(17)--7.1荧光和磷光光谱的产生.pdf

荧光光谱分析法荧光光谱分析法第七章Fluorescence Spectroscopy7.1 荧光和磷光光谱的产生荧光和磷光光谱的产生 分子发光，2008年诺贝尔化学奖授予日裔美国科学家下村修(Osamu Shimomura)、美国科学家马丁查尔菲Martin Chalfie，以及美国华裔科学家钱永健。三人在绿色荧光蛋白（GFP）方面作出突出成就。Q Q：分子发光是如何产生的？荧光和磷光有什么区别？7.1 荧光和磷光光谱的产生荧光和磷光光谱的产生分子发光的产生过程分子发光的产生过程 室温下，大多数分子处于基态（ground electronic state）。处于基态的分子吸收能量后会被激发到激发态（excited state）。激发态分子不稳定，会释放能量返回基态。若返回基态伴随着光子的辐射，这种现象称为“发光”Types of Luminescence：光致发光Photo-luminescence(Fluorescence荧光，Phosphorescence 磷光)化学发光Chemiluminescence生物发光Bioluminescence7.1 荧光和磷光光谱的产生荧光和磷光光谱的产生分子能级图分子能级图（Jablonski diagram）S2S1S0T1吸收荧光磷光系间窜跃内转换振动弛豫能量l l 2l l 1l l 3 外转换l l 2T2内转换基态用基态用 S0 表示表示 S1、S2 表示第一电子激发单重态、第二电子激发单重态 T1、T2 表示第一电子激发三重态、第二电子激发三重态7.1 荧光和磷光光谱的产生荧光和磷光光谱的产生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(0或1)大多数有机分子的基态处于单重态 （成对自旋）三重态能级比相应的单重态能级略低（S1能量高于T1）不同多重态之间的跃迁为禁阻跃迁 （例S1T1的几率小）当分子中两个电子自旋方向相反（成对自旋）时，s=0,M=1 单重态当两电子自旋方向相同（平行自旋）时，s=1,M=3 三重态电子激发态的多重度电子激发态的多重度7.1 荧光和磷光光谱的产生荧光和磷光光谱的产生处于S0态的分子吸收不同波长的光被激发到S1、S2态后，因为激发态不稳定，分子要释放能量返回基态。能量释放可通过辐射跃迁(发光)和非辐射跃迁等方式能量传递途径辐射跃迁荧光延时荧光磷光内转换外转换振动弛豫系间窜跃非辐射跃迁激发态激发态基态的能量传递途径基态的能量传递途径7.1 荧光和磷光光谱的产生荧光和磷光光谱的产生非辐射能量传递过程非辐射能量传递过程振动弛豫：同一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。发生振动弛豫的时间10-12 s内转换：相同多重度电子能级间的无辐射能量传递过程。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S2S1S0T1吸收荧光磷光系间窜跃内转换振动弛豫能量l l 2l l 1l l 3 外转换l l 2T2内转换7.1 荧光和磷光光谱的产生荧光和磷光光谱的产生外转换：激发分子与溶剂或其它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”系间窜跃：不同多重态间的非辐射跃迁 禁阻跃迁禁阻跃迁S2S1S0T1吸收荧光磷光系间窜跃内转换振动弛豫能量l l 2l l 1l l 3 外转换l l 2T2内转换7.1 荧光和磷光光谱的产生荧光和磷光光谱的产生辐射能量传递过程辐射能量传递过程荧光：电子由第一激发单重态的最低振动能级基态各个振动能级所产生的辐射光（S1 S0跃迁）荧光寿命 10-910-6 s，瞬时荧光 磷光：电子由第一激发三重态的最低振动能级基态（T1 S0）磷光寿命10-410 s入射光停止后，仍可持续一段时间S2S1S0T1吸收荧光磷光系间窜跃内转换振动弛豫能量l l 2l l 1l l 3 外转换l l 2T2内转换发射磷光的可能过程：发射磷光的可能过程：（S0 T1禁阻跃迁）S0 激发S2振动弛豫内转换S1 系间窜越振动弛豫 T17.1 荧光和磷光光谱的产生荧光和磷光光谱的产生延时荧光：延时荧光：某些物质的分子经系间窜跃至T1后，可能因相互碰撞或其他作用又回到S1 态再发射荧光（T1 S1 S0跃迁）判断吸收光波长与荧光发射波长的大小E=h=hc/荧光发射波长大于吸收光波长最大发射波长与最大激发波长之差为Stokes 位移位移Stokes 位移越小，激发光对发射光的干扰越大通常Stokes 位移大于20 nm，可进行荧光测定 S2S1S0T1吸收荧光磷光系间窜跃内转换振动弛豫能量l l 2l l 1l l 4 外转换T2内转换l l 3辐射能量传递过程辐射能量传递过程7.1 荧光和磷光光谱的产生荧光和磷光光谱的产生左图为萘的荧光激发光谱，荧光发射光谱及磷光光谱，试指出对应关系。荧光激发光谱是激发光（入射光，吸收光）的波长连续变化时，固定发射波长，荧光强度随激发波长变化的谱图荧光（发射）光谱指固定激发波长，荧光强度随发射波长变化得到的谱图如果某物质吸收光的波长为l l 1，荧光波长为l l 2，磷光波长为l l 3，则三者的大小关系为 l l 1l l 2l l 3 图中谱线（I）为激发光谱，谱线（II）为荧光光谱，谱线（III）为磷光光谱练习练习17.1 荧光和磷光光谱的产生荧光和磷光光谱的产生判断题判断题通常情况，荧光光谱的最大发射波长随激发波长的改变而改变。一般来说，改变激发波长，发射波长不变，因为荧光发射通常由S1最低振动能级跃迁至基态。合成荧光材料时，一般希望激发光谱较宽，发射光谱较窄荧光激发和发射光谱荧光激发和发射光谱练习练习2（X）7.1 荧光和磷光光谱的产生荧光和磷光光谱的产生物质吸收光后会被激发到激发态，激发态不稳定，会释放能量返回基态若发生第一激发单重态的最低振动能级至基态的辐射跃迁，产生荧光若发生第一激发三重态的最低振动能级至基态的辐射跃迁，产生磷光Summary of the Key Points