激发与发射光谱

红外荧光探针
1. 过渡金属配合物
稀土离子掺杂的激光晶体
稀土离子
能级简图
荷兰的R. T. Wegh等利用德国 DESY同步辐射装置对稀土离子 VUV波段的激发谱做了细致研 究，并对比理论计算对VUV谱 区4f能级的预测，成功地将 Dieke图扩展到了70000cm-1的能 量范围。
他们选择高纯LiYF4作为稀土掺 杂的基质，因为在这种氟化物 晶格中，有可能与稀土离子高 能区的4fn能级相互干扰的4fn15d和电荷迁移态（CTS）能级 都处于尽可能高的能区，故与 4fn能级易于区分开来，更便于 理论与实验上对能级的指认研 究。 扩展Dieke图
内滤光作用：溶液中含有能吸收激发光或荧光物质发射
ຫໍສະໝຸດ Baidu
的荧光，如色胺酸中的重铬酸钾；
自吸现象：化合物的荧光发射光谱的短波长端与其吸收 光谱的长波长端重叠，产生自吸收；如蒽化合物。
5.溶液荧光的猝灭
碰撞猝灭； 氧的熄灭作用等。
红外荧光
——红外荧光的特点及应用
所内红外荧光领域的研究分布

近红外激光晶体
1. 稀土离子掺杂的激光晶体 2. 过渡族离子掺杂的激光晶体
200
250
300
350
400
450
蒽的激发光谱和荧光光谱
500 nm
二、荧光的产生与分子结构的关系
1.分子产生荧光必须具备的条件
（1）具有合适的结构； （2）具有一定的荧光量子产率。
荧光量子产率（）：
发射的光量子数 吸收的光量子数
荧光量子产率与激发态能量释放各过程的速率常数有关 ，如外转换过程速度快，不出现荧光发射；
2.化合物的结构与荧光
三、影响荧光强度的因素
影响荧光强度的外部因素
1.溶剂的影响
除一般溶剂效应外，溶剂的极性、氢键、配位键的形成 都将使化合物的荧光发生变化；
2.温度的影响
荧光强度对温度变化敏感，温度增加，外转换去活的几
率增加。
3. 溶液pH
对酸碱化合物，溶液pH的影响较大，需要严格控制；
4.内滤光作用和自吸现象
第一、第二、…电子激发三重态 T1 、 T2 … ；
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 (见能级图)；进入的 几率小；
S5 S4 S3 S2 吸 收
发 射 荧 光
S0
43 1 0
0
一、荧光光谱与磷光光谱

荧光光谱
固定激发光波长(一般将其固定于激发波段 中感兴趣的峰位), 物质发射的荧光强度与发 射光波长关系曲线，如右图中曲线II。荧光 本身则是由电子在两能级间不发生自旋反转 的辐射跃迁过程中所产生的光。
过渡金属配合物荧光探针
应用参考




在其在生命科学中的应用方面位于Maryland的CFS作了诸多工作。 综述 Emerging Biomedical Applications of Time-Resolved Fluorescence Spectroscopy. Lakowicz, J. R. (1994) In: Topics in Fluorescence Spectroscopy, Vol. 4: Probe Design and Chemical Sensing (J. R. Lakowicz, Ed.), Plenum Press, 119. Recent Developments in Fluorescence Spectroscopy (1996). Lakowicz, J.R., Terpetschnig, E., Szmacinski, H., Malak, H., Kusba, J. and Gryczynski, I.,. In: Analytical Use of Fluorescent Probes in Oncology. (Kohen, E., and Hirschberg, J.G., Eds.), Plenum Press, New York. pp. 65-79. Long-Lifetime Metal-Ligand Complexes as Probes in Biophysics and Clinical Chemistry (1997). Terpetschnig, E., Szmacinski, H., and Lakowicz, J. R. In: Methods in Enzymology, Vol. 278. Academic Press, pp. 295-321. Recent Developments in Fluorescence Spectroscopy. Long-Lived Metal-Ligand Probes, Three-Photon Excitation, Two-Color Two-Photon Excitation and Optical Control of Excited State Population. Lakowicz, J. R., Gryczynski, I., and Szmacinski, H. (1998). Fluorescence Microscopy and Fluorescent Probes, Vol. 2 (J. Slavik, Ed.), Plenum Press, New York, pp. 1-12. 应用进展 Long-lifetime Lipid Rhenium Metal-Ligand Complex for Probing Membrane Dynamics on the Microsecond Timescale. Li, L., Castellano, F. N., Gryczynski, I., and Lakowicz, J. R. (1999). Chem. Physics Lipids 99:1-9. Synthesis and Characterization of a Sulfhydryl-Reactive Rhenium Metal-Ligand Complex. Dattelbaum, J. D., Abugo, O. O., and Lakowicz, J. R. (2000). Bioconjugate Chem. 11:533-536. Spectral Properties of Fluorophores Combining the Boronic Acid Group with Electron Donor or Withdrawing Groups. Implication in the Development of Fluorescence Probes for Saccharides, N. DiCesare and J. R. Lakowicz (2001). J. Phys. Chem. A., 105(28):6834-6840.
荧光图例
Nd3+
Nd3+
Yb3+
Yb3+
Er3+
Er3+
Pr3+
Pr3+
Tm3+
Tm3+
Ho3+
Eu3+
Sm3+
Tb3+
过渡族离子掺杂的激光晶体
荧光图例
相关参考



激光材料
稀土/下册 光学玻璃与激光玻璃开发
干福熹 邓佩珍 著 上海科学技术出版社 1996年12月第一版
4.非辐射能量传递过程
外转换使荧光或磷光减弱或“猝灭”。
系间跨越：不同多重态,有重叠的转动能级间的非辐射跃迁。 改变电子自旋，禁阻跃迁，通过自旋—轨道耦合进行。
荧光发射：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 ‘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； ‘2 > 2 > 1 ； 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）
5.辐射能量传递过程
S0 →激发→振动弛豫→内转移→系间跨越→振动弛豫→ T1
发光速度很慢： 10-4～100 s 。 光照停止后，可持续一段时间。
荧光发射光谱 荧光激发光谱
磷光光谱
200
260 320 380 440 500 560 室温下菲的乙醇溶液荧（磷）光光谱
620
荧光激发光谱
荧光发射光谱
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。 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(如 ‘2 )。 c. 镜像规则 通常荧光发射光谱与它的吸收光谱（与激发光谱形状类
外转换
发 射 磷 振动弛豫 光
S0
1
2
2
3
0.荧光与磷光的产生过程
由分子结构理论，主要讨论荧光及磷光的产生机理。
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… ；
（1）跃迁类型：* → 的荧光效率高，系间跨越过程的速率 常数小，有利于荧光的产生； （2）共轭效应：提高共轭度有利于增加荧光效率并产生红移 （3）刚性平面结构：可降低分子振动，减少与溶剂的相互作 用，故具有很强的荧光。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。 （4）取代基效应：芳环 上有供电基，使荧光增 强。
徐光宪主编 泉谷 澈郎著 冶金工业出版社 兵器工业出版社 1995年第二版 1996年6月第一版
稀土光谱理论
固体激光材料光谱物理学
Crystal Field Handbook
张思远 毕宪章著
吉林科学技术出版社 1991年12月第一版
2003年7月第一版 2000年第一版
罗遵度,黄艺东著 福建科学技术出版社
1.电子激发态的多重度
2.镜像规则的解释
基态上的各振动能级分 布与第一激发态上的各振动 能级分布类似； 基态上的零 振动能级与第一 激发态的二振动 能级之间的跃迁 几率最大，相反 跃迁也然。
3.激发态→基态的能量传递途径
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
似）成镜像对称关系。
吸收谱与激发谱

吸收谱 化合物的吸收光强与入射光波长的关系曲线 。 吸收谱反映出的是物质的基态能级与激发态能级之间所有的允许跃迁。 通常状态下的物质的表观颜色大部分时候取决于其吸收特性 激发光谱 固定发射波长(一般将其固定于发射波段中感兴趣的峰位),扫描出的化合物的发射 光强(荧光/磷光) 与入射光波长的关系曲线 。 激发光谱则反映的是基态与所有与该荧光发射有关的上能级之间的跃迁。其所 呈现的关系比吸收谱要有选择性，但有时候有不如吸收谱来的直接。

磷光光谱
固定激发光波长(一般将其固定于激发波段 中感兴趣的峰位), 物质发射的磷光强度与发 射光波长关系曲线，如右图中曲线III。磷光 本身则是由电子在两能级间发生自旋反转的 辐射跃迁过程中所产生的光。
内转换 S2 S1 能 量
Stokes能级图
振动弛豫 内转换 系间跨越
T1
T2
吸 收
发 射 荧 光
激发与发射光谱的含义
激发光谱
固定发射波长(一般将其固定于发射 波段中感兴趣的峰位),扫描出的化合 物的发射光强(荧光/磷光) 与入射光波 长的关系曲线 。如右图中曲线I 。
发射光谱
固定激发波长(一般将其固定于激发 波段中感兴趣的峰位),扫描出的化合 物的发射光强(荧光/磷光) 与波长的关 系曲线 。如右图中曲线I I。
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；
振动弛豫：同一电子能级内以热能量交换形式由高振动能级 至低相邻振动能级间的跃迁。发生振动弛豫的时间10 -12 s。 内转换：同多重度电子能级中,等能级间的无辐射能级交换。 通过内转换和振动弛豫，高激发单重态的电子跃回第一 激发单重态的最低振动能级。 外转换：激发分子与溶剂或其他分子之间产生相互作用而转 移能量的非辐射跃迁；
By D. J. Newman and B. K. C. Ng Cambridge University Press
过渡金属配合物
过渡金属配合物荧光探针
过渡金属配合物的特点
很多过渡族金属与配体配合时能够形成新的 能级结构（HOMO/LUMO），基态与这些能 级的跃迁往往被归结为MLCT或LMCT。这种 新的跃迁机制，较容易导致量子产率相对于 配体的显著增强，同时可以通过改变配位中 心或配体结构在很宽的波段内调控其发射波 段，所以从几十年前就开始研究了。