荧光分析法精品PPT课件
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三重态：两电子自旋方向相同，自旋量子数分别为 1 和 1
22
triplet state 总自旋量子数 S 1 1 1
22 多重性 M 3
续前 基态单重态S0
π*
激发单重态S*
π* π*
激发三重态T
能量
π
π
π
A
B
C
单重态和三重态电子分布
A：基态单重态 B：激发单重态 C：激发三重态
续前
跃迁类型的比较
或
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
续前
注：
➢ 处于激发态的电子，通过振动弛豫和内部能量 转换，均回到第一激发态的最低振动能级
过程：振动弛豫→内部能量交换→振动弛豫
返回
续前 3、体系间跨越（intersystem crossing)
过程：处于激发态的电子自旋方向发生改变，而使电子能级的 多重性发生变化的过程
特点：激发单重态与激发三重态振动能级重叠时，产生体系间
分析化学Ⅱ
第十一章 荧光分析法
荧光分析法（Fluorometry)
概述 基本原理 荧光定量分析方法 荧光分析技术与应用 小结
11.1 概述
物质 基态
光照射
吸收
特定光
激发态
无辐射跃迁 放出热能或动能
光致发光 发射荧光和磷光
水溶性荧光黄
物质 基态
荧光分析法：基于对化合物的荧光测量建立起来的分析方法 荧光测量包括：荧光谱线位置及荧光强度
荧光 分子光谱 发射光谱 10-8~10-10g/ml
高
可见紫外 分子光谱 吸收光谱 10-5~10-7g/ml
一般
返回
11.2 基本原理
11.2.1 分子荧光光谱的产生 11.2.2 激发光谱与发射光谱 11.2.3 分子结构与荧光的关系 11.2.4 影响荧光强度的外部因素
11.2.1 分子荧光光谱的产生
一、分子能级与电子能级的多重性
分子的能级包括：电子能级（10ev）、振动能级(0.1ev)
及转动能级(0.001ev)
电子能级的多重性M:M=2S+1；S为总自旋量子数
单重态：两电子自旋方向相反，自旋量子数分别为 1 和 1
22
singlet state 总自旋量子数 S 1 ( 1) 0
22 多重性 M 1
过程：从电子激发态的某一振动能级以非辐射跃迁的方式， 回到同一电子激发态的最低振动能级的过程为振动驰豫
特点：发生在同一个电子能级内不同振动能级间的跃迁；时 间约10-12秒。
或
返回
续前 2、内部能量转换（internal conversion) 过程：当两个电子的能级非常靠近，以致其振动能级有重叠 时，电子常常由高电子能级以非辐射跃迁方式转移至低 电子能级，这种过程称为内部能量转换 特点：发生在非常靠近的两个电子能级间，他们的振动能级有 重叠；时间约10-1～10-13秒。
跃迁类型 基态→激发单重态S*
所需能量
大
自旋方向 跃迁几率
不变 接近于1
基态→激发三重态T* 小 改变
10－6（光学禁阻）
续前
二、荧光的产生
处于激发态的分子返回到基态共有以下几种途径：
回基态途径
无辐射跃迁
1
2 36
振动 弛豫
内部能 量转换
体系间 外部能量
跨越
转换
辐射跃迁
45
荧光
磷光
续前 1、振动弛豫（vibrational relexation）
注：
发射磷光的能量比荧光的能量小
2>1 > 0 即磷光波长 > 荧光波长 > 激发波长
续前
荧光与磷光的比较
跃迁
荧光
激发单重态 最低振动能级→基态
磷光
激发三重态 最低振动能级→基态
光电子能量
E激发＞ E荧光＞E磷光
波长 发射时间
λ激发＜ λ荧光＜ λ磷光
10-9~10-7秒
10-4~10秒
返回
续前 6、外部能量转换（external conversion)
荧光强度F，以F-λex作图得荧光物质的激发光谱。 发射光谱：（荧光光谱）固定激发光波长λex，依次改变发射
波长λem，测荧光强度F，以F-λem作图得荧光光谱。
➢激发光谱与荧光光谱上的λmax是定性定量的依据
1. 荧光光谱的特点（重点）
（1）斯托克斯位移：荧光发射波长总是大于激发波长。 原因：无辐射跃迁能量损失，包括振动弛豫和内部能量转换等
的跨越（S1*→T1 ）。 结果：这种跨越会导致荧光强度减弱，甚至熄灭。
续前 影响体系间跨越几率增大的因素：
➢含重原子的分子（如碘、溴等），体系间跨越最为常见。 原因：高原子序数的原子中，电子的自旋与轨道运 动之间的相互作用较大，有利于电子自旋反 转的发生。
➢在溶液中存在氧分子等，这些顺磁性物质也能增加体 系间跨越的发生几率。
返回
续前 4、荧光（fluorescence）
过程：电子由单重态的第一激发态最低振动能级跃迁到基态的 任一振动能级而发射的光量子为荧光
特点：发生在激发单重态最低振动能级与基态之间。时间约为 10-7～10-9 s。
注：
发射荧光的能量比吸收的能量小
1 > 0
即发射波长 > 激发波长
硫酸奎宁的激发光谱和荧光光谱
续前 荧光分析法分类：根据光源不同进行分类
激发光源
紫外－可见光
X射线
原子特征谱线
荧光分析法
分子荧光法（Molecular Fluorometry) X射线荧光法（X-ray Fluorometry) 原子荧光法（Atomic Fluorometry)
荧光分析法与可见紫外吸收光谱比较
相同点 本质
不同点 灵敏度 选择性
激发光谱 激发光谱
荧荧光光光光谱谱
返回
续前 5、磷光（phosporescence）
过程：电子由三重态的第一激发态最低振动能级跃迁到基态的 任一振动能级而发射的光量子为磷光
特点：发生在激发三重态最低振动能级与基态之间。分子在三 重态的最低振动能级上可以存活一段时间，发射时间约 为10-4～10 s。
发射波长
激发波长
激发光谱(excitation spectrum)： F~ ex 荧光光谱(fluorescence spectrum)： F~ em
激发光（谱二：）（与激吸发收光光谱谱类与似荧）表光示光不谱同激发波长的辐射引起
物质发射某一波长荧光所得的光谱。 方法：固定发射光波长λem，依次改变激发波长λex，测
过程：如果分子在溶液中被激发，激发分子之间、分子与溶剂 之间会发生碰撞而失去能量，这种非辐射跃迁的过程称 为外部能量转换
特点：发生在激发态的最低振动能级和基态之间；所需时间约 为10-7～10-9秒。
结果：导致荧光或磷光减弱，甚至熄灭
或
续前
返回2 返回
11.2.2 激发光谱与发射（荧光）光谱
——荧光物质分子的两个特征光谱
22
triplet state 总自旋量子数 S 1 1 1
22 多重性 M 3
续前 基态单重态S0
π*
激发单重态S*
π* π*
激发三重态T
能量
π
π
π
A
B
C
单重态和三重态电子分布
A：基态单重态 B：激发单重态 C：激发三重态
续前
跃迁类型的比较
或
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
续前
注：
➢ 处于激发态的电子，通过振动弛豫和内部能量 转换，均回到第一激发态的最低振动能级
过程：振动弛豫→内部能量交换→振动弛豫
返回
续前 3、体系间跨越（intersystem crossing)
过程：处于激发态的电子自旋方向发生改变，而使电子能级的 多重性发生变化的过程
特点：激发单重态与激发三重态振动能级重叠时，产生体系间
分析化学Ⅱ
第十一章 荧光分析法
荧光分析法（Fluorometry)
概述 基本原理 荧光定量分析方法 荧光分析技术与应用 小结
11.1 概述
物质 基态
光照射
吸收
特定光
激发态
无辐射跃迁 放出热能或动能
光致发光 发射荧光和磷光
水溶性荧光黄
物质 基态
荧光分析法：基于对化合物的荧光测量建立起来的分析方法 荧光测量包括：荧光谱线位置及荧光强度
荧光 分子光谱 发射光谱 10-8~10-10g/ml
高
可见紫外 分子光谱 吸收光谱 10-5~10-7g/ml
一般
返回
11.2 基本原理
11.2.1 分子荧光光谱的产生 11.2.2 激发光谱与发射光谱 11.2.3 分子结构与荧光的关系 11.2.4 影响荧光强度的外部因素
11.2.1 分子荧光光谱的产生
一、分子能级与电子能级的多重性
分子的能级包括：电子能级（10ev）、振动能级(0.1ev)
及转动能级(0.001ev)
电子能级的多重性M:M=2S+1；S为总自旋量子数
单重态：两电子自旋方向相反，自旋量子数分别为 1 和 1
22
singlet state 总自旋量子数 S 1 ( 1) 0
22 多重性 M 1
过程：从电子激发态的某一振动能级以非辐射跃迁的方式， 回到同一电子激发态的最低振动能级的过程为振动驰豫
特点：发生在同一个电子能级内不同振动能级间的跃迁；时 间约10-12秒。
或
返回
续前 2、内部能量转换（internal conversion) 过程：当两个电子的能级非常靠近，以致其振动能级有重叠 时，电子常常由高电子能级以非辐射跃迁方式转移至低 电子能级，这种过程称为内部能量转换 特点：发生在非常靠近的两个电子能级间，他们的振动能级有 重叠；时间约10-1～10-13秒。
跃迁类型 基态→激发单重态S*
所需能量
大
自旋方向 跃迁几率
不变 接近于1
基态→激发三重态T* 小 改变
10－6（光学禁阻）
续前
二、荧光的产生
处于激发态的分子返回到基态共有以下几种途径：
回基态途径
无辐射跃迁
1
2 36
振动 弛豫
内部能 量转换
体系间 外部能量
跨越
转换
辐射跃迁
45
荧光
磷光
续前 1、振动弛豫（vibrational relexation）
注：
发射磷光的能量比荧光的能量小
2>1 > 0 即磷光波长 > 荧光波长 > 激发波长
续前
荧光与磷光的比较
跃迁
荧光
激发单重态 最低振动能级→基态
磷光
激发三重态 最低振动能级→基态
光电子能量
E激发＞ E荧光＞E磷光
波长 发射时间
λ激发＜ λ荧光＜ λ磷光
10-9~10-7秒
10-4~10秒
返回
续前 6、外部能量转换（external conversion)
荧光强度F，以F-λex作图得荧光物质的激发光谱。 发射光谱：（荧光光谱）固定激发光波长λex，依次改变发射
波长λem，测荧光强度F，以F-λem作图得荧光光谱。
➢激发光谱与荧光光谱上的λmax是定性定量的依据
1. 荧光光谱的特点（重点）
（1）斯托克斯位移：荧光发射波长总是大于激发波长。 原因：无辐射跃迁能量损失，包括振动弛豫和内部能量转换等
的跨越（S1*→T1 ）。 结果：这种跨越会导致荧光强度减弱，甚至熄灭。
续前 影响体系间跨越几率增大的因素：
➢含重原子的分子（如碘、溴等），体系间跨越最为常见。 原因：高原子序数的原子中，电子的自旋与轨道运 动之间的相互作用较大，有利于电子自旋反 转的发生。
➢在溶液中存在氧分子等，这些顺磁性物质也能增加体 系间跨越的发生几率。
返回
续前 4、荧光（fluorescence）
过程：电子由单重态的第一激发态最低振动能级跃迁到基态的 任一振动能级而发射的光量子为荧光
特点：发生在激发单重态最低振动能级与基态之间。时间约为 10-7～10-9 s。
注：
发射荧光的能量比吸收的能量小
1 > 0
即发射波长 > 激发波长
硫酸奎宁的激发光谱和荧光光谱
续前 荧光分析法分类：根据光源不同进行分类
激发光源
紫外－可见光
X射线
原子特征谱线
荧光分析法
分子荧光法（Molecular Fluorometry) X射线荧光法（X-ray Fluorometry) 原子荧光法（Atomic Fluorometry)
荧光分析法与可见紫外吸收光谱比较
相同点 本质
不同点 灵敏度 选择性
激发光谱 激发光谱
荧荧光光光光谱谱
返回
续前 5、磷光（phosporescence）
过程：电子由三重态的第一激发态最低振动能级跃迁到基态的 任一振动能级而发射的光量子为磷光
特点：发生在激发三重态最低振动能级与基态之间。分子在三 重态的最低振动能级上可以存活一段时间，发射时间约 为10-4～10 s。
发射波长
激发波长
激发光谱(excitation spectrum)： F~ ex 荧光光谱(fluorescence spectrum)： F~ em
激发光（谱二：）（与激吸发收光光谱谱类与似荧）表光示光不谱同激发波长的辐射引起
物质发射某一波长荧光所得的光谱。 方法：固定发射光波长λem，依次改变激发波长λex，测
过程：如果分子在溶液中被激发，激发分子之间、分子与溶剂 之间会发生碰撞而失去能量，这种非辐射跃迁的过程称 为外部能量转换
特点：发生在激发态的最低振动能级和基态之间；所需时间约 为10-7～10-9秒。
结果：导致荧光或磷光减弱，甚至熄灭
或
续前
返回2 返回
11.2.2 激发光谱与发射（荧光）光谱
——荧光物质分子的两个特征光谱