石河子大学：《仪器分析》课程PPT教学课件（食品专业）分子发光分析

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