第五章 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
1 第五章 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
分子发光分析法教学要求 掌握分子荧光、磷光和化学发光的产生机理； 掌握激发光谱和发射光谱特征。 掌握荧光与分子结构的关系以及溶液的荧光 (磷光)强度影响因素。 了解荧光（磷光）分析法的特点及定量测定方 法。 了解磷光分析法的类型。 了解荧光、磷光和化学发光分析仪器的结构
2 分子发光分析法教学要求 掌握分子荧光、磷光和化学发光的产生机理； 掌握激发光谱和发射光谱特征。 掌握荧光与分子结构的关系以及溶液的荧光 （磷光）强度影响因素。 了解荧光（磷光）分析法的特点及定量测定方 法。 了解磷光分析法的类型。 了解荧光、磷光和化学发光分析仪器的结构
第一节 分子荧光和磷光分析 基本原理 (一)荧光和磷光的产生 在电磁辐射基础中，已经简单地讨论过荧光及磷光 的产生机理。这里将根据分子结构理论，将进一步讨论。 处于分子基态单重态中的电子对，其自旋方向相反， 当其中一个电子被激发时，通常跃迁至第一激发态单重 态轨道上，也可能跃迁至能级更高的单重态上。这种跃 迁是符合光谱选律的，如果跃迁至第一激发三重态轨道 上，则属于禁阻跃迁。单重态与三重态的区别在于电子 自旋方向
3 第一节 分子荧光和磷光分析 一、基本原理 （一）荧光和磷光的产生 在电磁辐射基础中，已经简单地讨论过荧光及磷光 的产生机理。这里将根据分子结构理论，将进一步讨论。 处于分子基态单重态中的电子对，其自旋方向相反， 当其中一个电子被激发时，通常跃迁至第一激发态单重 态轨道上，也可能跃迁至能级更高的单重态上。这种跃 迁是符合光谱选律的，如果跃迁至第一激发三重态轨道 上，则属于禁阻跃迁。单重态与三重态的区别在于电子 自旋方向
第一节 分子荧光和磷光分析 不同，激发三重态具有较低能级。 在单重激发态中，两个电子平行自旋，单重态分子 具有抗磁性，其激发态的平均寿命大约为108s,而三重 态分子具有顺磁性，其激发态的平均寿命为104~1s以上 (通常用S和T分别表示单重态和三重态)。 处于激发态的电子，通常以辐射跃迁方式或无辐射 跃迁方式再回到基态。辐射跃迁主要涉及到荧光、延迟 荧光或磷光的发射；无辐射跃迁则是指以热的形式辐射 其多余的能量，包括振动弛豫(R)、内部转移(R) 系间窜跃(X)及外部转移EC)等，各种跃迁方式发 生的
4 第一节 分子荧光和磷光分析 不同，激发三重态具有较低能级。 在单重激发态中，两个电子平行自旋，单重态分子 具有抗磁性，其激发态的平均寿命大约为10-8 s，而三重 态分子具有顺磁性，其激发态的平均寿命为10-4 ~ 1s以上 （通常用S和T分别表示单重态和三重态）。 处于激发态的电子，通常以辐射跃迁方式或无辐射 跃迁方式再回到基态。辐射跃迁主要涉及到荧光、延迟 荧光或磷光的发射；无辐射跃迁则是指以热的形式辐射 其多余的能量，包括振动弛豫（VR）、内部转移（IR）、 系间窜跃（IX）及外部转移（EC）等，各种跃迁方式发 生的
第一节 分子荧光和磷光分析 可能性及程度，与荧光物质本身的结构及激发时的物理 和化学环境等因素有关。 下面结合荧光和磷光的产生过程，进一步说明各种能 量传递方式在其中所起的作用。 设处于基态单重态中的电子吸收波长为入1和λ2的 辐射光之后，分别激发至第二单重态S2及第一单重态S1。 振动弛豫 它是指在同一电子能级中，申子由高振动能级转至 低振动能级，而将多余的能量以热的形式发出。发生振 动弛豫的时间为1012s数量级
5 第一节 分子荧光和磷光分析 可能性及程度，与荧光物质本身的结构及激发时的物理 和化学环境等因素有关。 下面结合荧光和磷光的产生过程，进一步说明各种能 量传递方式在其中所起的作用。 设处于基态单重态中的电子吸收波长为λ1和λ2的 辐射光之后，分别激发至第二单重态S2及第一单重态S1。 振动弛豫 它是指 在同一电子能级中，电子由高振动能级转至 低振动能级，而将多余的能量以热的形式发出。发生振 动弛豫的时间为10-12s数量级
第一节分子荧光和磷光分析 振动弛豫 在同一电 子能级中， 电子由高 振动能级 转至低振 动能级， 吸光入1 吸光入2 而将多余 的能量以 荧光、磷光能级图 热的形式 发出。 → 振动弛豫 6
6 第一节 分子荧光和磷光分析 荧光、磷光 能级图 → 振动弛豫 S0 S1 S2 T1 吸光1 吸光2 振动弛豫 在同一电 子能级中， 电子由高 振动能级 转至低振 动能级， 而将多余 的能量以 热 的形式 发出
第一节 分子荧光和磷光分析 内转移 内转移 当两个电子能级非常靠 近以至其振动能级有重叠 时，常发生电子由高能级 以无辐射跃迁方式转移至 低能级。右图中指出，处 于高激发单重态的电子， 通过内转移及振动弛豫， 吸光入1 吸光入2 均跃回到第一激发单重态 的最低振动能级。 荧光、磷光能级图
7 第一节 分子荧光和磷光分析 内转移 当两个电子能级非常靠 近以至其振动能级有重叠 时，常发生电子由高能级 以无辐射跃迁方式转移至 低能级。右图中指出，处 于高激发单重态的电子， 通过内转移及振动弛豫， 均跃回到第一激发单重态 的最低振动能级。 荧光、磷光 能级图 S0 S1 S2 T1 吸光1 吸光2 内转移
第一节分子荧光和磷光分析 荧光发射 处于第一激发单重态中的 S2 电子跃回至基态各振动能级时， 将得到最大波长为入3的荧光。 注意：基态中也有振动驰豫跃迁 很明显，入3的波长较激发波长 入1或入2都长，而且不论电子开 SO 始被激发至什么高能级，最终将 吸光)1 吸光)2 只发射出波长入3为的荧光。荧 荧光13 光的产生在10-7-109s内完成。 荧光 荧光、磷光能级图 8
8 第一节 分子荧光和磷光分析 荧光发射 处于第一激发单重态中的 电子跃回至基态各振动能级时， 将得到最大波长为λ3的荧光。 注意：基态中也有振动驰豫跃迁。 很明显，λ3的波长较激发波长 λ1或λ2都长，而且不论电子开 始被激发至什么高能级，最终将 只发射出波长λ3为的荧光。荧 光的产生在10-7-10-9 s内完成。 荧光、磷光 能级图 S0 S1 S2 T1 吸光1 吸光2 荧光3 荧光
第一节 分子荧光和磷光分析 系间窜跃 系间窜跃 指不同多重态间的无 辐射跃迁，例如S,→T就是 S2 一种系间窜跃。通常，发 生系间窜跃时，电子由S1 的较低振动能级转移至T, 的较高振动能级处。有时， 通过热激发，有可能发生 日 吸光)1 吸光入2 T1→S1,然后由S,发生荧光。 荧光3 这是产生延迟荧光的机理。 荧光、磷光能级图
9 第一节 分子荧光和磷光分析 系间窜跃 指不同多重态间的无 辐射跃迁，例如S1 →T1就是 一种系间窜跃。通常，发 生系间窜跃时，电子由S1 的较低振动能级转移至T1 的较高振动能级处。有时， 通过热激发，有可能发生 T1 →S1，然后由S1发生荧光。 这是产生延迟荧光的机理。 荧光、磷光 能级图 S0 S1 S2 T1 吸光1 吸光2 荧光3 系间窜跃
第一节分子荧光和磷光分析 磷光发射 电子由基态单重态 S2 激发至第一激发三重态的几率很 小，因为这是禁阻跃迁。但是， 由第一激发单重态的最低振动能 级，有可能以系间窜跃方式转至 第一激发三重态，再经过振动驰 SO 豫，转至其最低振动能级，由此 吸光)1 吸光)2 磷光 激发态跃回至基态时，便发射磷 荧光入3 光，这个跃迁过程(T→S)也 是自旋禁阻的，其发光速率较慢， 约为10410s。因此，这种跃迁所 磷光 发射的光，在光照停止后，仍可 持续一段时间。 荧光、磷光能级图 10
10 第一节 分子荧光和磷光分析 磷光发射 电子由基态单重态 激发至第一激发三重态的几率很 小，因为这是禁阻跃迁。但是， 由第一激发单重态的最低振动能 级，有可能以系间窜跃方式转至 第一激发三重态，再经过振动驰 豫，转至其最低振动能级，由此 激发态跃回至基态时，便发射磷 光，这个跃迁过程（T1 →S0）也 是自旋禁阻的，其发光速率较慢， 约为10-4 -10s。因此，这种跃迁所 发射的光，在光照停止后，仍可 持续一段时间。 荧光、磷光 能级图 S0 S1 S2 T1 吸光1 吸光2 荧光3 磷光 磷光