分子光谱分析03解析 - 图文

理解分子荧光分析的基本原理

理解激发光谱发射光谱 同步光谱 三维荧光光谱的含义 掌握分子荧光发射光谱的特性

了解荧光光谱仪器的组成及各部分作用

掌握影响荧光强度的内部结构因素和外部环境因素 了解光谱分析法的应用范围

第一章 分子荧光光谱分析

1概述

分子荧光光谱分析也叫荧光分光光度法，是当前普遍使用并有发展前途的一种光谱分析技术。物质的分子吸收了紫外和可见光后它的电子跃迁到激发态，然后以热能的形式将这一部分能量释放出来，本身回复到基态。。如果吸收辐射能后处于电子激发态的分子以发射辐射的方式释放这一部分能量，再发射的波长可以同分子所吸收的波长相同也可以不同，这个现象叫光致发光，最常见的光致发光现象是荧光和磷光。

当用一种波长的光照射某种物质时，这个物质会在极短的时间内发射出比照射波长更长的光，这种光称为荧光。对于荧光来说，当激发光停止照射后，发光过程几乎立即（10-9-10-6 S）停止;

当用一种波长的光照射某种物质时，这如果种物质在较长的时间内发射出比照射波长更长的光，这种光称为磷光。对于磷光来说，当激发光停止照射后，发光过程将持续一段时间（10-1-10 S）;

磷光和荧光的发光机理是不同的。

由于物质分子结构不同，所吸收的光的波长和发射的荧光波长也有所不同，利用这个特性可以定性鉴别物质。同一种分子结构的物质用同一波长的激发光照射可以发射相同波长的荧光，若该物质的浓度不同，则浓度大时，所发射的荧光强度也强，利用这个性质可以进行定量测定。用荧光进行定性和定量的方法叫荧光分析法。

2荧光分析的原理 2.1分子荧光发生过程 2.1.1荧光与磷光

2.1.1.1 分子的电子能级与激发过程

分子除了电子不断运动外，分子本身还有振动和转动。量子力学表明，这些运动的能量是量子化的，所以分子有电子能级，分子振动能级，及分子转动能级。每个电子能级中有包含一系列的振动能级和转动能级。.

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图1 分子电子能级，振动能级和转动能级示意图

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（电能，热能， 光能，化学能）后被激发为激发态。激发态不稳定将很快衰变为基态，若返回到基态伴随着光子的辐射，这种现象称为发光。现在从分子结构上讨论荧光发光产生的机理。

每个分子具有一系列严格分立的能级，称为电子能级。而每个电子能级中又包含者一系列振动能级和转动能级。我们用S0 S1 Sn表示电子的基态，第一电子激发的单线态和第N电子激发的单线态。T1表示第一电子激发的三线态。

电子激发的单线态和相应的三线态的区别在于电子自旋方向不同，另外三线态的能级稍微低一些。

电子能态的的多重性用M= 2S+1表示 , S为电子自旋量子数的代数和，其数值为0或1。大多数分子含有偶数个电子。基态时这些电子成对地填充在能量

最低的各个轨道中。根据Pauli不相容原理,一个给定轨道中的两个电子，必定具有相反方向的自旋，即自旋量子数分别为1/2和-1/2，其总自旋量子数S=0，就是说基态没有净自旋。分子的多重度M=1，该分子体系便处于单线态，用符号S表示。大多数有机物分子的基态是处于单线态的。

基态分子在吸收光能后其价电子从成键轨道或非成键轨道跃迁到高能量的反键轨道上，产生激发态分子，此为分子光吸收过程。但是激发态分子不稳定，通常很快失去能量回到基态。如果激发态分子在返回基态时以光辐射的形式失去能量，这种光辐射过程叫做光致发光。分子吸收能量后，如果电子在跃迁过程中不发生自旋方向的改变，这时分子处于激发的单线态。分子吸收能量后如果电子在跃迁过程中伴随自旋方向的改变，这时分子便具有两个自旋不配对的电子。即S=1，分子的多重度M= 2*1+1=3，这时分子处于激发的三线态，用符号T表示。处于分立轨道上的非成对电子，平行自旋比成对自旋更稳定些（洪特规则）。因此三线态的能级总是比相应的单线态能级略低。

单线基态 激发单线态 激发三线态

图 2 单线态和三线态

2.1.1.2 荧光的产生

根据波滋曼分布(Boltzmann distribution ) 分子在室温时基本上处于电子能级的基态，当吸收了紫外可见光后，基态分子中的电子只能跃迁到激发单线态的各个不同振动-转动能级，根据自旋禁率, 不能直接跃迁到激发三线态的振动-转动能级。处于激发态的分子是不稳定的，它可能通过辐射跃迁和无辐射跃迁等多种

分子内去活化过程释放多余的能量而返回基态，发射荧光是其中途径之一。下面几种方式为基本去活化过程；

振动弛豫：(VR vibrational relaxation ) 在溶液中的物质分子受入射光激发后形成的激发态分子，通过与溶剂分子碰撞，将部分能量传递给溶剂分子，其电子则返回同一电子激发态的最低振动能级。在这个过程中，分子被激发时吸收的能量不是以发出光辐射的形式耗散，因而属于无辐射跃迁。振动弛豫只能在同一电子能级进行，所需时间约为10-8秒数量级。

内转换：(IC Internal conversion): 指相同多重态电子能级中等能级间的一种无辐射跃迁过程。当两个电子激发态之间能量相差较小，以至其振动能级有重叠时，则可能发生电子由高能级以无辐射跃迁方式转移到低电子能级的激发态。上述的振动能级之间很接近时，内部能量转换容易发生。

外转换（Ecexternal conversion）： 溶液中激发态分子与溶剂分子及其他溶质分子之间发生碰撞而消耗能量，所消耗的能量转换为热能。外转换常发生在第一激发单线态或第一激发三线态的最低振动能级向基态转换的过程中。转换时间为10-9---10-7秒，其发生可以降低荧光强度，这一现象叫荧光熄灭或猝灭。 系间跨越 (Intersystem crossing, ISC)： 系间跨越指不同多重度状态之间的一种无辐射跃迁过程。它涉及到受激电子自旋状态的改变S1?T1，使原来两个自旋配对的两个电子不再配对，这种跃迁是禁阻的，但如果两个电子的能级的振动能级有较大的重叠时，例如激发单线态S1的最低振动能级与激发三线态T1的较高振动能级重叠, 则可能通过自旋-轨道耦合等作用使S1态转入T1态的某一振动能级.。系间跨越可以使荧光强度减弱或熄灭。

荧光发射： （Fluorescence emission）.当分子被激发到任意一个激发单线态，并通过内转换及振动弛豫返回到第一激发单线态的最低振动能级后， 再以辐射形式发射光量子并返回到基态的各个不同的振动能级上，在这个过程中发射的光量子即称作荧光。由于从较高的激发态的振动能级返回到第一激发单线态的最低 振动能级耗散了部分能量，荧光的能量小于激发光能量，所以发射荧光的波长比

激发光的波长要长。发射荧光的过程约需10-9—10-7秒，电子返回到基态时可以停留在基态的任意振动能级上，因此得到的荧光谱线有时呈现几个互相靠近的峰。通过进一步振动弛豫，这些电子很快回到基态的最低振动能级。根据kasha 规则，荧光多为S1?S0跃迁。 荧光产生的过程和条件：

荧光物质产生荧光的过程可以分为4个步骤

1 处于基态最低振动能级的荧光物质分子受到紫外线的照射，吸收了和它所具有的特征频率相一致的光线，跃迁到第一电子激发态的各个振动能级；

2被激发到第一电子激发态的各个振动能级的分子，通过无辐射跃迁，返回到第一电子激发态的最低振动能级；

3返回到第一电子激发态 …… 此处隐藏：1775字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……