2010-8-2
第四章
分子发光分析法
一、分子荧光与磷光产生过程
luminescence process of molecular
fluorescence phosphorescence
二、激发光谱与荧光光谱
excitation spectrum and fluore-
scence spectrum
三、荧光的产生与分子结构关
系 relation between fluorescence
and molecular structure
四、影响荧光强度的因素
factor influenced fluorescence
第一节
分子荧光与磷光
molecular luminescence
analysis
molecular fluorescence
and phosphorescence
2010-8-2
分子发光 包括荧光, 磷光, 化学发光, 生物发光 。
室温下, 大多数 分子 处于基态的最低
振动能级, 处于 基态 的分子吸收能量 （ 光能
,化学能, 电能或热能 ） 后 被激发 为激发态
,激发态 不稳定, 将很快 衰变到基态, 若返
回到基态时伴随着 光子 的 辐射, 这种现象称
为, 发光, 。
2010-8-2
一、荧光与磷光的产生过程
luminescence process of molecular fluorescence
phosphorescence
由分子结构理论, 主要讨论荧光及磷光的产生机理 。
1,分子能级与跃迁
分子能级比原子能级复杂；
在每个电子能级上, 都存在一系列的振动, 转动能级；
用 S0表示 基态；
第一, 第二, … 电子激发单重态 S1, S2? 表示；
第一, 第二, ? 电子激发三重态 T1, T2 ? 表示；
V=0,1,2,3表示振动能级 。
2010-8-2
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 (0或 1)；
平行自旋比成对自旋稳定 (洪特规则 ),三 重态能级比相应
单 重态能级 低 ；
大多数有机分子的 基态 处于 单重态 ；
S0→ T1 禁阻跃迁 ；
通过其他途径进入
(见能级图 )；
2010-8-2
2.激发态 → 基态的能量传递途径
电子处于激发态是不稳定状态, 返回基态时, 通过辐射
跃迁 (发光 )和非辐射跃迁等方式失去能量；
传递途径
辐射跃迁
荧光 磷光 内转移 外转移系间窜越 振动弛豫
非辐射跃迁
激发态 → 基态：多种途径和方式 (见下页能级图 )； 速度最
快, 激发态 寿命最短 的途径 占优 势；
2010-8-2
S2
S1
S0
T1
吸
收
发
射
荧
光
发
射
磷
光
系间窜越
内转换 振动弛豫
能
量
l 2l 1
l 3
外转换
l?2
T2
内转换
振动弛豫
2010-8-2
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。
系间窜越, 不同多重态,有 重叠的转动能级间 的非辐射跃迁。
改变电子的自旋状态。如 S1— T1
S2
S1
S0
T1
吸
收
发
射
荧
光
发
射
磷
光
系间窜越
内转换 振动弛豫
能
量
l 2l 1 l 3
外转换
l?2
T2
内转换
振动弛豫
2010-8-2
非辐射能量传递过程
内转换, 相 同多重度 电子能级间的无辐射跃迁过程。
如 S2— S1,T2— T1。在 10-13～ 10-11s内完成。
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
移能量的非辐射跃迁；外转换使荧光或磷光减弱或“猝灭”
。
S2
S1
S0
T1
吸
收
发
射
荧
光
发
射
磷
光
系间窜越
内转换 振动弛豫
能
量
l 2l 1 l 3
外转换
l?2
T2
内转换
振动弛豫
2010-8-2
辐射能量传递过程
荧光发射, 电子由 第一激发 单重态 的 最低振动能级 → 基态（
多为 S1→ S0跃迁 ）,发射波长为 l ‘ 2的荧光； 10-7～ 10 -9 s 。
由图可见，发射荧光的能量比分子吸收的能量小,荧光
的发射 波长比吸收波长要长； l ‘ 2 > l 2 > l 1 ；
S2
S1
S0
T1
吸
收
发
射
荧
光
发
射
磷
光
系间窜越
内转换 振动弛豫
能
量
l 2l 1 l 3
外转换
l?2
T2
内转换
振动弛豫
2010-8-2
辐射能量传递过程
磷光发射, 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 → T1禁阻跃迁）
S0 → 激发 → 振动弛豫 → 内转移 → 系间跨越 → 振动弛豫 → T1
发光速度很慢,10-4～ 10 s 。 光照停止后，可持续一段时间
S2
S1
S0
T1
吸
收
发
射
荧
光
磷
光
系间窜越
内转换 振动弛豫
能
量
l 2l 1 l 3
外转换
l?2
T2
内转换
振动弛豫
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二、激发光谱与发射光谱
excitation spectrum and fluore-scence spectrum
荧光 (磷光 ),光致发光, 照射光波长如何选择？
1.荧光 (磷光 )的激发光谱曲线
固定测量波长 (选最大发射波长 ),化合物发射的荧光 (磷
光 )强度与照射光波长的关系曲线 （ 图中曲线 I ） 。
激发光谱曲线的 最高处,处于 激发态的分子最多,荧光
强度 最大 ；
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2.荧光发射光谱 (或磷光发射光谱 )
固定激发光波长 (选
最大激发波长 ),化合物
发射的荧光 (或磷光强度 )
与发射光波长关系曲线 (
图中曲线 II或 III)。
2010-8-2
3.激发光谱与发射光谱的关系
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 。
200 260 320 380 440 500 560 620
荧光激发光谱
荧光发射光谱 磷光光谱
室温下菲的乙醇溶液荧（磷）光光谱
2010-8-2
b.发射光谱的形状与激发波长无关
电子跃迁到不同激发态能级, 吸收不同波长的能量 (如
能级图 l 2,l 1),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 )。
S2
S1
S0
T1
吸
收
发
射
荧
光
发
射
磷
光
系间窜越
内转换 振动弛豫
能
量
l 2l 1 l 3
外转换
l?2
T2
内转换
振动弛豫
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c,镜像规则
通常荧光发射光谱与激发光谱成镜像对称关系 。
200 250 300 350 400 450 500
荧光激发光谱 荧光发射光谱
nm
蒽的激发光谱和荧光光谱
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三、荧光的产生与分子结构的关系
relation between fluorescence and molecular
structure1.分子产生荧光必须具备的条件
（ 1） 具有合适的结构；
（ 2） 具有一定的荧光量子产率 。
荧光量子产率 （ ?f）, 表示物质发射荧光的能力
激发态分子总数
发荧光的分子数
吸收的光量子数
发射的光量子数 ??
f?
2010-8-2
荧光量子产率与激发态能量释放 各过程的速率常数 有
关, 可以用以下数学式表示 。 如外转换过程速度快, 不出
现荧光发射；
??
?
if
f
f KK
K
?
Kf － 荧光发射过程的速率常数
∑Ki — 其他有关过程的速率常数的总和
Kf主要决定于物质的 化学结构,而 ∑Ki 则主要决
定于物质所处的 化学环境 。
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2.化合物的结构与荧光
（ 1） 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；
（ 2） 共轭效应, 提高 共轭度 有利于 增加荧光效率并
产生 红移
含 ? → ? * 跃迁能级的 芳香族 化合物的荧光最强
化合物 （ 在环己烷中 ） φf λ /nm
苯 0.07 283
联苯 0.18 316
对 -联三苯 0.93 342
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（ 3） 刚性平面结构,可 降低 分子 振动, 减少与溶剂
的相互作用, 故具有很强的荧光 。 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 。
2010-8-2
（ 4） 取代基效应,芳环族化合物苯环上不同取代
基对该化合物的荧光强度和荧光光谱有很大的影响
，可归为下列几种类型：
第一,给电子基团常常使荧光增强；
第二,吸电子基团会减弱甚至破坏荧光；
第三,同 ?电子体系相互作用小的取代基和烷基对
发光影响不明显；
第四,将一个 高原子序数 的原子引入，常常 增强磷
光而减弱荧光；
第五,双取代和多取代较难预测，但若能增加分子
的平面性，则荧光增强，反之，则荧光减弱。
2010-8-2
2010-8-2
四、影响荧光强度的环境因素
relation between fluorescence and molecular structure
影响荧光强度的 外部因素
1.溶剂的影响
由于溶质分子与溶剂分子间的作用, 使同一种荧光物质
在不同的溶剂中的荧光光谱的位置和强度都会有显著的不同
如 8-巯基喹啉在下列四种不同极性溶剂中的情况
溶剂 介电常数 荧光峰 λ /nm 荧光效率
四氯化碳 2.24 390 0.002
氯仿 5.2 398 0.041
丙酮 21.5 405 0.055
乙 38.8 410 0.064
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2.温度的影响
荧光强度对温度变化 敏感, 一般来说, 溶液的荧光强度
随着温度 升高 而 降低 。
3,溶液 pH
带有 酸性或碱性 官能团的大多数芳香族化合物的荧光一
般都 与 溶液的 pH有关, 因此在荧光分析中要 严格控制 溶液的
pH值 。
如 苯酚 在酸性溶液中呈现荧光, 但在碱性溶液中, 无荧光
再如 苯胺 在 pH7～ 12溶液中有蓝色荧光, 而在 pH小于 2大于
13的溶液中都不发荧光 。
另外金属离子与有机试剂形成的 发光螯合物 也受到溶液的
pH影响
2010-8-2
4.内滤光作用和自吸收现象
自吸收现象,化合物的荧光 发射 光谱的 短波长 端与其 吸
收 光谱的 长波 长端 重叠, 产生自吸收；如蒽化合物 。
内滤光作用,溶液中含有 能吸收 激发光 或荧光物质发射
的 荧光 的物质，就会使荧光 减弱,这种现象称为“内滤光作
用”，如色胺酸中的重铬酸钾；
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5.溶液荧光的猝灭
荧光物质分子 与 溶剂分子 或其他溶质分子的 相互作用 引起荧
光强度 降低 的现象称为 荧光猝灭 。能引起荧光强度降低的物
质称为猝灭剂。
（ 1）碰撞猝灭 M+hγ— M*,M*+Q— M+热
（ 2） 静态猝灭 M+Q— MQ 非荧光
（ 3） 转入三重态的猝灭 三重态 O2
（ 4） 发生电子转移反应的猝灭 M+Q— 发生电子转移
（ 5） 荧光物质的自猝灭 荧光物质浓度较高
2010-8-2
内容选择
第一节 分子荧光和磷光
molecular fluorescence and phosphorescence
第二节 分子荧光和磷光分析法
molecular fluorescence and phosphorescence
analysis
第三节 分子发光分析
chemiluminescence analysis
结束
第四章
分子发光分析法
一、分子荧光与磷光产生过程
luminescence process of molecular
fluorescence phosphorescence
二、激发光谱与荧光光谱
excitation spectrum and fluore-
scence spectrum
三、荧光的产生与分子结构关
系 relation between fluorescence
and molecular structure
四、影响荧光强度的因素
factor influenced fluorescence
第一节
分子荧光与磷光
molecular luminescence
analysis
molecular fluorescence
and phosphorescence
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分子发光 包括荧光, 磷光, 化学发光, 生物发光 。
室温下, 大多数 分子 处于基态的最低
振动能级, 处于 基态 的分子吸收能量 （ 光能
,化学能, 电能或热能 ） 后 被激发 为激发态
,激发态 不稳定, 将很快 衰变到基态, 若返
回到基态时伴随着 光子 的 辐射, 这种现象称
为, 发光, 。
2010-8-2
一、荧光与磷光的产生过程
luminescence process of molecular fluorescence
phosphorescence
由分子结构理论, 主要讨论荧光及磷光的产生机理 。
1,分子能级与跃迁
分子能级比原子能级复杂；
在每个电子能级上, 都存在一系列的振动, 转动能级；
用 S0表示 基态；
第一, 第二, … 电子激发单重态 S1, S2? 表示；
第一, 第二, ? 电子激发三重态 T1, T2 ? 表示；
V=0,1,2,3表示振动能级 。
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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 (0或 1)；
平行自旋比成对自旋稳定 (洪特规则 ),三 重态能级比相应
单 重态能级 低 ；
大多数有机分子的 基态 处于 单重态 ；
S0→ T1 禁阻跃迁 ；
通过其他途径进入
(见能级图 )；
2010-8-2
2.激发态 → 基态的能量传递途径
电子处于激发态是不稳定状态, 返回基态时, 通过辐射
跃迁 (发光 )和非辐射跃迁等方式失去能量；
传递途径
辐射跃迁
荧光 磷光 内转移 外转移系间窜越 振动弛豫
非辐射跃迁
激发态 → 基态：多种途径和方式 (见下页能级图 )； 速度最
快, 激发态 寿命最短 的途径 占优 势；
2010-8-2
S2
S1
S0
T1
吸
收
发
射
荧
光
发
射
磷
光
系间窜越
内转换 振动弛豫
能
量
l 2l 1
l 3
外转换
l?2
T2
内转换
振动弛豫
2010-8-2
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。
系间窜越, 不同多重态,有 重叠的转动能级间 的非辐射跃迁。
改变电子的自旋状态。如 S1— T1
S2
S1
S0
T1
吸
收
发
射
荧
光
发
射
磷
光
系间窜越
内转换 振动弛豫
能
量
l 2l 1 l 3
外转换
l?2
T2
内转换
振动弛豫
2010-8-2
非辐射能量传递过程
内转换, 相 同多重度 电子能级间的无辐射跃迁过程。
如 S2— S1,T2— T1。在 10-13～ 10-11s内完成。
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
移能量的非辐射跃迁；外转换使荧光或磷光减弱或“猝灭”
。
S2
S1
S0
T1
吸
收
发
射
荧
光
发
射
磷
光
系间窜越
内转换 振动弛豫
能
量
l 2l 1 l 3
外转换
l?2
T2
内转换
振动弛豫
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辐射能量传递过程
荧光发射, 电子由 第一激发 单重态 的 最低振动能级 → 基态（
多为 S1→ S0跃迁 ）,发射波长为 l ‘ 2的荧光； 10-7～ 10 -9 s 。
由图可见，发射荧光的能量比分子吸收的能量小,荧光
的发射 波长比吸收波长要长； l ‘ 2 > l 2 > l 1 ；
S2
S1
S0
T1
吸
收
发
射
荧
光
发
射
磷
光
系间窜越
内转换 振动弛豫
能
量
l 2l 1 l 3
外转换
l?2
T2
内转换
振动弛豫
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辐射能量传递过程
磷光发射, 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 → T1禁阻跃迁）
S0 → 激发 → 振动弛豫 → 内转移 → 系间跨越 → 振动弛豫 → T1
发光速度很慢,10-4～ 10 s 。 光照停止后，可持续一段时间
S2
S1
S0
T1
吸
收
发
射
荧
光
磷
光
系间窜越
内转换 振动弛豫
能
量
l 2l 1 l 3
外转换
l?2
T2
内转换
振动弛豫
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二、激发光谱与发射光谱
excitation spectrum and fluore-scence spectrum
荧光 (磷光 ),光致发光, 照射光波长如何选择？
1.荧光 (磷光 )的激发光谱曲线
固定测量波长 (选最大发射波长 ),化合物发射的荧光 (磷
光 )强度与照射光波长的关系曲线 （ 图中曲线 I ） 。
激发光谱曲线的 最高处,处于 激发态的分子最多,荧光
强度 最大 ；
2010-8-2
2.荧光发射光谱 (或磷光发射光谱 )
固定激发光波长 (选
最大激发波长 ),化合物
发射的荧光 (或磷光强度 )
与发射光波长关系曲线 (
图中曲线 II或 III)。
2010-8-2
3.激发光谱与发射光谱的关系
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 。
200 260 320 380 440 500 560 620
荧光激发光谱
荧光发射光谱 磷光光谱
室温下菲的乙醇溶液荧（磷）光光谱
2010-8-2
b.发射光谱的形状与激发波长无关
电子跃迁到不同激发态能级, 吸收不同波长的能量 (如
能级图 l 2,l 1),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 )。
S2
S1
S0
T1
吸
收
发
射
荧
光
发
射
磷
光
系间窜越
内转换 振动弛豫
能
量
l 2l 1 l 3
外转换
l?2
T2
内转换
振动弛豫
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c,镜像规则
通常荧光发射光谱与激发光谱成镜像对称关系 。
200 250 300 350 400 450 500
荧光激发光谱 荧光发射光谱
nm
蒽的激发光谱和荧光光谱
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三、荧光的产生与分子结构的关系
relation between fluorescence and molecular
structure1.分子产生荧光必须具备的条件
（ 1） 具有合适的结构；
（ 2） 具有一定的荧光量子产率 。
荧光量子产率 （ ?f）, 表示物质发射荧光的能力
激发态分子总数
发荧光的分子数
吸收的光量子数
发射的光量子数 ??
f?
2010-8-2
荧光量子产率与激发态能量释放 各过程的速率常数 有
关, 可以用以下数学式表示 。 如外转换过程速度快, 不出
现荧光发射；
??
?
if
f
f KK
K
?
Kf － 荧光发射过程的速率常数
∑Ki — 其他有关过程的速率常数的总和
Kf主要决定于物质的 化学结构,而 ∑Ki 则主要决
定于物质所处的 化学环境 。
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2.化合物的结构与荧光
（ 1） 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；
（ 2） 共轭效应, 提高 共轭度 有利于 增加荧光效率并
产生 红移
含 ? → ? * 跃迁能级的 芳香族 化合物的荧光最强
化合物 （ 在环己烷中 ） φf λ /nm
苯 0.07 283
联苯 0.18 316
对 -联三苯 0.93 342
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（ 3） 刚性平面结构,可 降低 分子 振动, 减少与溶剂
的相互作用, 故具有很强的荧光 。 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 。
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（ 4） 取代基效应,芳环族化合物苯环上不同取代
基对该化合物的荧光强度和荧光光谱有很大的影响
，可归为下列几种类型：
第一,给电子基团常常使荧光增强；
第二,吸电子基团会减弱甚至破坏荧光；
第三,同 ?电子体系相互作用小的取代基和烷基对
发光影响不明显；
第四,将一个 高原子序数 的原子引入，常常 增强磷
光而减弱荧光；
第五,双取代和多取代较难预测，但若能增加分子
的平面性，则荧光增强，反之，则荧光减弱。
2010-8-2
2010-8-2
四、影响荧光强度的环境因素
relation between fluorescence and molecular structure
影响荧光强度的 外部因素
1.溶剂的影响
由于溶质分子与溶剂分子间的作用, 使同一种荧光物质
在不同的溶剂中的荧光光谱的位置和强度都会有显著的不同
如 8-巯基喹啉在下列四种不同极性溶剂中的情况
溶剂 介电常数 荧光峰 λ /nm 荧光效率
四氯化碳 2.24 390 0.002
氯仿 5.2 398 0.041
丙酮 21.5 405 0.055
乙 38.8 410 0.064
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2.温度的影响
荧光强度对温度变化 敏感, 一般来说, 溶液的荧光强度
随着温度 升高 而 降低 。
3,溶液 pH
带有 酸性或碱性 官能团的大多数芳香族化合物的荧光一
般都 与 溶液的 pH有关, 因此在荧光分析中要 严格控制 溶液的
pH值 。
如 苯酚 在酸性溶液中呈现荧光, 但在碱性溶液中, 无荧光
再如 苯胺 在 pH7～ 12溶液中有蓝色荧光, 而在 pH小于 2大于
13的溶液中都不发荧光 。
另外金属离子与有机试剂形成的 发光螯合物 也受到溶液的
pH影响
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4.内滤光作用和自吸收现象
自吸收现象,化合物的荧光 发射 光谱的 短波长 端与其 吸
收 光谱的 长波 长端 重叠, 产生自吸收；如蒽化合物 。
内滤光作用,溶液中含有 能吸收 激发光 或荧光物质发射
的 荧光 的物质，就会使荧光 减弱,这种现象称为“内滤光作
用”，如色胺酸中的重铬酸钾；
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5.溶液荧光的猝灭
荧光物质分子 与 溶剂分子 或其他溶质分子的 相互作用 引起荧
光强度 降低 的现象称为 荧光猝灭 。能引起荧光强度降低的物
质称为猝灭剂。
（ 1）碰撞猝灭 M+hγ— M*,M*+Q— M+热
（ 2） 静态猝灭 M+Q— MQ 非荧光
（ 3） 转入三重态的猝灭 三重态 O2
（ 4） 发生电子转移反应的猝灭 M+Q— 发生电子转移
（ 5） 荧光物质的自猝灭 荧光物质浓度较高
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内容选择
第一节 分子荧光和磷光
molecular fluorescence and phosphorescence
第二节 分子荧光和磷光分析法
molecular fluorescence and phosphorescence
analysis
第三节 分子发光分析
chemiluminescence analysis
结束
