第五章 分子发光分析法(讲义)
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化学与制药工程学院
仪器分析
Instrumental Analysis
第五章 分子发光分析法
（Molecular luminescence analysis) §5-1 概述 §5-2 荧光分析法
§5-百度文库 磷光分析法
§5-4 化学发光分析法
基态分子吸收了一定能量后，跃迁至激发态。当 激发态分子以辐射跃迁形式将其能量释放返回基态时， 便产生分子发光。 光致发光
单重态，激发单重态，三重态：
去活化过程：处于激发态的分子是不稳定的，它可 能通过辐射跃迁和非辐射跃迁等去活化过程返回基态。 由较高能态到较低能态的过程( E* E0 ) 其中，以速度最快、激发态寿命最短的途径占优势。
去活化过程
发射光子
非辐射跃迁
化学反应
荧光
磷光
振动驰豫 VR
内转换 ic
外转换
体系间窜跃 isc
4）、荧光发射（Fluorescence） 当分子处于单重激发态的最低振动能级时，去活 化过程的一种形式是以10-9~10-6s左右的短时间发射一 个光子返回基态。这一过程称为荧光发射。 （单重— 单重，停10-9——10-6s ） 发射荧光的能量比分子所吸收的能量要小，即荧 光的特征波长比它所吸收的特征波长要长。 注意：基态中也有振动驰豫跃迁。λ3＞λ1或λ2 ，不 论电子开始被激发至什么高能级，最终将只发射出波 长为λ3的荧光。
2、激发光谱和荧光光谱的特点： （1）荧光光谱的形状与激发光波长无关 荧光物质吸收不同波长的激 发光可被激发到不同能态，通过 振动驰豫和内部转换最终都将达 到第一激发单重态的最低振动能 级，然后再发射荧光。故蒽的激 发光谱虽在250nm和350nm有两 个峰，不论用哪一个峰的波长作 激发光源，所得荧光光谱的形状 和峰的位置都是相同的。
相 对 强 度
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
萘的激发光谱Ⅰ
荧光光谱Ⅱ 磷光光谱Ⅲ
200
300
400
500
λ
荧光或磷光光谱曲线: 固定激发光波长为其最 大激发波长，然后测定不同的波长时所发射的荧光或 磷光强度，将荧光的光波长为横座标，荧光强度为纵 座标作图便可得到荧光光谱（发射光谱）。
E磷 E荧 E激
磷 荧 激
（2） 荧光光谱和激发光谱成镜像关系 从图可看出激发光谱同荧光光 谱大致成镜像对称 a. 荧光光谱(发射光谱）形状
与基态S0振动能级的分布情况
（即能量间隔情况）有关 b. 激发光谱(吸收谱)形状与 激发态S1振动能级的分布有关
c. S0 、 、 S1 态中振动能级的分布是相似的 ( 说明峰形状相
（5）、磷光发射（Phosphorescence）
从单重态到三重态的分子体系间窜跃发生后，接着发生 快速的振动驰豫而到达三重态的最低能层上，此时可能由 两种途径返回基态： ①体系间窜跃 ②在10-4~10s左右时间内辐射跃迁回基态而发生磷光.这种 跃迁所发射的光，在光照停止后，仍可持续一段时间。 （三重—单重，停10-4-10s，液氮冷冻试样，才可见磷光） 荧光和磷光的根本区别:
荧光是由单重-单重跃迁引起的，
磷光则由三重-单重跃迁产生的。
观察磷光现象时，试样要用液氮冷冻
a.三重态与基态之间的能量差要比最低激发态和 基态之间的能量差小，这使三重态与基态之间的振动 偶合增强，因而增强了内部转换； b.激发三重态的寿命比激发单重态的寿命长，因 而同溶剂分子碰撞而失去激发能的可能性增大，以致 在室温条件下不能观察到溶液的磷光。 因此，观察磷光现象时，试样要用液氮冷冻以使
Photoluminescent
荧光Fluorescence 磷光Phosphorescence
热致发光 场致发光 化学发光 Chemiluminescence
§5-1 荧光分析法
分子荧光分析法是根据物质的分子荧光光谱进行定 性，以荧光强度进行定量的一种分析方法。 一、基本原理： （一）、分子荧光（磷光）的产生： 室温下，大多数分子处在基态的最低振动能层。 处于基态的分子吸收能量（电能、热能、化学能或光 能）后被激发为激发态。激发态不稳定，将很快衰变 到基态。若返回到基态时伴随着光子的辐射，这种现 象称为“发光”。
碰撞去活化和振动偶合去活化降至最低限度
S2
2 1 V=0
VR
ic
S1
2 1 V=0
isc F
2 T1 1 V=0
P
VR
ic
S0
3 2 1 V=0
isc
λ1
λ2
λ3
F P
（二）荧光的激发光谱和发射光谱 1、激发光谱：荧光和磷光都是光致发光，因此必须选择 合适的激发光波长，这可从他们的激发光谱曲线来确定 以荧光（磷光）的最大发射波长为测量波长，改变 激发光的波长，测量荧光强度的变化，以激发光波长为 横座标，荧光强度为纵座标作图，即可得到激发光谱。
S2
2 1 V=0
VR
ic
S1
2 1 V=0
isc F
2 T1 1 V=0
P
VR
ic
S0
3 2 1 V=0
isc
λ1
λ2
λ3
F P
（3）、体系间窜跃（isc） 指不同多重态的两个电子之间的非辐射跃迁。 它涉及受激发电子自旋状态的改变，如S1 T1，使原 来两个自旋配对的电子不再配对，这种跃迁是禁阻跃 迁。 含有重原子（碘、溴等）的分子中，体系间跨越 跃迁最为常见。 在溶液中存在如氧分子等顺磁性物质也能增加体 系间跨越的发生，因而使荧光减弱。
似）
d. 根据Frankcondon原理，电子跃迁过程中核的相对位置 不变（近似的），若吸收光谱中某一振动带的跃迁几 率最大，则在荧光发射光谱中，其相反跃迁的几率也 应最大(说明高峰对高峰，低峰对低峰） 非镜像对称的峰出现，则表示有散射光或杂质存 在。
P——磷光（三重—单重，停10-4-10s） F——荧光（单重—单重，停10-9- 10-6s ）
去活化过程： ⑴、振动驰豫（VR） 在同一能级中，分子由较高振动能级向该电子态的 最低振动能级的非辐射跃迁。其速率极大，10-14~10-12s 内即可完成。 ⑵、内转换（ic） 指相同多重态的两个电子态之间（S2 S1，S1 S0） 的非辐射跃迁。当两个电子能级非常靠近以至其振动能 级有重叠时，常发生电子由高能级以无辐射跃迁方式转 移至低能级。如图中S2的较低振动层与S1的较高振动层 相重叠，分子无论在哪一个激发单重态，都能通过振动 驰豫和内转化跃回到第一激发单重态的最低振动能级。
仪器分析
Instrumental Analysis
第五章 分子发光分析法
（Molecular luminescence analysis) §5-1 概述 §5-2 荧光分析法
§5-百度文库 磷光分析法
§5-4 化学发光分析法
基态分子吸收了一定能量后，跃迁至激发态。当 激发态分子以辐射跃迁形式将其能量释放返回基态时， 便产生分子发光。 光致发光
单重态，激发单重态，三重态：
去活化过程：处于激发态的分子是不稳定的，它可 能通过辐射跃迁和非辐射跃迁等去活化过程返回基态。 由较高能态到较低能态的过程( E* E0 ) 其中，以速度最快、激发态寿命最短的途径占优势。
去活化过程
发射光子
非辐射跃迁
化学反应
荧光
磷光
振动驰豫 VR
内转换 ic
外转换
体系间窜跃 isc
4）、荧光发射（Fluorescence） 当分子处于单重激发态的最低振动能级时，去活 化过程的一种形式是以10-9~10-6s左右的短时间发射一 个光子返回基态。这一过程称为荧光发射。 （单重— 单重，停10-9——10-6s ） 发射荧光的能量比分子所吸收的能量要小，即荧 光的特征波长比它所吸收的特征波长要长。 注意：基态中也有振动驰豫跃迁。λ3＞λ1或λ2 ，不 论电子开始被激发至什么高能级，最终将只发射出波 长为λ3的荧光。
2、激发光谱和荧光光谱的特点： （1）荧光光谱的形状与激发光波长无关 荧光物质吸收不同波长的激 发光可被激发到不同能态，通过 振动驰豫和内部转换最终都将达 到第一激发单重态的最低振动能 级，然后再发射荧光。故蒽的激 发光谱虽在250nm和350nm有两 个峰，不论用哪一个峰的波长作 激发光源，所得荧光光谱的形状 和峰的位置都是相同的。
相 对 强 度
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
萘的激发光谱Ⅰ
荧光光谱Ⅱ 磷光光谱Ⅲ
200
300
400
500
λ
荧光或磷光光谱曲线: 固定激发光波长为其最 大激发波长，然后测定不同的波长时所发射的荧光或 磷光强度，将荧光的光波长为横座标，荧光强度为纵 座标作图便可得到荧光光谱（发射光谱）。
E磷 E荧 E激
磷 荧 激
（2） 荧光光谱和激发光谱成镜像关系 从图可看出激发光谱同荧光光 谱大致成镜像对称 a. 荧光光谱(发射光谱）形状
与基态S0振动能级的分布情况
（即能量间隔情况）有关 b. 激发光谱(吸收谱)形状与 激发态S1振动能级的分布有关
c. S0 、 、 S1 态中振动能级的分布是相似的 ( 说明峰形状相
（5）、磷光发射（Phosphorescence）
从单重态到三重态的分子体系间窜跃发生后，接着发生 快速的振动驰豫而到达三重态的最低能层上，此时可能由 两种途径返回基态： ①体系间窜跃 ②在10-4~10s左右时间内辐射跃迁回基态而发生磷光.这种 跃迁所发射的光，在光照停止后，仍可持续一段时间。 （三重—单重，停10-4-10s，液氮冷冻试样，才可见磷光） 荧光和磷光的根本区别:
荧光是由单重-单重跃迁引起的，
磷光则由三重-单重跃迁产生的。
观察磷光现象时，试样要用液氮冷冻
a.三重态与基态之间的能量差要比最低激发态和 基态之间的能量差小，这使三重态与基态之间的振动 偶合增强，因而增强了内部转换； b.激发三重态的寿命比激发单重态的寿命长，因 而同溶剂分子碰撞而失去激发能的可能性增大，以致 在室温条件下不能观察到溶液的磷光。 因此，观察磷光现象时，试样要用液氮冷冻以使
Photoluminescent
荧光Fluorescence 磷光Phosphorescence
热致发光 场致发光 化学发光 Chemiluminescence
§5-1 荧光分析法
分子荧光分析法是根据物质的分子荧光光谱进行定 性，以荧光强度进行定量的一种分析方法。 一、基本原理： （一）、分子荧光（磷光）的产生： 室温下，大多数分子处在基态的最低振动能层。 处于基态的分子吸收能量（电能、热能、化学能或光 能）后被激发为激发态。激发态不稳定，将很快衰变 到基态。若返回到基态时伴随着光子的辐射，这种现 象称为“发光”。
碰撞去活化和振动偶合去活化降至最低限度
S2
2 1 V=0
VR
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S1
2 1 V=0
isc F
2 T1 1 V=0
P
VR
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3 2 1 V=0
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λ1
λ2
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F P
（二）荧光的激发光谱和发射光谱 1、激发光谱：荧光和磷光都是光致发光，因此必须选择 合适的激发光波长，这可从他们的激发光谱曲线来确定 以荧光（磷光）的最大发射波长为测量波长，改变 激发光的波长，测量荧光强度的变化，以激发光波长为 横座标，荧光强度为纵座标作图，即可得到激发光谱。
S2
2 1 V=0
VR
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S1
2 1 V=0
isc F
2 T1 1 V=0
P
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S0
3 2 1 V=0
isc
λ1
λ2
λ3
F P
（3）、体系间窜跃（isc） 指不同多重态的两个电子之间的非辐射跃迁。 它涉及受激发电子自旋状态的改变，如S1 T1，使原 来两个自旋配对的电子不再配对，这种跃迁是禁阻跃 迁。 含有重原子（碘、溴等）的分子中，体系间跨越 跃迁最为常见。 在溶液中存在如氧分子等顺磁性物质也能增加体 系间跨越的发生，因而使荧光减弱。
似）
d. 根据Frankcondon原理，电子跃迁过程中核的相对位置 不变（近似的），若吸收光谱中某一振动带的跃迁几 率最大，则在荧光发射光谱中，其相反跃迁的几率也 应最大(说明高峰对高峰，低峰对低峰） 非镜像对称的峰出现，则表示有散射光或杂质存 在。
P——磷光（三重—单重，停10-4-10s） F——荧光（单重—单重，停10-9- 10-6s ）
去活化过程： ⑴、振动驰豫（VR） 在同一能级中，分子由较高振动能级向该电子态的 最低振动能级的非辐射跃迁。其速率极大，10-14~10-12s 内即可完成。 ⑵、内转换（ic） 指相同多重态的两个电子态之间（S2 S1，S1 S0） 的非辐射跃迁。当两个电子能级非常靠近以至其振动能 级有重叠时，常发生电子由高能级以无辐射跃迁方式转 移至低能级。如图中S2的较低振动层与S1的较高振动层 相重叠，分子无论在哪一个激发单重态，都能通过振动 驰豫和内转化跃回到第一激发单重态的最低振动能级。