遠慕簡述分子熒光分析法基本原理

一. 分子熒光的發(fā)生過程

（一）分子的激發(fā)態(tài)——單線激發(fā)態(tài)和三線激發(fā)態(tài)

大多數(shù)分子含有偶數(shù)電子，在基態(tài)時，這些電子成對地存在于各個原子或分子軌道中，成對自旋，方向相反，電子凈自旋等于零：S=?+(-?)=0，其多重性  M=2S+1=1 (M 為磁量子數(shù))，因此，分子是抗（反）磁性的，其能級不受外界磁場影響而分裂，

稱“單線態(tài)”；
當基態(tài)分子的一個成對電子吸收光輻射后，被激發(fā)躍遷到能量較高的軌道上，通常它的自旋方向不改變，即?S=0，則激發(fā)態(tài)仍是單線態(tài)，即“單線(重)激發(fā)態(tài)”；

如果電子在躍遷過程中，還伴隨著自旋方向的改變，這時便具有兩個自旋不配對的電子，電子凈自旋不等于零，而等于1： S=1/2+1/2=1 其多重性： M=2S+1=3

即分子在磁場中受到影響而產(chǎn)生能級分裂，這種受激態(tài)稱為“三線(重)激發(fā)態(tài)”；

“三線激發(fā)態(tài)” 比 “單線激發(fā)態(tài)” 能量稍低。但由于電子自旋方向的改變在光譜學上一般是禁阻的，即躍遷幾率非常小，只相當于單線態(tài) → 單線態(tài)過程的 10-6~10-7。

（二）分子去活化過程及熒光的發(fā)生：

（一個分子的外層電子能級包括 S0（基態(tài)）和各激發(fā)態(tài)S1，S2，…..，T1…..，每個電子能級又包括一系列能量非常接近的振動能級）

處于激發(fā)態(tài)的分子不穩(wěn)定，在較短的時間內(nèi)可通過不同途徑釋放多余的能量（輻射或非輻射躍遷）回到激態(tài)，這個過程稱為“去活化過程”，這些途徑為：

1. 振動弛豫：在溶液中，處于激發(fā)態(tài)的溶質(zhì)分子與溶劑分子間發(fā)生碰撞，把一部分能量以熱的形式迅速傳遞給溶劑分子（環(huán)境），在10-11~10-13 秒時間回到同一電子激發(fā)態(tài)的最低振動能級，這一過程稱為振動弛豫。
2. 內(nèi)轉(zhuǎn)換：當激發(fā)態(tài)S2 的較低振動能級與S1 的較高振動能級的能量相當或重疊時，分子有可能從S2 的振動能級以無輻射方式過渡到S1 的能量相等的振動能級上， 這一無輻射過程稱為“內(nèi)轉(zhuǎn)換”。（“ 內(nèi)轉(zhuǎn)換”過程同樣也發(fā)生在三線激發(fā)態(tài)的電子能級間）

3. 外轉(zhuǎn)換：激發(fā)態(tài)分子與溶劑分子或其他溶質(zhì)分子相互作用（如碰撞）而以非輻射形式轉(zhuǎn)移掉能量回到基態(tài)的過程稱“外轉(zhuǎn)換” 。

4.系間跨躍：當電子單線激發(fā)態(tài)的最低振動能級與電子三線激發(fā)態(tài)的較高振動能級相重疊時，發(fā)生電子自旋狀態(tài)改變的 S—T 躍遷，這一過程稱為 “系間跨躍” 。

（含有高原子序數(shù)的原子如 Br2、I2 的分子中，由于分子軌道相互作用大，此過程最為常見。）

5. 熒光發(fā)射：當激發(fā)態(tài)的分子通過振動馳豫—內(nèi)轉(zhuǎn)換—振動馳豫到達第一單線激發(fā)態(tài)的最低振動能級時，第一單線激發(fā)態(tài)最低振動能級的電子可通過發(fā)射輻射（光子）躍回到基態(tài)的不同振動能級，此過程稱為  “熒光發(fā)射”。

如果熒光幾率較高，則發(fā)射過程較快，需10-8秒。（它代表熒光的壽命）

由于不同電子激發(fā)態(tài)（S）的不同振動能級相重疊時，內(nèi)轉(zhuǎn)換發(fā)生速度很快（容易），在10-11~1013秒內(nèi)完成，所以通過重疊的振動能級發(fā)生內(nèi)轉(zhuǎn)換的幾率要比由高激發(fā)態(tài)發(fā)射熒光的幾率大的多，因此，盡管使分子激發(fā)的波長有短（l1）有長（ l2 ），但發(fā)射熒光的波長只有l(wèi)3（>l1>l2）。

6. 磷光發(fā)射：第一電子三線激發(fā)態(tài)最低振動能級的分子以發(fā)射輻射（光子）的形式回到基態(tài)的不同振動能級，此過程稱為 “磷光發(fā)射”。

（磷光的波長l4較熒光的波長l3稍長，發(fā)生過程較慢 約 10-4~10s）

由于三線態(tài) — 單線態(tài)的躍遷是禁阻的，三線態(tài)壽命比較長，（10-3~10s 左右），若沒其它過程同它競爭時，磷光的發(fā)生就有可能；由于三線態(tài)壽命較長，因而發(fā)生振動弛豫及外轉(zhuǎn)換的幾率也高，失去激發(fā)能的可能性大，以致在室溫條件下很難觀察到溶液中的磷光現(xiàn)象。因此，試樣采用液氮冷凍降低其它去活化才能觀察到某些分子的磷光。

總之：處于激發(fā)態(tài)的分子，可以通過上述不同途徑回到基態(tài)，哪種途徑的速度快，哪種途徑就優(yōu)先發(fā)生。

如果—發(fā)射熒光使受激分子去活化過程與其他過程相比  較快，則熒光發(fā)生幾率高，強度大。

如果—發(fā)射熒光使受激分子去活化過程與其他過程相比  較慢，則熒光很弱或不發(fā)生。

（三）熒光量子效率：

物質(zhì)發(fā)射熒光的光子數(shù)與吸收激發(fā)光的光子數(shù)的比值。

(1) F 數(shù)值在 0~1 之間。他的大小取決于物質(zhì)分子的化學結構及環(huán)境（t0c、pH 、溶劑等）。

二. 激發(fā)光譜與熒光（發(fā)射）光譜

1. 激發(fā)光譜：將激發(fā)熒光的光源用單色器分光，連續(xù)改變激發(fā)光波長，固定熒光發(fā)射波長，測定不同波長激發(fā)光下物質(zhì)溶液發(fā)射的熒光強度(F)，作F—l光譜圖稱激發(fā)光譜。

從激發(fā)光譜圖上可找到發(fā)生熒光強度最強的激發(fā)波長lex，選用 lex可得到強度最大的熒光。

2. 熒光光譜：選擇lex作激發(fā)光源，用另一單色器將物質(zhì)發(fā)射的熒光分光，記錄每一波長下的 F，作 F- l 光譜圖稱為熒光光譜。

熒光光譜中熒光強度最強的波長為 lem 。

lex 與 lem一般為定量分析中所選用的最靈敏的波長。

三. 熒光與分子結構的關系

1. 分子結構與熒光

具有 p、 p 及 n、 p 電子共軛結構的分子能吸收紫外和可見輻射而發(fā)生 p -p* 或 n - p* 躍遷，然后在受激分子的去活化過程中發(fā)生 p*- p或 p*- n 躍遷而發(fā)射熒光。

發(fā)生 p - p* 躍遷分子，其摩爾吸光系數(shù)（?）比  n - p* 躍遷分子的大100—1000倍，它的激發(fā)單線態(tài)與三線態(tài)間的能量差別比 n - p* 的大的多，電子不易形成自旋反轉(zhuǎn)，體系間跨越幾率很小，因此， p - p* 躍遷的分子，發(fā)生熒光的量子效率高，速率常數(shù)大，熒光也強。

所以——只有那些具有 p- p 共軛雙鍵的分子才能發(fā)射較強的熒光；

p 電子共軛程度越大，熒光強度就越大（ lex與 lem長移）大多數(shù)含芳香環(huán)、雜環(huán)的化合物能發(fā)出熒光，且 p 電子共軛越長， F 越大。

2. 取代基對分子發(fā)射熒光的影響

（1）（苯環(huán)上）取代 給電子基團，使 p 共軛程度升高à熒光強度增加：如–CH3，–NH2 ，–OH ，–OR等。

（2） (苯環(huán)上）取代吸電子基團，時熒光強度減弱甚至熄滅：如： ，–COOH ，–CHO， –NO2 ，–N=N–。

（3）高原子序數(shù)原子，增加體系間跨越的發(fā)生，使熒光減弱甚至熄滅。如：Br，I 。

3. 共面性高的剛性多環(huán)不飽和結高的分子有利于熒光的發(fā)射。

例如：熒光素呈平面構型，其結構具有剛性，它是強熒光物質(zhì)；而酚酞分子由于不易保持平面結構，故而不是熒光物質(zhì)。