第12章 分子发光分析 12.1 概述
分子发光分析法：基于被测物质的基态分子吸收能量
激发到较高能态后，返回基态时，以发射辐射的方式释放
能量，通过测量辐射光强度对被测物质进行定量测定的分
析方法。 当分子吸收光能被激发到较高能态，返回基态时发射出
与激发光波长相同或不同辐射的现象称为光致发光。
最常见的两种光致发光现象是荧光和磷光。由此建立的 分析. 镜像规则 通常荧光发射光谱与其吸收光谱 ( 基态 → 第一态 ) 成镜像
对称关系。
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镜像规则
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3. 荧光的产生与分子结构的关系
(1) 分子产生荧光必须具备的条件 具有一定结构，多为含芳香环、杂环的化合物或具有刚性
平面的分子
具有一定的荧光效率
荧光效率 代表物质发射荧光的能力，通常小于1。
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(2) 电子激发态的多重度
电子激发态的多重度：M = 2S + 1
S为电子自旋量子数的代数和(等于0或1) 大多数有机分子的基态处于单重态 (Pauli 不相容原理 ， s =±½, S = 0, M = 1)； 激发时电子自旋方向不变，分子处于激发单重态S1, S2…；
激发时电子自旋方向改 变，S = 1, M = 3，分子处 于激发三重态T1, T2…； 三重态能级比相应单重 态能级低(洪特规则)。 S0→T1 禁阻跃迁。
发射的光量子数 吸收的光量子数
荧光效率与激发态分子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。
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(2) 化合物结构与荧光
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； 共轭效应：提高共轭度有利于增加荧光效率并产生红移; 刚性平面结构：可降低分子振动，减少与溶剂的相互作 用，故荧光量子产率高。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; 取代基效应：芳环上有 供电基，使荧光增强；相 反，芳环上有吸电子基团 ，荧光减弱或无荧光。
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内转换 S2
内转换 振动弛豫 系间跨越
S1
能 量 吸 收 T1 发 射 荧 光 T2
外转换
发 射 磷 振动弛豫 光
S0
l 2018/9/25 1
l2
l 2
l3
辐射能量传递过程
发射荧光：电子由第一激发单重态的最低振动能级→基态
(S1→ S0跃迁)，发射波长为 l ‘2的荧光，10-9～10-7 s。
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非辐射能量传递过程
振动弛豫：同一电子能级内分子以热能交换形式由高振动能 级至低振动能级间的跃迁。 内转换：同一多重态电子能级间的无辐射能量交换。 通过振动弛豫和内转换，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。 系间窜越：不同多重态有重叠的振动能级间的非辐射跃迁。 是禁阻跃迁，通过自旋—轨道耦合进行。
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(3) 发射光谱的特性
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 电子激发到不同激发态能级，吸收不同波长的能量 (如能 级图l2, l1)，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(如l‘2
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(3) 激发态→基态的能量传递途径
分子的激发态是不稳定状态，电子从激发态返回基态时， 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
无辐射跃迁
荧光
延迟荧光
磷光
振动弛豫
内转换
系间窜越
外转换
以速度最快、激发态寿命最短的途径占优势，发光强度高。 荧光：10-9～10-7s，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
外转换：激发态分子与溶剂或其他分子之间产生相互作用而
转移能量的非辐射跃迁。 外转换使荧光或磷光减弱或“猝灭”。
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2. 激发光谱和发射光谱
(1)激发波长选择与激发光谱曲 线
不同波长入射光具有不同的激发
效率。 固定测量波长 ( 选最大发射波长 ) ，测量不同激发波长下化合物发射 的荧光 ( 磷光 ) 强度与入射光波长的 关系曲线(曲线I )。 激发光谱曲线峰值处，处于激发 态的分子最多，荧光强度最大。
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(2) 荧光及磷光光谱
固定激发光波长(选最 大激发波长)，测定化合 物发射的荧光强度(或磷 光强度)与发射光波长的 关系曲线(图中曲线II或 III)。
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荧光发射光谱 荧光激发光谱
磷光光谱
200
260 320 380 440 500 560 室温下菲的乙醇溶液荧（磷）光光谱
发射荧光的能量比分子吸收的能量小，l ‘2 > l 2 > l 1 .
发射磷光：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→激发→振动弛豫→内转移→系间跨越→振动弛豫→T1
S0 → T1禁阻跃迁，发光速度很慢：10-4～10 s。 光照停止后，可持续一段时间。
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4. 影响荧光强度的因素
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.
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5.内滤光作用和自吸现象
内滤光作用：溶液中含有能吸收激发光或荧光物质发射
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12.2 荧光和磷光分析基本原理 1. 荧光和磷光的产生
(1) 分子的能级与跃迁
分子中每个电子能级中都包含一系列的振动和转动能级。
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。 激发态→基态：多种途径和方式; 第一、第二、…电子激发单重态 S1、S2… →基态(S0)称为 荧光； 第一、第二、…电子激发三重态 T1、T2… →基态(S0)称为 磷光。