第五章 分子发光分析法

质与猝灭剂反应生成非荧光的化合物，导致荧光的猝灭。
M Q MQ
基态的荧光物质 （3）氧的猝灭 O2可以说是荧光和磷光的最普遍存在的猝灭剂。氧对 溶液荧光产生猝灭作用的原因比较复杂，还没有一个完整的 猝灭剂
确定说法，可能包含着多种机理。
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S2
第二激发单 重态
S1
第一激发三 重态
T1
S0
基态 S0
振动能级
电子能级
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2. 分子能级的跃迁
分子发光属于分子发射光谱的范畴，光发射过程涉及分子 内部电子能级的跃迁。 基态 ( S0 )→ 激发态 ( S1、S2 ...) ：吸收特定频率的辐射；量 子化；跃迁一次到位； 激发态→基态：多种途径和方式 , 速度最快、激发态寿 命最短的途径占优势。 第一、第二、…电子激发单重态 S1 、S2… ； 第一、第二、…电子激发三重态 T1 、 T2 … 。
系间跨越：不同多重态在有重叠的转动能级间的非辐射跃迁
。 改变电子自旋，跃迁禁阻的，通过自旋-轨道耦合等跃迁。 系间跨越的速度较慢，经历的时间较长。
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辐射能量传递过程
1、荧光发射：电子由基态S0 →激发态→内转换或振动弛豫→ 第一激发单重态的最低振动能级S1 →基态各振动能级S0 ，电 子最后由第一激发单重态的最低振动能级→基态各振动能级(为 S1→ S0跃迁)，发射波长为 l 2的荧光；发射时间约为10-7～10 -9 s。 发射荧光的能量比分子吸收（激发光谱）的能量小,波长长, l 2 > l 1（激发波长） 2、磷光发射：电子最后由第一激发三重态的最低振动能级→基 态各振动能级(T1→ S0跃迁) 。发光速度很慢： 10-4～100 s 。 光照停止后，可持续一段时间。 电子由S0进入T1的可能过程：（ S0 → T1禁阻跃迁） 过程： S0 →激发态→振动弛豫→内转换→系间跨越→振 动弛豫→ T1 → S0
3. 溶液pH
对酸碱化合物，溶液pH的影响较大，需要严格控制。
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4.内滤光作用和自吸现象
内滤光作用：溶液中含有能吸收荧光物质发射的荧光的组分
，如色胺酸中的重铬酸钾；
自吸现象：化合物的荧光发射光谱的短波长端与其吸收光谱 的长波长端重叠，产生自吸收；如蒽化合物。
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• 具有强荧光的分子多数有刚性平面结构
-o
o
o
-o
o coo -
coo -
荧光素：氧桥把两 个环固定在一个平 面上，具有平面结 构，强荧光物质
酚酞：无氧桥把两 个环固定，不能很 好的共平面，为非 荧光物质
（4）取代基效应：
取代基的性质(尤其是生色基团)对荧光体的荧光特性和强 度均有强烈的影响。 取代基的影响主要有以下几个方面： ① 给电子取代基使荧光加强 属于这类基团的有-NH2，-NHCH3，-N(CH3)2，-OH，-OCH3，
K
i
i
K IC K ISC KQ
磷光的量子产率Φp与荧光量子产率Φp相似。
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2.化合物的结构与荧光
（1）跃迁类型：
大多数能发荧光的化合物都是由 →*或n→*跃迁激发 ，然后经过振动弛豫等无辐射跃迁，再发生跃迁而产生荧光 。 其中*→ 跃迁的类型是产生荧光的最主要跃迁类型。
产生位移原因的之一。
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3.荧光光谱的基本特征
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l2 , l1)，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各振动能级，产生波长一定 的荧光(如l'2 )。
c.荧光发射光谱与吸收光谱成镜像关系
620
通过发射光谱选择最佳的发射波长 —— 发射荧光 ( 磷光 )
强度最大的发射波长，常用λem表示。
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荧光激发光谱
荧光发射光谱
200
250
300
350
400
450
蒽的激发光谱和荧光光谱
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500 nm
3.荧光光谱的基本特征
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。 产生原因： ①振动弛豫：激发态分子由于振动弛豫的无辐射跃迁，损失 能量变为热能， E 变小，则波长变大，是产生位移主要原因 。 ② 外转移：溶剂分子与受激分子的碰撞会失去部分能量，是
-CN等。苯胺或苯酚大于苯的荧光。n电子云芳香环的轨道平行，
扩大的共轭双键。 ② 吸电子基团使荧光减弱 属于这类基团的有如羰基(-COOH，-CHO)，硝基(NO2)
及重氮基等。 苯发荧光，而硝基苯不发荧光。
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③ 芳环上被F、Cl、Br、I 取代后，使系间窜跃加强(S1往T1)
（2）共轭效应：
发生荧光(或磷光)的物质，其分子都含有共轭双键(π 键)的结构体系。共轭体系越大，电子的离域性越大，π越 容易被激发，荧光也就越容易发生，且荧光光谱向长波移 动。大部分荧光物质都具有芳环或杂环，芳环越大，其荧
光(或磷光)峰越向长波移动，且荧光强度往往也较强。
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几种线状多环芳烃的荧光
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3.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(热)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。
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电子能级的激发态的多重度
电子激发态的多重度：M=2S+1 S为电子自旋量子数的代数和(0或1)。 平行自旋比成对自旋稳定（洪特规则），因此，在同一激 发态中，三重态能级比相应单重态能级低。
大多数有机分子的基态处于单重态。
S0→T1 禁阻跃迁； 通过其他途径(系间跨 越)；进入的几率小。 基态用S0表示 单重态用S１—Sn表示 三重态用T１—Tn表示
M + h → M* → M + h ′
荧光和磷光属于光致发光。
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1. 分子能级的状态
（１）、 电子能级 单重态和三重态 ΔEe=419kJ/mol 同等条件下，Tn小于Sn
Sn or Tn
（２）、 同一电子能级内，具有不同的振动能级
ΔEv=21kJ/mol
第n激发态
第一激发单 重态
基态具有更大的极性，所以随着溶剂极性的增大，对激发态
比对基态产生更大的稳定作用，因此降低了跃迁的能量，荧 光光谱发生红移，而且荧光增强。
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2. 温度的影响
荧光强度对温度变化敏感，温度增加，外转换去活的几
率增加。低温荧光分析受到重视。
不同温度下邻菲啰啉在 邻二苯中的荧光光谱
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或
发射荧光的分子数 f 激发的总分子数
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荧光量子产率与激发态能量释放各过程的速率常数有关 ，可用各过程的速率常数来表示荧光量子产率：

K f Ki
i
Kf
各种无辐射跃迁过程的速 率常数之和。取决于分子 所处的化学环境，同时也 与化学结构有关。
荧光发射过程的速率常 数，取决于分子结构。
5. 荧光猝灭
荧光分子与溶剂分子或者其他分子之间存在相互作用，使
得荧光强度降低或消失的现象。
（1）碰撞猝灭 碰撞猝灭是荧光猝灭的主要类型之一。
M Q M Q 热量
* 1
激发单重态 的荧光分子
猝灭剂分子
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（2）生成化合物的猝灭
生成化合物的猝灭也称为静态猝灭，是指基态的荧光物
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二、荧光(磷光)激发光谱与发射光谱
荧光和磷光均属于光致发光，都涉及到两种辐射，即光 的吸收和发射，因而也都具有两种特征光谱，即激发光谱和 发射光谱。
1.激发光谱
固定发射波长(选最大发射波长),扫描激发波长，可获得
化合物发射的荧光(磷光)强度与激发波长的关系曲线。 通过激发光谱，选择最佳激发波长——发射荧光(磷光)
第五章 分子发光分析法
一、分子荧光和磷
光分析法
二、化学发光分析
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第五章 分子发光分析法
一、分子荧光与磷光产生过 程
第一节 分子荧光与磷光
二、激发光谱与荧光光谱 三、荧光的产生与分子结构 关系 四、影响荧光强度的因素
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荧光棒/圈
• 荧光棒中的化学物质主要由三种物质组成：过氧化物、酯 类化合物和荧光染料。简单地说，荧光棒发光的原理就是 过氧化物和酯类化合物发生反应，将反应后的能量传递给 荧光染料，再由染料发出荧光。目前市场上常见的荧光棒 中通常放置了一个玻璃管夹层，夹层内外隔离了过氧化物 和酯类化合物，经过揉搓，两种化合物反应使得荧光染料 发光。 • 液体A是各色不同荧光颜料与双草酸二酯（CPPO）溶于 溶剂的溶液，液体B是双氧水溶于溶剂的溶液，主要的溶 剂是酯类化合物。化学反应方程式： • CPPO+H2O2——2C6H5OH+2CO2+等 • 过氧化氢把苯基草酸酯氧化成两个分子的酚，在这个过程 中会产生一个高能量的中间物，这个中间物会把能量传给 染料，电子激发态的染料不稳定，因此借放光而回到稳定 基态。这种光是由化学反应而产生，称为化学发光。
化合物 苯 萘 量子产率φF 0.11 0.29 λex（nm） 205 286 λem（nm） 278 321
蒽
丁省 戊省
0.46
0.60 0.52
365
390 580
400
480 640
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（3）刚性平面结构：
刚性平面结构可降低分子振动，减少与溶剂的相互作 用，减少能量的外部损失，故具有很强的荧光。如荧光素 和酚酞有相似结构，荧光素有很强的荧光，酚酞却没有。
，磷光增强，荧光减弱。其荧光强度随卤素原子量增加而减 弱，磷光相应增强，这种效应为重原子效应。
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四、影响荧光强度的因素
影响荧光强度的外部因素
1.溶剂的影响
除一般溶剂效应外，溶剂的极性、氢键、配位键的形成
都将使化合物的荧光发生变化； 荧光发射的主要*→电子跃迁类型跃迁来说，电子激发态比
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。 可由荧光发射光谱和吸收光谱的成因来解释。
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镜像规则产生原因：
(a) 吸收光谱的形状表明了分子 第一激发单重态的振动能级结构，其 由基态 →激发单重态的吸收谱，发射 光谱表明了分子基态的振动能级结构 ，其由激发单重态 →基态的发射谱，
强度最大的激发光波长，常用λex表示。
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2.发射光谱
固定激发波 长 ( 选最大激发波 长),扫描发射波 长，可获得化合 物发射的荧光 ( 或 磷光 ) 强度与发射 波长关系曲线。
200
荧光发射光谱 荧光激发光谱
磷光光谱
260 320 380 440 500 560 室温下菲的乙醇溶液荧（磷）光光谱
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内转换
S2
S1
内转换 振动弛豫 系间跨越
能 量ห้องสมุดไป่ตู้
吸 收
T1
发 射 荧 光 外转换
T2
发 射 磷 振动弛豫 光
S0
l1
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l2
l 2
l3
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 -12 s。 内转换：相同多重度的电子能级中, 相等能级间的非辐射能级 交换。发生内转换的时间10 -11 ~ 10 -11 s。 外转换：激发态分子与溶剂或其他分子之间产生相互作用而 损失能量回到基态的非辐射跃迁。 外转换使荧光或磷光减弱或“猝灭”。
两个相反过程。
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三、荧光的产生与分子结构的关系
1.分子产生荧光必须具备的条件
（1）具有合适的结构：通常是含有苯环和稠环的刚性结构 的有机分子； （2）具有一定的荧光量子产率。 荧光量子产率（Φ）：
衡量荧光物质发光能力。它表示激发分子发射出荧光(或
磷光) 的比例
发射的光量子数 吸收的光量子数
一、荧光与磷光的产生过程
基态分子吸收能量(光能、化学能、电能或热能等) ，电 子由基态跃迁到激发态，当电子由激发态返回基态时发射电
磁辐射(即光)的形式释放能量，就称为“发光”。
M + 能量 →M* →M + 热量 → M + h ′
分子吸收了光能而被激发，跃迁回基态所发射的电磁辐
射，称为荧光和磷光。