分子荧光与分子磷光光谱法

3
在单重激发态中，两个电子平行自旋，单重态分子具有抗磁 性，其激发态的平均寿命大约为10-8s，而三重态分子具有顺磁性， 其激发态的平均寿命为10-4 ~ 1s以上（通常用S和T分别表示单重 态和三重态）。 处于激发态的电子，通常以辐射跃迁方式或无辐射跃迁方式 再回到基态。辐射跃迁主要涉及到荧光、延迟荧光或磷光的发射； 无辐射跃迁则是指以热的形式辐射其多余的能量，包括振动弛豫 （VR）、内部转移（IR）、系间窜跃（IX）及外部转移（EC） 等，各种跃迁方式发生的可能性及程度，与荧光物质本身的结构 及激发时的物理和化学环境等因素有关。 下面结合荧光和磷光的产生过程，进一步说明各种能量传递 方式在其中所起的作用。
（一）荧光和磷光的产生 处于分子基态单重态中的电子对，其自旋方向相反，当分子吸收能量，若 电子在跃迁过程中不发生自旋方向的改变，通常跃迁至第一激发态单重态轨道 上，也可能跃迁至能级更高的单重态上。这种跃迁是符合光谱选律的。 如果电子在跃迁过程中还伴随着自旋方向的改变，即跃迁至第一或更高的 激发三重态轨道上，这属于禁阻跃迁。 单重态与三重态的区别在于电子自旋方向不同，激发三重态具有较低能级 （处于分立轨道上的非成对电子，平行自旋要比成对自旋更稳定些－洪特规 则） 。

内转移
S2
S1
T1
S0
吸光1
吸光2
荧光、磷光 能级图
6
荧光发射 处于第一激发单重态中的电子跃回至 基态各振动能级时，将得到最大波长 为λ3的荧光。注意：基态中也有振 动驰豫跃迁。很明显，λ3的波长较 激发波长λ1或λ2都长，而且不论电 子开始被激发至什么高能级，最终将 S0 只发射出波长λ3为的荧光。荧光的 产生在10-7-10-9s内完成。
第十一章 分子荧光与分子磷光光谱法 分子发光分析Molecular Luminescence Analysis 分子发光分析包括荧光、磷光、化学发光、生物发光和散射光谱 等。 一、基本原理 分子发光：处于基态的分子吸收能量（电、热、化学和光能等） 被激发至激发态，然后从不稳定的激发态返回至基态并发射出光 子，此种现象称为发光。发光分析包括荧光、磷光、化学发光、 生物发光等。
级中，电子由高振动能级转至低振动能级，而将多余的能量以
热的形式发出。发生振动弛豫的时间为10-12s数量级。
S2 S1
振动弛豫
T1
S0 吸光1 吸光2
荧光、磷光 能级图 → 振动弛豫
5
内转换（Internal Conversion，IC） 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。右图中指出，处于高激发单重 态的电子，通过内转移及振动弛豫， 均跃回到第一激发单重态的最低振 动能级。
2
三重态能级低于单重态 （Hund规则）
激发单重态：分子吸收能 量，电子自旋仍然配对， 为单重态，称为激发单 重态，以S1，S2…表示
激发三重态：分子吸收能 量，电子自旋不再配对， 为三重态，称为激发三 重态，以T1，T2….表示。
基态：电子自旋配对， 多重度=2s+1=1，为单 重态，以S0表示。
S2
S1
T1
吸光1
吸光2 荧光3
荧光
7
系间窜跃（Intersystem Conversion， ISC）系间跨跃 指不同多重态间的无辐射跃迁，例如 S1→T1就是一种系间窜跃。通常，发 生系间窜跃时，电子由S1的较低振动 能级转移至T1的较高振动能级处。有 时，通过热激发，有可能发生T1→S1， 然后由S1发生荧光。这是产生延迟荧 光的机理。
10
三重态能级低于单重态 （Hund规则）
激发单重态：分子吸收能 量，电子自旋仍然配对， 为单重态，称为激发单 重态，以S1，S2…表示
激发三重态：分子吸收能 量，电子自旋不再配对， 为三重态，称为激发三 重态，以T1，T2….表示。
基态：电子自旋配对， 多重度=2s+1=1，为单 重态，以S0表示。
S2
S1
T1
吸光1
吸光2 荧光3
磷光
磷光 荧光、磷光 能级图
9
外转移（External Conversion，EC）外转换 指激发分子与溶剂分子或其它溶质分子的相互作用及能量转移， 使荧光或磷光强度减弱甚至消失。这一现象称为“熄灭”或 “猝灭”。 荧光与磷光的根本区别： 荧光是由激发单重态最低振动能层至基态各振动能层间跃迁产 生的；而磷光是由激发三重态的最低振动能层至基态各振动能 层间跃迁产生的。
S0
系间窜跃
S2
S1
T1
吸光1
吸光2 荧光3
荧光、磷光 能级图
8
磷光发射 电子由基态单重态激发至第一激发三重 态的几率很小，因为这是禁阻跃迁。但 是，由第一激发单重态的最低振动能级， 有可能以系间窜跃方式转至第一激发三 重态，再经过振动驰豫，转至其最低振 动能级，由此激发态跃回至基态时，便 发射磷光，这个跃迁过程（T1→S0）也 S0 是自旋禁阻的，其发光速率较慢，约为 10-4-10s。因此，这种跃迁所发射的光， 在光照停止后，仍可持续一段时间。
物质吸收光能后所产生的光辐射称之为荧光和磷光
1
单重态和三重态： 分子中的电子运动包括电子轨道的运动和电子的自旋运动。分子中电子的自旋 状态可用多重态 2S+1 描述（电子激发态的多重度用M＝2S+1表示），S 为总自 旋量子数（其数值为0和1）。若分子中没有未配对的电子，即S=0, 则2S+1=1 称为单重态（Pauli)；若分子中有两个自旋平行的未配对电子，即S=1，则 2S+1=3称为三重态，用T表示。 电子通常的情况下分子的电子处于最低的能级状态（大多数有机物的分子 的基态是处于单重态的）。用S0表示。若分子受激发，其电子从基态的电子能 级跃迁到较高的电子能级，即激发态，用S1, S2……表示。
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。
4
去活化过程（Deactivation）
处于激发态分子不稳定，通过辐射或非辐射跃迁等去活化过程
返回至基态 。这些过程包括： 振动弛豫（Vibrational Relaxation, VR）它是指 在同一电子能