第八章 分子发光光谱法molecular_luminescence
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第八章 分子发光分析法(修改)

荧光计多采用它为激发光源。
氙灯: 是目前荧光分光分度计中应用最广泛的一种光源。它 是一种短弧气体放电灯,具有光强度大,在200~800nm 范 围内是连续光源的特点。 染料激光器: 是一种新型的荧光激发光源。
2019/2/15
单色器:
荧光分析仪中应用最多的单色器为光栅单色器,光栅
* 1
激发单重态 的荧光分子
猝灭剂分子
2019/2/15
(2)生成化合物的猝灭
生成化合物的猝灭也称为静态猝灭,是指基态的荧光物
质与猝灭剂反应生成非荧光的化合物,导致荧光的猝灭。
M Q MQ
基态的荧光物质 (3)氧的猝灭 O2可以说是荧光和磷光的最普遍存在的猝灭剂。氧对 溶液荧光产生猝灭作用的原因比较复杂,还没有一个完整的 猝灭剂
由于重原子中,能级之间的交叉现象比较严重,使得荧
光体中的电子自旋-轨道耦合作用加强,系间跨跃显著增加 ,结果导致荧光强度减弱,磷光强度增强。
2019/2/15
四、影响荧光强度的因素
外部因素
1.溶剂的影响
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; 荧光发射的主要电子跃迁类型 *→跃迁,溶剂极性增大,荧光 光谱发生红移,而且荧光增强。
化合物 苯 萘 量子产率φF 0.11 0.29 λex(nm) 205 286 λem(nm) 278 321
蒽
丁省 戊省
0.46
0.60 0.52
365
390 580
400
480 640
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(3)刚性平面结构:
刚性平面结构可降低分子振动,减少与溶剂的相互作 用,减少能量的外部损失,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。
分子发光分析法

S2最低振动能级
内转移 振动弛豫
荧光:10-8~10-10s,第一激发单重态的最低振 动能级 → 基态,通常比分子吸收的能 量小,波长更长; 磷光:10-2~10-6s,第一激发三重态的最低振 动能级 → 基态,发光速度很慢,光照 停止后可持续一段时间;
2. 荧光、磷光的寿命和量子产率
(1) 荧光寿命 τf:荧光分子处于 S1激发态的 平均寿命。
若ΣK<<kf, Φf接近于1,荧光强度越大。 即荧光强度取决于荧光发射与非辐射跃迁过 程的竞争结果。
磷光量子产率Φp :
p ST
Kp K j
Kp
Kp:磷光发射速率常数; ΦST : 系间窜越量子产率; ΣKj:非辐射跃迁速率常数的总和。
荧光量子产率Φ的测定:
FU AS U S FS AU
苯溶液的吸收光谱和发射光谱
8.2.1.6 荧光(磷光)强度与溶液浓度的关系
If = f Ia
If :荧光强度; f:荧光量子产率; Ia:吸收光强。 由 Lambert-beer 定律及吸收光强度的概念, 可推导出,当bc ≤0.05时,有: If = 2.303 f I0bc
与荧光类似,溶液的磷光强度(IP)与低浓度 下磷光物质浓度之间的关系可表示如下: IP= 2.303ST P I0bc
(1) 灵敏度高(比UV-Vis高2-3个数量级) (2) 选择性高 (3) 试样量小,操作简便,线性范围宽
8.2 分子荧光与磷光光谱分析法
Molecular fluorescence spectrometry,MFS Molecular phosphorescence spectrometry,MPS 8.2.1 基本原理 8.2.1.1 荧光和磷光产生机理
第12章 分子发光分析

配合物(荧光) 配合物(荧光)
28
(4)取代基: (4)取代基: 取代基 OH、 NHR、 a 给电子基团 如-NH2、-OH、-OCH3、-NHR、 CN、 产生的p 共轭作用增加了的 -CN、-NR2等,产生的p-π共轭作用增加了的 电子共扼程度,使荧光效率提高, π电子共扼程度,使荧光效率提高,荧光波 长长移。 长长移。 COOH、 C=O、 b 吸收电子基团如 -COOH、 -NO2 、-C=O、 NO、 SH、 减弱分子的π -NO、-SH、-NHCOCH3、-X等;减弱分子的π 电子共轭程度,使荧光减弱甚至熄灭, 电子共轭程度,使荧光减弱甚至熄灭, 电子共轭体系作用较小, c 对π电子共轭体系作用较小,如:-R、对荧光的影响也不明显。 SO3H、-NH3+等,对荧光的影响也不明显。
5
• 电子能级的多重性可用M=2S+1表示,S为 电子能级的多重性可用M 2S+1表示, 表示 电子自旋量子数的代数和,其数值为0 电子自旋量子数的代数和,其数值为0或1。 • 当S=0时,分子的多重性M=1,此时分子 分子的多重性M 所处的电子能态称为单重态,用符号S 所处的电子能态称为单重态,用符号Si表 示。 • 当S=1时,分子的多重性M=3,此时分子 分子的多重性M 所处的电子能态称为三重态。用符号T 所处的电子能态称为三重态。用符号Ti表 示。
6
7
激发单重态与激发三重态的区别: 激发单重态与激发三重态的区别: 激发单重态分子是抗磁性分子,激发三重 激发单重态分子是抗磁性分子, 态分子是顺磁性分子; 态分子是顺磁性分子; 激发单重态的平均寿命大约10 激发单重态的平均寿命大约10-8s,激发三 重态的平均寿命大约10 1s; 重态的平均寿命大约10-4~1s; 电子由S 电子由S0→S1,S2等的跃迁较容易,属于允 等的跃迁较容易, 许跃迁。电子由S 许跃迁。电子由S0→T1,T2等的跃迁较难发 属于禁阻跃迁。 生,属于禁阻跃迁。 激发三重态比激发单重态能级稍低一些。 激发三重态比激发单重态能级稍低一些。
分子发光光谱法

由于物理主义的进步,人们发现分子发光光谱的重要性,它的应用也
越来越普遍。
分子发光光谱是一种用来测量分子光学性质的技术。
它
通过测量发光分子的光谱图,可以获得更多完整且准确的信息,而这
些信息有助于揭示分子结构与性质的关系。
分子发光光谱是一种活性技术,它利用光谱来了解化学反应物的结构。
这项技术利用发出的光的频率和强度来分析分子,由于分子的结构它
们发出的光每个都有不同的频率和强度。
另外,分子发光光谱还能够
反映分子间的相互作用,从而在实验室中观察分子间的相互作用。
分子发光光谱法在科学研究中也得到广泛应用,它被用来研究分子的
结构、反应机理、生物活性及其过程,广泛应用于有机合成、药物研
究及生物化学等领域。
它已经成为结构和生物活性异质性测定的重要
手段,其应用范围也得到了显著的扩展。
例如,分子发光光谱被用来
研究有机和无机分子的生物活性和结构特征,以及有机分子間的相互
作用。
它还可以用来分析酶的结构和功能,从而帮助人们了解酶的作
用机制,还可以检测药物的生物学活性和结构。
未来,分子发光光谱将继续在科学研究中得到广泛应用,将在许多实
际领域,如医学、农业等方面发挥重要作用。
它将为人们提供更多关
于分子结构和性质的信息,从而有助于更深入地探索分子的特性和机制。
师范大学仪器分析考试重点分子发光分析法

试样室 光检测器 放大器 信号显示记录系统
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48
四、化学发光分析的特点
灵敏度高,检出限低 线性范围宽 操作简便,易于实现自动化
2021/2/28
49
1.分子产生荧光必须具备的条件
(1)能吸收紫外-可见光; (2)具有一定的荧光量子产率。
荧光量子产率(f):
发射荧光的分子数
f 激发分子总数
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26
2.荧光与分子结构的关系
(1)跃迁类型:
不含杂原子的芳香族化合物和共轭烯烃: → *
含杂原子的烯烃:n→ *
(2)共轭效应:共轭体系增加,荧光效率增加, 红移。
29
第二节 荧光分析仪器
四个部分:激发光源、试样池、双单色器系 统、检测器 特殊点:有两个单色器,光源与检测器通常 成直角。
光源:氙灯和高压汞灯,激光
单色器:
激发单色器:选择激发光波长
发射单色器:选择荧光波长
试样池:石英
检测器:光电倍增管
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30
第三节 荧光分析方法与应用
1.定量分析
电子自旋
激发单重态 自旋配对↑↓
平均寿命
10-8-10-6 s
基态到激发态跃迁 允许的跃迁
能量
高
2021/2/28
激发三重态 自旋平行↑↑ 10-4-10 s 禁阻的跃迁
低
9
3.分子的去活化过程
激发态→基态的能量传递途径
传递途径
辐射跃迁
无辐射跃迁
荧光
磷光
振动 弛豫
内转换
系间 窜跃
外转换
2021/2/28
(1)定量依据
If = Kc (2)定量方法
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四、化学发光分析的特点
灵敏度高,检出限低 线性范围宽 操作简便,易于实现自动化
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1.分子产生荧光必须具备的条件
(1)能吸收紫外-可见光; (2)具有一定的荧光量子产率。
荧光量子产率(f):
发射荧光的分子数
f 激发分子总数
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2.荧光与分子结构的关系
(1)跃迁类型:
不含杂原子的芳香族化合物和共轭烯烃: → *
含杂原子的烯烃:n→ *
(2)共轭效应:共轭体系增加,荧光效率增加, 红移。
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第二节 荧光分析仪器
四个部分:激发光源、试样池、双单色器系 统、检测器 特殊点:有两个单色器,光源与检测器通常 成直角。
光源:氙灯和高压汞灯,激光
单色器:
激发单色器:选择激发光波长
发射单色器:选择荧光波长
试样池:石英
检测器:光电倍增管
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第三节 荧光分析方法与应用
1.定量分析
电子自旋
激发单重态 自旋配对↑↓
平均寿命
10-8-10-6 s
基态到激发态跃迁 允许的跃迁
能量
高
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激发三重态 自旋平行↑↑ 10-4-10 s 禁阻的跃迁
低
9
3.分子的去活化过程
激发态→基态的能量传递途径
传递途径
辐射跃迁
无辐射跃迁
荧光
磷光
振动 弛豫
内转换
系间 窜跃
外转换
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(1)定量依据
If = Kc (2)定量方法
第8章 分子荧光光谱法

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8-1-1 荧光和磷光产生的机理
下面结合荧光和磷光的产生过程,进一步说明各种能量 传递方式在其中所起的作用。 设处于基态单重态中的电子吸收波长为λ1和λ2的辐 射光之后,分别激发至第二单重态S2及第一单重态S1。
S2
去活化过程
S1
振动弛豫
T1
处于激发态分子不稳定,通过辐射或非辐射跃迁等去活化过程
13
8-1-3 荧光和分子结构的关系
(4)取代基效应 芳香族化合物苯环上的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。 给电子基团,如-OH、-OR、-CN、-NH2 、 -NR2等,使荧光增强。 因为产生了p-共轭作用,增强了电子共轭程度,使最低激发单 重态与基态之间的跃迁几率增大。 吸电子基团,如-COOH、-NO、-C O、卤素等,会减弱甚至会 猝灭荧光。 重原子效应:卤素取代基随原子序数的增加而荧光降低。 “重 原子效应”使系间跨越速率增加所致。在重原子中,能级之间 的交叉现象比较严重,因此容易发生自旋轨道的相互作用,增 加了由单重态转化为三重态的速率。
2
8-1 荧光和磷光分析法原理
8-1-1 荧光和磷光产生的机理
处于分子基态单重态中的电子对,其自旋方向相反,当分子吸 收能量,若电子在跃迁过程中不发生自旋方向的改变,通常跃 迁至第一激发态单重态轨道上,也可能跃迁至能级更高的单重 态上。这种跃迁是符合光谱选律的。
如果电子在跃迁过程中还伴随着自旋方向的改变,即跃迁至第 一或更高的激发三重态轨道上,这属于禁阻跃迁。 单重态与三重态的区别在于电子自旋方向不同,激发三重 态具有较低能级(处于分立轨道上的非成对电子,平行自旋要 比成对自旋更稳定些-洪特规则) 。
11
8-1-3 荧光和分子结构的关系
分子荧光光谱法

的辐射。由于磷光的产生伴随自旋多重态的改变,辐射速 度远小于荧光,磷光寿命为10-4 ~10s。
• 单重态: 一个分子中所有电子自 旋都配对的电子状态。
• 三重态:有两个电子的自旋不配 对而平行的状态。激发三重态能 量较激发单重态低。
2020/8/21
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应用固体化学研究中心
分子的激发与失活
2020/8/21
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应用固体化学研究中心
• 荧光:受光激发的分子从第一激发单重态的最低振动能级
回到基态所发出的辐射。寿命为10-8 ~ 10 -11s。由于是相同 多重态之间的跃迁,几率较大,速度大,速率常数kf为 106~109s-1。
• 磷光:从第一激发三重态的最低振动能级回到基态所发研究中心
1.概述
• 分子荧光光谱法(Molecular fluorescence spectroscopy )又称为荧光光谱法或荧光分析法.是以
物质所发射的荧光强度与浓度之间的线性关系为依据进行 的定量分析,以荧光光谱的形状和荧光峰对应的波长进行 行的定性分析.
• 光致发光(Photoluminescence):物体依赖外界 光源进行照射,从而获得能量,产生激发导至发 光的现象。它大致经过吸收、能量传递及光发射 三个主要阶段,光的吸收及发射都发生于能级之 间的跃迁,都经过激发态。而能量传递则是由于 激发态的运动。紫外辐射、可见光及红外辐射均 可引起光致发光。如磷光与荧光。
光
S0
l1
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l 2 l 2
l3
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(2)激发态分子的失活
激发态分子不稳定,它要以辐射或无辐射跃迁的 方式回到基态。
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• 单重态: 一个分子中所有电子自 旋都配对的电子状态。
• 三重态:有两个电子的自旋不配 对而平行的状态。激发三重态能 量较激发单重态低。
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分子的激发与失活
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• 荧光:受光激发的分子从第一激发单重态的最低振动能级
回到基态所发出的辐射。寿命为10-8 ~ 10 -11s。由于是相同 多重态之间的跃迁,几率较大,速度大,速率常数kf为 106~109s-1。
• 磷光:从第一激发三重态的最低振动能级回到基态所发研究中心
1.概述
• 分子荧光光谱法(Molecular fluorescence spectroscopy )又称为荧光光谱法或荧光分析法.是以
物质所发射的荧光强度与浓度之间的线性关系为依据进行 的定量分析,以荧光光谱的形状和荧光峰对应的波长进行 行的定性分析.
• 光致发光(Photoluminescence):物体依赖外界 光源进行照射,从而获得能量,产生激发导至发 光的现象。它大致经过吸收、能量传递及光发射 三个主要阶段,光的吸收及发射都发生于能级之 间的跃迁,都经过激发态。而能量传递则是由于 激发态的运动。紫外辐射、可见光及红外辐射均 可引起光致发光。如磷光与荧光。
光
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(2)激发态分子的失活
激发态分子不稳定,它要以辐射或无辐射跃迁的 方式回到基态。
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分子荧光光谱法

光致发光(Photoluminescence): 荧光和
磷光是分子吸光成为激发态分子,在返回基态时 的发光现象. 荧光:受光激发的分子从第一激发单重态的最低 振动能级回到基态所发出的辐射。 磷光: 从第一激发三重态的最低振动能级回到基 态所发出的辐射。
荧光分析法的特点
因 为 有 的 分 子 不 发 荧 光 。
1. 激发
在室温下物质分子大部分处于基态的最低振动能级且电子自旋配对为单重 态.当吸收一定频率的电磁辐射发生能级跃迁时,可上升到不同激发态 的各振动能级,其中多数分子上升至第一激发单重态这一过程约需1015秒. 激发
2 去活化过程
激发态分子的失活: 激发态分子不稳定,它要以辐射 或无辐射跃迁的方式回到基态
。荧光分光光度计既可用于定
量分析,也可用于测绘激发光谱 和荧光光谱。第一单色器选择激 发光波长(>250nm的 紫外光)故称为激发单色器
第二单色器(荧光单色器)
与激发光入射方向垂直, 并选择荧光波长,可提高方法的选择性和准确度。
荧光分析法的应用
无机物分析 无机离子中除少数例外一般不发荧光.但很多 无机离子能怀一些有机试剂形成荧光络合物,而进行定量 测定. 生物化学及生理医学方面的应用 荧光法对于生物中许多 重要的化合物具有很多的灵敏度和较好的物效性,故广用 于生物化学分析,生理医学和临床分析. 药物分析 目前还采用荧光分光光度计作为高效液相色谱,薄层色谱 和高效毛细管电泳等的检测器,使有效的分离手段与高灵 敏度,高选择性的测定方法结合起来,可用于测定复杂的混 合物.
荧光团杂化纳米二氧化硅微球
e-2.303εbc=1-2.303 εbc-(-2.303 εbc)2/2!-(-2.303 εbc)3/3!
对于很稀的溶液,投射到样品溶液上的被吸收的激发光不到2%时, 即εbc<=0.05时,上式的第二项后的各项可以忽略不计。则
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STRUCTURAL RIGIDITY -- Chelation
OH 8-hydro
No fluorescence
Strong fluorescence
• For a highly fluorescent molecule such as fluorescein, 1
• Chemical species that do not fluoresce appreciably have efficiencies that approach 0
Quantum Efficiency ()
屈
Variables That Affect Fluorescence & Phosphorescence
• Quantum Yield • Chemical Structure • Environment
Quantum Efficiency ()
• i.e. the ratio of the number of molecules that luminesce to the total number of excited molecules.
1.Jablonski 能级图
Professor Aleksander Jabłoński (born in 1898, died in 1980) was a Polish physicist.
Fluorescence is schematically illustrated with the classical Jablonski diagram, first proposed by Jablonski in 1935 to describe absorption and emission of light.
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。
改变电子自旋,禁阻跃迁,通过自旋—轨道耦合进行。
(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 ‘2的荧光; 10-7~10 -9 s
。
发射荧光的能量比分子吸收的能量小,
单重态的寿命一般为10-8秒,最长可达10-6秒,但有时却 可以观察到单重态寿命长达10-3秒,这种长寿命的荧光被称 为延迟荧光。其寿命与该物质的分子磷光相当。
延迟荧光在激发光源熄灭后,可拖后一段时间,但和磷 光又有本质区别,同一物质的磷光总比发射荧光长。
延迟荧光
延迟荧光
二、荧光量子效率
Emission and Excitation Spectra
FLUORESCENCE AND STRUCTURE (CONTD.)
Fusion of heterocycles to benzene rings increases the molar absorptivity for n- * absorptions and shortens the lifetime of the n- * singlet preventing its conversion to triplet. This increases fluorescence quantum efficiency.
传递途径
辐射跃迁
无辐射跃迁
荧光 延迟荧光 磷光
系间跨越 内转移 外转移 振动弛预
Jablonski能级图
内转换 S2
S1
能 量
发
射
吸
荧
收
光
振动弛豫
内转换
系间跨越
外转换
T1
T2
发
射
磷
光
振动弛豫
S0 λ1
S单重态
λ3
λ2
λ
2
Jablonski diagram
T三重态
电子激发态的多重性:M=2S+1 (S为总自旋量子数); M=1(S=0)单重态用S表示;M=3(S=1)三重态用T表示; 电子自旋状态:平行自旋比成对自旋稳定(洪特规则); 所以三重态能级(平行自旋)比相应单重态(成对自旋)能 级低。
phenanthrene, 菲
Emission Spectrum: Plot of the emission intensity at 90o to the incident radiation as a function of emission wavelength for a fixed excitation wavelength.
HEAVY ATOM EFFECT
HEAVY ATOM EFFECT
Heavy atom effect : The quantum yield decreases with the atomic number of the halogen.
The probability for intersystem crossing increases with increasing atomic number of the halogen which reduces fluorescence.
第八章 分子发光光谱法
(Molecular Luminescence Spectroscopy)
分子发光光谱法包括:
光致发光
分子荧光(Molecular Fluorescence)
(Photoluminescence)
化学发光(Chemilumin分es子ce磷nc光e)(Molecular Phosphorescence)
Excitation Spectrum: Plot of the emission intensity at a fixed emission wavelength at 90o to the incident radiation as a function of excitation wavelength. Wavelength of excitation maximum is often where the emission intensity is a maximum.
• Highly conjugated double-bond structures
FLUORESCENCE AND STRUCTURE (CONTD.)
Simple heterocycles do not exhibit fluorescence. The n- *singlet quickly converts to the n- * triplet and no fluorescence is observed.
生物发光(Bioluminescence) 电致发光(Electroluminescence)
§8-1 分子荧光与磷光的基本原理
Principle of molecular fluorescence and phosphorescence
一、分子荧光与磷光的产生
物质分子在一定条件下吸收辐射能而被激发到较高电子能态后, 在返回基态的过程中将以不同的方式释放能量。 荧光和磷光是以发射辐射的形式释放能量,属于光致发光。
‘ 2
>
2
>
1
;
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: 10-4~100 s 。
光照停止后,可持续一段时间。
延迟荧光(delayed fluorescence)也被称为缓发荧光,它来源 于从第一激发三重态(T1)重新生成的S1态的辐射跃迁。
• It is determined by the relative rate constants for the processes by which the lowest excited singlet state is deactivated.
kf
k f ki kec kic k pd kd
Chemical Structure
• Fluorescence from singlet states of - * have more intensity than those from n- * transitions as the molar absorptivities for - * absorptions are much higher than those for n- * absorptions.
STRUCTURAL RIGIDITY
quantum
yields
1.0
0.2
Fluorescence is favored in molecules with structural rigidity.
The increased rigidity of fluorene stabilizes the - * singlet state leading to higher quantum yield.
FLUORESCENCE AND STRUCTURE (CONTD)
Substitutions on benzene ring affect fluorescence maxima and fluorescence intensity as shown in the table.
Electron withdrawing groups decrease intensity
FLUORESCENCE AND STRUCTURE (CONTD)
Substitutions on benzene ring affect fluorescence maxima and fluorescence intensity as shown in the table.