第十六章

分子發光分析法一、分子熒光與磷光產生過程luminescenceprocessofmolecularfluorescencephosphorescence二、激發光譜與熒光光譜excitationspectrumandfluore-scencespectrum三、熒光的產生與分子結構關系

relationbetween

fluorescenceandmolecularstructure四、影響熒光強度的因素factorinfluenced

fluorescence第一節

分子熒光與磷光molecularluminescence

analysis

molecularfluorescenceandphosphorescence2022/12/17第十六章

分子發光分析法一、分子熒光與磷光產生過程第一節1一、熒光與磷光的產生過程

luminescenceprocessofmolecularfluorescencephosphorescence由分子結構理論，主要討論熒光及磷光的產生機理。1.分子能級與躍遷分子能級比原子能級復雜；在每個電子能級上，都存在振動、轉動能級；

基態(S0)→激發態(S1、S2、激發態振動能級)：吸收特定頻率的輻射；量子化；躍遷一次到位；激發態→基態：多種途徑和方式(見能級圖)；速度最快、激發態壽命最短的途徑占優勢；第一、第二、…電子激發單重態S1、S2…

；第一、第二、…電子激發三重態T1、T2…

；2022/12/17一、熒光與磷光的產生過程

luminescencepro22.電子激發態的多重度

電子激發態的多重度：M=2S+1

S為電子自旋量子數的代數和(0或1)；平行自旋比成對自旋穩定(洪特規則)，三重態能級比相應單重態能級低；大多數有機分子的基態處于單重態；

S0→T1

禁阻躍遷；通過其他途徑進入(見能級圖)；進入的幾率小；

2022/12/172.電子激發態的多重度電子激發態的多重度：M=2S+132.激發態→基態的能量傳遞途徑

電子處于激發態是不穩定狀態，返回基態時，通過輻射躍遷(發光)和無輻射躍遷等方式失去能量；傳遞途徑輻射躍遷熒光延遲熒光磷光內轉移外轉移系間跨越振動弛預無輻射躍遷

激發態停留時間短、返回速度快的途徑，發生的幾率大，發光強度相對大；熒光：10-7～10-9

s,第一激發單重態的最低振動能級→基態；磷光：10-4～10s；第一激發三重態的最低振動能級→基態；2022/12/172.激發態→基態的能量傳遞途徑電子處于激發態是不穩定4S2S1S0T1吸收發射熒光發射磷光系間跨越內轉換振動弛豫能量l2l1l

3

外轉換l

2T2內轉換振動弛豫2022/12/17S2S1S0T1吸發發系間跨越內轉換振動弛豫能l2l1l5非輻射能量傳遞過程

振動弛豫：同一電子能級內以熱能量交換形式由高振動能級至低相鄰振動能級間的躍遷。發生振動弛豫的時間10-12

s。

內轉換：同多重度電子能級中,等能級間的無輻射能級交換。通過內轉換和振動弛豫，高激發單重態的電子躍回第一激發單重態的最低振動能級。

外轉換：激發分子與溶劑或其他分子之間產生相互作用而轉移能量的非輻射躍遷；外轉換使熒光或磷光減弱或“猝滅”。系間跨越：不同多重態,有重疊的轉動能級間的非輻射躍遷。改變電子自旋，禁阻躍遷，通過自旋—軌道耦合進行。2022/12/17非輻射能量傳遞過程振動弛豫：同一電子能級內以熱能量交換形式6輻射能量傳遞過程

熒光發射：電子由第一激發單重態的最低振動能級→基態（多為S1→S0躍遷），發射波長為‘2的熒光；10-7～10-9

s。

由圖可見，發射熒光的能量比分子吸收的能量小，波長長；‘2>2>1；磷光發射：電子由第一激發三重態的最低振動能級→基態（T1→S0躍遷）；電子由S0進入T1的可能過程：（S0→T1禁阻躍遷）

S0→激發→振動弛豫→內轉移→系間跨越→振動弛豫→T1發光速度很慢：10-4～100s。

光照停止后，可持續一段時間。2022/12/17輻射能量傳遞過程熒光發射：電子由第一激發單重態的最低振動能7二、激發光譜與熒光(磷光)光譜

excitationspectrumandfluore-scencespectrum熒光(磷光)：光致發光，照射光波長如何選擇？1.熒光(磷光)的激發光譜曲線

固定測量波長(選最大發射波長),化合物發射的熒光(磷光)強度與照射光波長的關系曲線（圖中曲線I）。激發光譜曲線的最高處，處于激發態的分子最多，熒光強度最大；2022/12/17二、激發光譜與熒光(磷光)光譜

excitationsp82.熒光光譜(或磷光光譜)固定激發光波長(選最大激發波長),

化合物發射的熒光(或磷光強度)與發射光波長關系曲線(圖中曲線II或III)。2022/12/172.熒光光譜(或磷光光譜)固定激發光波長(選最大激發92022/12/172022/12/16103.激發光譜與發射光譜的關系

a.Stokes位移激發光譜與發射光譜之間的波長差值。發射光譜的波長比激發光譜的長，振動弛豫消耗了能量。

b.發射光譜的形狀與激發波長無關電子躍遷到不同激發態能級，吸收不同波長的能量(如能級圖2,1)，產生不同吸收帶，但均回到第一激發單重態的最低振動能級再躍遷回到基態，產生波長一定的熒光(如‘2)。

c.

鏡像規則通常熒光發射光譜與它的吸收光譜（與激發光譜形狀一樣）成鏡像對稱關系。2022/12/173.激發光譜與發射光譜的關系a.Stokes位移20211鏡像規則的解釋

基態上的各振動能級分布與第一激發態上的各振動能級分布類似；基態上的零振動能級與第一激發態的二振動能級之間的躍遷幾率最大，相反躍遷也然。

2022/12/17鏡像規則的解釋基態上的各振動能級分布與第一激發態上的12200250300350400450500熒光激發光譜熒光發射光譜nm蒽的激發光譜和熒光光譜2022/12/17200250300350400450500熒光激發光譜熒光發13三、熒光的產生與分子結構的關系

relationbetweenfluorescenceandmolecularstructure1.分子產生熒光必須具備的條件（1）具有合適的結構；（2）具有一定的熒光量子產率。熒光量子產率（）：熒光量子產率與激發態能量釋放各過程的速率常數有關，如外轉換過程速度快，不出現熒光發射；2022/12/17三、熒光的產生與分子結構的關系

relationbetw142.化合物的結構與熒光（1）躍遷類型：*→的熒光效率高，系間跨越過程的速率常數小，有利于熒光的產生；（2）共軛效應：提高共軛度有利于增加熒光效率并產生紅移（3）剛性平面結構：可降低分子振動，減少與溶劑的相互作用，故具有很強的熒光。如熒光素和酚酞有相似結構，熒光素有很強的熒光，酚酞卻沒有。（4）取代基效應：芳環上有供電基，使熒光增強。2022/12/172.化合物的結構與熒光（1）躍遷類型：*→的熒光效率152022/12/172022/12/1616四、影響熒光強度的因素

relationbetweenfluorescenceandmolecularstructure

影響熒光強度的外部因素1.溶劑的影響除一般溶劑效應外，溶劑的極性、氫鍵、配位鍵的形成都將使化合物的熒光發生變化；2.溫度的影響熒光強度對溫度變化敏感，溫度增加，外轉換去活的幾率增加。3.溶液pH

對酸堿化合物，溶液pH的影響較大，需要嚴格控制；2022/12/17四、影響熒光強度的因素

relationbetween174.內濾光作用和自吸現象

自吸現象：化合物的熒光發射光譜的短波長端與其吸收光譜的長波長端重疊，產生自吸收；如蒽化合物。內濾光作用：溶液中含有能吸收激發光或熒光物質發射的熒光，如色胺酸中的重鉻酸鉀；2022/12/174.內濾光作用和自吸現象自吸現象：化合物的185.溶液熒光的猝滅碰撞猝滅；氧的熄滅作用等。2022/12/175.溶液熒光的猝滅碰撞猝滅；2022/119內容選擇第一節分子熒光和磷光molecularfluorescenceandphosphorescence第二節分子熒光和磷光分析法molecularfluorescenceandphosphorescenceanalysis第三節分子發光分析chemiluminescenceanalysis結束2022/12/17內容選擇第一節分子熒光和磷光結束2022/12/1620第十六章

分子發光分析法一、分子熒光與磷光產生過程luminescenceprocessofmolecularfluorescencephosphorescence二、激發光譜與熒光光譜excitationspectrumandfluore-scencespectrum三、熒光的產生與分子結構關系

relationbetween

fluorescenceandmolecularstructure四、影響熒光強度的因素factorinfluenced

fluorescence第一節

分子熒光與磷光molecularluminescence

analysis

molecularfluorescenceandphosphorescence2022/12/17第十六章

分子發光分析法一、分子熒光與磷光產生過程第一節21一、熒光與磷光的產生過程

luminescenceprocessofmolecularfluorescencephosphorescence由分子結構理論，主要討論熒光及磷光的產生機理。1.分子能級與躍遷分子能級比原子能級復雜；在每個電子能級上，都存在振動、轉動能級；

基態(S0)→激發態(S1、S2、激發態振動能級)：吸收特定頻率的輻射；量子化；躍遷一次到位；激發態→基態：多種途徑和方式(見能級圖)；速度最快、激發態壽命最短的途徑占優勢；第一、第二、…電子激發單重態S1、S2…

；第一、第二、…電子激發三重態T1、T2…

；2022/12/17一、熒光與磷光的產生過程

luminescencepro222.電子激發態的多重度

電子激發態的多重度：M=2S+1

S為電子自旋量子數的代數和(0或1)；平行自旋比成對自旋穩定(洪特規則)，三重態能級比相應單重態能級低；大多數有機分子的基態處于單重態；

S0→T1

禁阻躍遷；通過其他途徑進入(見能級圖)；進入的幾率小；

2022/12/172.電子激發態的多重度電子激發態的多重度：M=2S+1232.激發態→基態的能量傳遞途徑

電子處于激發態是不穩定狀態，返回基態時，通過輻射躍遷(發光)和無輻射躍遷等方式失去能量；傳遞途徑輻射躍遷熒光延遲熒光磷光內轉移外轉移系間跨越振動弛預無輻射躍遷

激發態停留時間短、返回速度快的途徑，發生的幾率大，發光強度相對大；熒光：10-7～10-9

s,第一激發單重態的最低振動能級→基態；磷光：10-4～10s；第一激發三重態的最低振動能級→基態；2022/12/172.激發態→基態的能量傳遞途徑電子處于激發態是不穩定24S2S1S0T1吸收發射熒光發射磷光系間跨越內轉換振動弛豫能量l2l1l

3

外轉換l

2T2內轉換振動弛豫2022/12/17S2S1S0T1吸發發系間跨越內轉換振動弛豫能l2l1l25非輻射能量傳遞過程

振動弛豫：同一電子能級內以熱能量交換形式由高振動能級至低相鄰振動能級間的躍遷。發生振動弛豫的時間10-12

s。

內轉換：同多重度電子能級中,等能級間的無輻射能級交換。通過內轉換和振動弛豫，高激發單重態的電子躍回第一激發單重態的最低振動能級。

外轉換：激發分子與溶劑或其他分子之間產生相互作用而轉移能量的非輻射躍遷；外轉換使熒光或磷光減弱或“猝滅”。系間跨越：不同多重態,有重疊的轉動能級間的非輻射躍遷。改變電子自旋，禁阻躍遷，通過自旋—軌道耦合進行。2022/12/17非輻射能量傳遞過程振動弛豫：同一電子能級內以熱能量交換形式26輻射能量傳遞過程

熒光發射：電子由第一激發單重態的最低振動能級→基態（多為S1→S0躍遷），發射波長為‘2的熒光；10-7～10-9

s。

由圖可見，發射熒光的能量比分子吸收的能量小，波長長；‘2>2>1；磷光發射：電子由第一激發三重態的最低振動能級→基態（T1→S0躍遷）；電子由S0進入T1的可能過程：（S0→T1禁阻躍遷）

S0→激發→振動弛豫→內轉移→系間跨越→振動弛豫→T1發光速度很慢：10-4～100s。

光照停止后，可持續一段時間。2022/12/17輻射能量傳遞過程熒光發射：電子由第一激發單重態的最低振動能27二、激發光譜與熒光(磷光)光譜

excitationspectrumandfluore-scencespectrum熒光(磷光)：光致發光，照射光波長如何選擇？1.熒光(磷光)的激發光譜曲線

固定測量波長(選最大發射波長),化合物發射的熒光(磷光)強度與照射光波長的關系曲線（圖中曲線I）。激發光譜曲線的最高處，處于激發態的分子最多，熒光強度最大；2022/12/17二、激發光譜與熒光(磷光)光譜

excitationsp282.熒光光譜(或磷光光譜)固定激發光波長(選最大激發波長),

化合物發射的熒光(或磷光強度)與發射光波長關系曲線(圖中曲線II或III)。2022/12/172.熒光光譜(或磷光光譜)固定激發光波長(選最大激發292022/12/172022/12/16303.激發光譜與發射光譜的關系

a.Stokes位移激發光譜與發射光譜之間的波長差值。發射光譜的波長比激發光譜的長，振動弛豫消耗了能量。

b.發射光譜的形狀與激發波長無關電子躍遷到不同激發態能級，吸收不同波長的能量(如能級圖2,1)，產生不同吸收帶，但均回到第一激發單重態的最低振動能級再躍遷回到基態，產生波長一定的熒光(如‘2)。

c.

鏡像規則通常熒光發射光譜與它的吸收光譜（與激發光譜形狀一樣）成鏡像對稱關系。2022/12/173.激發光譜與發射光譜的關系a.Stokes位移20231鏡像規則的解釋

基態上的各振動能級分布與第一激發態上的各振動能級分布類似；基態上的零振動能級與第一激發態的二振動能級之間的躍遷幾率最大，相反躍遷也然。

2022/12/17鏡像規則的解釋基態上的各振動能級分布與第一激發態上的32200250300350400450500熒光激發光譜熒光發射光譜nm蒽的激發光譜和熒光光譜2022/12/17200250300350400450500熒光激發光譜熒光發33三、熒光的產生與分子結構的關系

relationbetweenfluorescenceandmolecularstructure1.分子產生熒光必須具備的條件（1）具有合適的結構；（2）具有一定的熒光量子產率。熒光量子產率（）：熒光量子產率與激發態能量釋放各過程的速率常數有關，如外轉換過程速度快，不出現熒光發射；2022/12/17三、熒光的產生與分子結構的關系

relationbetw342.化合物的結構與熒光（1）躍遷類型：*→的熒光效率高，系間跨越過程的速率常數小，有利于熒光的產生；（2）共軛效應：提高共軛度有利于增加熒光效率并產生紅移（3）剛性平面結構：可降低分子振動，減少與溶劑的相互作用，故具有