第三章 分子发光分析

3. 激发光谱与发射光谱的关系
(1) 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。 (2) 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2, 1) ，产生不同吸收带，但均回到第一激发单 重态的最低振动能级再跃迁回到基态，产 生波长一定的荧光(如‘2)。 (3) 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。
4. 溶液pH值对荧光强度的影响
带有酸性或碱性官能团的大多数芳香族化合物的荧光一 般都与溶液的 pH有关。因此在荧光分析中要严格控制溶 液的pH值。
OH 有荧光pH~1
OH
OH H
+
O
-
无荧光 pH~1.3
O-
无荧光
有荧光
例
Chunxue Yuan, Shohei Saito,Cristopher Camacho, Stephan Irle, Ichiro Hisaki, and Shigehiro Yamaguchi.
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 -4～10 s； 第一激发三重态的最低振动能级→基态.
1. 荧光强度与溶液浓度的关系
发射的荧光光强 If 正比于该系统 吸收的激发光的光强，即 根据比尔定律：
If = φI a
I a = I0 –It= I0 (1-10-εlc)
式中I0 是入射光强度，It 是透过光强度。 将此式代入上式得
If =φ I0 (1-10-εlc) =φ I0 (1-e-2.3εlc)
量的非辐射跃迁；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。
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 ’2 的荧光； 10-7～10-9 s 。 发射荧光的能量比分子吸收的能量小，波长长； ’ 2 > 2 > 1 ；
式中ε是摩尔吸光系数，l是样品池的光程，c是样品浓度。而式中
e -2.3lc
(2.3 lc)2 (-2.3 lc)3 1 - 2.3lc ... 2! 3!
续
当 εlc≦0.05 时，可省略第二项后 的各项，则
e
-2.3lc
1 - 2.3lc
If = 2.3ΦI0εlc
A π-Conjugated System with Flexibility and Rigidity That Shows EnvironmentDependent RGB Luminescence. Journal of the American Chemical Society. 2013, 135, 8842−8845
2.溶剂对荧光强度的影响
溶剂的影响可分为一般溶剂效应：指的是溶剂的折 射率和介电常数的影响。有的情况下，增大溶剂的 极性，荧光增强，荧光峰红移。8-巯基喹啉在四氯化 碳、氯仿、丙酮和乙腈四种不同的极性溶剂中的情 况就是一例（见下表）。
续 8-巯基喹啉的荧光峰的位置和荧光效率与溶剂 介电常数的关系
发射的光量子数 吸收的光量子数
分子结构影响荧光强度
(a) 跃迁类型 (b) 共轭效应 (c) 刚性平面结构 (d) 取代基效应
续
(a) 跃迁类型 实验表明，大多数荧光化合物都是由 π→π* 或n→π*
跃迁激发，然后经过振动弛豫或其他无辐射跃迁， 再发生π*→π或π*→n跃迁而产生荧光，其中π*→π跃 迁的量子效率较高。
简称荧(磷)光光谱。如果将激发光波长固定在最大激发波长处，然 后扫描发射波长，测定不同发射波长处的荧(磷)光强度，即得到荧 (磷)光发射光谱。下图为萘的激发光谱、荧光发射光谱和磷光发射 光谱。 stokes 位移。在溶液中，分子荧光 的发射相对于吸收位移到较长的波 长，称为 Stokes 位移。这是由于受 激分子通过振动弛豫而失去振动能， 也由于溶液中溶剂分子与受激分子 的碰撞，也会有能量的损失。因此 在激发和发射之间产生了能量损失。
续 电子激发态的多重度用M=2S+1 表示, S 为电子自旋量子数的代数和。 其数值为 0或1。根据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。假如分子中全部轨道里的电子都 是自旋配对的。即 S=0，分子的多重度 M=1，该分子体系便处于单重态， 用符号S表示。大多数有机物分子的基态是处于单重态的。分子吸收能量后， 若电子在跃迁过程中不发生自旋方向的变化，这时分于处于激发的单重态， 如上图中的 Sl 和 S2。如果电子在跃迁过程中还伴随着自旋方向的改变，这 时分子使具有两个自旋不配对的电子，即 S=1，分子的多重度M=3，分子处 于激发的三重态 , 用符号T表示。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)，因此三重态能级总是比相应的单重态能 级略低，如上图中的T1和T2。 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。
续 (c) 刚性平面结构 实验发现多数具有刚性平面结构的分子具有强烈
的荧光．因为这种结构可以减少分子的振动，使 分子与溶剂或其他溶质分子的相互作用减小，也 就减少了碰撞去活的可能性。
比较荧光素和酚酞的结构。
荧光素在溶液中有很强的荧光， 而酚酞却没有。这主要是荧光 素分子中的氧桥使其具有刚性 平面结构。又如芴和联苯在同 样条件下其量子效率分别为 ≈ 1 利0.18，芴中的亚甲基使分子的 刚性增加，导致两者在荧光性 质上显著的差别。
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10-12s。 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。 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
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，
这可从它们的激发光谱曲线来确定。绘制激发光谱曲线时，选 择荧光(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。以激发光波长为横坐标，荧光强度为纵 坐标作图，即得到荧光(磷光)化合物的激发光谱。
2. 发射光谱
(b) 共轭效应 含有π*→π跃迁能级的芳香族化合物的荧光最强。这
种体系中的π电子共轭度越大，π电子非定域性越大，
越易被激发，荧光也就越易发生，而且荧光光谱将
向长波移动。所以绝大多数能发生荧光的物质含有 芳香环或杂环；除少数高共轭体系外，能发生荧光
的脂肪族和脂环族化合物极少。任何有利于提高 π
电子共轭度的结构改变，都将提高荧光效率，并使 荧光波长向长波方向移动。
续
(d) 取代基效应
芳香族化合物苯环上的不同取代基对该化合的的荧光 强度和荧光光谱有很大的影响。一般说来，给电子基团， 如 -OH 、 -OR 、 -NH2 、 -CN 、 -NR2 等，使荧光增强。因为
产生了p - π共扼作用, 增强了π电子共轭程度，使最低激发 单重态与基态之间的跃迁几率增大。而吸电子基团，如 COOH 、 -C=O 、 -NO2 、 -NO 、卤素离子等，会减弱甚至 会淬灭荧光。如硝基苯为非荧光物质, 而苯酚、苯胺的荧光 较苯强。
(Received: April 27, 2013. Published: May 30, 2013)
续
Anthraceneimide蒽酰亚胺+cyclooctatetraene环辛四烯
Conformational change of with flexible and rigid π scaffolds, which perturbs the π-conjugation.
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。
室温下菲的乙醇溶液荧（磷）光光谱
磷光光谱 荧光发射光谱 荧光激发光谱
200
260
320
380
440
500
560
620
三、溶液的荧光（或磷光）强度
当入射光强与I0与l一定，上式可简写为
If = Kc
即荧光强度与荧光物质的浓度成正比，但这种线性关系只有 在极稀的溶液的溶液中，当εlc≦0.05 时才成立。对于较浓 的溶液，由于淬灭现象和自吸收等原因，使荧光强度与浓度 不呈线性关系。
四、影响荧光强度的因素
1.荧光和分子结构的关系
分子产生荧光必须具备两个条件： （1）分子必须具有与所照射的辐射频率相适应的结构，才 能吸收激发光； （2）吸收了与其本身特征频率相同的能量之后，必须具有 一定的荧光量子产率。荧光量子产率 (φ) 也称荧光效 率或量子效率, 它表示物质发射荧光的能力，通常用下 式表示.
续
荧光：10-7～10 -9 s；磷光：10-4 ～100 s
内转换 Sபைடு நூலகம்2 振动弛豫 内转换 系间跨 越
S1
能 量
发 射 荧 光
T1 T2
外转换 发 射 磷 振动弛豫 光
吸 收 S0
l1 l2
l 2
l3
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。 示意于右图。图 中 基 态 用 S0 表 示 ，第一电子激发 单重态和第二电 子激发单重态分 别 用 S1 、 S2 表 示 ，第一电子激发 三重态和第二电 子激发三重态分 别 用 T1 ， T2 表 示 。υ＝0、1、2、 3…表示基态和激 发态的振动能层 。
第三章 分子发光分析
分子发光包括荧光、磷光、化学发光、生物 发光和散射光谱等。
本章主要讨论荧光分析。
3.1 分子荧光和磷光分析
一、原理
荧光和磷光的产生 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、化学能或光能等)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‛。 下面从分子结构理论来讨论荧光和磷光的产生机理。
但也有相反的情况。例如苯氨萘磺酸类化合物在戊醇、丁醇、 丙醇、乙醇和甲醇五种醇中，随着醇的极性增大，荧光强度减 小，荧光峰蓝移。因此，荧光光谱的位置和强度与溶剂极性之 间的关系，要看各种物质与溶剂的不同而异。
例：芘的荧光发射光谱
激发波长334nm。芘的荧光发射光谱依次在373 nm、379 nm、384 nm、 390 nm 和410 nm 附近出现五重发射峰。其中, 第一发射峰与第三发射 峰强度比(I1/I3 )会随着溶液极性的减小而下降。因此, I1/I3常用来表征其 所处环境极性的大小, 其值越大表明芘探针所处微环境的极性越大 ; 反 之, 若I1/I3越小则表明芘探针所处微环境的极性越小。
(a) 芘在水溶液中的荧光谱 (b)在甜菜碱溶液中的荧光谱
3. 温度对荧光强度的影响
温度对荧光强度的影响较敏感，因此荧光分析时一 定要控制好温度。温度上升使荧光强度下降。
主要的原因是分子的内部能量转化作用。当激发分子
接受额外热能时，有可能使激发能转换为 基态的振动能量，随后迅速振动弛豫而丧 失振动能量。 另一个原因是溶液温度下降时，介质的粘度增大，荧 光物质与溶剂分子碰撞也随之减少。相反， 随着温度上升，碰撞频率增加，使外转换 的去活几率增加。
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）
；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→内转移→系间跨越→振动弛豫→ T1。发 光速度很慢： 10-4～100 s 。光照停止后，可持续一段时间。
二、激发光谱和发射光谱
任何荧光（磷光）化合物都具有两个特征光谱：激发光 谱和发射光谱。他们是定性和定量分析的基本参数和依据。