荧光光谱

荧光光谱荧光光谱一.基本原理二.荧光激发光谱和发射光谱三.影响荧光强度的因素四.荧光计和荧光分光光度计五.荧光分析法的特点六.荧光分析法的应用荧光的产生过程luminescenceprocessofmolecularfluorescencephosphorescence由分子结构理论，主要讨论荧光的产生机理。1.分子能级与跃迁分子能级比原子能级复杂；在每个电子能级上，都存在振动、转动能级；基态(S0)→激发态(S1、S2、激发态振动能级)：吸收特定频率的辐射；量子化；跃迁一次到位；激发态→基态：多种途径和方式(见能级图)；速度最快、激发态寿命最短的途径占优势；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…；2.电子激发态的多重度电子激发态的多重度：M=2S+1S为电子自旋量子数的代数和(0或1)；平行自旋比成对自旋稳定(洪特规则)，三重态能级比相应单重态能级低；大多数有机分子的基态处于单重态；S0→T1禁阻跃迁；通过其他途径进入(见能级图)；进入的几率小；3.激发态→基态的能量传递途径电子处于激发态是不稳定状态，返回基态时，通过辐射跃迁(发光)和无辐射跃迁等方式失去能量；传递途径辐射跃迁荧光延迟荧光磷光内转移外转移系间跨越振动弛预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，发光强度相对大；荧光：10-7～10-9s,第一激发单重态的最低振动能级→基态；磷光：10-4～10s；第一激发三重态的最低振动能级→基态；荧光和磷光按分子激发态的类型划分时,由第一激发单重态所产生的辐射跃迁而伴随的发光现象称为荧光.由最低的电子激发三重态所产生的辐射跃迁,其发光现象称为磷光.S2S1S0T1吸收发射荧光发射磷光系间跨越内转换振动弛豫能量l2l1l3外转换l2T2内转换振动弛豫8分子吸收和荧光光谱跃迁示意图能量分子吸收和荧光光谱跃迁示意图分子吸收和荧光光谱跃迁示意图分子吸收和荧光光谱跃迁示意图辐射能量传递过程荧光发射：电子由第一激发单重态的最低振动能级→基态（多为S1→S0跃迁），发射波长为l‘2的荧光；10-7～10-9s。由图可见，发射荧光的能量比分子吸收的能量小，波长长；l‘2l2l1；磷光发射：电子由第一激发三重态的最低振动能级→基态（T1→S0跃迁）；电子由S0进入T1的可能过程：（S0→T1禁阻跃迁）S0→激发→振动弛豫→内转移→系间跨越→振动弛豫→T1发光速度很慢：10-4～100s。光照停止后，可持续一段时间。10(1)振动弛豫当分子吸收光辐射后可能从基态的最低振动能层跃迁到激发态的较高的振动能层上去．然而，在液相或压力足够高的气相中分子间碰撞的几率很大，激发态分子可能将过剩的振动能量以热的形式传递给周围的分子，而自身从高振动能层失活到该电子能级的最低振动能层上，这一过程称为振动弛豫．发生振动弛豫的时间为10-12s数量级．11(2)内转换内转换指的是相同多重度等能态间的一种无辐射跃迁过程．当两个电子能级的振动能层间有重叠时，则可能发生电子由高能层以无辐射跃迁方式跃迁到低能层的电子的激发态．内转换过程在10-13~10-11s时间内发生，它通常要比由高激发态直接发射光子的速度快得多．12(3)外转换激发分子通过与溶剂或其他溶质间的相互作用和能量转换而使荧光或磷光强度减弱甚至消失的过程称外转换．这一现象称为“熄灭”或“猝灭”．自较低的激发单重态及较低的三重态的非辐射跃迁可包含外转换，也可包含内转换．13(4)系间跨跃系间跨越指的是不同多重度状态间的一种无辐射跃迁过程．它涉及受激电子自旋状态的改变．如S1到T1，使原来两个自旋配对的电子不再配对．这种跃迁是禁阻的，但如果两个电子能态的振动能层有较大的重叠时，如图中激发单重态S1的最低振动能层与激发三重态T1的较高振动能层重叠，则可能通过自旋－轨道耦合等作用使S1态转入T1态的某一振动能层．(5)磷光发射从单重态到三重态的分子系间跨越跃迁发生后，接着发生快速的振动弛豫而到达三重态的最低振动能层上，当没有其他过程同它竞争时,在10-4~10s左右时间内跃迁回基态而发生磷光．激发光谱与荧光光谱excitationspectrumandfluore-scencespectrum荧光(磷光)：光致发光，照射光波长如何选择？1.荧光(磷光)的激发光谱曲线固定测量波长(选最大发射波长),化合物发射的荧光(磷光)强度与照射光波长的关系曲线（图中曲线I）。激发光谱曲线的最高处，处于激发态的分子最多，荧光强度最大；光致发光概念：如果分子因吸收外来辐射的光子能量而被激发，所产生的发光现象称为光致发光。光致发光的过程：当外部光源如紫外光，可见光甚至激光照射到光致发光材料时，发光材料就会发射出特征光如可见光，紫外光等，实际上光致发光材料的发光过程较复杂，一般由以下几个过程构成。①基质晶格或激活剂（或称激发中心）吸收激发能②基质晶格将吸收的激发能传递给激活剂③被激活的激活剂发出荧光而返回基态，同时伴随有部分非发光跃迁，能量以热的形式散发．2.荧光光谱(或磷光光谱)固定激发光波长(选最大激发波长),化合物发射的荧光(或磷光强度)与发射光波长关系曲线(图中曲线II或III)。200260320380440500560620荧光激发光谱荧光发射光谱磷光光谱室温下菲的乙醇溶液荧（磷）光光谱荧光激发光谱和发射光谱任何因荧光化合物都具有两种特征光谱∶激发光谱和发射光谱。荧光激发光谱荧光激发光谱（激发光谱），就是通过测量荧光体的发光通量随波长变化而获得的光谱，它反映了不同激发光引起荧光的相对效率。激发光谱可供鉴别荧光物质，在进行荧光测定时供选择适宜的激发波长。荧光发射光谱荧光发射光谱又称荧光光谱，如果激发光的波长和强度保持不变，而让荧光物质所产生的荧光通过发射单色器后，照射于检测器上，扫描发射单色器并检测各种波长下相应的荧光强度，然后通过记录仪记录荧光强度对发射波长的的关系曲线，所得到的谱图，称为荧光光谱。荧光光谱表示在所发射的荧光中各种波长组分的相对强度。荧光光谱可供鉴别荧光物质，并作为在荧光测定时选择适当的测定波长或滤光片的根据。激发光谱与发射光谱的关系a.Stokes位移激发光谱与发射光谱之间的波长差值。发射光谱的波长比激发光谱的长，振动弛豫消耗了能量。b.发射光谱的形状与激发波长无关电子跃迁到不同激发态能级，吸收不同波长的能量，产生不同吸收带，但均回到第一激发单重态的最低振动能级再跃迁回到基态，产生波长一定的荧光。c.镜像规则通常荧光发射光谱与它的吸收光谱（与激发光谱形状一样）成镜像对称关系。镜像规则的解释基态上的各振动能级分布与第一激发态上的各振动能级分布类似；基态上的零振动能级与第一激发态的二振动能级之间的跃迁几率最大，相反跃迁也然。200250300350400450500荧光激发光谱荧光发射光谱nm蒽的激发光谱和荧光光谱荧光的产生与分子结构的关系relationbetweenfluorescenceandmolecularstructure1.分子产生荧光必须具备的条件（1）具有合适的结构；（2）具有一定的荧光量子产率。荧光量子产率（）：吸收的光量子数发射的光量子数荧光量子产率与激发态能量释放各过程的速率常数有关，如外转换过程速度快，不出现荧光发射；2.化合物的结构与荧光（1）跃迁类型：*→的荧光效率高，系间跨越过程的速率常数小，有利于荧光的产生；（2）共轭效应：提高共轭度有利于增加荧光效率并产生红移（3）刚性平面结构：可降低分子振动，减少与溶剂的相互作用，故具有很强的荧光。如荧光素和酚酞有相似结构，荧光素有很强的荧光，酚酞却没有。（4）取代基效应：芳环上有供电基，使荧光增强。影响荧光强度的因素relationbetweenfluorescenceandmolecularstructure影响荧光强度的外部因素1.溶剂的影响除一般溶剂效应外，溶剂的极性、氢键、配位键的形成都将使化合物的荧光发生变化；2.温度的影响荧光强度对温度变化敏感，温度增加，外转换去活的几率增加。3.溶液pH对酸碱化合物，溶液pH的影响较大，需要严格控制；4.内滤光作用和自吸现象自吸现象：化合物的荧光发射光谱的短波长端与其吸收光谱的长波长端重叠，产生自吸收；如蒽化合物。内滤光作用：溶液中含有能吸收激发光或荧光物质发射的荧光，如色胺酸中的重铬酸钾；5.溶液荧光的猝灭荧光猝灭：受激发原子与其他原子碰撞，能量以热或其他非荧光发射方式给出，产生非荧光去激发过程，使荧光减弱或完全不发生的现象。荧光猝灭程度与原子化气氛有关，氩气气氛中荧光猝灭程度最小。如何恒量荧光猝灭程度？荧光量子效率：=f/af发射荧光的光量子数；a吸收的光量子数之比；荧光量子效率≈11.原子荧光光谱的产生过程过程：当气态原子受到强特征辐射时，由基态跃迁到激发态，约在10-8s后，再由激发态跃迁回到基态，辐射出与吸收光波长相同或不同的荧光；特点：（1）属光致发光；二次发光；（2）激发光源停止后，荧光立即消失；（3）发射的荧光强度与照射的光强有关；（4）不同元素的荧光波长不同；（5）浓度很低时，强度与蒸气中该元素的密度成正比，定量依据(适用于微量或痕量分析)；2.原子荧光的产生类型三种类型：共振荧光、非共振荧光与敏化荧光（1）共振荧光共振荧光：气态原子吸收共振线被激发后，激发态原子再发射出与共振线波长相同的荧光；见图A、C；热共振荧光：若原子受热激发处于压稳态，再吸收辐射进一步激发，然后再发射出相同波长的共振荧光；见图B、D；（2）非共振荧光当荧光与激发光的波长不相同时，产生非共振荧光；分为：直跃线荧光、阶跃线荧光、anti-Stokes荧光三种；直跃线荧光（Stokes荧光）：跃回到高于基态的亚稳态时所发射的荧光；荧光波长大于激发线波长（荧光能量间隔小于激发线能量间隔）；abcd直跃线荧光（Stokes荧光）Pb原子：吸收线283.13nm；荧光线407.78nm；同时存在两种形式：铊原子：吸收线337.6nm；共振荧光线337.6nm；直跃线荧光535.0nm；abcd阶跃线荧光：光照激发，非辐射方式释放部分能量后，再发射荧光返回基态；荧光波长小于激发线波长（荧光能量间隔大于激发线能量间隔）；非辐射方式释放能量：碰撞，放热；光照激发，再热激发，返至高于基态的能级，发射荧光，图(c)B、D；Cr原子：吸收线359.35nm；再热激发，荧光发射线357.87nm，图(c)B、Dabcdanti-Stokes荧光：荧光波长小于激发线波长；先热激发再光照激发(或反之)，再发射荧光直接返回基态；图(d)；铟原子：先热激发，再吸收光跃迁451.13nm；发射荧光410.18nm，图(d)A、C；abcd（3）敏化荧光受光激发的原子与另一种原子碰撞时，把激发能传递另一个原子使其激发，后者发射荧光；火焰原子化中观察不到敏化荧光；非火焰原子化中可观察到。所有类型中，共振荧光强度最大，最为有用。4.待测原子浓度与荧光的强度当光源强度稳定、辐射光平行、自吸可忽略，发射荧光的强度If正比于基态原子对特定频率吸收光的吸收强度Ia；If=Ia在理想情况下：cKNlKAIΦIf00I0原子化火焰单位面积接受到的光源强度；A为受光照射在检测器中观察到的有效面积；K0为峰值吸收系数；l为吸收光程；N为单位体积内的基态原子数；38荧光计和荧光分光光度计用于测量荧光的仪器种类很多，从简单的滤光荧光计到复杂的精密荧光分光光度计．所用仪器的各部件和分光光度计相类似．原子荧光光度计SK-830型原子荧光光谱仪一、仪器结构流程测量荧光的仪器主要由四个部分组成：激发光源、样品池、双单色器系统、检测器。特殊点：有两个单色器，光源与检测器通常成直角。421.激发光源荧光测量中所用激发光源一般比吸收测量中的光源强度大，通常采用汞弧灯、氢灯或氙灯．2.滤光器和单色器在荧光计中使用滤光片．大多数荧光分光光度计都采用光栅单色器．一般带有两个单色器，一是激发单色器，其作用是获得单色性好的激发光，以激发样品产生荧光；一是发射单色