第七章分子发光荧光与磷光

共振光散射
瑞利散射
二级共振光散射
拉曼光
三级共振光散射
0 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900
l
三. 分子荧光(磷光)强度与荧光物质浓度的关系
1. 荧光强度(磷光)与浓度的关系
光吸收定律（Lambert – Beer Law）
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 l’2的荧光； 10-7～10 -9 s 。
由图可见，发射荧光的能量比分子吸收的能量小，波长
长； l’2 > l 2 > l 1 ；
磷光发射：激发态分子经过系间跨跃达到激发三重态后，并经 过迅速的振动弛豫达到第一激发三重态(T1)的最低振动能级上， 从T1态分子经发射光子返回基态。此过程称为磷光发射。
❖ 19世纪以前，荧光的观察是靠肉眼进行的，直到1928年，才由 Jette和West提出了第一台荧光计。
一、荧光与磷光的产生过程
luminescence process of molecular fluorescence phosphorescence
由分子结构理论，主要讨论荧光及磷光的产生机理。
如S1到T1跃迁就是系间跃迁的例子，即单重态到三重态的 跃迁。即较低单重态振动能级与较高的三重态振动能级重叠。 这种跃迁是“禁阻”的。
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：当分子处于第一激发单重态S1的最低能级时，分 子返回基态的过程比振动弛豫和内转化过程慢得多。分子可 能通过发射光子跃迁回到基态S0的各振动能级上，这个过程 称为荧光发射。
迟
回到基态
滞 荧
磷 内 转 移:S2~S1能级
光
光
之间有重叠
系间窜跃: S2~T1能级 之间有重叠
反系间窜跃:由外部获 取能量后
T1 ~ S2
二. 分子荧光(磷光)光谱
任何荧光分子都具有两种特征的光谱，即激发光谱和 发射光谱。
1. 荧光(磷光)激发光谱与发射光谱
荧光(磷光)均为光致发光，在光辐射的作用下，荧光物 质发射出不同波长的荧光。
振动弛豫
内转移
S2
紫 外 可 见 吸 收 光 谱
紫 外 可 见 共 振 荧 光 S0 光 谱
S1
外转移
反系间 １. 辐射跃迁的类型 窜跃 共振荧光：10-12 sec
荧光
荧 光：10-8 sec
系间 窜跃
磷 光：1~10-4 sec 迟滞荧光:102~10-4 sec
２. 无辐射跃迁的类型
振动弛豫: Vr 10-12sec T1 外 转 移:无辐射跃迁
l
荧光激发光谱
荧光发射光谱
200 250 300 350 400 450 500 nm
蒽的激发光谱和荧光光谱
三、荧光光谱的特征—激发光谱与发射光谱的关系
1、Stokes位移
在溶液中，分子的荧光发射波长总是比其相应的吸收(或激 发)光谱的波长长，荧光发射这种波长位移的现象称为Stokes 位移。
处于激发态的分子一方面由于振动弛豫等损失了部分能量， 另一方面溶剂分子的弛豫作用使其能量进一步损失，因而产 生了发射光谱波长的位移，这种位移表明在荧光激发和发射 之间所产生的能量损失。
2.电子激发态的多重度
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)，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； 通过其他途径进入 (见能级图)；进入的 几率小；
2.激发态→基态的能量传递途径(分子的去激过程)
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 振动弛预
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：10-4～10s；第一激发三重态的最低振动能级→基态；
A lg T lg It b,C Te 2 .30 b3 C
相应的吸光分数为：
I0
1It 1T1e2.30εb 3C I0
I 0 I t I 0 (1 e 2 .3ε 0 b3 ) C
荧光强度（IF）与相应的吸光分数成正比：
I F ( I 0 I t) I 0 ( 1 e 2 . 3ε b 0 ) C 3
2. 镜像对称规则
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 3 2
S1
IF4800
4400
固定lem=620nm(MAX) 固定lex=290nm (MAX)
1
4000
1→ 4
1→1
3600
3200
1→ 3
1→2
2800
1→ 2
2400
1→4
2000
1600
1200
4 3
S0
800
1→4
2 1
400
0
1→1
200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900
lex =290nm (MAX)
l
lem= 620nm(MAX)
镜像规则的解释
大多数吸收光谱的形状表明 了分子的第一激发态的振动 能级结构，而荧光发射光谱 则表明了分子基态的振动能 级结构
按分子激发态的类型分类： 分子发光
按光子能量分类：
光致发光
化学发光/生物发光
热致发光
场致发光
摩擦发光
荧光 磷光
瞬时荧光 迟滞荧光
荧光
斯托克斯荧光(Stokes)：
λex < λem
反斯托克斯荧光 (Antistokes)：λex > λem
共振荧光(Resonance)：
λex = λem
分子的活化与去活化
蒽的发射光谱
蒽的三维等高线光谱图
蒽的三维等荧光强度光谱
VB1和VB2的三维荧光光谱
3.三维共振光散射光谱
ATS
ADS
ADS ATS
RLS DS TS
RLS
DS
TS
散射片三维共振光散射等高线光谱图
散射片三维共振光散射光谱
4800
I F
4000
3200
2400
1600
800
固定lex=270nm
4400
4000
3600
3200
lex =290nm (MAX)
2800
2400
2000
1600
1200
800
400
0 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900
l
B. 发射光谱(荧光光谱)
固定激发光波长(选最大激发波长), 化合物发射的荧光( 或磷光强度)与发射光波长关系曲线。
磷光发射是不同多重态之间的跃迁(即T1 →S0)，故属于“禁阻” 跃迁。因此磷光的寿命比荧光要长很多，约为10-3到10s。所以， 将激发光从磷光样品移走后，还常可以观察到发光现象，而荧 光发射却观察不到该现象。
一. 分子荧光与磷光的产生 1. 单重态与三重态 2. 分子的活化与去活化 3.分子发光的类型 按激发的模式分类：分子发光
一般情况下，分 子的基态和第一 激发单重态的振 动能级结构相似， 因此吸收光谱的 形状与荧光发生 光谱的形状呈镜 像对称关系。
3、荧光发射光谱的形状与激发波长无关
一般地，用不同波长的激发光激发荧光分子，可以观察到 形状相同的荧光发射光谱。
荧光分子无论被激发到哪一个激发态，处于激发态的分子 经振动弛豫及内转换等过程最终回到第一激发态的最低振 动能级。而分子的荧光发射总是从第一激发态的最低振动 能级跃迁到基态的各振动能级上，所以荧光光谱的形状与 激发波长无关。
n
MXhvi MX*
i1
n
MX* MXhvj
j1
荧光(磷光)：光致发光，照射光波长如何选择？
A. 荧光激发光谱 固定测量波长(选最大发射波长),化合物发射的荧光(磷光)
强度与照射光波长的关系曲线。
固定发射波长 扫描激发波长
荧光激发光谱与 紫外-可见吸收光 谱类似
I F 4 8 0 0 固定lem=620nm(MAX)
第七章
molecular luminescence analysis 分子荧光:Fluorescence
分子磷光:Phosphorescence
§7.1 分子发光的基本原理
❖ 第一次记录荧光现象的是16世纪西班牙的内科医生和植物学家 N.Monardes ， 1575 年 他 提 到 在 含 有 一 种 称 为 “ Lignum Nephriticum”的木头切片的水溶液中，呈现了极为可爱的天蓝 色。
1. 分子能级与跃迁
分子能级比原子能级复杂； 在每个电子能级上，都存在振动、转动能级； 基态(S0)→激发态(S1、S2、激发态振动能级)：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(见能级图)；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 … ；
内转换
振动弛豫 内转换
S2
系间跨越
S1
能
T1 T2
量
吸 收
发
射
外转换
荧
光
发
射
磷 振动弛豫 光
S0
l3 l 1 分子吸收l 2和发射l 过2 程的Jablonski能级图
非辐射能量传递过程
振动弛豫：在凝聚相体系中，被激发到激发态(如S1和S2)的分子能通 过与溶剂分子的碰撞迅速以热的形式把多余的振动能量传递给周围的 分子，而自身返回该电子能级的最低振动能级，这个过程称为振动弛 豫。发生振动弛豫的时间10 -12 s。 内转换：当S2的较低振动能级与S1的较高振动能级的能量相当或重叠 时，分子有可能从S2的振动能级以无辐射方式过渡到S1的能量相等的 振动能级上。这个过程称为内转换。内转换发生的时间约为10 -12 s。 内转换过程同样也发生在激发态三重态的电子能级间。
对于稀溶液，当 bc<0.05（磷光 bc<0.01）时：
IF2 .3k 0F I0εbC IP2 .3k 0P I0εbC
IF----荧光强度
F-----荧光量子产率
b--吸收光程
--摩尔吸光系数
C--荧光物质浓度
IP----磷光强度
P-----磷光量子产率
k--与仪器灵敏度有关的参数
I0--入射光强度。
内转换
振动弛豫 内转换
S2
系间跨越
S1
能
T1 T2
量
吸 收
发
射
外转换
荧
光
发
射
磷 振动弛豫 光
S0
l3 l 1 分子吸收l 2和发射l 过2 程的Jablonski能级图
2. 三维荧光光谱
I F ∝f (λex 、λem)
固定发射波长、扫描激发波长
蒽的激发光谱
I F ∝f (λex 、λem)
固定激发波长、扫描发射波长
按照级数展开式：
ex 1 x x 2 x 3 x 4 • • • x n
1 ! 2 ! 3 ! 4 !
n !
I F I 0 ( 2 . 3 ε b 0 ( C 2 . 3 2 ! ε b ) 0 2 C ( 2 . 3 3 ! ε b ) 0 3 C ( 2 . 3 4 ! ε b ) 0 4 C )
由于振动弛豫和内转换过程极为迅速(10 -12 s)，因此，激发后的 分子很快回到电子第一激发单重态S1的最低振动能级。所以高于第一 激发态的荧光发射十分少见。
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 能量的非辐射跃迁；外转换过程是荧光或磷光的竞争过程，因 此，该过程使荧光或磷光减弱或“猝灭”。 系间跨越：是不同多重态之间的一种无辐射跃迁。该过程是激 发电子改变其自旋态，分子的多重性发生变化的结果。当两种 能态的振动能级重叠时，这种跃迁的概率增大。
荧光发射光谱 荧光激发光谱
磷光光谱
200 260 320 380 440 500 560 620 室温下菲的乙醇溶液荧（磷）光光谱
D.磷光光谱
与发射光谱相同条件下的磷光光谱
IF4800
4400
激发光谱
4000
3600 3200
发射光谱
2800
2400
2000
1600
12ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ0
800
400
0 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900
❖ 直到1852年，Stokes在考察奎宁和叶绿素的荧光时，用分光光 度计观察到其荧光的波长比入射光的波长稍微长些，才判断这 种现象是这些物质在吸收光能后重新发射不同波长的光，而不 是由光的漫射作用所引起的，从而导入了荧光是光发射的概念， 他还由发荧光的矿石“萤石”推演而提出“荧光”这一术语。
❖ 1867年，Goppelsroder进行了历史上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。