熒光光譜的原理及應(yīng)用

1、1熒光光譜的原理及應(yīng)用熒光光譜的原理及應(yīng)用2主要內(nèi)容主要內(nèi)容熒光光譜的基本原理熒光光譜的基本原理1熒光光譜儀的原理、操作及數(shù)據(jù)處理熒光光譜儀的原理、操作及數(shù)據(jù)處理2熒光光譜的應(yīng)用熒光光譜的應(yīng)用3參考資料參考資料43熒光光譜的基本原理熒光光譜的基本原理4熒光定義熒光定義熒光熒光是是輻射躍遷輻射躍遷的一種，是物質(zhì)從的一種，是物質(zhì)從激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)失活到失活到多重性多重性相同的低能狀態(tài)時所釋放的相同的低能狀態(tài)時所釋放的輻射。輻射。5構(gòu)造原理構(gòu)造原理：電子在原子或分子中排布所遵循的規(guī)則。：電子在原子或分子中排布所遵循的規(guī)則?；鶓B(tài)和激發(fā)態(tài)基態(tài)和激發(fā)態(tài) 能量最低原理能量最低原理 泡利不相容原理泡利不相容原理

2、洪特規(guī)則洪特規(guī)則基態(tài)基態(tài)： 當(dāng)一個分子中的所有電子的排布都遵從當(dāng)一個分子中的所有電子的排布都遵從構(gòu)造原理構(gòu)造原理時，此分子被稱為處于基態(tài)。時，此分子被稱為處于基態(tài)。激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)：當(dāng)一個分子中的電子排布不完全遵從：當(dāng)一個分子中的電子排布不完全遵從構(gòu)造原理構(gòu)造原理時，此分子被稱為處于激發(fā)態(tài)。時，此分子被稱為處于激發(fā)態(tài)。6 電子激發(fā)態(tài)的多重度電子激發(fā)態(tài)的多重度： M = 2S+1 S為電子自旋量子數(shù)的代數(shù)和為電子自旋量子數(shù)的代數(shù)和(0或或1)； 電子激發(fā)態(tài)的多重度電子激發(fā)態(tài)的多重度根據(jù)洪特規(guī)則根據(jù)洪特規(guī)則(平行自旋比成對自旋穩(wěn)定平行自旋比成對自旋穩(wěn)定)，三重態(tài)能級比相應(yīng)單重態(tài)能級，三重態(tài)能級比相應(yīng)單

3、重態(tài)能級低；大多數(shù)有機(jī)分子的基態(tài)處于單重態(tài)；低；大多數(shù)有機(jī)分子的基態(tài)處于單重態(tài)； 7分子能級比原子能級復(fù)雜；分子能級比原子能級復(fù)雜； 在每個電子能級上，都存在振動、轉(zhuǎn)動能級；在每個電子能級上，都存在振動、轉(zhuǎn)動能級； 分子能級與躍遷分子能級與躍遷激發(fā)激發(fā)： 基態(tài)基態(tài)( (S S0 0)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)( (S S1 1、S S2 2激發(fā)態(tài)振動能級激發(fā)態(tài)振動能級) )：吸收吸收特定頻率的輻射；量子化；躍遷一次到位；特定頻率的輻射；量子化；躍遷一次到位；失活失活： 激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài) 基態(tài)基態(tài)：多種途徑和方式：多種途徑和方式( (見能級圖見能級圖) )；速；速度最快、激發(fā)態(tài)壽命最短的途徑占優(yōu)勢；度最快、激發(fā)態(tài)

4、壽命最短的途徑占優(yōu)勢； 第一、第二、第一、第二、電子激發(fā)電子激發(fā)單重態(tài)單重態(tài) S S1 1 、S S2 2 ； 第一、第二、第一、第二、電子激發(fā)電子激發(fā)三重態(tài)三重態(tài) T T1 1 、T T2 2 ；8雅布隆斯基分子能級圖雅布隆斯基分子能級圖S2S1S0T1吸吸收收發(fā)發(fā)射射熒熒光光發(fā)發(fā)射射磷磷光光系間竄越內(nèi)轉(zhuǎn)換振動弛豫能量l l 2l l 1l l 3 外轉(zhuǎn)換l l 2T2內(nèi)轉(zhuǎn)換振動弛豫9躍遷規(guī)則躍遷規(guī)則躍遷前后躍遷前后原子核的構(gòu)型原子核的構(gòu)型沒有發(fā)生改變、躍遷過程中沒有發(fā)生改變、躍遷過程中電子自旋電子自旋沒有沒有改變、躍遷前后改變、躍遷前后電子的軌道電子的軌道在空間有較大的在空間有較大的重疊重

5、疊和和軌道的對映性軌道的對映性發(fā)生了改變的躍遷是允許的；發(fā)生了改變的躍遷是允許的；躍遷過程中躍遷過程中電子自旋電子自旋發(fā)生了改變、躍遷前后發(fā)生了改變、躍遷前后電子的軌道電子的軌道在空間不在空間不重疊重疊或或軌道的對映性軌道的對映性未發(fā)生改變的躍遷是禁阻的。未發(fā)生改變的躍遷是禁阻的。Franck-Condon原理原理： 在電子躍遷完成的瞬間，分子中在電子躍遷完成的瞬間，分子中原子核的構(gòu)型原子核的構(gòu)型是來不及改是來不及改變的。變的。10 電子處于激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定狀態(tài)，容易返回基態(tài)，在這個過程中通過電子處于激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定狀態(tài)，容易返回基態(tài)，在這個過程中通過輻射躍遷輻射躍遷( (發(fā)光發(fā)光) )和和無輻射

6、躍遷無輻射躍遷等方式失去能量，這個過程就稱為等方式失去能量，這個過程就稱為失活失活。失活途徑失活途徑輻射躍遷熒光磷光內(nèi)轉(zhuǎn)換外轉(zhuǎn)換系間竄越振動弛豫無輻射躍遷 激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)停留時間短、返回速度快停留時間短、返回速度快的途徑，發(fā)生的的途徑，發(fā)生的幾率大幾率大。失活的途徑失活的途徑11 振動弛豫振動弛豫：同一：同一電子能級內(nèi)以熱能量交換形式由高振電子能級內(nèi)以熱能量交換形式由高振動能級至低相鄰振動能級間的躍遷。發(fā)生振動弛豫的時動能級至低相鄰振動能級間的躍遷。發(fā)生振動弛豫的時間一般為間一般為10-12 s。 無輻射躍遷失活的途徑無輻射躍遷失活的途徑通過內(nèi)轉(zhuǎn)換和振動弛豫，高激發(fā)單重態(tài)的電子躍回第一通過內(nèi)轉(zhuǎn)換

7、和振動弛豫，高激發(fā)單重態(tài)的電子躍回第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動能級。激發(fā)單重態(tài)的最低振動能級。 內(nèi)轉(zhuǎn)換內(nèi)轉(zhuǎn)換：多重度相同的電子能級中等能級間的無輻射：多重度相同的電子能級中等能級間的無輻射能級躍遷。能級躍遷。 12無輻射躍遷失活的途徑無輻射躍遷失活的途徑系間竄越系間竄越：不同多重態(tài)：不同多重態(tài),有重疊的轉(zhuǎn)動能級間的非輻射躍遷。有重疊的轉(zhuǎn)動能級間的非輻射躍遷。 改變電子自旋，禁阻躍遷，通過自旋改變電子自旋，禁阻躍遷，通過自旋軌道耦合進(jìn)行軌道耦合進(jìn)行。外轉(zhuǎn)換外轉(zhuǎn)換：激發(fā)分子與溶劑或其他分子之間產(chǎn)生相互作用而轉(zhuǎn)：激發(fā)分子與溶劑或其他分子之間產(chǎn)生相互作用而轉(zhuǎn)移能量的非輻射躍遷；移能量的非輻射躍遷； 外轉(zhuǎn)換

8、使熒光或磷光減弱或外轉(zhuǎn)換使熒光或磷光減弱或“猝滅猝滅”。13熒光發(fā)射熒光發(fā)射：電子由第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動能級：電子由第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動能級基態(tài)（基態(tài)（ 多為多為 S S1 1 S S0 0躍遷躍遷），），發(fā)射波長為發(fā)射波長為 l l2 2的熒光；的熒光； 1010-7-71010-9-9 s s 。 輻射躍遷失活的途徑輻射躍遷失活的途徑磷光發(fā)射磷光發(fā)射：電子由第一激發(fā)三重態(tài)的最低振動能級：電子由第一激發(fā)三重態(tài)的最低振動能級基態(tài)（基態(tài)（ 多為多為 T T1 1 S S0 0躍遷躍遷）；）；發(fā)射波長為發(fā)射波長為 l l3 3 的磷光；的磷光； 1010-4-4100 s 100 s 。

9、電子由電子由 S S0 0 進(jìn)入進(jìn)入 T T1 1 的可能過程：（的可能過程：（ S S0 0 T T1 1禁阻躍遷）禁阻躍遷） S S0 0 激發(fā)激發(fā)振動弛豫振動弛豫內(nèi)轉(zhuǎn)換內(nèi)轉(zhuǎn)換系間竄越系間竄越振動弛豫振動弛豫T T1 1 發(fā)光速度很慢，光照停止后，可持續(xù)一段時間發(fā)光速度很慢，光照停止后，可持續(xù)一段時間。 由圖可見，由圖可見，發(fā)射熒光的能量比分子吸收的能量小，波長長發(fā)射熒光的能量比分子吸收的能量小，波長長； l l2 2 l l 2 2 l l 1 1 ； 14激發(fā)譜激發(fā)譜 固定發(fā)射波長固定發(fā)射波長(一般將其固定于發(fā)射波段中感興趣的峰位一般將其固定于發(fā)射波段中感興趣的峰位)，掃描，掃描出的化

10、合物的出的化合物的發(fā)射光強(qiáng)發(fā)射光強(qiáng)(熒光熒光/磷光磷光) 與與入射光波長入射光波長的關(guān)系曲線。的關(guān)系曲線。主要光譜參量主要光譜參量發(fā)射譜發(fā)射譜 固定激發(fā)波長固定激發(fā)波長(一般將其固定于激發(fā)波段中感興趣的峰位一般將其固定于激發(fā)波段中感興趣的峰位),掃描出掃描出的化合物的的化合物的發(fā)射光強(qiáng)發(fā)射光強(qiáng)(熒光熒光/磷光磷光) 與與入射光波長入射光波長的關(guān)系曲線。的關(guān)系曲線。吸收譜吸收譜 化合物的化合物的吸收光強(qiáng)吸收光強(qiáng)與與入射光波長入射光波長的關(guān)系曲線的關(guān)系曲線 。 15主要光譜參量主要光譜參量 吸收譜吸收譜反映出的是物質(zhì)的基態(tài)能級與激發(fā)態(tài)能級之間所有的允許躍遷。反映出的是物質(zhì)的基態(tài)能級與激發(fā)態(tài)能級之間

11、所有的允許躍遷。 通常狀態(tài)下的物質(zhì)的通常狀態(tài)下的物質(zhì)的表觀顏色表觀顏色大部分時候取決于其大部分時候取決于其吸收特性吸收特性。 激發(fā)譜激發(fā)譜則反映的是基態(tài)與所有與該熒光發(fā)射有關(guān)的能級之間的躍遷。其所則反映的是基態(tài)與所有與該熒光發(fā)射有關(guān)的能級之間的躍遷。其所呈現(xiàn)的關(guān)系比吸收譜要有選擇性，但有時候又不如吸收譜來的直接。呈現(xiàn)的關(guān)系比吸收譜要有選擇性，但有時候又不如吸收譜來的直接。電子躍遷到不同激發(fā)態(tài)能級電子躍遷到不同激發(fā)態(tài)能級時，吸收不同波長的能量時，吸收不同波長的能量( (如如能級圖能級圖l l2 2 , ,l l1 1) )，產(chǎn)生不同吸，產(chǎn)生不同吸收帶，但均回到第一激發(fā)單收帶，但均回到第一激發(fā)單重

12、態(tài)的最低振動能級再躍遷重態(tài)的最低振動能級再躍遷回到基態(tài)，產(chǎn)生波長一定的回到基態(tài)，產(chǎn)生波長一定的熒光熒光( (如如l l2 2 ) )。因此，。因此，發(fā)射發(fā)射譜的形狀與激發(fā)波長無關(guān)譜的形狀與激發(fā)波長無關(guān)。 16斯托克位移斯托克位移一個化合物的發(fā)射光譜常常與其吸收光譜很類似，但總是較相應(yīng)一個化合物的發(fā)射光譜常常與其吸收光譜很類似，但總是較相應(yīng)的吸收光譜紅移，這稱為的吸收光譜紅移，這稱為斯托克位移斯托克位移（Stokes shift）。）。蒽在溶液中的吸收（虛線）蒽在溶液中的吸收（虛線）和發(fā)射（實(shí)線）光譜和發(fā)射（實(shí)線）光譜17產(chǎn)生斯托克位移的主要原因：產(chǎn)生斯托克位移的主要原因：1.1.躍遷到激發(fā)態(tài)高

13、振動能級的激發(fā)態(tài)分子，首先以更快的速躍遷到激發(fā)態(tài)高振動能級的激發(fā)態(tài)分子，首先以更快的速率發(fā)生振動弛豫（其速率在率發(fā)生振動弛豫（其速率在10101313/s/s數(shù)量級），散失部分能量，數(shù)量級），散失部分能量，達(dá)到零振動能級，一般從零振動能級發(fā)射熒光；達(dá)到零振動能級，一般從零振動能級發(fā)射熒光；2.2.激發(fā)態(tài)形成后，其分子的構(gòu)型將很快進(jìn)一步調(diào)整，以達(dá)到激發(fā)態(tài)形成后，其分子的構(gòu)型將很快進(jìn)一步調(diào)整，以達(dá)到激發(fā)態(tài)的穩(wěn)定構(gòu)型，這又損失了部分能量；激發(fā)態(tài)的穩(wěn)定構(gòu)型，這又損失了部分能量；3.3.發(fā)射熒光的激發(fā)態(tài)多為（發(fā)射熒光的激發(fā)態(tài)多為（，*）態(tài)，這種激發(fā)態(tài)較基態(tài)）態(tài)，這種激發(fā)態(tài)較基態(tài)時有更大的極性，因此將在更

14、大程度上為極性溶劑所穩(wěn)定，使時有更大的極性，因此將在更大程度上為極性溶劑所穩(wěn)定，使激發(fā)態(tài)的能量進(jìn)一步降低。激發(fā)態(tài)的能量進(jìn)一步降低。斯托克位移斯托克位移18不過，有時在高溫下也可觀察到不過，有時在高溫下也可觀察到反斯托克位移反斯托克位移現(xiàn)象，即熒光光譜移向現(xiàn)象，即熒光光譜移向吸收光譜的短波方向。這是由于高溫使更多的激發(fā)態(tài)分子處于高振動吸收光譜的短波方向。這是由于高溫使更多的激發(fā)態(tài)分子處于高振動能級，熒光主要從激發(fā)態(tài)的高振動能級發(fā)出所致。能級，熒光主要從激發(fā)態(tài)的高振動能級發(fā)出所致。既沒發(fā)生斯托克位移也沒發(fā)生反斯托克位移的熒光稱既沒發(fā)生斯托克位移也沒發(fā)生反斯托克位移的熒光稱共振熒光共振熒光。反斯托克

15、位移反斯托克位移19熒光發(fā)射是光吸收的逆過程。熒光發(fā)射光譜與吸收光譜有類似鏡影的熒光發(fā)射是光吸收的逆過程。熒光發(fā)射光譜與吸收光譜有類似鏡影的關(guān)系。但當(dāng)激發(fā)態(tài)的構(gòu)型與基態(tài)的構(gòu)型相差很大時，熒光發(fā)射光譜將關(guān)系。但當(dāng)激發(fā)態(tài)的構(gòu)型與基態(tài)的構(gòu)型相差很大時，熒光發(fā)射光譜將明顯不同于該化合物的吸收光譜。明顯不同于該化合物的吸收光譜。鏡像規(guī)則鏡像規(guī)則20熒光光譜熒光光譜 固定激發(fā)光波長物質(zhì)發(fā)射的熒光強(qiáng)度與發(fā)固定激發(fā)光波長物質(zhì)發(fā)射的熒光強(qiáng)度與發(fā)射光波長關(guān)系曲線，如右圖中曲線射光波長關(guān)系曲線，如右圖中曲線II。 熒光本身則是由電子在兩能級間不發(fā)生自熒光本身則是由電子在兩能級間不發(fā)生自旋反轉(zhuǎn)的輻射躍遷過程中所產(chǎn)生的

16、光。旋反轉(zhuǎn)的輻射躍遷過程中所產(chǎn)生的光。磷光光譜磷光光譜 固定激發(fā)光波長物質(zhì)發(fā)射的磷光強(qiáng)度與固定激發(fā)光波長物質(zhì)發(fā)射的磷光強(qiáng)度與發(fā)射光波長關(guān)系曲線，如右圖中曲線發(fā)射光波長關(guān)系曲線，如右圖中曲線III。 磷光本身則是由電子在兩能級間發(fā)生自旋磷光本身則是由電子在兩能級間發(fā)生自旋反轉(zhuǎn)的輻射躍遷過程中所產(chǎn)生的光。反轉(zhuǎn)的輻射躍遷過程中所產(chǎn)生的光。熒光光譜與磷光光譜熒光光譜與磷光光譜21光譜圖光譜圖22自吸收現(xiàn)象自吸收現(xiàn)象：化合物的熒光發(fā)射光譜的短波長端與其吸收光：化合物的熒光發(fā)射光譜的短波長端與其吸收光譜的長波長端重疊，產(chǎn)生自吸收；如蒽化合物。譜的長波長端重疊，產(chǎn)生自吸收；如蒽化合物。內(nèi)濾光作用內(nèi)濾光作用：

17、溶液中含有能吸收激發(fā)光或熒光物質(zhì)發(fā)射的熒：溶液中含有能吸收激發(fā)光或熒光物質(zhì)發(fā)射的熒光，如色胺酸中的重鉻酸鉀；光，如色胺酸中的重鉻酸鉀；內(nèi)濾光作用和自吸收現(xiàn)象內(nèi)濾光作用和自吸收現(xiàn)象200250300350400450500熒光激發(fā)光譜熒光激發(fā)光譜熒光發(fā)射光譜熒光發(fā)射光譜nm蒽的激發(fā)光譜和熒光光譜蒽的激發(fā)光譜和熒光光譜23熒光壽命熒光壽命熒光壽命熒光壽命 是熒光強(qiáng)度衰減為初始時的是熒光強(qiáng)度衰減為初始時的1/e1/e所需要的時間，所需要的時間，常用常用 表示。表示。如熒光強(qiáng)度的衰減符合指數(shù)衰減的規(guī)律如熒光強(qiáng)度的衰減符合指數(shù)衰減的規(guī)律: : I It t I I0 0e e-kt-kt 其中其中I I

18、0 0是激發(fā)時最大熒光強(qiáng)度，是激發(fā)時最大熒光強(qiáng)度，I It t是時間是時間t t時的熒光強(qiáng)度，時的熒光強(qiáng)度，k k是衰減常是衰減常數(shù)。假定在時間數(shù)。假定在時間 時測得的時測得的I It t為為I I0 0的的1/e1/e，則，則 是我們定義的是我們定義的熒光壽命熒光壽命。24壽命壽命 是衰減常數(shù)是衰減常數(shù)k k的倒數(shù)。事實(shí)上，在瞬間激發(fā)后的某個時間，熒光強(qiáng)度的倒數(shù)。事實(shí)上，在瞬間激發(fā)后的某個時間，熒光強(qiáng)度達(dá)到最大值，然后熒光強(qiáng)度將按指數(shù)規(guī)律下降。從最大熒光強(qiáng)度值后任一達(dá)到最大值，然后熒光強(qiáng)度將按指數(shù)規(guī)律下降。從最大熒光強(qiáng)度值后任一強(qiáng)度值下降到其強(qiáng)度值下降到其1/e1/e所需的時間都應(yīng)等于所需的

19、時間都應(yīng)等于 。 熒光壽命熒光壽命25如果激發(fā)態(tài)分子只以發(fā)射熒光的方式丟失能量，則熒光如果激發(fā)態(tài)分子只以發(fā)射熒光的方式丟失能量，則熒光壽命與熒光發(fā)射速率的衰減常數(shù)成反比。壽命與熒光發(fā)射速率的衰減常數(shù)成反比。熒光壽命熒光壽命因此有因此有 F F 1/K1/KF F F F表示表示熒光分子的固有熒光壽命熒光分子的固有熒光壽命，k kF F表示表示熒光發(fā)射速率的衰減常數(shù)熒光發(fā)射速率的衰減常數(shù)。熒光發(fā)射速率熒光發(fā)射速率即為單位時間中發(fā)射的光子數(shù)。即為單位時間中發(fā)射的光子數(shù)。26處于激發(fā)態(tài)的分子，除了通過發(fā)射熒光回到基態(tài)以外，還會通過一處于激發(fā)態(tài)的分子，除了通過發(fā)射熒光回到基態(tài)以外，還會通過一些其它過程

20、些其它過程( (如淬滅和能量轉(zhuǎn)移如淬滅和能量轉(zhuǎn)移) )回到基態(tài)，其結(jié)果是加快了激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，其結(jié)果是加快了激發(fā)態(tài)分子回到基態(tài)的過程分子回到基態(tài)的過程( (或稱失活過程或稱失活過程) )，結(jié)果是熒光壽命降低。，結(jié)果是熒光壽命降低。壽命壽命 和這些過程的速率常數(shù)有關(guān)，總的失活過程的速率常數(shù)和這些過程的速率常數(shù)有關(guān)，總的失活過程的速率常數(shù)k k可以可以用各種失活過程的速率常數(shù)之和來表示用各種失活過程的速率常數(shù)之和來表示: :k k k kF F+ + k ki ik ki i表示各種非輻射過程的衰減速率常數(shù)。表示各種非輻射過程的衰減速率常數(shù)。則總的則總的壽命壽命 為為: : 1/k1/k 1/(k

21、1/(kF F+ + k ki i) )熒光壽命熒光壽命27由于吸收幾率與發(fā)射幾率有關(guān)，由于吸收幾率與發(fā)射幾率有關(guān)， F F與與最大吸收位置的摩爾消光系數(shù)最大吸收位置的摩爾消光系數(shù) maxmax ( (單位為單位為cmcm2 2molmol-1-1或或 (mol(mol dmdm-3-3) )-1-1cmcm-1-1) )也密切相關(guān)。也密切相關(guān)。從下式可以得到從下式可以得到 F F的粗略估計值的粗略估計值( (單位為秒單位為秒) )。1/1/ F F10104 4 maxmax注意注意：在討論壽命時，不要把在討論壽命時，不要把壽命壽命與與躍遷時間躍遷時間混淆起來。躍遷時間是躍遷混淆起來。躍遷時

22、間是躍遷頻率的倒數(shù)，而壽命是指分子在某種特定狀態(tài)下存在的時間。頻率的倒數(shù)，而壽命是指分子在某種特定狀態(tài)下存在的時間。通過測量壽命，可以得到有關(guān)分子結(jié)構(gòu)和動力學(xué)方面的信息。通過測量壽命，可以得到有關(guān)分子結(jié)構(gòu)和動力學(xué)方面的信息。熒光壽命熒光壽命28延遲熒光延遲熒光一般熒光壽命為一般熒光壽命為1010-8-8s s，最長可達(dá)，最長可達(dá)1010-6-6s s。但有時卻可能。但有時卻可能觀察到長達(dá)觀察到長達(dá)1010-3-3s s。這種長壽命的延時發(fā)射的熒光，被稱。這種長壽命的延時發(fā)射的熒光，被稱為為延遲熒光延遲熒光或緩發(fā)熒光。或緩發(fā)熒光。延遲熒光與普通熒光的區(qū)別主要在于延遲熒光與普通熒光的區(qū)別主要在于輻

23、射壽命不同輻射壽命不同。這種長壽命。這種長壽命的延遲熒光來源于從第一激發(fā)三重態(tài)（的延遲熒光來源于從第一激發(fā)三重態(tài)（T T1 1）重新生成的）重新生成的S S1 1態(tài)的輻射躍態(tài)的輻射躍遷。即延遲熒光產(chǎn)生的過程為：遷。即延遲熒光產(chǎn)生的過程為：S1T1S1S0+hf29延遲熒光延遲熒光E E型延遲熒光型延遲熒光：當(dāng)?shù)谝患ぐl(fā)單重態(tài)當(dāng)?shù)谝患ぐl(fā)單重態(tài)S S1 1與第一激發(fā)三重態(tài)與第一激發(fā)三重態(tài)T T1 1能差較小時，能差較小時，T T1 1態(tài)有時可從態(tài)有時可從環(huán)境獲取一定的熱能后又達(dá)到能量更高的環(huán)境獲取一定的熱能后又達(dá)到能量更高的S S1 1態(tài)。即態(tài)。即T1S1這種現(xiàn)象首先從四溴熒光素（這種現(xiàn)象首先從四溴

24、熒光素（eosin）觀察到，故得名）觀察到，故得名E型延遲熒光型延遲熒光。P P型延遲熒光型延遲熒光：當(dāng)單重態(tài)（當(dāng)單重態(tài)（S S1 1）與三重態(tài)（）與三重態(tài)（T T1 1）能差較大時，）能差較大時，T T1 1不可能靠從環(huán)境取不可能靠從環(huán)境取得熱能而到達(dá)得熱能而到達(dá)S S1 1態(tài)。這時有可能在兩個三重態(tài)分子靠近時，通過兩態(tài)。這時有可能在兩個三重態(tài)分子靠近時，通過兩個三重態(tài)分子的湮滅過程重新生成個三重態(tài)分子的湮滅過程重新生成S S1 1態(tài)。即態(tài)。即S1+S1T1+T1(T1T1)S0+S1S0+S0+hp這種現(xiàn)象首先從芘（這種現(xiàn)象首先從芘（pyrene）和菲（）和菲（phenanthrence）

25、觀察到，故得名）觀察到，故得名P型延遲熒光型延遲熒光。30熒光熒光量子產(chǎn)率量子產(chǎn)率是物質(zhì)熒光特性中最基本的參數(shù)之一，它表示物質(zhì)發(fā)是物質(zhì)熒光特性中最基本的參數(shù)之一，它表示物質(zhì)發(fā)射熒光的效率。射熒光的效率。量子產(chǎn)率量子產(chǎn)率熒光熒光量子產(chǎn)率量子產(chǎn)率通常用通常用 來表示，定義為來表示，定義為熒光發(fā)射量子數(shù)熒光發(fā)射量子數(shù)與與被物質(zhì)吸收被物質(zhì)吸收的光子數(shù)的光子數(shù)之比，也可表示為之比，也可表示為熒光發(fā)射強(qiáng)度熒光發(fā)射強(qiáng)度與與被吸收的光強(qiáng)被吸收的光強(qiáng)之比，或表之比，或表示為示為熒光發(fā)射速率熒光發(fā)射速率與與吸收光速率常數(shù)吸收光速率常數(shù)之比，即：之比，即： = = 熒光發(fā)射量子數(shù)熒光發(fā)射量子數(shù)/ /吸收的光子數(shù)吸收

26、的光子數(shù) = k= kf fSS1 1/吸光速率吸光速率 = I= If f/I/Ia a 31量子產(chǎn)率量子產(chǎn)率一般情況下，熒光一般情況下，熒光量子產(chǎn)率量子產(chǎn)率（ ) )不隨激發(fā)光波長而改變，這被稱為不隨激發(fā)光波長而改變，這被稱為Kasha-VavilovKasha-Vavilov規(guī)則規(guī)則。但如果形成的激發(fā)態(tài)會導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)或系間竄越。但如果形成的激發(fā)態(tài)會導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)或系間竄越與內(nèi)轉(zhuǎn)換的競爭，則可能使與內(nèi)轉(zhuǎn)換的競爭，則可能使 受到影響。例如，在低壓氣相以受到影響。例如，在低壓氣相以254 nm的光激發(fā)苯，的光激發(fā)苯， = 0.4，而當(dāng)以小于，而當(dāng)以小于240 nm的光激發(fā)苯時，則未檢測的光激發(fā)苯

27、時，則未檢測到熒光。這是由于苯的高振動能級的到熒光。這是由于苯的高振動能級的S1態(tài)會使其轉(zhuǎn)變?yōu)槎磐弑?。不同態(tài)會使其轉(zhuǎn)變?yōu)槎磐弑?。不同化合物的化合物?差別可以很大。差別可以很大。另外，另外， 還會受環(huán)境（如溫度、溶劑等）的影響，例如，降低溫度可還會受環(huán)境（如溫度、溶劑等）的影響，例如，降低溫度可導(dǎo)致一個化合物的導(dǎo)致一個化合物的 增大，提高溫度可導(dǎo)致一個化合物的增大，提高溫度可導(dǎo)致一個化合物的 降低。降低。32量子產(chǎn)率量子產(chǎn)率由于熒光的非單色性、各向的不均勻性和二級發(fā)射等原因，熒光量由于熒光的非單色性、各向的不均勻性和二級發(fā)射等原因，熒光量子產(chǎn)率的直接測定的重復(fù)性往往較差。因此，實(shí)際測量中大多采

28、用的子產(chǎn)率的直接測定的重復(fù)性往往較差。因此，實(shí)際測量中大多采用的是是相對法相對法，即用一已知其熒光量子產(chǎn)率的參比化合物在相同條件下對，即用一已知其熒光量子產(chǎn)率的參比化合物在相同條件下對照測定，并可通過公式計算目標(biāo)化合物的熒光量子產(chǎn)率：照測定，并可通過公式計算目標(biāo)化合物的熒光量子產(chǎn)率： = sIscs/(Isc) s、 s、cs和和Is分別是參照物的熒光量子產(chǎn)率（已知）、摩爾消光系數(shù)、溶分別是參照物的熒光量子產(chǎn)率（已知）、摩爾消光系數(shù)、溶液濃度和熒光強(qiáng)度；液濃度和熒光強(qiáng)度； 、 、c和和I分別是被測物的熒光量子產(chǎn)率（未知）、摩分別是被測物的熒光量子產(chǎn)率（未知）、摩爾消光系數(shù)、溶液濃度和熒光強(qiáng)度。

29、爾消光系數(shù)、溶液濃度和熒光強(qiáng)度。參照物參照物應(yīng)是應(yīng)是 已知已知、無自吸收無自吸收、無濃度猝滅無濃度猝滅、在被測物所用溶劑中可溶在被測物所用溶劑中可溶、易易純化純化、穩(wěn)定穩(wěn)定和和對雜質(zhì)不敏感對雜質(zhì)不敏感的物質(zhì)。常用的參照物如羅丹明的物質(zhì)。常用的參照物如羅丹明B和喹啉硫酸氫鹽和喹啉硫酸氫鹽等。等。33熒光產(chǎn)生的條件熒光產(chǎn)生的條件化合物能夠產(chǎn)生熒光的化合物能夠產(chǎn)生熒光的必要條件必要條件是：是： 它它吸收光子發(fā)生多重性不變的躍遷時所吸收的能量小吸收光子發(fā)生多重性不變的躍遷時所吸收的能量小于斷裂其最弱的化學(xué)鍵所需要的能量于斷裂其最弱的化學(xué)鍵所需要的能量。另外，化合物要能發(fā)生熒光，其結(jié)構(gòu)中必須有另外，化合

30、物要能發(fā)生熒光，其結(jié)構(gòu)中必須有熒光基團(tuán)熒光基團(tuán)。熒光基團(tuán)熒光基團(tuán)都是都是含有不飽和鍵含有不飽和鍵的基團(tuán)，當(dāng)這些基團(tuán)是分子的的基團(tuán)，當(dāng)這些基團(tuán)是分子的共軛體系的一部分時，則該化合物可能產(chǎn)生熒光。共軛體系的一部分時，則該化合物可能產(chǎn)生熒光。34影響熒光的主要因素影響熒光的主要因素1.1.熒光助色團(tuán)與熒光消色團(tuán)熒光助色團(tuán)與熒光消色團(tuán)：可使化合物熒光增強(qiáng)的基團(tuán)被稱為可使化合物熒光增強(qiáng)的基團(tuán)被稱為熒光助色團(tuán)熒光助色團(tuán)。一般。一般為為給電子取代基給電子取代基，如，如-NH-NH2 2、-OH-OH等。相反，等。相反，吸電子基團(tuán)吸電子基團(tuán)如如-COOH-COOH、-CN-CN等將減弱或抑制熒光的產(chǎn)生，被稱為

31、等將減弱或抑制熒光的產(chǎn)生，被稱為熒熒光消色團(tuán)光消色團(tuán)。35影響熒光的主要因素影響熒光的主要因素增加共平面的稠合環(huán)的數(shù)目，特別是當(dāng)稠合環(huán)以線型排列時，將增加共平面的稠合環(huán)的數(shù)目，特別是當(dāng)稠合環(huán)以線型排列時，將有利于體系內(nèi)有利于體系內(nèi) 電子的流動，從而使體系發(fā)生躍遷所需吸收的能量電子的流動，從而使體系發(fā)生躍遷所需吸收的能量降低，進(jìn)而有利于熒光的產(chǎn)生。降低，進(jìn)而有利于熒光的產(chǎn)生。2.2.增加稠合環(huán)可增強(qiáng)熒光增加稠合環(huán)可增強(qiáng)熒光：剛性增強(qiáng)后，將減弱分子的振動，從而使分子的激發(fā)能不易因振剛性增強(qiáng)后，將減弱分子的振動，從而使分子的激發(fā)能不易因振動而以熱能形式釋放；另外，分子剛性的增加常有利于增加分子動而以

32、熱能形式釋放；另外，分子剛性的增加常有利于增加分子的共平面，從而有利于增大分子內(nèi)的共平面，從而有利于增大分子內(nèi) 電子的流動性，也就有利于熒電子的流動性，也就有利于熒光的產(chǎn)生。光的產(chǎn)生。3.3.提高分子的剛性可增強(qiáng)熒光提高分子的剛性可增強(qiáng)熒光：36影響熒光的主要因素影響熒光的主要因素根據(jù)電子躍遷規(guī)則，根據(jù)電子躍遷規(guī)則，S S1 1態(tài)的電子組態(tài)是（態(tài)的電子組態(tài)是（ ， * *）態(tài)時，有利于熒）態(tài)時，有利于熒光的產(chǎn)生，當(dāng)光的產(chǎn)生，當(dāng)S S1 1態(tài)的電子組態(tài)是（態(tài)的電子組態(tài)是（n n， * *）態(tài)時，不利于熒光的產(chǎn)）態(tài)時，不利于熒光的產(chǎn)生。生。4.4.激發(fā)態(tài)電子組態(tài)的影響激發(fā)態(tài)電子組態(tài)的影響：重原子具

33、有增強(qiáng)系間竄越的作用，將增大從重原子具有增強(qiáng)系間竄越的作用，將增大從S S1 1態(tài)向態(tài)向T T1 1態(tài)的系間竄態(tài)的系間竄越的速率常數(shù)和量子產(chǎn)率，從而導(dǎo)致降低熒光量子產(chǎn)率。越的速率常數(shù)和量子產(chǎn)率，從而導(dǎo)致降低熒光量子產(chǎn)率。5.5.重原子將導(dǎo)致熒光量子產(chǎn)率的降低重原子將導(dǎo)致熒光量子產(chǎn)率的降低：37影響熒光的主要因素影響熒光的主要因素增加溶劑的極性，一般有利于熒光的產(chǎn)生。增加溶劑的極性，一般有利于熒光的產(chǎn)生。6.6.溶劑極性的影響溶劑極性的影響：降低體系溫度可以提高熒光量子產(chǎn)率。降低體系溫度可以提高熒光量子產(chǎn)率。7.7.溫度的影響溫度的影響：如氫鍵、吸附、溶劑粘度增加等均可提高熒光的量子產(chǎn)率，這都如

34、氫鍵、吸附、溶劑粘度增加等均可提高熒光的量子產(chǎn)率，這都可用減少了分子的熱振動和增加了分子的剛性來解釋?？捎脺p少了分子的熱振動和增加了分子的剛性來解釋。8.8.其它影響因素其它影響因素：3839熒光光譜儀的原理、操作及數(shù)據(jù)處理熒光光譜儀的原理、操作及數(shù)據(jù)處理40在實(shí)驗(yàn)樣品受到激發(fā)的在實(shí)驗(yàn)樣品受到激發(fā)的情況下，通過選擇合適情況下，通過選擇合適的探測器和工作模式，的探測器和工作模式，記錄下發(fā)射光強(qiáng)與激發(fā)記錄下發(fā)射光強(qiáng)與激發(fā)源特性、樣品特性以及源特性、樣品特性以及溫度、時間、空間、能溫度、時間、空間、能量等相關(guān)特性之間的關(guān)量等相關(guān)特性之間的關(guān)系，以此來更好的研究系，以此來更好的研究或利用發(fā)光過程?；蚶?/p>

35、用發(fā)光過程。熒光光譜儀的基本原理熒光光譜儀的基本原理4005006007000501001505D07F35D07F15D07F2 Intensity (a.u.)Wavelength (nm)ExcitationEmissionsite Bsite A7F05D2VBCB(a)(b)41樣品準(zhǔn)備樣品準(zhǔn)備塊狀固體塊狀固體 為了獲取盡可能理想的光譜，減小內(nèi)外表面因素的干擾，最好為了獲取盡可能理想的光譜，減小內(nèi)外表面因素的干擾，最好切切成規(guī)則形狀，并進(jìn)行拋光成規(guī)則形狀，并進(jìn)行拋光。 2. 2. 如果要做系列樣品特性的對比，應(yīng)盡量在如果要做系列樣品特性的對比，應(yīng)盡量在尺寸和光潔度尺寸和光潔度上將其制

36、為上將其制為同一規(guī)格同一規(guī)格。4. 4. 對于與各項異性有關(guān)的測試，務(wù)必要注意對于與各項異性有關(guān)的測試，務(wù)必要注意光軸（或光軸（或 x,y,z x,y,z 軸）的軸）的位置位置。 5. 5. 對于有對于有自吸收自吸收特性的樣品要注意其對測試結(jié)果的影響。特性的樣品要注意其對測試結(jié)果的影響。42樣品準(zhǔn)備樣品準(zhǔn)備粉體和微晶粉體和微晶 避免混入諸如濾紙纖維、膠水等雜質(zhì)避免混入諸如濾紙纖維、膠水等雜質(zhì)，以免其發(fā)光對測試結(jié)果產(chǎn)生，以免其發(fā)光對測試結(jié)果產(chǎn)生影響。影響。 2. 2. 樣品應(yīng)盡量保存在樣品應(yīng)盡量保存在不會引入雜質(zhì)又防潮避光不會引入雜質(zhì)又防潮避光的樣品管（盒）中。的樣品管（盒）中。 3. 3. 對

37、于強(qiáng)光下不穩(wěn)定的化合物，測試時應(yīng)特別注意對于強(qiáng)光下不穩(wěn)定的化合物，測試時應(yīng)特別注意控制入射光的強(qiáng)度控制入射光的強(qiáng)度，避免破壞樣品。避免破壞樣品。4. 4. 粉體和微晶樣品一般夾在粉體和微晶樣品一般夾在石英玻璃片石英玻璃片進(jìn)行測試。進(jìn)行測試。43液體液體樣品準(zhǔn)備樣品準(zhǔn)備1. 1. 溶液樣品盡量使用溶液樣品盡量使用透明的玻璃化溶液透明的玻璃化溶液，避免在這種匯聚式光路中，避免在這種匯聚式光路中由于比色皿中溶液的前后吸收不均導(dǎo)致的光譜失真問題。由于比色皿中溶液的前后吸收不均導(dǎo)致的光譜失真問題。 2. 2. 為安全起見，對于使用揮為安全起見，對于使用揮發(fā)性劇毒溶劑發(fā)性劇毒溶劑的測試，一定要有合適的的測

38、試，一定要有合適的防護(hù)防護(hù)。 3. 3. 易揮發(fā)、易變質(zhì)易揮發(fā)、易變質(zhì)的溶液最好的溶液最好現(xiàn)配現(xiàn)測現(xiàn)配現(xiàn)測。4. 4. 液體樣品一般放在液體樣品一般放在帶蓋石英比色皿帶蓋石英比色皿（與紫外測試所用比色皿不同，（與紫外測試所用比色皿不同，為側(cè)面全透明型）為側(cè)面全透明型）中進(jìn)行測試。中進(jìn)行測試。44測試準(zhǔn)備測試準(zhǔn)備 由于物質(zhì)的發(fā)射特性和吸收特性是緊密相關(guān)的，所以提前做好由于物質(zhì)的發(fā)射特性和吸收特性是緊密相關(guān)的，所以提前做好吸收譜可以有效縮短熒光測試的摸索時間。吸收譜可以有效縮短熒光測試的摸索時間。 對于不知道相關(guān)特性的樣品，吸收譜的測試比熒光光譜的測試對于不知道相關(guān)特性的樣品，吸收譜的測試比熒光光

39、譜的測試要容易很多。要容易很多。所以，建議大家所以，建議大家先測一下樣品的吸收譜，并從中找出感興先測一下樣品的吸收譜，并從中找出感興趣的吸收峰和特性趣的吸收峰和特性，在熒光測試時以便參考。，在熒光測試時以便參考。45光譜測試光譜測試 開機(jī)開機(jī) 電源電源燈源燈源2.2.發(fā)射譜發(fā)射譜 根據(jù)吸收譜中感興趣的峰確定激發(fā)波長，選擇合適的發(fā)射譜波長根據(jù)吸收譜中感興趣的峰確定激發(fā)波長，選擇合適的發(fā)射譜波長范圍、濾光片、光路狹縫、掃描速度等進(jìn)行發(fā)射譜的掃描。范圍、濾光片、光路狹縫、掃描速度等進(jìn)行發(fā)射譜的掃描。3.3.激發(fā)譜激發(fā)譜 根據(jù)發(fā)射譜中感興趣的峰確定發(fā)射波長，選擇合適的激發(fā)譜波長根據(jù)發(fā)射譜中感興趣的峰確

40、定發(fā)射波長，選擇合適的激發(fā)譜波長范圍、濾光片、光路狹縫、掃描速度等進(jìn)行激發(fā)譜的掃描。范圍、濾光片、光路狹縫、掃描速度等進(jìn)行激發(fā)譜的掃描。464.4.發(fā)射譜發(fā)射譜 根據(jù)激發(fā)譜中感興趣的峰確定激發(fā)波長，選擇合適的發(fā)射譜波長根據(jù)激發(fā)譜中感興趣的峰確定激發(fā)波長，選擇合適的發(fā)射譜波長范圍、濾光片、光路狹縫、掃描速度等進(jìn)行發(fā)射譜的掃描。范圍、濾光片、光路狹縫、掃描速度等進(jìn)行發(fā)射譜的掃描。5.5.重復(fù)重復(fù)3 3、4 4步循環(huán)掃描得到理想的光譜圖。步循環(huán)掃描得到理想的光譜圖。7.7.關(guān)機(jī)關(guān)機(jī) 光源光源電源電源6.6.保存數(shù)據(jù)保存數(shù)據(jù)光譜測試光譜測試47濾光片的選擇濾光片的選擇1.1.按光譜波段分：按光譜波段分

41、：紫外濾光片、可見濾光片、紅外濾光片；紫外濾光片、可見濾光片、紅外濾光片； 2.2.按光譜特性分：按光譜特性分： 帶通濾光片、截止濾光片、分光濾光片、中性密度濾光片、帶通濾光片、截止濾光片、分光濾光片、中性密度濾光片、反射濾光片；反射濾光片； 帶通型帶通型： 選定波段的光通過，通帶以外的光截止。選定波段的光通過，通帶以外的光截止。 短波通型短波通型( (又叫低波通又叫低波通) )：短于選定波長的光通過，長于該：短于選定波長的光通過，長于該波長的光截止。波長的光截止。 比如紅外截止濾光片，比如紅外截止濾光片，IBG-650IBG-650。 長波通型長波通型( (又叫高波通又叫高波通) )：長于選

42、定波長的光通過，短于該：長于選定波長的光通過，短于該波長的光截止波長的光截止 比如紅外透過濾光片，比如紅外透過濾光片，IPG-800. IPG-800. 濾光片的分類濾光片的分類48濾光片的選擇濾光片的選擇為了消除剩余入射光對熒光光譜產(chǎn)生影響，我們通常要選擇合為了消除剩余入射光對熒光光譜產(chǎn)生影響，我們通常要選擇合適的適的長波通型截止濾光片長波通型截止濾光片。激發(fā)波長一定要小于發(fā)射波長激發(fā)波長一定要小于發(fā)射波長。發(fā)射譜發(fā)射譜掃描過程中，通常選擇掃描過程中，通常選擇比激發(fā)波長長，比發(fā)射譜最短波比激發(fā)波長長，比發(fā)射譜最短波長短長短的長波通型截止濾光片。的長波通型截止濾光片。激發(fā)譜激發(fā)譜掃描過程中，通

43、常選擇掃描過程中，通常選擇比發(fā)射波長短，比激發(fā)譜最長波比發(fā)射波長短，比激發(fā)譜最長波長長長長的長波通型截止濾光片。的長波通型截止濾光片。49光路狹縫和掃描速度的選擇光路狹縫和掃描速度的選擇如果光路狹縫太大，熒光信號太強(qiáng)，容易超出儀器檢測范圍，如果光路狹縫太大，熒光信號太強(qiáng)，容易超出儀器檢測范圍，損傷儀器；如果狹縫開的太小，熒光信號又太弱，檢測比較困損傷儀器；如果狹縫開的太小，熒光信號又太弱，檢測比較困難，所以要選擇大小合適的狹縫。難，所以要選擇大小合適的狹縫。如果掃描太快，容易跳峰，忽略特征性的峰信號；掃描太慢則如果掃描太快，容易跳峰，忽略特征性的峰信號；掃描太慢則浪費(fèi)時間。所以只要能掃描得到平

44、滑的光譜曲線就可以了。浪費(fèi)時間。所以只要能掃描得到平滑的光譜曲線就可以了。50光譜數(shù)據(jù)處理光譜數(shù)據(jù)處理測得的數(shù)據(jù)結(jié)果需要應(yīng)用測得的數(shù)據(jù)結(jié)果需要應(yīng)用originorigin軟件軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖分析。進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖分析。為了消除儀器本身的影響，測得的光譜曲線需要應(yīng)用校正曲線為了消除儀器本身的影響，測得的光譜曲線需要應(yīng)用校正曲線進(jìn)行進(jìn)行校正校正。校正過的光譜數(shù)據(jù)可以校正過的光譜數(shù)據(jù)可以應(yīng)用應(yīng)用色坐標(biāo)色坐標(biāo)軟件進(jìn)行顏軟件進(jìn)行顏色分析。色分析。51熒光壽命和量子產(chǎn)率的測試和數(shù)據(jù)處理熒光壽命和量子產(chǎn)率的測試和數(shù)據(jù)處理熒光壽命：熒光壽命：根據(jù)發(fā)射譜和激發(fā)譜選擇感興趣的根據(jù)發(fā)射譜和激發(fā)譜選擇感興趣的

45、發(fā)射波長發(fā)射波長和和激發(fā)波長激發(fā)波長，測試，測試熒光強(qiáng)度隨時間的衰減熒光強(qiáng)度隨時間的衰減曲線，同樣需要數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，然后應(yīng)曲線，同樣需要數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，然后應(yīng)用用originorigin軟件進(jìn)行作圖和數(shù)據(jù)擬合得到壽命結(jié)果。軟件進(jìn)行作圖和數(shù)據(jù)擬合得到壽命結(jié)果。量子產(chǎn)率：量子產(chǎn)率：根據(jù)發(fā)射譜和激發(fā)譜選擇感興趣的根據(jù)發(fā)射譜和激發(fā)譜選擇感興趣的發(fā)射波長范圍發(fā)射波長范圍和和激發(fā)波長激發(fā)波長，運(yùn)用運(yùn)用積分球積分球分別測試分別測試加、減衰減片時的熒光強(qiáng)度加、減衰減片時的熒光強(qiáng)度，然后應(yīng)用軟，然后應(yīng)用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到量子產(chǎn)率。件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到量子產(chǎn)率。52熒光圖實(shí)例熒光圖實(shí)例53熒光光譜的應(yīng)用熒光光譜的應(yīng)

46、用54熒光光譜的應(yīng)用熒光光譜的應(yīng)用熒光探針熒光探針金屬金屬-有機(jī)配合物（有機(jī)配合物（MOF）發(fā)光材料發(fā)光材料分子傳感器分子傳感器物質(zhì)的檢測物質(zhì)的檢測稀土摻雜發(fā)光材料稀土摻雜發(fā)光材料發(fā)光器件發(fā)光器件光譜光譜55金屬金屬-有機(jī)配合物（有機(jī)配合物（MOF）的發(fā)光機(jī)理）的發(fā)光機(jī)理Ligand-金屬金屬- -有機(jī)配合物發(fā)光機(jī)理示意圖有機(jī)配合物發(fā)光機(jī)理示意圖561.1.配體內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移（配體內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移（ILCTILCT）2.2.配體到金屬的電荷轉(zhuǎn)移（配體到金屬的電荷轉(zhuǎn)移（LMCTLMCT）3.3.金屬到配體的電荷轉(zhuǎn)移（金屬到配體的電荷轉(zhuǎn)移（MLCTMLCT）4.4.配體到配體的電荷轉(zhuǎn)移（配體到配體的電荷

47、轉(zhuǎn)移（LLCTLLCT）5.5.金屬金屬- -金屬到配體的電荷轉(zhuǎn)移（金屬到配體的電荷轉(zhuǎn)移（MMLCTMMLCT）等）等過渡金屬過渡金屬-有機(jī)配合物（有機(jī)配合物（MOF）的發(fā)光機(jī)理）的發(fā)光機(jī)理很多過渡金屬與配體配合時能形成很多過渡金屬與配體配合時能形成新的能級結(jié)構(gòu)新的能級結(jié)構(gòu)（HOMO/LUMOHOMO/LUMO），），基態(tài)與這些能級的躍遷較容易導(dǎo)致量子產(chǎn)率相對于配體的顯著增基態(tài)與這些能級的躍遷較容易導(dǎo)致量子產(chǎn)率相對于配體的顯著增強(qiáng)，同時可以通過改變配位中心或配體結(jié)構(gòu)在很寬的波段內(nèi)調(diào)控強(qiáng)，同時可以通過改變配位中心或配體結(jié)構(gòu)在很寬的波段內(nèi)調(diào)控其發(fā)射波段。其發(fā)射波段。57過渡金屬過渡金屬-有機(jī)配合物

48、（有機(jī)配合物（MOF）的發(fā)光機(jī)理）的發(fā)光機(jī)理常見常見d d8 8/d/d1010過渡金屬配合物的發(fā)光機(jī)理過渡金屬配合物的發(fā)光機(jī)理Zn(II)、Cd(II)配合物配合物-ILCT/LMCT單核單核Cu(I)、Ag(I)、Au(I)、Pt(II)、Pd(II)配合物配合物-ILCT/LMCT/MLCT多核多核Cu(I)、Ag(I)、Au(I)、Pt(II)、Pd(II)配合物配合物-MLCT/MMLCT58稀土離子稀土離子能級圖能級圖（Dieke圖圖) )稀土金屬稀土金屬-有機(jī)配合物（有機(jī)配合物（MOF）的發(fā)光機(jī)理）的發(fā)光機(jī)理59荷蘭的荷蘭的R. T. Wegh等利等利用德國用德國DESY同步輻射

49、同步輻射裝置對稀土離子裝置對稀土離子VUV波段的激發(fā)譜做了細(xì)波段的激發(fā)譜做了細(xì)致研究，并對比理論致研究，并對比理論計算對計算對VUV譜區(qū)譜區(qū)4f能能級的預(yù)測，成功地將級的預(yù)測，成功地將Dieke圖擴(kuò)展到了圖擴(kuò)展到了70000cm-1的能量范圍。的能量范圍。擴(kuò)展擴(kuò)展DiekeDieke圖圖稀土金屬稀土金屬-有機(jī)配合物（有機(jī)配合物（MOF）的發(fā)光機(jī)理）的發(fā)光機(jī)理60金屬離子發(fā)光金屬離子發(fā)光f-f躍遷：躍遷：Sm3+、Eu3+、Tb3+、Dy3+、Tm3+、Nd3+、Er3+、Yb3+等等 天線效應(yīng)天線效應(yīng)優(yōu)點(diǎn)：色度純、壽命長等優(yōu)點(diǎn)：色度純、壽命長等缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：f-f禁阻，強(qiáng)度低禁阻，強(qiáng)度低稀土金屬

50、稀土金屬-有機(jī)配合物（有機(jī)配合物（MOF）的發(fā)光機(jī)理）的發(fā)光機(jī)理61稀土金屬稀土金屬-有機(jī)配合物（有機(jī)配合物（MOF）的發(fā)光機(jī)理）的發(fā)光機(jī)理天線效應(yīng)示意圖天線效應(yīng)示意圖 配體發(fā)光配體發(fā)光 La3+、Gd3+、Lu3+等等 f-df-d躍遷：躍遷：Eu2+、Yb2+、Sm2+、Ce3+等等 寬峰寬峰62Yu-Bin Dong, et al.,J. Am. Chem. Soc., 2007 (129): 10620-106211.1.客體離子的影響：客體離子的影響：金屬金屬-有機(jī)配合物（有機(jī)配合物（MOF）發(fā)光的影響因素）發(fā)光的影響因素63Y. K. Park, et al., Angew. Ch

51、em. Int. Ed., 2007 (46): 8230-82332.2.客體分子的影響：客體分子的影響：金屬金屬-有機(jī)配合物（有機(jī)配合物（MOF）發(fā)光的影響因素）發(fā)光的影響因素64Zhe-Ming Wang, Song Gao, et al.,Inorg. Chem., 2007 (46): 1337-13423.3.結(jié)晶水的影響結(jié)晶水的影響金屬金屬-有機(jī)配合物（有機(jī)配合物（MOF）發(fā)光的影響因素）發(fā)光的影響因素65M. D. Allendorf, C. A. Bauer, et al.,Chem. Soc. Rev., 2009 (38): 133013524.4.配體共軛程度的影響配體

52、共軛程度的影響*n or配體配體 金屬金屬配體配體金屬金屬發(fā)發(fā)射射增大共軛增大共軛發(fā)發(fā)射射能級躍遷示意圖能級躍遷示意圖金屬金屬-有機(jī)配合物（有機(jī)配合物（MOF）發(fā)光的影響因素）發(fā)光的影響因素665.5.溶劑的影響溶劑的影響M. C. Hong, et al.,Cryst. Growth. Des., 2008 (8): 2721-2728 金屬金屬-有機(jī)配合物（有機(jī)配合物（MOF）發(fā)光的影響因素）發(fā)光的影響因素67Avelino Corma, Joo Rocha, et al.,Angew. Chem. Int. Ed., 2009 (48): 6476-64796.pH6.pH的影響的影響金

53、屬金屬-有機(jī)配合物（有機(jī)配合物（MOF）發(fā)光的影響因素）發(fā)光的影響因素68NoImageNoImageGuo-Cong Guo, et al.,J. Am. Chem. Soc., 2009 (131): 13572-13573 7.7.激發(fā)波長的影響激發(fā)波長的影響金屬金屬-有機(jī)配合物（有機(jī)配合物（MOF）發(fā)光的影響因素）發(fā)光的影響因素69稀土摻雜發(fā)光材料稀土摻雜發(fā)光材料1.1.稀土摻雜激光晶體稀土摻雜激光晶體2.2.稀土摻雜納米材料稀土摻雜納米材料70稀土摻雜激光晶體稀土摻雜激光晶體71稀土摻雜激光晶體稀土摻雜激光晶體72稀土摻雜激光晶體稀土摻雜激光晶體73稀土摻雜激光晶體稀土摻雜激光晶體7

54、4稀土摻雜納米材料稀土摻雜納米材料稀土離子和半導(dǎo)體納米晶本身都是很好的發(fā)光材料。稀土離子和半導(dǎo)體納米晶本身都是很好的發(fā)光材料。稀土離子的發(fā)光可以被半導(dǎo)體的激子復(fù)合所敏化，使得稀土離子稀土離子的發(fā)光可以被半導(dǎo)體的激子復(fù)合所敏化，使得稀土離子的發(fā)光效率大大增強(qiáng)。的發(fā)光效率大大增強(qiáng)。通過控制合成半導(dǎo)體納米晶的尺寸來剪裁半導(dǎo)體的帶隙以匹配發(fā)通過控制合成半導(dǎo)體納米晶的尺寸來剪裁半導(dǎo)體的帶隙以匹配發(fā)光中心的激發(fā)態(tài)能級，實(shí)現(xiàn)高效能量傳遞或發(fā)光。光中心的激發(fā)態(tài)能級，實(shí)現(xiàn)高效能量傳遞或發(fā)光。稀土離子是最好的對結(jié)構(gòu)敏感的稀土離子是最好的對結(jié)構(gòu)敏感的光譜探針光譜探針，可以設(shè)計實(shí)驗(yàn)來原位，可以設(shè)計實(shí)驗(yàn)來原位探測某些很

55、小的半導(dǎo)體納米晶室溫結(jié)構(gòu)相變過程并分析其內(nèi)在機(jī)制。探測某些很小的半導(dǎo)體納米晶室溫結(jié)構(gòu)相變過程并分析其內(nèi)在機(jī)制。稀土摻雜半導(dǎo)體納米材料在綠色照明光源、納米光電子器件、平稀土摻雜半導(dǎo)體納米材料在綠色照明光源、納米光電子器件、平板顯示、納米生物標(biāo)記和傳感器等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。板顯示、納米生物標(biāo)記和傳感器等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。 75稀土摻雜納米材料稀土摻雜納米材料ZnO:Eu3+ZnOLnZnOLn3+3+ 能量傳遞能量傳遞ZnO ZnO 敏化發(fā)光更高效敏化發(fā)光更高效基質(zhì)敏化的稀土離子發(fā)光基質(zhì)敏化的稀土離子發(fā)光76與蛋白質(zhì)或其他大分子結(jié)構(gòu)與蛋白質(zhì)或其他大分子結(jié)構(gòu)非共價相互作用非共價相互作用而

56、使一種或幾而使一種或幾種種熒光性質(zhì)發(fā)生改變熒光性質(zhì)發(fā)生改變的小分子物質(zhì)?？捎糜谘芯看蠓肿游锏男》肿游镔|(zhì)?？捎糜谘芯看蠓肿游镔|(zhì)的性質(zhì)和行為。質(zhì)的性質(zhì)和行為。 熒光探針熒光探針目前常用的熒光探針有熒光素類探針、無機(jī)離子熒光探針、熒光量子目前常用的熒光探針有熒光素類探針、無機(jī)離子熒光探針、熒光量子點(diǎn)、分子信標(biāo)等。點(diǎn)、分子信標(biāo)等。熒光探針除應(yīng)用于核酸和蛋白質(zhì)的定量分析外，在核酸染色、熒光探針除應(yīng)用于核酸和蛋白質(zhì)的定量分析外，在核酸染色、DNADNA電泳、電泳、核酸分子雜交、定量核酸分子雜交、定量PCRPCR技術(shù)以及技術(shù)以及DNADNA測序上都有著廣泛的應(yīng)用。測序上都有著廣泛的應(yīng)用。 熒光探針：熒光探針

57、：77熒光探針熒光探針過渡金屬配合物過渡金屬配合物很多能實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的紅外波段寬帶發(fā)射，很多能實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的紅外波段寬帶發(fā)射，可以有效避開組織體的吸收，可以穿透組織體實(shí)現(xiàn)紅外可以有效避開組織體的吸收，可以穿透組織體實(shí)現(xiàn)紅外成像，克服同位素原子示蹤對人體的傷害；壽命處于成像，克服同位素原子示蹤對人體的傷害；壽命處于s s 量級，可以用于較大分子的形變和轉(zhuǎn)動擴(kuò)散研究，量級，可以用于較大分子的形變和轉(zhuǎn)動擴(kuò)散研究，當(dāng)然，結(jié)合其特有的發(fā)射波段也能對活體環(huán)境中的許多當(dāng)然，結(jié)合其特有的發(fā)射波段也能對活體環(huán)境中的許多擴(kuò)散和轉(zhuǎn)變過程進(jìn)行研究。擴(kuò)散和轉(zhuǎn)變過程進(jìn)行研究。78稀土離子稀土離子是一類核酸探針的檢測試劑。是一類核

58、酸探針的檢測試劑。在水溶液中僅有在水溶液中僅有Tb()和和Eu()發(fā)出熒光，與發(fā)出熒光，與DNA配合后仍保留熒配合后仍保留熒光性能，可特異識別核苷酸。光性能，可特異識別核苷酸。Tb()和和Eu()與一些小分子配體配合，由于配體本身性質(zhì)、中心與一些小分子配體配合，由于配體本身性質(zhì)、中心離子離子-配體成鍵及溶劑等因素影響，使配合物的激發(fā)態(tài)壽命達(dá)到配體成鍵及溶劑等因素影響，使配合物的激發(fā)態(tài)壽命達(dá)到ms 級，并發(fā)出窄而強(qiáng)的熒光。級，并發(fā)出窄而強(qiáng)的熒光。Tb()和和Eu()與小分子的配合物探針通過共價鍵與靶與小分子的配合物探針通過共價鍵與靶DNA 共價共價結(jié)合后多用于實(shí)時定量熒光結(jié)合后多用于實(shí)時定量熒光

59、PCR 反應(yīng)產(chǎn)物的分析及雜交測試。反應(yīng)產(chǎn)物的分析及雜交測試。該類探針要求稀土配合物易于合成并且足夠穩(wěn)定，同時熒光發(fā)射該類探針要求稀土配合物易于合成并且足夠穩(wěn)定，同時熒光發(fā)射強(qiáng)度大。強(qiáng)度大。Nurmi 等用等用Tb()和和Eu()標(biāo)記的探針進(jìn)行實(shí)時同步擴(kuò)增標(biāo)記的探針進(jìn)行實(shí)時同步擴(kuò)增及前列腺特異抗原的測定，信噪比要高于傳統(tǒng)的及前列腺特異抗原的測定，信噪比要高于傳統(tǒng)的TaqMan 探針，而探針，而循環(huán)閾值則降低。循環(huán)閾值則降低。熒光探針熒光探針79量子點(diǎn)熒光探針量子點(diǎn)熒光探針是由是由-族和族和-族元素組成的半導(dǎo)體族元素組成的半導(dǎo)體納米顆粒，將核酸連接到量子點(diǎn)的表面，做成探針，通過納米顆粒，將核酸連接到量子點(diǎn)的表面，做成探針，通過體外雜交常規(guī)熒光體外雜交常規(guī)熒光(FISH)(FISH)分析，發(fā)現(xiàn)染色體的異常及變異，分析，發(fā)現(xiàn)染色體的異常及變異，可取代一些有機(jī)熒光染料進(jìn)行生物分子檢測。研究較多的可取代一些有機(jī)熒光染料進(jìn)行生物分子檢測。研究較多的有有CdSeCdSe、CdTeCdTe、ZnS ZnS 等。等。熒光探針熒光探針80量子點(diǎn)探針量子點(diǎn)探針較傳統(tǒng)的有機(jī)熒光染料具有一定的優(yōu)越性：較傳統(tǒng)的有機(jī)熒光染料具有一定的優(yōu)越性：首先，熒光光譜范圍寬，通過改變納米晶體材料和尺寸，獲得的激光首先，熒光光譜范圍寬，通過改變納米晶體材料和尺寸，獲得的激光