荧光光谱的原理与应用_精品文档.ppt

1、荧光光谱的原理与应用主要内容2荧光光谱的基本原理荧光光谱的基本原理1荧光光谱仪的原理、操作及数据处理荧光光谱仪的原理、操作及数据处理2荧光光谱的应用荧光光谱的应用3参考资料参考资料4荧光光谱的基本原理34荧光定义荧光定义荧光荧光是是辐射跃迁辐射跃迁的一种，是物质从的一种，是物质从激发态激发态失活到失活到多重性多重性相同的低能相同的低能状态时所释放的辐射。状态时所释放的辐射。5构造原理构造原理：电子在原子或分子中排布所遵循的规则。：电子在原子或分子中排布所遵循的规则。基态和激发态基态和激发态 能量最低原理能量最低原理 泡利不相容原理泡利不相容原理 洪特规则洪特规则基态基态：当一个分子中的所有电子

2、的排布都遵从当一个分子中的所有电子的排布都遵从构造原理构造原理时，此分子被称为处于基态。时，此分子被称为处于基态。激发态激发态：当一个分子中的电子排布不完全遵从：当一个分子中的电子排布不完全遵从构造原理构造原理时，此分子被称为处于激发态。时，此分子被称为处于激发态。6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为电子自旋量子数的代数和(0或或1)；电子激发态的多重度电子激发态的多重度根根据据洪洪特特规规则则(平平行行自自旋旋比比成成对对自自旋旋稳稳定定)，三三重重态态能能级级比比相相应应单单重重态态能能级级低；大多数有机分子的基态处于单重态；低；大多数有机分子的

3、基态处于单重态；7分子能级比原子能级复杂；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；在每个电子能级上，都存在振动、转动能级；分子能级与跃迁分子能级与跃迁激激发发：基基态态(S S0 0)激激发发态态(S S1 1、S S2 2激激发发态态振振动动能能级级)：吸吸收收特定频率的辐射；量子化；跃迁一次到位；特定频率的辐射；量子化；跃迁一次到位；失失活活：激激发发态态 基基态态：多多种种途途径径和和方方式式(见见能能级级图图)；速速度最快、激发态寿命最短的途径占优势；度最快、激发态寿命最短的途径占优势；第一、第二、第一、第二、电子激发电子激发单重态单重态 S S1 1、S S2

4、 2 ；第一、第二、第一、第二、电子激发电子激发三重态三重态 T T1 1、T T2 2 ；8雅布隆斯基分子能级图雅布隆斯基分子能级图S2S1S0T1吸吸收收发发射射荧荧光光发发射射磷磷光光系间窜越内转换振动弛豫能量 2 1 3 外转换 2T2内转换振动弛豫9跃迁规则跃迁规则跃迁前后跃迁前后原子核的构型原子核的构型没有发生改变、跃迁过程中没有发生改变、跃迁过程中电子自旋电子自旋没有没有改变、跃迁前后改变、跃迁前后电子的轨道电子的轨道在空间有较大的在空间有较大的重叠重叠和和轨道的对映性轨道的对映性发生了改变的跃迁是允许的；发生了改变的跃迁是允许的；跃迁过程中跃迁过程中电子自旋电子自旋发生了改变、

5、跃迁前后发生了改变、跃迁前后电子的轨道电子的轨道在空间不在空间不重叠重叠或或轨道的对映性轨道的对映性未发生改变的跃迁是禁阻的。未发生改变的跃迁是禁阻的。Franck-Condon原理原理：在电子跃迁完成的瞬间，分子中在电子跃迁完成的瞬间，分子中原子核的构型原子核的构型是来不及改是来不及改变的。变的。10 电电子子处处于于激激发发态态是是不不稳稳定定状状态态，容容易易返返回回基基态态，在在这这个个过过程程中中通通过过辐射跃迁辐射跃迁(发光发光)和和无辐射跃迁无辐射跃迁等方式失去能量，这个过程就称为等方式失去能量，这个过程就称为失活失活。失活途径失活途径辐射跃迁荧光磷光内转换外转换系间窜越振动弛豫

6、无辐射跃迁 激发态激发态停留时间短、返回速度快停留时间短、返回速度快的途径，发生的的途径，发生的几率大几率大。失活的途径失活的途径11 振动弛豫振动弛豫：同一：同一电子能级内以热能量交换形式由高振电子能级内以热能量交换形式由高振动能级至低相邻振动能级间的跃迁。发生振动弛豫的时动能级至低相邻振动能级间的跃迁。发生振动弛豫的时间一般为间一般为10-12s。无辐射跃迁失活的途径无辐射跃迁失活的途径通过内转换和振动弛豫，高激发单重态的电子跃回第一通过内转换和振动弛豫，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。激发单重态的最低振动能级。内转换内转换：多重度相同的电子能级中等能级间的无辐射：多重

7、度相同的电子能级中等能级间的无辐射能级跃迁。能级跃迁。12无辐射跃迁失活的途径无辐射跃迁失活的途径系间窜越系间窜越：不同多重态：不同多重态,有重叠的转动能级间的非辐射跃迁。有重叠的转动能级间的非辐射跃迁。改变电子自旋，禁阻跃迁，通过自旋改变电子自旋，禁阻跃迁，通过自旋轨道耦合进行轨道耦合进行。外转换外转换：激发分子与溶剂或其他分子之间产生相互作用而转：激发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；移能量的非辐射跃迁；外转换使荧光或磷光减弱或外转换使荧光或磷光减弱或“猝灭猝灭”。13荧光发射荧光发射：电子由第一激发单重态的最低振动能级：电子由第一激发单重态的最低振动能级基态（基

8、态（多为多为 S S1 1 S S0 0跃迁跃迁），），发射波长为发射波长为 2 2的荧光；的荧光；1010-7-71010-9-9 s s。辐射跃迁失活的途径辐射跃迁失活的途径磷光发射磷光发射：电子由第一激发三重态的最低振动能级：电子由第一激发三重态的最低振动能级基态（基态（多为多为 T T1 1 S S0 0跃迁跃迁）；）；发射波长为发射波长为 3 3 的磷光；的磷光；1010-4-4100 s 100 s。电子由电子由 S S0 0 进入进入 T T1 1 的可能过程：（的可能过程：（S S0 0 T T1 1禁阻跃迁）禁阻跃迁）S S0 0 激发激发振动弛豫振动弛豫内转换内转换系间窜越

9、系间窜越振动弛豫振动弛豫T T1 1 发光速度很慢，光照停止后，可持续一段时间发光速度很慢，光照停止后，可持续一段时间。由图可见，由图可见，发射荧光的能量比分子吸收的能量小，波长长发射荧光的能量比分子吸收的能量小，波长长；2 2 2 2 1 1；14激发谱激发谱 固定发射波长固定发射波长(一般将其固定于发射波段中感兴趣的峰位一般将其固定于发射波段中感兴趣的峰位)，扫描，扫描出的化合物的出的化合物的发射光强发射光强(荧光荧光/磷光磷光)与与入射光波长入射光波长的关系曲线。的关系曲线。主要光谱参量主要光谱参量发射谱发射谱 固定激发波长固定激发波长(一般将其固定于激发波段中感兴趣的峰位一般将其固定于

10、激发波段中感兴趣的峰位),扫描出扫描出的化合物的的化合物的发射光强发射光强(荧光荧光/磷光磷光)与与入射光波长入射光波长的关系曲线。的关系曲线。吸收谱吸收谱 化合物的化合物的吸收光强吸收光强与与入射光波长入射光波长的关系曲线的关系曲线。15主要光谱参量主要光谱参量 吸收谱吸收谱反映出的是物质的基态能级与激发态能级之间所有的允许跃迁。反映出的是物质的基态能级与激发态能级之间所有的允许跃迁。通常状态下的物质的通常状态下的物质的表观颜色表观颜色大部分时候取决于其大部分时候取决于其吸收特性吸收特性。激发谱激发谱则反映的是基态与所有与该荧光发射有关的能级之间的跃迁。其所则反映的是基态与所有与该荧光发射有

11、关的能级之间的跃迁。其所呈现的关系比吸收谱要有选择性，但有时候又不如吸收谱来的直接。呈现的关系比吸收谱要有选择性，但有时候又不如吸收谱来的直接。电子跃迁到不同激发态能级时，电子跃迁到不同激发态能级时，吸收不同波长的能量吸收不同波长的能量(如能级如能级图图 2 2 ,1 1)，产生不同吸收带，产生不同吸收带，但均回到第一激发单重态的最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，低振动能级再跃迁回到基态，产生波长一定的荧光产生波长一定的荧光(如如 2 2 )。因此，因此，发射谱的形状与激发波发射谱的形状与激发波长无关长无关。16斯托克位移斯托克位移一一个个化化合合物物的的发发射射光光谱谱常

12、常常常与与其其吸吸收收光光谱谱很很类类似似，但但总总是是较较相相应应的吸收光谱红移，这称为的吸收光谱红移，这称为斯托克位移斯托克位移（Stokes shift）。）。蒽在溶液中的吸收（虚线）蒽在溶液中的吸收（虚线）和发射（实线）光谱和发射（实线）光谱17产生斯托克位移的主要原因：产生斯托克位移的主要原因：1.1.跃迁到激发态高振动能级的激发态分子，首先以更快的速跃迁到激发态高振动能级的激发态分子，首先以更快的速率发生振动弛豫（其速率在率发生振动弛豫（其速率在10101313/s/s数量级），散失部分能量，数量级），散失部分能量，达到零振动能级，一般从零振动能级发射荧光；达到零振动能级，一般从零

13、振动能级发射荧光；2.2.激发态形成后，其分子的构型将很快进一步调整，以达到激发态形成后，其分子的构型将很快进一步调整，以达到激发态的稳定构型，这又损失了部分能量；激发态的稳定构型，这又损失了部分能量；3.3.发射荧光的激发态多为（发射荧光的激发态多为（，*）态，这种激发态较基态时）态，这种激发态较基态时有更大的极性，因此将在更大程度上为极性溶剂所稳定，使激有更大的极性，因此将在更大程度上为极性溶剂所稳定，使激发态的能量进一步降低。发态的能量进一步降低。斯托克位移斯托克位移18不过，有时在高温下也可观察到不过，有时在高温下也可观察到反斯托克位移反斯托克位移现象，即荧光光谱移向现象，即荧光光谱移

14、向吸收光谱的短波方向。这是由于高温使更多的激发态分子处于高振动吸收光谱的短波方向。这是由于高温使更多的激发态分子处于高振动能级，荧光主要从激发态的高振动能级发出所致。能级，荧光主要从激发态的高振动能级发出所致。既没发生斯托克位移也没发生反斯托克位移的荧光称既没发生斯托克位移也没发生反斯托克位移的荧光称共振荧光共振荧光。反斯托克位移反斯托克位移19荧荧光光发发射射是是光光吸吸收收的的逆逆过过程程。荧荧光光发发射射光光谱谱与与吸吸收收光光谱谱有有类类似似镜镜影影的的关关系系。但但当当激激发发态态的的构构型型与与基基态态的的构构型型相相差差很很大大时时，荧荧光光发发射射光光谱谱将将明显不同于该化合物

15、的吸收光谱。明显不同于该化合物的吸收光谱。镜像规则镜像规则20荧光光谱荧光光谱 固定激发光波长物质发射的荧光强度与发固定激发光波长物质发射的荧光强度与发射光波长关系曲线，如右图中曲线射光波长关系曲线，如右图中曲线II。荧光本身则是由电子在两能级间不发生自荧光本身则是由电子在两能级间不发生自旋反转的辐射跃迁过程中所产生的光。旋反转的辐射跃迁过程中所产生的光。磷光光谱磷光光谱 固定激发光波长物质发射的磷光强度与发固定激发光波长物质发射的磷光强度与发射光波长关系曲线，如右图中曲线射光波长关系曲线，如右图中曲线III。磷光本身则是由电子在两能级间发生自旋磷光本身则是由电子在两能级间发生自旋反转的辐射跃

16、迁过程中所产生的光。反转的辐射跃迁过程中所产生的光。荧光光谱与磷光光谱荧光光谱与磷光光谱21光谱图光谱图22自吸收现象自吸收现象：化合物的荧光发射光谱的短波长端与其吸收光：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。谱的长波长端重叠，产生自吸收；如蒽化合物。内滤光作用内滤光作用：溶液中含有能吸收激发光或荧光物质发射的荧：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；光，如色胺酸中的重铬酸钾；内滤光作用和自吸收现象内滤光作用和自吸收现象200250300350400450500荧光激发光谱荧光激发光谱荧光发射光谱荧光发射光谱nm蒽的激发光谱和荧光光谱蒽的激发光谱和荧光光谱23荧光寿命荧光寿命荧光寿命荧光寿命 是荧光强度衰减为初始时的是荧光强度衰减为初始时的1/e1/e所需要的时间，所需要的时间，常用常用 表示。表示。如荧光强度的衰减符合指数衰减的规律如荧光强度的衰减符合指数衰减的规律:I It t I I0 0e e-kt-kt 其中其中I I0 0是激发时最大荧光强度，是激发时最大荧光强度，I It t是时间是时间t t时的荧光