第四章(分子发光分析

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。
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，都存在一系列的振动、转动能级； 用S0表示基态； 第一、第二、…电子激发单重态 S1 、S2„ 表示； 第一、第二、„电子激发三重态 T1 、 T2 „ 表示； V=0,1,2,3表示振动能级。
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四、影响荧光强度的环境因素
relation between fluorescence and molecular structure
影响荧光强度的外部因素
1.溶剂的影响
由于溶质分子与溶剂分子间的作用，使同一种荧光物质 在不同的溶剂中的荧光光谱的位置和强度都会有显著的不同 如8-巯基喹啉在下列四种不同极性溶剂中的情况 溶剂 介电常数 荧光峰λ /nm 荧光效率
S1
能 量 吸 收 T1 发 射 荧 光 T2
外转换
发 射 磷 振动弛豫 光
S0
l 2014-12-7 1
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 -12 s。 系间窜越：不同多重态,有重叠的转动能级间的非辐射跃迁。 改变电子的自旋状态。如S1—T1 S2
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φf 0.07 0.18 0.93
λ /nm 283 316 342
（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。
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（4）取代基效应：芳环族化合物苯环上不同取代 基对该化合物的荧光强度和荧光光谱有很大的影响 ，可归为下列几种类型： 第一，给电子基团常常使荧光增强； 第二，吸电子基团会减弱甚至破坏荧光； 第三，同电子体系相互作用小的取代基和烷基对 发光影响不明显； 第四，将一个高原子序数的原子引入，常常增强磷 光而减弱荧光； 第五，双取代和多取代较难预测，但若能增加分子 的平面性，则荧光增强，反之，则荧光减弱。
能 量 内转换 振动弛豫 系间窜越 发 射 荧 光 磷 光 内转换
S1
吸 收
T1
T2
外转换
振动弛豫
S0
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l2
l 2
l3
二、激发光谱与发射光谱
excitation spectrum and fluore-scence spectrum
荧光(磷光)：光致发光，照射光波长如何选择？
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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l
2
,l 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l ‘2 )。
S2
能 量 内转换 振动弛豫 系间窜越 发 射 荧 光 发 射 磷 光 内转换
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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 (见能级图)；
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2.激发态→基态的能量传递途径
pH值。 如苯酚在酸性溶液中呈现荧光，但在碱性溶液中，无荧光
再如 苯胺在pH7～12溶液中有蓝色荧光，而在pH小于2大于
13的溶液中都不发荧光。 另外金属离子与有机试剂形成的发光螯合物也受到溶液的
pH影响
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4.内滤光作用和自吸收现象
内滤光作用：溶液中含有能吸收激发光或荧光物质发射 的荧光的物质，就会使荧光减弱，这种现象称为“内滤光作 用”，如色胺酸中的重铬酸钾； 自吸收现象：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。
S2
能 量
内转换
振动弛豫 系间窜越 发 射 荧 光
内转换
S1
吸 收
外转换
S0
发 射 磷 光
T1
T2
振动弛豫
l1
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l2
l 2
l3
辐射能量传递过程
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） 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： 10-4～10 s 。 光照停止后，可持续一段时间 S2
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一、 仪器与结构流程 instrument and general process molecular luminescence 二、 荧光分析法和应用 fluorescence analysis and analysis application 第二节 三、 磷光分析法及应用 分子荧光与磷光分析法 phosphorescence analysis and application molecular fluorescence and phosphorescence analysis
能 量 内转换 振动弛豫 系间窜越 发 射 荧 光 发 射 磷 光 内转换
S1
吸 收
T1
T2
外转换
振动弛豫
S0
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l2
l 2
l3
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（ 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，荧光 的发射波长比吸收波长要长； l ‘2 > l 2 > l 1 ；
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)和非辐射跃迁等方式失去能量； 传递途径 辐射跃迁 非辐射跃迁
荧光
磷光
系间窜越 内转移
外转移
振动弛豫
激发态 → 基态：多种途径和方式 ( 见下页能级图 ) ；速度最 快、激发态寿命最短的途径占优势；
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内转换 S2
内转换 振动弛豫 系间窜越
二、激发光谱与荧光光谱
excitation spectrum and fluorescence spectrum
三、荧光的产生与分子结构关 系 relation between fluorescence
and molecular structure
四、影响荧光强度的因素
factor influenced fluorescence
四氯化碳
氯仿 丙酮
2.24
5.2 21.5
390
398 405
0.002
0.041 0.055
乙
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38.8
410
0.064
2.温度的影响
荧光强度对温度变化敏感，一般来说，溶液的荧光强度 随着温度升高而降低。
3. 溶液pH
带有酸性或碱性官能团的大多数芳香族化合物的荧光一
般都与溶液的pH有关，因此在荧光分析中要严格控制溶液的
第四章 分子发光分析法
molecular luminescence analysis 第一节 分子荧光与磷光
molecular fluorescence and phosphorescence
一、分子荧光与磷光产生过程
luminescence process of molecular fluorescence phosphorescence
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二、荧光分析方法与应用
1. 特点
（1）灵敏度高
比紫外-可见分光光度法高2～4个数量级； 检测下限：0.1～0.001g/cm-3 （2）选择性强 既可依据特征发射光谱，又可根据特征激发光谱；
（3）试样量少
缺点：应用范围小。
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2.定量依据与方法
(1)定量依据
当荧光物质浓度很小时，荧光强度If与荧光物质浓度c之间的 关系式为 If=2.3φ fI0ε bc 式中：φf为荧光效率，I0为激发光的强度，ε荧光物质的摩尔 吸收系数，b为试样池的光程，c为荧光物质的浓度。 在一定条件下，φ f、I0、ε 、b均为常数，所以上式可写成 If=Kc 即荧光强度与荧光物质的浓度c成正比。 荧光强度和溶液浓度呈线性关系，只限于极稀的溶液。 对于较浓溶液，会产生浓度猝灭现象。
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5.溶液荧光的猝灭
荧光物质分子与溶剂分子或其他溶质分子的相互作用引起荧 光强度降低的现象称为荧光猝灭。能引起荧光强度降低的物 质称为猝灭剂。
（1）碰撞猝灭
（2）静态猝灭 （3）转入三重态的猝灭 （4）发生电子转移反应的猝灭 （5）荧光物质的自猝灭
M+hγ—M*,M*+Q—M+热
M+Q—MQ 非荧光 三重态O2 M+Q—发生电子转移 荧光物质浓度较高
第四章 分子发光分析法
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一、仪器结构流程
测量荧光的仪器主要由四个部分组成：激发光源、样品 池、双单色器系统、检测器。 特殊点：有两个单色器，光源与检测器通常成直角。 基本流程如图： 单色器：选择激发光波长 的第一单色器和选择发射 光 ( 测量 ) 波长的第二单色 器； 光源：氙灯和高压汞灯 样品池：石英 检测器：光电倍增管。
与发射光波长关系曲线(
图中曲线II或III)。
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3.激发光谱与发射光谱的关系