电子科技大学：《材料分子结构分析 Molecular Structure Analysis of Materials》课程教学资源（课件讲稿）第四章 分子荧光光谱 Molecular fluorescence spectroscopy

材料与能源学院 School of Materials and Energy 《材料分子结构分析》 第四章分子荧光光谱 Molecular fluorescence spectroscopy wvalp on moy 1aBiofianau 刘钰 电子科技大学 2021年2022年春季

第四章 分子荧光光谱 刘 钰 电子科技大学 2021年-2022年 春季 Molecular fluorescence spectroscopy 《材料分子结构分析》

never forget how to dream 目录 ■4.1荧光光谱概述 ■4.2分子荧光光谱的基本原理 ■4.3荧光激发光谱和荧光发射光谱 ■4.4荧光光谱的特征 ■4.5影响荧光光谱的因素 ■4.6荧光光谱仪 ■4.7样品的制备 ■4.8荧光光谱法的测试方法和技巧 ■4.9分子荧光光谱的应用 2

2 目录 ◼ 4.1 荧光光谱概述 ◼ 4.2 分子荧光光谱的基本原理 ◼ 4.3 荧光激发光谱和荧光发射光谱 ◼ 4.4 荧光光谱的特征 ◼ 4.5 影响荧光光谱的因素 ◼ 4.6 荧光光谱仪 ◼ 4.7 样品的制备 ◼ 4.8 荧光光谱法的测试方法和技巧 ◼ 4.9 分子荧光光谱的应用

4.1荧光光谱概述 never forget how to dream 一、分子发光分析法及其分类 某些物质的分子吸收一定能量后，电子从基态跃迁 到激发态，以光辐射的形式从激发态回到基态，由 此建立起来的分析方法为分子发光分法 较高激发态 吸收能 光辐射 量受激 退激 基态 分子在退激过程中以光辐射形式释放能量 3

3 4.1 荧光光谱概述 一、分子发光分析法及其分类 ◼ 某些物质的分子吸收一定能量后，电子从基态跃迁 到激发态，以光辐射的形式从激发态回到基态，由 此建立起来的分析方法为分子发光分析法 较高激发态 基 态 吸收能 量受激 光辐射 退激 分子在退激过程中以光辐射形式释放能量

never forget how to dream 根据分子受激时所吸收能源及辐射光的机理不同分为 以下几类： 电致发光：以电能来激发而发光一电致发光检测仪 生物发光：以生物体释放的能量激发而发光 _生物发光光度计 化学发光：以化学反应能激发而发光一化学发光分析法 荧光一荧光分析法 光致发光：以光源来激发而发光 磷光一磷光分析法 2.5.1荧光光谱概述

4 ◼ 根据分子受激时所吸收能源及辐射光的机理不同分为 以下几类： 电致发光：以电能来激发而发光—电致发光检测仪 生物发光：以生物体释放的能量激发而发光 —生物发光光度计 化学发光：以化学反应能激发而发光—化学发光分析法 光致发光：以光源来激发而发光 荧光—荧光分析法 磷光—磷光分析法 2.5.1 荧光光谱概述

never forget how to dream 荧光：当用一种波长的光照射某种物质时，这个物质会在 极短的时间内发射出比照射波长更长的光。当激发光停止 照射后，发光过程几乎立即（109-106S)停止； 磷光：当用一种波长的光照射某种物质时，这种物质在 较长的时间内发射出比照射波长更长的光.当激发光停 止照射后，发光过程将持续一段时间（10-1-10S)； 5 2.5.1荧光光谱概述

5 荧光：当用一种波长的光照射某种物质时，这个物质会在 极短的时间内发射出比照射波长更长的光。当激发光停止 照射后，发光过程几乎立即（10-9-10-6 S）停止 ； 磷光：当用一种波长的光照射某种物质时，这种物质在 较长的时间内发射出比照射波长更长的光.当激发光停 止照射后，发光过程将持续一段时间（10-1-10 S）; 2.5.1 荧光光谱概述

never forget how to dream 4.2分子荧光光谱的基本原理 一、荧光光谱的产生 1.电子自旋状态的多重性 基态：S0 激发态 第一、第二、…电子 激发单重态S1、 ↑↓ 基态 S2… 单重基态 激发单重态 激发三重态T 第一、第二、…电子 激发三重态T1、T2 电子自旋状态年！ 三重态：电子自旋方向平行 单重态：电子自旋方向相反（匹配)) 6

6 4.2 分子荧光光谱的基本原理 一、荧光光谱的产生 单重 1. 电子自旋状态的多重性 基态：S0 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 … 三重态：电子自旋方向平行 单重态：电子自旋方向相反（匹配））

never forget how to dream 2.去激的途径 电子处于激发态是不稳定状态，容易返回基态，在这个 过程中通过辐射跃迁（发光）和无辐射跃迁等方式失去能量， 这个过程就称为去激（失活）。 不伴随发光现象的跃迁叫无辐射 跃迁，体系内的多余的能量以热 去激途径 的形式释放。 辐射跃迁 无辐射跃迁 荧光 磷光 系间窜跃 内转换 外转换 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。 7 2.5.2分子荧光光清的基本原理

7 电子处于激发态是不稳定状态，容易返回基态，在这个 过程中通过辐射跃迁(发光)和无辐射跃迁等方式失去能量， 这个过程就称为去激（失活）。 去激途径 辐射跃迁 荧光 磷光 系间窜跃 内转换 外转换 振动弛豫 无辐射跃迁 激发态停留时间短、返回速度快的途径，发生的几率大。 2. 去激的途径 不伴随发光现象的跃迁叫无辐射 跃迁，体系内的多余的能量以热 的形式释放。 2.5.2 分子荧光光谱的基本原理

never forget how to dream 振动弛豫 内转换 振动弛豫 内转换 系间窜越 振动弛豫 能量 吸收 发射荧光 外转换 发射磷光 21 九2人3 入4 分子荧光与磷光的发生过程（雅布隆斯基分子能级图） 8 2.5.2分子荧光光清的基本原理

8 分子荧光与磷光的发生过程（雅布隆斯基分子能级图） 2.5.2 分子荧光光谱的基本原理 S2 S1 S0 T1 吸 收 发 射 磷 光 系间窜越 内转换 振动弛豫 能 量 l l 1 2 l 4 外转换 l 3 T2 内转换 振动弛豫 发 射 荧 光 振动弛豫

never forget how to dream 无辐射跃迁失活的途径 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一般为1012s 内转换：相同的多重态之间的转换， 发生时间一般为1011-1013 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。 9 2.5.2分子荧光光清的基本原理

9 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一般为10-12 s 无辐射跃迁失活的途径 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。 内转换：相同的多重态之间的转换， 发生时间一般为10-11-10-13 s 2.5.2 分子荧光光谱的基本原理

never forget how to dream 无辐射跃迁失活的途径 外转换：激发分子与溶剂或其它分子之间产生相互作用而转移能 量的非辐射跃迁；转换时间为109-10-7s 外转换使荧光或磷光减弱或“猝灭” 系间窜跃：不同的多重态之间的转换 改变电子自旋，禁阻跃迁，通过自旋一轨道耦合进行。 转换时间106-10-2s 10 2.5.2分子荧光光清的基本原理

10 无辐射跃迁失活的途径 系间窜跃：不同的多重态之间的转换 改变电子自旋，禁阻跃迁，通过自旋—轨道耦合进行。 转换时间10-6-10-2 s 外转换：激发分子与溶剂或其它分子之间产生相互作用而转移能 量的非辐射跃迁；转换时间为10-9-10-7s 外转换使荧光或磷光减弱或“猝灭” 2.5.2 分子荧光光谱的基本原理