第六章 分子发光分析法

光致发光 化学发光 生物发光
荧光
磷光
按光子能量分类： 荧光
斯托克斯荧光(Stokes)：λex<λem 反斯托克斯荧光(Antistokes)：λex>λem 共振荧光(Resonance)：λex=λem
第一节 分子发光的基本原理
• 一、 分子荧光及磷光光谱的产生
• 1.1荧光及磷光的产生
电 子 能 级
振 动 能 级
分子中电子能级、 振动能级和转动能级示意图
转 动 能 级
• 基态(S0): 室温下，分子处于基态的振动能级。 • 所有电子遵从能量最低原理、Pauli不相容原理和洪特规则。 • 激发态: 被激发后, 能量变高, 属非稳状态。 • 单重态（S） • 三重态（T） 洪特规则：处于分立轨道上的非成
迁到基态的各振动能层所产生的辐射。
第二电子激发态
S2 T2
第一电子激发态
S1 T1
三重态
基态S0
磷光
系间跨跃 振动弛豫 磷光发射 S T （高振动能层） T （低振动能层） S 1 1 1 0
内转换 S2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
振动弛豫
内转换
系间窜跃
S1 能 量 发 射 荧 光 外转换 发 射 磷 光
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：10-6～10 -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；
S2 振动弛豫
S1
第一电子激发态
T1
三重态
基态S0
l 1 λ1
l2λ 2
•2）内转换（Internal Conversion，IC）
当两个电子能级非常靠近 , 以致其振动能级有重叠时，发生 电子由高能级以无辐射跃迁方式转移至低能级， 相同多重态的两个电子态间的非辐射跃迁 【例】:高电子能能级→→低电子能级 S2 →→ S1 T2 →→ T1 发生内转换的时间： 10-13 ～10-11s
T1
T2
吸 收
振动弛豫
S0 l1 l2 l 2 l3
分子内的光物理过程
1.2 激发光谱与荧光(磷光)光谱
1.荧光(磷光)的激发光谱曲线
固定测量波长 (选最大发射波长 ),化合物发射的荧光 (磷
光)强度与照射光波长的关系曲线 （图中曲线I ） 。 激发光谱曲线的最高处，处于激发态的分子最多，荧光 强度最大；
两个不同多重态之间的无辐射跃迁，如从 S1 到 T1 ，该跃迁 是禁阻的。
但当不同多重态的两个电子能级有较大重叠时，处于这两个
能级上的受激电子的自旋方向发生变化，即可通过自旋 -轨道 耦合而产生无辐射跃迁，该过程称为系间窜跃。
不同多重态的两个电子能态间的非辐射跃迁
第二电子激发态
S2 T2
第一电子激发态
S1 T1
三重态
基态S0
• 5） 荧光发射
• 荧光：分子中电子从单重激发态的最低振动能级在很短时
间（ 10-9-10-6s ）跃迁到基态各振动能级时所产生的光子
辐射称为荧光。 • 荧光发射：产生荧光的过程 • S1→→ S0
第二电子激发态
S2
T2
第一电子激发态
S1
三重态
T1
基态S0
荧光
• 6）. 磷光发射 从单重态（S）到三重态（T）分子间发 生系间跨越跃迁后，再经振动弛豫回到三 重态最低振动能层，最后，在10-4-10s内跃
• 1）振动弛豫（Vibrational Relaxation, VR）
• 在同一电子能级中，电子由高振动能级迅速转至该电子能 级低振动能级，将多余的能量以分子振动能形式消耗掉一 部分，这样的过程，称为振动弛豫。
高振动能级
→
低振动能级
• 发生振动弛豫的时间：10-12s
设处于基态单重态中的电子吸收波长为 λ1和λ2的辐射光之后，分别激发至第二 单重态S2及第一单重态S1。 第二电子激发态
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)。
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
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
本章内容
6. 6. 6. 6. 6. 6. 0 1 2 3 4 5 引言 分子发光的基本原理 分子荧光定量分析 荧光光谱仪 荧光光谱法的特点及其干扰因素 荧光光谱法在农业上的应用
分子发光
分子发光分析：依据物质分子吸收一定的能量跃迁到较高电 子激发态后，在返回基态时有光谱辐射而建立的分子方法。
按激发的模式分类： 分子发光
第二电子激发态
S2
三重态
T2
第一电子激发态
S1
T1
基态S0
• 3）外转换（External Conversion，EC）
受激分子与溶剂或其它分子相互作用发生能量转换 ,而使荧
光或磷光强度减弱甚至消失的过程，也称“熄灭”或“猝灭”
（quenching）。
• 4）系间窜跃（Intersystem Conversion，ISC）
Pauli不相容原理：分子中同一轨 道所占据的两个电子必须具有相反 的自旋方向，即自旋配对。
对电子，平行自旋要比成对自旋更 稳定。
第二电子激发态S2 第一电子激发态S1 单重态：如果分子中全部轨道里的 三重态：如果电子在跃迁过程中 电子都是自旋配对的，即s=0, 分 还伴随着自旋方向的改变，这时 子的多重度=1, 该分子体系处于单 分子具有两个自旋不配对的电子 重态 基态S0 T2 T1 三重态
2
, 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
)
。 c. 镜像规则
通常荧光发射光谱与它的吸收光谱（与激发光谱形状一 样）成镜像对称关系。
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