第三章 荧光分析法

20世纪以来，荧光现象的研究就更多了：
• 1905年，伍德(Wood)发现共振荧光。
• 1914年，弗兰克(Frank)和赫兹(Hertz)利用电子冲击 发光进行定量研究。
• 1922年，Wawillous 进行荧光产率的绝对测定。
• 1926年，盖维奥拉(Gaviola) 进行了荧光寿命的直接 测定。
图3.1 荧光和磷光体系能级图
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磷光发射
➢ 当从单重态到三重态的分子系间跨越跃迁发生后， 接着发生快速的振动弛豫而到达三重态的最低振动 能层上，当没有其他过程同它竞争时，分子将发生 磷光跃迁回基态，这一过程称为磷光发射。
• ……
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仪器：
• 19世纪前，荧光观察靠肉眼。 • 1928年，哲蒂(Jette)和维斯特(West)研制出第
一台光电荧光计。 • 如今，已有各式各样新型的荧光分析仪问世。
荧光分析已成为一种十分重要且有效的光谱分 析手段
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§3-2 荧光分析基本原理
一、荧光和磷光的产生
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图3.1 荧光和磷光体系能级图
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2.电子激发多重度 M
M 2s 1

s: 电子自旋量子数代数和，数值为0或1。
单重态
➢ 分子轨道中的电子都是自旋配对的,自旋方向相反.
➢ s=0，M=1
➢ 用符号S表示
三重态
➢ 电子跃迁过程中伴有自旋方向的改变
➢ s=1，M=3
➢ 用符号T表示
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➢ 由于溶液中振动弛豫效率很高，它在荧光发射之前 和发射之后都可能发生。因此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。
➢ 时间10-9-10-7s
➢ 荧光多为S1→ S0 跃迁。
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图3.1 荧光和磷光体系能级图
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系间跨越
发光
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 光能等)后被激发，跃迁到激发态，激发态不稳定， 分子将很快衰变到基态。若返回到基态时伴随着光 子的辐射，这种现象称为“发光”。
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◆ 原理：
1.分子能级
每个分子具有一系列严 格分立的能级，称为电子 能级，而每个电子能级中 又包含一系列的振动能层 和转动能层。 So：基态 S1:第一电子激发单重态 S2:第二电子激发单重态 T1:第一电子激发三重态 T2:第二电子激发三重态 ν=0,1,2,3…振动能层
➢ 时间10-12s
➢ Sn或Tn的νi→ ν0 ，即各振动能级间的小箭头。
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内转换
➢ 相同多重度等能态间的一种无辐射跃迁过程称为 内转换。
➢ 当两个相同多重度电子能级的振动能层间有重叠 时，则可能发生电子由高能层电子激发态以无辐 射跃迁方式跃迁到低能层的电子激发态。如由 S2→ S1 ，T2→ T1。
• 17世纪，波义尔(Boyle)和牛顿(Newton)等再次观察 到荧光现象并给予了更详细的描述。
• 1852年，斯托克斯(G.G.Stokes)用分光光度计考察奎 宁和叶绿素时发现：λ吸<λ荧（斯托克斯定则），所以 判断荧光是先吸光再发光，即荧光是发射光。并且根 据发荧光的矿物“萤石”→荧光。
此外他还研究了荧光强度与浓度之间的关系；描述了 高浓度时及有外来物质存在时的荧光猝灭现象。
➢ 当分子吸收光辐射后可能从基态的最低振动能层 S0(ν=0)跃迁到激发态Sn(ν=i)的较高的振动能层 上去。然而在液相或压力足够高的气相中，分子间 碰撞的几率很大，激发态分子可能将过剩的振动能 量以热的形式传递给周围的分子，而自身从Sn或Tn 的高振动能层(ν=i)失活到该电子能级的最低振动 能层(ν=0)上，这一过程称为振动弛豫（振动松 弛）。
• 荧光
当紫外光照射到某些物质的时候，这些物质会发射出各 种颜色和不同强度的可见光，而当紫外线停止照射时，所 发射的光线也随之很快地消失，这种光线——荧光。
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• 发展史
理论：
• 第一次记录荧光现象：1575年，西班牙内科医生、植 物学家莫纳德斯(N. Monardes )提到：一种木头切片 的水溶液呈“可爱的天蓝色”。
他也是第一个提出应用荧光作分析手段的人。
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• 1867年，瑞士，高贝尔斯莱德(F.Goppelsröder)进 行了首次的荧光分析工作，应用铝-桑色素配合物的荧 光进行铝的测定。
• 1880年，莱伯曼(Liebeman)提出了最早关于荧光与 化学结构关系的经验法则。
• 19世纪末，人们已经知道了600种以上的荧光化合物。
➢ 不同多重度状态间的一种无辐射跃迁过程称为系间 跨越。
➢ 它涉及受激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，这种跃迁一般 是禁阻的。
但如果两个不同多重度电子能态的振动能层有较 大的重叠时则可能通过自旋—轨道耦合等作用使其 实现。
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3.分子去活化 处在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，其中以速度最快、激发 态寿命最短的途径占优势。有以下几种基本的去活化过程。
振动驰豫 内转换 荧光发射 系间跨越 磷光发射 外转换
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图3.1 荧光和磷光体系能级图
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振动驰豫
➢ 时间10-13-10-11s
➢ 分子最初无论在哪一个激发单重态，都能通过振 动弛豫和内转换到达最低激发单重态(或三重态)的 最低振动能层上。
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图3.1 荧光和磷光体系能级图
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荧光发射
➢ 当分子处于单重激发态的最低振动能级S1(ν=0)时， 发射一个光子返回基态S0(ν=i) ，这一过程称为荧 光发射。
第三章
荧光分析法
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目录
§3-1 概述 §3-2 荧光分析基本原理 §3-3 荧光分析仪器 §3-4 荧光分析方法及应用
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§3-1 概述
• 分子发光
某些物质的分子吸收一定能量跃迁到较高的电子激发态 后，在返回电子基态的过程中伴随有光辐射的现象。
• 光致发光
物质因吸收光能而激发发光的现象。