波长都是3。
荧光的量子效率 发荧光的分子数与总的激发态分子数之比
发射的光子数
吸收的光子数
Kf
Kf Ki
Kf荧光发射过程速率常数，主要取决于分子结构；
∑Ki系间跨越、外转换等其他无辐射跃迁的速率常 数的总和，主要取决于环境。
荧光激发光谱和发射光谱
荧光激发光谱－固定发射波长，扫描激发波长得到 的荧光强度－激发波长的关系曲线，反映了在某一 固定发射波长下，不同激发波长激发的荧光的相对 效率。激发光谱用于进行荧光测定时选择恰当的激 发波长。
三维荧光光谱－20世纪80年代发展起来，以荧光强 度为激发波长和发射波长的函数得到的光谱图，也 称为总发光光谱，等高线光谱等。 ① 三维曲线光谱图 ② 平面显示的等强度线光谱图 ③特点：提高完整的光谱信息，可作为光谱指纹技 术用于环境检测和法庭试样的判证。
（a）蒽和萘的三维荧光光谱图 （b）8-羟基苯芘的等强度光谱图
振动驰豫－受激溶质分子向溶剂分子转移过剩 的能量，以10-13s~10-11s的极快速度
荧光发射－以10-9s~10-7s左右的短时间内发射光 量子回到基态的各振动能级
内部转换－激发能转化为热能。其速度取决于 此过程所包含的两个能态之间的相对能量差。 当两个电子能级非常靠近，以至其振动能级有 重叠时，内部转换十分容易发生。如两个单重 激发态或两个三重激发态的较低激发态的高振 动能级常常与较高激发态的低振动能级重叠， 重叠的地方两激发态能量一致，内部转换效率 很高，速率很快，一般只需要10-13s~10-11s的时 间。
① 固定波长同步扫描荧光法：= em -ex不变 ② 固定能量同步扫描荧光法：= (1/ex -1/em)不变 ③ 可变波长同步扫描荧光法：两个单色器以不同的速率扫描
④特点：光谱简化，谱带窄化，减小光谱重叠，减 小散射光的影响，选择性提高，但损失其他光谱带 含有的信息
并四苯的激 发光谱和发 射光谱（a）
灵敏度较紫外-可见吸收光谱法高几个数量级。
1 荧光和磷光的基本机理
分子荧光与磷光的产生：
3
S2
2 1
0
内转换
2 S1 1
0
Hale Waihona Puke Baidu
振动驰豫
系 间 跨 越
外转换
2 1 T2
0 4 3 2 T1 1 0
3 S0 2
1
0吸收 1
吸收 2 荧光 3
磷光 4
对于大多数有机物分子，其电子数为偶数，净自 旋之和为S＝0，即基态分子为单重态（M＝ 2S+1=1）。
分子发光光谱法
基本要求： 1. 理解分子荧光和分子磷光的基本原理 2. 理解分子荧光激发光谱、发射光谱、同步光谱
和三维荧光光谱的含义 3. 掌握分子荧光发射光谱的特性 4. 了解荧光光谱仪的组成和各部分作用 5. 掌握荧光分析法和磷光分析法的主要应用范围 6. 了解化学发光分析法的原理和应用
分子发光光谱法包括： 光致发光 ➢ 分子荧光 ➢ 分子磷光 化学发光 生物发光
荧光光谱的特征
斯托克斯（Stokes）位移：在溶液中，荧光发射波长总
是比其相应的吸收（激发）光谱的波长长，该现象是1852年 由Stokes发现，因此称为Stokes位移。这种位移反映了荧光 激发与发射间产生的能量损失（来源于振动驰豫和溶剂的分 子的驰豫作用）。
镜像对称规则：吸收光谱形状表明了第一激发态的振动能
这是由于荧光分子无论被激发到哪一个激发态，处于激 发态的分子经振动驰豫即内转换等过程最终回到第一激发态 的最低振动能级上，而分子荧光的发射总是从该能级跃迁到 基态的各振动能级上，因此其形状与激发波长无关。
反映在光谱图上就是具有一个吸收带和两个吸收带的不 同物质，一般都发射一个荧光谱带（个别例外）。
影响荧光强度的因素
外转换－激发态分子与溶剂和其它溶质分子之 间的相互作用即能量转换过程。它是荧光和磷 光的竞争过程，因此该过程使发光强度减弱甚 至消失，这种现象称为“淬灭”或“熄灭”。
体系间跨越跃迁－受激分子从激发单重态转至 能量较低的激发三重态。这一过程中分子的电 子自旋倒转，多重性发生变化。与内部转换一 样，如果两能态的振动能级重叠，这种跃迁的 概率增大。
分子处于激发态时，某个电子可能会改变自旋方 向，即自旋平行，此时S＝1/2+1/2=1，分子处于这样 的激发态为三重态，以T表示。由于自旋平行比自旋 配对的状态更稳定，因此三重态能级比单重态略低。
根据光谱选律，分子直接被激发到三重态T1的概 率比较小，因为是S0－T1禁阻跃迁。
分子的去激发过程 速率最快，激发态寿命最短的途径占优势。
磷光发射－经过系间跨越后到达激发三重态， 并经过迅速的振动驰豫到达第一激发三重态（T1） 的最低振动能级上，从T1态分子经发射光返回基 态称为磷光发射。磷光发射属于不同多重态之 间的跃迁（ T1 － S0 ），是“禁阻”跃迁，因此 磷光的寿命比荧光长得多，约为10-3s~10s。
由于分子结构和所处环境不同，各去激发过 程的速率不同。如荧光发射过程较其它过程快， 则可观察到荧光现象。
荧光发射光谱－固定激发波长，扫描发射波长得到 的荧光强度－发射波长的关系曲线，反映了在某一 固定激发波长下，不同波长处分子的相对发射强度。 荧光光谱用于进行荧光测定时选择恰当的测定波长 或滤光片。
同步荧光光谱－同时扫描激发和发射单色器波长的 条件下，测绘光谱图，所得荧光强度-激发波长（或 发射波长）曲线为同步荧光光谱。
分子结构
跃迁类型：*→量子效率高，因为跃迁摩尔吸光系数 大 100-1000 倍 ， 跃 迁 寿 命 短 （ 10-7~10-9s ） ， n→* （ 107~10-9s），其次，系间跨越速率常数小
共轭效应：稠环化合物一般发强荧光
取 代 基 效 应 ： 给 电 子 基 团 （ -NH2, -OH, -OCH3, NHCH3, -N(CH3)2等）荧光增强，吸电子基团（-Cl, -Br, I, -NHCOCH3, -NO2, -COOH等）荧光减弱 结构刚性效应：平面刚性结构有利于荧光发射, 荧光物 质吸附于固体表面可荧光增强
级结构，荧光光谱形状取决于基态中各振动能级的分布情况。 一般基态中振动能级与第一激发态振动能级分布是类似的， 因此荧光光谱的形状和吸收光谱极为相似。
苝的苯溶液的荧光光谱和吸收光谱
荧光光谱的特征
荧光发射光谱的形状与激发波长的选择无关：
荧光物质发射荧光的特性之一是不管引起物质分子激发 的波长是1还是2，荧光的波长都是3。
荧光的量子效率 发荧光的分子数与总的激发态分子数之比
发射的光子数
吸收的光子数
Kf
Kf Ki
Kf荧光发射过程速率常数，主要取决于分子结构；
∑Ki系间跨越、外转换等其他无辐射跃迁的速率常 数的总和，主要取决于环境。
荧光激发光谱和发射光谱
荧光激发光谱－固定发射波长，扫描激发波长得到 的荧光强度－激发波长的关系曲线，反映了在某一 固定发射波长下，不同激发波长激发的荧光的相对 效率。激发光谱用于进行荧光测定时选择恰当的激 发波长。