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1、分子荧光分析法基本原理发布日期：2005-10-07浏览次数：9297一.分子荧光的发生过程（一）分子的激发单线激发态和三线激发态大多数分子含有偶数电子，在基态时，这些电子成对地存在于各 个原子或分子轨道中，成对自旋，方向相反，电子净自旋等于零： S=%+（-%）=0，其多重性 M=2S+1=1 （M为磁量子数），因此，分子是抗（反）磁性的，其能级不受外界磁场影响而分裂，称“单线态”；图1单线基态（A）、单线激发态（B）和三线激发态（C）当基态分子的一个成对电子吸收光辐射后，被激发跃迁到能量较 高的轨道上，通常它的自旋方向不改变，即S=0，则激发态仍是单 线态，即“单线（重）激发态”；如果电子
2、在跃迁过程中，还伴随着自旋方向的改变，这时便具有 两个自旋不配对的电子，电子净自旋不等于零，而等于1 : S=1/2+1/2=1 其多重性：M=2S+1=3即分子在磁场中受到影响而产生能级分裂，这种受激态称为 三 线（重）激发态；三线激发态 比 单线激发态 能量稍低。但由于电子自旋方向的 改变在光谱学上一般是禁阻的，即跃迁几率非常小，只相当于单线态 一单线态过程的10-610-7。（二）分子去活化过程及荧光的发生：（一个分子的外层电子能级包括S0 （基态）和各激发态S1， S2, .，T1.，每个电子能级又包括一系列能量非常接近的振动能 级）处于激发态的分子不稳定，在较短的时间内可通过不同途径
3、释放 多余的能量（辐射或非辐射跃迁）回到激态，这个过程称为 去活化 过程，这些途径为：1. 振动弛豫：在溶液中，处于激发态的溶质分子与溶剂分子间发生 碰撞，把一部分能量以热的形式迅速传递给溶剂分子（环境），在 10-1110-13秒时间回到同一电子激发态的最低振动能级，这一过程称 为振动弛豫。图2分子吸收和发射过程的能级图2. 内转换：当激发态S2的较低振动能级与S1的较高振动能级的能 量相当或重叠时，分子有可能从S2的振动能级以无辐射方式过渡到 S1的能量相等的振动能级上，这一无辐射过程称为内转换。（内 转换过程同样也发生在三线激发态的电子能级间）3. 外转换：激发态分子与溶剂分子或其他溶质
4、分子相互作用（如碰 撞）而以非辐射形式转移掉能量回到基态的过程称外转换。4. 系间跨跃：当电子单线激发态的最低振动能级与电子三线激发态的 较高振动能级相重叠时，发生电子自旋状态改变的ST跃迁，这一 过程称为系间跨跃。（含有高原子序数的原子如Br2、I2的分子中，由于分子轨道相 互作用大，此过程最为常见。）5. 荧光发射：当激发态的分子通过振动驰豫内转换振动驰豫到 达第一单线激发态的最低振动能级时，第一单线激发态最低振动能级 的电子可通过发射辐射（光子）跃回到基态的不同振动能级，此过程称为荧光发射。如果荧光几率较高，则发射过程较快，需10-8秒。（它代表荧光的 寿命）由于不同电子激发态（S）的不
5、同振动能级相重叠时，内转换发生速 度很快（容易），在10-111013秒内完成，所以通过重叠的振动能级发 生内转换的几率要比由高激发态发射荧光的几率大的多，因此，尽管 使分子激发的波长有短（气）有长（），但发射荧光的波长只有 人3（1“2）。6. 磷光发射：第一电子三线激发态最低振动能级的分子以发射辐射 （光子）的形式回到基态的不同振动能级，此过程称为 磷光发射。（磷光的波长气较荧光的波长气稍长，发生过程较慢 约 10-410S）由于三线态一单线态的跃迁是禁阻的，三线态寿命比较长， （10-310S左右），若没其它过程同它竞争时，磷光的发生就有可能； 由于三线态寿命较长，因而发生振动弛豫及外转
6、换的几率也高，失去 激发能的可能性大，以致在室温条件下很难观察到溶液中的磷光现 象。因此，试样采用液氮冷冻降低其它去活化才能观察到某些分子的 磷光。总之：处于激发态的分子，可以通过上述不同途径回到基态，哪 种途径的速度快，哪种途径就优先发生。如果一发射荧光使受激分子去活化过程与其他过程相比较快， 则荧光发生几率高，强度大。如果一发射荧光使受激分子去活化过程与其他过程相比较慢， 则荧光很弱或不发生。（三）荧光量子效率：物质发射荧光的光子数与吸收激发光的光子数的比值。（1）数值在01之间。他的大小取决于物质分子的化学结构及环 境（t0c、pH、溶剂等）。二激发光谱与荧光（发射）光谱1. 激发光谱：
7、将激发荧光的光源用单色器分光，连续改变激发光波 长，固定荧光发射波长，测定不同波长激发光下物质溶液发射的荧光 强度（F），作仃一人光谱图称激发光谱。从激发光谱图上可找到发生荧光强度最强的激发波长x，选用 x可得到强度最大的荧光。2. 荧光光谱：选择、作激发光源，用另一单色器将物质发射的荧光 分光，记录每一波长下的兄作F-人光谱图称为荧光光谱。荧光光谱中荧光强度最强的波长为 y。x与 y 一般为定量分析中所选用的最灵敏的波长。三.荧光与分子结构的关系1. 分子结构与荧光具有兀、兀及n、兀电子共轭结构的分子能吸收紫外和可见辐 射而发生兀-兀*或n -兀*跃迁，然后在受激分子的去活化过程中发生兀*-
8、兀或 兀*- n跃迁而发射荧光。发生兀-兀*跃迁分子，其摩尔吸光系数（）比n -兀*跃迁分子 的大1001000倍，它的激发单线态与三线态间的能量差别比n -兀* 的大的多，电子不易形成自旋反转，体系间跨越几率很小，因此， 兀-仁跃迁的分子，发生荧光的量子效率高，速率常数大，荧光也强。所以一一只有那些具有兀-兀共轭双键的分子才能发射较强的荧光；兀电子共轭程度越大，荧光强度就越大（x与*em长移）大多 数含芳香环、杂环的化合物能发出荧光，且 兀电子共轭越长，中 越大。2. 取代基对分子发射荧光的影响（1）（苯环上）取代给电子基团，使兀共轭程度升高 荧光强度增 加：如-CH3，-NH2，-OH，-OR 等。（2）（苯环上）取代吸电子基团，时荧光强度减弱甚至熄灭：如：，-COOH，-CHO， -NO2，-N=N-。（3）高原子序数原子，增加体系间跨越的发生，使荧光减弱甚至熄 灭。如：Br，I。3. 共面性高的刚性多环不饱和结高的分子有利于荧光的发射。例如：荧光素呈平面构型，其结构具有刚性，它是强荧光物质；而酚 酞分子由于不易保持平面结构，故而不是荧光物质。
