荧光分析法现代表征方法与技术-朱昌青-PPT文档资料
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溶剂的介电常数越大，荧光峰的波长越长，荧光效率越大；
一、仪器与结构流程
二、激发光谱与荧光光谱
三、荧光分析法和应用
Instrumental Analysis
4
一、荧光的产生过程
Luminescence Process of Molecular Fluorescence
1. 分子能级与跃迁
* 分子能级比原子能级复杂，分子所具有的能级数目远多
于原子能级数目。在每个分子的电子能级上，都存在振动、转 动能级； * 基态 →激发态：吸收特定频率的辐射；量子化；跃迁一 次到位； * 激发态→基态：弛豫过程，多种途径和方式；速度最快 、激发态寿命最短的途径占优势；
Instrumental Analysis
5
2.电子激发态的多重度
* 大多数有机分子的基态处于单重态； * 电子激发态有单重态与三重态之分（取决于电子的自旋方向 M=2S+1，S为电子自旋量子数的代数和(0或1)；
* 根据洪特规则，平行自旋（三重态）比成对自旋（单重态）
稳定，因此，三重态能级比相应单重态能级低；
S0→T1 属于禁阻 跃迁，需要通过其 他途径进入，而且 进入的几率小；
Instrumental Analysis
6
3.激发态→基态的能量传递途径
传递途径 辐射跃迁 无辐射跃迁
荧光
磷光
系间窜越 内转换
外转换
振动弛豫
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。
内转换：同多重态电子能级中,不同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； 外转换使荧光或磷光减弱或“猝灭”。
系间窜跃：不同多重态,有重叠的转动能级间的非辐射跃迁。
Instrumental Analysis
15
三、影响荧光强度的因素
1.荧光强度和溶液浓度的关系 荧光强度 If正比于体系吸收的激发光的光强，即 ： If = K’( I0 - I )
由朗-比耳定律： I / I0= 10- b c
代入，得： If = K’I0(1-10- b c ) 将此式展开，即
2( 3 ( 2 . 3) b c 2 . 3) b c I K ' I [ 2 . 3 b c ] F 0 2 ! 3 !
9
辐射能量传递过程 荧光发射：第一激发单重态的最低振动能级→基态
（ S1→ S0跃迁） 10-7～10 -9s
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 →激发→振动弛豫→内转移→系间窜跃→振动弛豫→ T1 发光速度很慢： 10-4～10 s ，即光照停止后，可持 续一段时间。 （ S0 → T1禁阻跃迁）
现代表征方法与技术------
荧光分析法
Fluorescence Analysis
Instrumental Analysis
1
参考书 《荧光分析法》第三版
许金钩、王尊本主编，科学出版社
《Principles of Fluorescence Spectroscopy》(II、III), J. R. Laowisz, Kluwer Academic/Plenum Publisher
Instrumental Analysis
10
S0
荧光的光物理本质
速率竞争决定光活化电子能量迁移的途径！
Instrumental Analysis
11
二、荧光的产生与分子结构的关系
Relation Between Fluorescence and Molecular Structure
1. 荧光量子产率
Instrumental Analysis
12
2.有机化合物的结构与荧光
（1）跃迁类型：* → 的荧光效率高。这是因为→* 跃 迁的摩尔吸收系数比 n → *大，且 →*跃迁的寿命比n → *要短。 （ 2ຫໍສະໝຸດ Baidu 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
浓度很低时，bc < 0.05，则可近似写成： If = 2.3 I0 l c = Kc 定量分析的基础 低浓度时，荧光强度与物质的浓度呈线性关系，高浓度 时，由于自吸收和自熄灭等原因，线性关系不成立。
Instrumental Analysis
16
影响荧光强度的外部因素
2.溶剂的影响
发 射 荧 光 的 分 子 数 激 发 分 子 的 总 数
F
kF kF
ki
i 1
n
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；
kF主要取决于化学结构，而Ski则主要取决于 化学环境，同时也与结构有关。
大多数荧光物质的量子产率在0.1~1之间。
Instrumental Analysis
2
第一节
分子荧光原理
Principle of Fluorescence
一、分子荧光的产生过程 二、荧光的产生与分子结构的关系
三、影响荧光强度的因素
Instrumental Analysis
3
第二节 分子荧光分析法
Fluorescence Analysis
供电基，使荧光增强。重原子 效应。
Instrumental Analysis
13
Instrumental Analysis
14
小结：
强荧光物质往往具备以下特征：
• • • • 具有大的共轭 键结构； 具有刚性平面结构； 具有最低的单线电子激发态S1为 *型 取代基团为给电子取代基
Instrumental Analysis
Instrumental Analysis
7
内转换 S2
内转换 振动弛豫 系间窜跃
S1
能 量 吸 收 T1 发 射 荧 光 T2
外转换
发 射 磷 振动弛豫 光
S0
l1
l2
l 2
l3
非辐射能量传递过程 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10-12s。
一、仪器与结构流程
二、激发光谱与荧光光谱
三、荧光分析法和应用
Instrumental Analysis
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一、荧光的产生过程
Luminescence Process of Molecular Fluorescence
1. 分子能级与跃迁
* 分子能级比原子能级复杂，分子所具有的能级数目远多
于原子能级数目。在每个分子的电子能级上，都存在振动、转 动能级； * 基态 →激发态：吸收特定频率的辐射；量子化；跃迁一 次到位； * 激发态→基态：弛豫过程，多种途径和方式；速度最快 、激发态寿命最短的途径占优势；
Instrumental Analysis
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2.电子激发态的多重度
* 大多数有机分子的基态处于单重态； * 电子激发态有单重态与三重态之分（取决于电子的自旋方向 M=2S+1，S为电子自旋量子数的代数和(0或1)；
* 根据洪特规则，平行自旋（三重态）比成对自旋（单重态）
稳定，因此，三重态能级比相应单重态能级低；
S0→T1 属于禁阻 跃迁，需要通过其 他途径进入，而且 进入的几率小；
Instrumental Analysis
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3.激发态→基态的能量传递途径
传递途径 辐射跃迁 无辐射跃迁
荧光
磷光
系间窜越 内转换
外转换
振动弛豫
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。
内转换：同多重态电子能级中,不同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； 外转换使荧光或磷光减弱或“猝灭”。
系间窜跃：不同多重态,有重叠的转动能级间的非辐射跃迁。
Instrumental Analysis
15
三、影响荧光强度的因素
1.荧光强度和溶液浓度的关系 荧光强度 If正比于体系吸收的激发光的光强，即 ： If = K’( I0 - I )
由朗-比耳定律： I / I0= 10- b c
代入，得： If = K’I0(1-10- b c ) 将此式展开，即
2( 3 ( 2 . 3) b c 2 . 3) b c I K ' I [ 2 . 3 b c ] F 0 2 ! 3 !
9
辐射能量传递过程 荧光发射：第一激发单重态的最低振动能级→基态
（ S1→ S0跃迁） 10-7～10 -9s
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 →激发→振动弛豫→内转移→系间窜跃→振动弛豫→ T1 发光速度很慢： 10-4～10 s ，即光照停止后，可持 续一段时间。 （ S0 → T1禁阻跃迁）
现代表征方法与技术------
荧光分析法
Fluorescence Analysis
Instrumental Analysis
1
参考书 《荧光分析法》第三版
许金钩、王尊本主编，科学出版社
《Principles of Fluorescence Spectroscopy》(II、III), J. R. Laowisz, Kluwer Academic/Plenum Publisher
Instrumental Analysis
10
S0
荧光的光物理本质
速率竞争决定光活化电子能量迁移的途径！
Instrumental Analysis
11
二、荧光的产生与分子结构的关系
Relation Between Fluorescence and Molecular Structure
1. 荧光量子产率
Instrumental Analysis
12
2.有机化合物的结构与荧光
（1）跃迁类型：* → 的荧光效率高。这是因为→* 跃 迁的摩尔吸收系数比 n → *大，且 →*跃迁的寿命比n → *要短。 （ 2ຫໍສະໝຸດ Baidu 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
浓度很低时，bc < 0.05，则可近似写成： If = 2.3 I0 l c = Kc 定量分析的基础 低浓度时，荧光强度与物质的浓度呈线性关系，高浓度 时，由于自吸收和自熄灭等原因，线性关系不成立。
Instrumental Analysis
16
影响荧光强度的外部因素
2.溶剂的影响
发 射 荧 光 的 分 子 数 激 发 分 子 的 总 数
F
kF kF
ki
i 1
n
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；
kF主要取决于化学结构，而Ski则主要取决于 化学环境，同时也与结构有关。
大多数荧光物质的量子产率在0.1~1之间。
Instrumental Analysis
2
第一节
分子荧光原理
Principle of Fluorescence
一、分子荧光的产生过程 二、荧光的产生与分子结构的关系
三、影响荧光强度的因素
Instrumental Analysis
3
第二节 分子荧光分析法
Fluorescence Analysis
供电基，使荧光增强。重原子 效应。
Instrumental Analysis
13
Instrumental Analysis
14
小结：
强荧光物质往往具备以下特征：
• • • • 具有大的共轭 键结构； 具有刚性平面结构； 具有最低的单线电子激发态S1为 *型 取代基团为给电子取代基
Instrumental Analysis
Instrumental Analysis
7
内转换 S2
内转换 振动弛豫 系间窜跃
S1
能 量 吸 收 T1 发 射 荧 光 T2
外转换
发 射 磷 振动弛豫 光
S0
l1
l2
l 2
l3
非辐射能量传递过程 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10-12s。