第七章 分子发光分析法(荧光、磷光和化学发光)

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→内转换→系间跨越→振动弛豫→ T1 发光速度很慢： 10-4～100 s 。
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光照停止后，可持续一段时间。
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二、激发光谱与荧光(磷光)光谱
excitation spectrum and fluore-scence spectrum
应该指出，激发光谱曲线与其吸收曲线
可能相同，但前者是荧光强度与波长的关系 曲线，后者则是吸光度与波长的关系曲线， 两者在性质上是不相同的。当然激发光谱曲 线的最高处，处于激发态的分子数目最多， 这可说明所吸收的光能量也是最多的，自然 能产生最强的荧光。
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荧光发射光谱 荧光激发光谱
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应用镜像对称规则，可以帮助判别某个 吸收带究竟是属于第一吸收带中的另一振动 带，还是更高电子态的吸收带。根据镜像对 称规则，如不是吸收光谱镜像对称的荧光峰 出现，表示有散射光或杂质荧光存在。 诚然，也存在少数偏离镜像对称规则的 现象，究其原因，或是由于激发态时核的几 何构型与基态时不同，或是由于在激发态时 发生了质子转移反应或形成激发态二聚体（ 或激发态复合物）等原因而引起的。
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。
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2.化合物的结构与荧光
（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，如 -OH、-NH2、-OCH3、-NR2 等；吸电子基团如-NO2、COOH等减弱荧光，程度高 时，无荧光。
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2.荧光光谱(或磷光光谱)
固定激发光波长(选 最大激发波长), 化合物 发射的荧光(或磷光强度) 与发射光波长关系曲线( 图中曲线II或III)。 激发光谱和发射光谱 可作为发光物质的鉴别手 段，并可用于定量测定时 作为选择合适的激发波长 和测量波长的依据。
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内转换
S2
S1 能 量
内转换 振动弛豫 系间跨越
T1 发 射 荧 光
T2
吸 收
外转换
发 射 磷 振动弛豫 光
S0
l1
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l2
l 2
l3
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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。 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。Baidu Nhomakorabea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；
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
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四、影响荧光强度的因素
factors affecting fluorescence intensity
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（极性大，荧光强）；
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。
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一、分子荧光与磷光产生过程
第一节 分子荧光与磷光
molecular fluorescence and phosphorescence
luminescence process of molecular fluorescence phosphorescence
二、激发光谱与荧光光谱
2
,l 1)，产生不同吸收带，但均回到第一激发单重态的最
‘ 2
低振动能级再跃迁回到基态，产生波长一定的荧光(如l
)
通常荧光发射光谱与它的吸收光谱（与激发光谱形状一
样）成镜像对称关系。
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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。
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。
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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，波长 长； l ‘2 > l 2 > l 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）；
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2.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
荧光
延迟荧光
磷光
系间跨越 内转移
外转移
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：10-4～10s；第一激发三重态的最低振动能级→基态；
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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，染 料激光器(可见与紫外区) 检测器：光电倍增管。
荧光( 磷光)：光致发光，必须选择合适的激发光波长， 激发光波长如何选择？
1.荧光(磷光)的激发光谱曲线
由于分子对光的选择性吸收，不同波长的入射光具有不同 的激发效率。如果固定荧光（或磷光）的发射波长（即测量 波长)而不断改变激发光（即入射光）的波长,并记录相应的 荧光（或磷光）强度，所得到的发光强度对激发波长的谱图 称为荧光（或磷光）的激发光谱（图中曲线I）。 如果固定激发光的波长和强度而不断改变荧光（或磷光） 的测量波长（即发射波长），并记录相应的荧光（或磷光） 的强度，所得到的发光强度对发射波长的谱图则为荧光（或 磷光）的发射光谱。
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5.溶液荧光的猝灭
碰撞猝灭，是荧光熄灭的主要原因。它是指处于单重
激发态的荧光分子与熄灭剂发生碰撞后，使激发态分子以无
辐射跃迁方式回到基态，因而产生熄灭作用。荧光熄灭的程 度主要取决于荧光分子与熄灭剂的反应速度和熄灭剂的浓度
，另外碰撞猝灭还与溶液的黏度有关，黏度大、熄灭作用小
，碰撞熄灭随温度的升高而增加。 能量转移使荧光猝灭。 氧的熄灭作用，溶液中的溶解氧常对荧光产生熄灭作 用。这可能是由于顺磁性的氧分子与处于单重激发态的荧光 物质分子相作用，促进形成顺磁性的三重态荧光分子，即加 速系间跨越所致。
第七章 分子发光分 析法
molecular luminescence analysis
第一节 分子荧光与磷光 molecular fluorescence and phosphorescence 第二节 分子荧光与磷光 分析法 molecular fluorescence and phosphorescence analysis 第三节 化学发光分析法 chemiluminescence analysis
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一、荧光与磷光的产生过程
luminescence process of molecular fluorescence and 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… ； 第一、第二、…电子激发三重态 T1 、 T2 … ；
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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)；例如，钠只有一个外层电子， S=1/2，因此 M=2(1/2)+1=2，所以将产生双重线；若为碱土金属，有两个 外层电子，它们可能同一个方向自旋，则S=1/2+1/2=1，M=3 ，为三重线，或者向相反方向自旋，S=1/2-1/2=0，M=1，为 单重线。 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； 通常用 S 和 T 分别表示 单重态和三重态。 S0→T1 禁阻跃迁； 通过其他途径进入 ( 见能级图 ) ；进入的 几率小；
磷光光谱
200
260
320
380
440
500
560
620
室温下菲的乙醇溶液荧（磷）光光谱
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3.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l 。 c. 镜像规则
3. 溶液pH
对酸碱化合物，溶液pH的影响较大，需要严格控制；
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4.内滤光作用和自吸现象
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，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。
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一、 仪器与结构流程 第二节 instrument and general 分子荧光与磷光分析法 process 二、 荧光分析法和应用 fluorescence analysis and molecular fluorescence application and phosphorescence 三、 磷光分析法的应用 phosphorescence analysis analysis and application
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（5）取代基的空间障碍对荧光也有影响（一般空 间阻碍导致荧光减弱），立体异构现象对荧光强 度有显著的影响（一般反式荧光强，顺式弱或无 荧光）。 （6）金属螯合物的荧光 除过渡元素的顺磁性原 子会发生线状荧光光谱外，大多数无机盐类金属 离子，在溶液中只能发生无辐射跃迁，因而不能 产生荧光。但是，在某些情况下，金属螯合物却 能产生很强的荧光，并可用于痕量金属离子的测 定，主要是由于螯合物中配位体的发光。一般来 说，能产生这类荧光的金属离子具有硬酸型结构， 如Be、Mg、Al、Zr、Th等。
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荧光激发光谱
荧光发射光谱
200
250
300
350
400
450
蒽的激发光谱和荧光光谱
500 nm
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三、荧光的产生与分子结构的关系
relation between fluorescence and molecular structure