石河子大学：《仪器分析》课程教学课件（民族班）第5章 分子发光分析法（Molecular Luminescence）

第5章 分子发光分析法 Molecular Luminescence 第一节 荧光分析法 第二节 磷光分析法 第三节 化学发光分析 Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer(http://www.novapdf.com)

第5章 分子发光分析法 Molecular Luminescence 第一节 荧光分析法 第二节 磷光分析法 第三节 化学发光分析 Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

分子发光分析法 基态分子吸收了一定能量后，跃迁到激发 态，当激发态分子以辐射跃迁形式将其能量释 放返回基态时，便产生分子发光。依据激发的 模式不同，分子发光分为光致发光、热致发光、 场致发光和化学发光。光致发光按激发态的类 型不同又分为荧光和磷光两种。 本章主要讨论： 分子荧光(Molecular Fluorescence)、 分子磷光(Molecular Phosphorescence) 化学发光分析法(Chemiluminescence) Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer(http://www.novapdf.com)

分子发光分析法 基态分子吸收了一定能量后，跃迁到激发 态，当激发态分子以辐射跃迁形式将其能量释 放返回基态时，便产生分子发光。依据激发的 模式不同，分子发光分为光致发光、热致发光、 场致发光和化学发光。光致发光按激发态的类 型不同又分为荧光和磷光两种。 本章主要讨论： 分子荧光(Molecular Fluorescence)、 分子磷光(Molecular Phosphorescence) 化学发光分析法(Chemiluminescence) Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

荧光： 16世纪：在矿物和植物提取液中发现荧光； 1575年：Monardes-一植物愈创木切片黄色水溶液一天兰色荧光； 1852年：Stokesl阐明荧光发射机制（分光计观测奎宁和叶绿素的 荧光，发现波长稍长于入射光的波长一认识到荧光为“重新发 光”而不是漫射光； 1905年：Wood发现气体分子的共振荧光； 1926年：Gaviola.直接测定了荧光寿命； 1923年：荧光X射线光谱； 1964年：原子荧光光谱分析的建立； 1965年：荧光分析在生物分析中广泛应用； 磷光： 15世纪被发现（重晶石在强烈阳光下的发光) 1944年：Lewis提出磷光用于分析的可能性； 1957年：Keirs将磷光分析用于定量分析及多组份混合物分析； 1963年：广泛用于血液及尿液中痕量药物及农药残留量分析； Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer(http://www.novapdf.com)

荧光： 16世纪：在矿物和植物提取液中发现荧光； 1575年：Monardes—植物愈创木切片黄色水溶液—天兰色荧光； 1852年：Stokes阐明荧光发射机制（分光计观测奎宁和叶绿素的 荧光，发现波长稍长于入射光的波长——认识到荧光为“重新发 光”而不是漫射光； 1905年：Wood发现气体分子的共振荧光； 1926年:Gaviola直接测定了荧光寿命； 1923年：荧光X射线光谱； 1964年：原子荧光光谱分析的建立； 1965年：荧光分析在生物分析中广泛应用； 磷光： 15世纪被发现（重晶石在强烈阳光下的发光） 1944年：Lewis提出磷光用于分析的可能性； 1957年：Keirs将磷光分析用于定量分析及多组份混合物分析； 1963年：广泛用于血液及尿液中痕量药物及农药残留量分析； Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

5.1 分子荧光和磷光分析 概述 分子荧光分析法是根据物质的分子荧光光谱进 行定性，以荧光强度进行定量的一种分析方法。 荧光分析法的最大优点是灵敏度高，选择性也 比较好，检测限通常比分光光度法低2-4个数量级。 虽然应用不如分光光度法广泛，但在微量、痕量分 析及生命科学研究等中具有重要意义。 Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer(http://www.novapdf.com)

概述 分子荧光分析法是根据物质的分子荧光光谱进 行定性，以荧光强度进行定量的一种分析方法。 荧光分析法的最大优点是灵敏度高，选择性也 比较好，检测限通常比分光光度法低2-4个数量级。 虽然应用不如分光光度法广泛，但在微量、痕量分 析及生命科学研究等中具有重要意义。 5.1 分子荧光和磷光分析 Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

5.1.1原理 分子能级=电子能级E)+振动能级Ev+转动能级Er 1.荧光和磷光的产生 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 不同，激发三重态具有较低能级。 Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer(http://www.novapdf.com)

5.1.1 原理 1. 荧光和磷光的产生 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 不同，激发三重态具有较低能级。 分子能级=电子能级(Ee)+振动能级(Ev)+转动能级(Er) Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

多重度=2s+1 激发态 基态 基态：电子 激发单重态：分 激发三重态：分子 自旋配对， 子吸收能量，电 吸收能量，电子自 多重度 子自旋仍然配 旋不再配对，为三 =2s+1=1, 对，为单重态， 重态，称为激发三 为单重态， 称为激发单重 重态，以TT2. 以S表示。 态，以S1,S2. 表示。 表示 激发态的平均寿命 激发态的平均寿 大约为10-9107s 命为104~10s Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer(http://www.novapdf.com)

基态 激发态 多重度=2s+1 激发单重态：分 子吸收能量，电 子自旋仍然配 对，为单重态， 称为激发单重 态，以S1，S2. 表示 激发三重态：分子 吸收能量，电子自 旋不再配对，为三 重态，称为激发三 重态，以T1，T2. 表示。 基态：电子 自旋配对， 多重度 =2s+1=1， 为单重态， 以S0表示。 激发态的平均寿 命为10-4 ~ 10s 激发态的平均寿命 大约为10-9 -10-7s Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

单重态 三重态 振动弛豫 三重态能级低于单重态 S2 内转换 (Hund规则) v=0 =0 0 系间 跨越 =0 断 S 00 A2 荧光 外转换 磷光 振动弛豫 激发 (熄灭) Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer(http://www.novapdf.com)

三重态能级低于单重态 （Hund规则） Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

有机化合物的电子跃迁： 0* 本 n 十十 S 3 多重度 1 1 Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer(http://www.novapdf.com)

σ π n π* σ* S0 S1 T1 S2 T2 多重度 1 1 3 1 3 有机化合物的电子跃迁： Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

去活化过程(Deactivation) 处于激发态分子不稳定，通过辐射或非辐射跃迁 等去活化过程返回至基态。这些过程包括： 去活化 化学反应 辐射跃迁 无辐射跃迁 荧光 磷光 系间跨越内转换 外转换 振动弛豫 Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer(http://www.novapdf.com)

去活化 辐射跃迁 荧光 磷光 系间跨越 内转换 外转换 振动弛豫 无辐射跃迁 化学反应 去活化过程（Deactivation） 处于激发态分子不稳定，通过辐射或非辐射跃迁 等去活化过程返回至基态 。这些过程包括： Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

振动弛豫：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1012s数量级。 内转换：相同多重态的两个电子态之间的非辐射跃 迁。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。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。 体系间窜跃：指不同多重态间的无辐射跃迁，例如 S→工就是一种系间窜跃。通堂，发生系间窜跃时， 外转换：指激发分子与溶剂分子或其它溶质分子的相 互作用及能量转移，使荧光或磷光强度减弱甚至消 失。这一现象称为“熄灭”或“猝灭” Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer(http://www.novapdf.com)

S2 S1 S0 T1 吸 收 发 射 荧 光 发 射 磷 光 系间窜跃 内转换 振动弛豫 能 量  1 2  3 外转换   3 T2 内转换 振动弛豫 振动弛豫: 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。 内转换: 相同多重态的两个电子态之间的非辐射跃 迁。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。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。 体系间窜跃：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 外转换S1的较低振动能级转移至T1的较高振动能级处. :指激发分子与溶剂分子或其它溶质分子的相 互作用及能量转移，使荧光或磷光强度减弱甚至消 失。这一现象称为“熄灭”或“猝灭” 。 Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)