视频：分子发射光谱法在线视频

同学们，大家好

今天我们来学习分子发射光谱法

说到分子发光

其实日常生活中

我们经常接触到分子发光现象

比如夏日夜晚中飞舞的萤火虫

可以发出绿色的荧光

海洋馆里会发光的水母

这些属于生物发光

演唱会中挥舞的荧光棒

就是利用化学发光制作的

一种发光材料

人民币上的荧光防伪标志

就是应用荧光油墨印制而成的

钱永健等三人在发现

和改造绿色荧光蛋白方面的

突出贡献被授予

2008年诺贝尔化学奖

这种绿色荧光蛋白

是在一种名叫

维多利亚发光水母体内发现的

这种蛋白质可以在

蓝色波长的光线下发出绿色荧光

可以和钙离子产生交互作用

这种绿色荧光蛋白极其稳定

可以用于生物细胞学研究

药物筛选，信号转导

甚至是光伏发电领域

意义非常深远

那么什么是分子发光

分子又是如何发光的呢

这节课我们就从分子发光概述

分子发光基本原理

荧光、磷光与分子结构的关系

这三个方面来学习分子发射光谱法

我们首先

先了解什么是分子发光

分子发光指的是某些物质的

分子吸收一定能量跃迁到

较高的电子激发态后

在返回电子基态的过程中

伴随的光辐射现象

按照激发模式不同

分子发光可以分为光致发光

化学发光和生物发光

光致发光是指物体

依赖外界光源进行照射

从而获得能量

产生激发导致发光的现象

光致发光最普遍的应用为日光灯

它是灯管内气体放电产生的

紫外线激发管壁上的

发光粉而发出可见光的

其效率约为白炽灯的5倍

化学发光：

分子的激发能量是由

反应的化学能量提供的发光现象

如荧光棒中的化学物质

主要由三种物质组成：

过氧化物、酯类化合物

和荧光染料

简单地说

荧光棒发光的原理

就是过氧化物和酯类化合物

发生反应

将反应后的能量传递给荧光染料

再由染料发出荧光

生物发光：

分子的激发能量

是由生物体释放出来的能量

所提供的产生的发光现象

如萤火虫有专门的发光细胞

在发光细胞中有两类化学物质

一类被称作萤光素

另一类被称为荧光素酶

荧光素能在荧光素酶的

催化下消耗ATP

并与氧气发生反应

反应中产生激发态的氧化荧光素

当氧化荧光素从激发态

回到基态时释放出光子

从而发光

按照分子激发态的类型分

分子发光可分为荧光和磷光

荧光：是由第一电子激发

单重态所产生的辐射跃迁

而伴随的发光现象

磷光：是由最低的电子激发

三重态所产生的辐射跃迁

而伴随的发光现象

这里出现了两个术语

单重态和三重态

单重态是指根据泡里不相容原理

在同一轨道上的两个电子的

自旋方向要彼此相反

即基态分子的电子是自旋成对的

净自旋为零

这种电子都配对的分子电子能态

称为单重态

此时，s=+1/2+(-1/2)=0

分子的多重度M=2s+1=1

处于基态单重态用（S0）来表示

当基态分子中的一个电子

被激发到某高能级时

有两种激发态

倘若分子吸收能量后电子

在跃迁过程中不发生自旋方向的变化

这时分子处于激发的单重态

如果电子在跃迁过程中

还伴随着自旋方向的改变

这时分子便具有

两个自旋不配对的电子

分子处于激发的三重态

用符号T表示

每个分子都具有

一系列严格分立的能级

我们称之为电子能级

符号S0,S1和S2分别表示

分子的基态、第一和第二电子

激发单重态

T1和T2则分别表示

第一和第二电子激发三重态

并且在每个电子能级上

都存在振动能级和转动能级

物质在吸收入射光的过程中

光子的能量传递给了物质分子

分子被激发后电子

从基态跃迁到激发态

所涉及的两个能级之间的能量差

等于所吸收光子的能量

这些能级的分布是量子化的

电子的跃迁是一次到位的

处于激发态的分子不稳定

它可以通过多种途径

而返回基态

其中速度最快、激发态寿命最短的

途径占优势

如图中所示

分子由激发态跃迁回基态

他可能通过辐射跃迁

和非辐射跃迁的衰变过程

而返回基态

辐射跃迁的衰变过程

伴随着光子的发射

即产生荧光或磷光

非辐射跃迁的衰变过程

包括振动驰豫、内转化、

外转化和系间跨越

这些衰变过程导致激发

能转化为热能传递给介质

振动弛豫：

分子将多余的振动能量

传递给介质而衰变到

同一电子能级的最低振动能级的过程

发生振动弛豫的时间10的-12次方s

如图中S2态中

电子由最高振动能级跃迁

回最低振动能级

内转换：

相同多重态的两个电子态间的

非辐射跃迁过程

例如S2 S1,T2 T1

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

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”

系间跨越：

不同多重态

有重叠的转动能级间的非辐射跃迁

例如S1 T1之间的跃迁

这种跃迁改变电子自旋方向

属于禁阻跃迁

一般通过自旋—轨道耦合进行

辐射能量传递过程：

包括荧光发射和磷光发射

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的-7次方秒～10的-9次方秒

由图可知，发射荧光的能量

比分子吸收的能量小

荧光波长比吸收的波长更长

即 l′2 > l 2 > l 1

磷光发射：

激发态分子经过系间

跨跃达到激发三重态后

并经过迅速的振动弛豫达到

第一激发三重态(T1)的最低振动能级上

从T1态分子

经发射光子返回基态

此过程称为磷光发射

磷光发射是不同多重态之间的

跃迁(即T1 →S0)

故属于“禁阻”跃迁

因此磷光的寿命

比荧光要长很多

约为10的-3次方到10s之间

通过以上知识的介绍

我们可以由亚布隆斯基

能级图来总结

分子发光的基本原理

物质在吸收特定频率的辐射后

电子从基态跃迁到激发态

处于激发态的分子不稳定

它可能通过辐射跃迁

和非辐射跃迁的衰变过程

而返回基态

当某个分子的S0态的电子

受到波长为λ1、λ2入射光的激发后

该分子的基态电子跃迁到

能量较高的S1、 S2态上

如果λ1大于λ2则S2能量高于S1

位于S2的高振动能级的电子

可以通过振动弛豫逐步

回到S2态的最低振动能级上

在经过内转换形式

从S2态的最低振动能级

经非辐射跃迁到

S1态的高振动能级

再由S1态的高振动能级

经过一系列的振动驰豫回到

其最低振动能级上

此时位于S1态的最低振动能级的

电子如果通过辐射光子的形式

回到基态S0

那么就会发出波长为λ′2的荧光

此外，位于S1态的最低振动能级的

电子也可以通过非辐射的

外转换的形式

即激发态的电子将能量

传递给溶液或其他分子

而降低能量回到基态

此时就不会有荧光产生

称之为荧光的猝灭

如果激发单重态和三重态之间

有部分振动能级的能量相同

单重态的电子可通过

系间跨越的形式转变为三重态

位于三重态的最低振动能级的

电子也可以通过辐射光子的形式

回到基态

此时发射的光称之为磷光

虽然许多物质能够吸收

紫外和可见光

然而只有一部分物质

能够发荧光或磷光

分子产生荧光必须具备两个条件：

第一，具有合适的结构

能够吸收光能

第二，具有一定的荧光量子产率

即要有荧光的形式发生辐射跃迁

荧光量子产率是

衡量物质荧光强弱的物理量

定义为荧光物质吸光后

所发射的荧光的光子数

与所吸收的激发光的光子数之比值

通常情况下

荧光量子产率总是小于1

分子能否发荧光或磷光

在很大程度上

决定于它们的分子结构

具有强荧光性的物质

其分子往往具有以下特征

分子内具有大的共轭双键体系

具有共轭双键体系的分子

含有易被激发的非定域的p电子

共轭体系越大

非定域的p电子越容易被激发

往往具有更强的发光

因此，提高共轭度有利于

增加荧光效率并产生红移

例如，萘，蒽、丁省等分子

要比苯发射更强的荧光

且荧光峰随着苯环数的增多

而向长波方向移动

具有刚性的平面结构

具有刚性的平面构型的分子

其振动和转动的自由度减小

可降低分子振动

减少与溶剂的相互作用

从而增大了发光的效率

例如具有刚性平面结构的

荧光素会发强荧光

而类似的化合物酚酞

由于非刚性平面构型而不发荧光

芴和联苯在同样条件下

荧光效率分别为1和0.2

芴中的亚甲基使分子

具有刚性结构

从而导致两者在

荧光效率上的显著差异

第三个特征是

环上的取代基是

供电子取代基团

对于供电子取代基

如-氨基，甲氨基，叔氨基

羟基，甲氧基，氰基

和氟等取代基团

往往使荧光增强

例如苯胺或苯酚的荧光比苯强

含这类取代基的荧光体

其激发态常由环外的羟基

或氨基上的n电子激发转移到

环上而产生的

它们的n电子的电子云

几乎与芳环上的p轨道平行

从而共享了共轭电子结构

扩大了共轭双键体系

第四，具有最低的

电子激发单重态为

p反键→p型

产生的荧光效率高

系间跨越过程的速率常数小

有利于荧光的产生

p反键 → p的跃迁是

有机化合物产生荧光的主要跃迁类型

分子结构是物质能否发荧光的决定因素

但是荧光分子所处的环境

也对其荧光强度有直接影响

首先，我们来看溶剂

对荧光强度的影响

溶液的介电常数

和折射率等因素的作用

称为一般溶剂效应

这种效应普遍存在

除一般溶剂效应外

溶剂的极性、氢键、配位键的形成

都将使化合物的荧光发生变化

第二，温度的影响

荧光强度对温度变化敏感

温度增加，分子之间的

碰撞频率会增大

外转换去活的几率增加

因此，选择低温条件

进行荧光检测

将有利于提高分析的灵敏度

PH的影响

含有酸性或碱性基团的荧光物质

PH对这类物质的荧光强度

产生较大的影响

如果荧光物质

是一种有机弱酸或弱碱

它们的分子及其相应的离子

可视为两种具有

不同荧光特性的型体

介质的酸碱性变化

将使两种不同型体的比例

发生变化，从而对荧光光谱的形状

和强度产生很大的影响

荧光磷光的猝灭

这里所讨论的荧光或磷光的猝灭

是发光分子与溶剂或溶质分子之间

所发生的导致发光强度下降的

物理或化学作用过程

与发光分子相互作用而

引起发光强度下降的物质

称为猝灭剂

猝灭过程发生于猝灭剂

与发光物质的激发态分子之间的

相互作用，称为动态猝灭

发生于猝灭剂与发光物质的

基态分子之间的相互作用

引起静态猝灭

在动态猝灭过程中

发光物质的激发态分子

通过与猝灭剂分子的碰撞作用

以能量转移的机制

或电荷转移的机制丧失

其激发能而返回基态

静态猝灭指的是猝灭剂

与发光物质的基态分子

发生络合反应

所产生的络合物

在实际检测的光谱区内不发光

以上是关于分子发射光谱的基础知识

谢谢大家观看