5.1　基本原理

5.1.1　分子荧光的产生

（1）分子的激发及激发态

大多数有机化合物的分子含有偶数个电子，在未吸收光能前处于最低能量状态，即基态。根据能量最低及泡利（Pauli）不相容原理，电子在基态时是自旋成对（相反的自旋方向）地排列在能量较低的轨道上，自旋量子数分别为+1/2和-1/2，分子中的总自旋量子数S=0，即基态时电子无净自旋。当分子受到光照射时，电子提高到高能量轨道，这种能量提高的状态叫电子的激发态。

根据电子能级多重性定义M=2S+1，式中S为电子的总自旋量子数，其值为0或1，M为分子中电子总自旋角动量在z轴方向的可能性。当S=0时M=1，z轴方向只有一种可能，称为单重态或单线态（singlet state，S），基态的单重态以S0表示。当电子受到激发后，电子的自旋方向保持不变，仍和处于基态的电子配对，则激发态仍为单重态，各种激发单线态以表示。若激发过程中电子自旋方向发生了改变，与基态时自旋方向相反，则与处于基态的电子呈平行状态，此时S=（+1/2）+（+1/2）=1，M=3，这样的激发态为三重态（triplet state，T），各种激发三重态以表示。三重态中，处于不同轨道的两个电子自旋平行，两个电子轨道在空间的交叉覆盖较少，电子的平均间距变长，相互排斥的作用降低，因此自旋平行比自旋相反状态稳定，三重态的能级要比相应单重态能级低，如图5-1所示。

（2）荧光的产生

激发态分子经去激发回到基态有多种途径和方式，通常包括无辐射跃迁方式和辐射跃迁方式。无辐射跃迁方式是指以热能的形式释放多余的能量，包括振动弛豫、内部能量转换、外部能量转换、体系间跨越。辐射跃迁方式是以辐射的形式发射光量子回到基态，发射的光量子为荧光或磷光。

①无辐射跃迁

a.振动弛豫　同一电子能级内分子通过碰撞或分子与晶格间相互作用，以热能的形式损失掉部分能量，由各较高振动能级下降到低相邻振动能级间的跃迁，称为振动弛豫。振动弛豫时间约为10-12s，由于这部分能量以热形式释放，属于无辐射跃迁。

b.内部能量转换　简称内转换，是与荧光相竞争的过程之一。在相同的多重态的电子能级中，当两个电子能级非常靠近以致其振动能级有重叠时，电子由高能级以无辐射跃迁方式转移至低能级，这个过程为内部能量转换。内部能量转换过程取决于能级之间的相对能量差。基态与激发单线态之间能量差较大，内转换效率低。两个单线或三重激发态之间发生内转换的可能性要大很多，如激发态电子可由转移至，转移至。分子最初无论在哪个激发态都能以内转换途径达到第一激发态，随后通过振动弛豫达到最低振动能级。发生内转换的时间约为10-12s。

c.外部能量转换　简称外转换，是与荧光相竞争的主要过程，是激发态分子与溶剂或其他分子之间产生相互碰撞而失去能量，回到基态的无辐射跃迁。外转换可使荧光或磷光减弱或发生猝灭，这一现象也称为荧光猝灭。从第一激发单线态或三线态回到基态的无辐射跃迁包括内转换和外转换。

d.体系间跨越　又称体系间交叉跃迁，指不同多重态在有重叠的振动能级间的非辐射跃迁，如跃迁至。体系间跨越改变了电子自旋状态，属于禁阻跃迁。含有重原子（如溴、碘）的分子中，原子的核电荷数高，电子自旋与轨道运动之间相互作用大，有利于自旋翻转，因此体系间跨越最为常见。溶液中氧分子等顺磁性物质也能增加体系间跨越的发生。

②辐射跃迁

a.荧光发射　由于电子发生振动弛豫和内转换过程要比由第一激发单重态的最低振动能级到基态的跃迁快得多，故较高激发态分子无辐射跃迁至第一激发单重态的最低振动能级后仍不稳定，继而以光辐射形式释放能量回到基态的各振动能级（→S0），这时跃迁所产生的辐射为荧光。荧光发射的时间约为10-7～10-9s，由图5-1可以看出，分子发射荧光的能量比吸收能量小，故λ'2>λ2>λ1。

b.磷光发射　电子由第一激发三重态的最低振动能级到基态的各振动能级（→S0）跃迁所产生的辐射。由于三重激发态比单重激发态的能量低，所以产生磷光的波长要比荧光波长长。磷光的产生包括多个过程：S0→激发→振动弛豫→内转换→系间跨越→振动弛豫→→S0，所以磷光发生速率比荧光要慢得多，约为10-4～100s，当光照停止后磷光发射还可持续一段时间。

荧光和磷光的相同点与不同点如下：

相同点：都是通过辐射能量跃迁电子从激发态跃迁到基态，波长一般都不同于入射光的波长。

不同点：荧光是→S0跃迁产生的，磷光是→S0跃迁产生的。由于较能量低，所以磷光辐射波长比荧光长；磷光由于是禁阻跃迁所以磷光强度弱，而荧光的强度大；磷光发光速率较荧光慢但寿命长，荧光寿命短；磷光的寿命和辐射强度受重原子和顺磁性离子存在的影响大且极为敏感；当光照射停止后荧光也很快随之消失，而磷光还可持续一段时间。

c.延迟荧光　也被称为缓发荧光，它来源于第一激发三重态（）重新生成的态的辐射跃迁，延迟荧光寿命长达10-3s。在激发光源熄灭后，延迟荧光可持续一段时间，但与磷光又有本质区别，同一物质的磷光总比荧光长。

5.1.2　激发光谱与发射光谱

由于荧光属于被激发后的发射光谱，因此它具有两个特征光谱，即激发光谱和发射光谱。

（1）激发光谱

激发光谱是指不同激发波长的辐射引起物质发射某一波长荧光的相对效率。即固定荧光发射波长，扫描记录荧光激发波长，获得的荧光强度与激发波长的关系曲线。以荧光强度（F）为纵坐标，激发波长（λex）为横坐标作图，所得到的图谱为荧光物质激发光谱。激发光谱上荧光强度最大值所对应的波长为最大激发波长（），是激发荧光最灵敏波长。物质的激发光谱与它的吸收光谱相似，是因为荧光物质吸收了这种波长的紫外线才能发射荧光，但两者不可能完全重叠。

（2）发射光谱

发射光谱又称为荧光光谱，是指在所发射的荧光中各种波长组分的相对强度。即固定荧光激发波长，扫描荧光发射波长，记录荧光强度（F）对发射波长（λem）的关系曲线，所得到的图谱称为荧光物质发射光谱。荧光发生光谱上荧光强度最大值对应的波长为最大荧光发射波长（）。

荧光物质的最大激发波长和最大荧光波长常用于对其进行定性，是物质分析的主要信息。

（3）荧光光谱基本特征

①

荧光光谱的形状与激发波长无关　虽然荧光物质的吸收光谱可能含有几个吸收带，即使分子被激发到高于的电子激发态的各个振动能级，由于内转换和振动弛豫的速率很快，最终都会下降至激发态的最低振动能级。而荧光发射均由第一激发单重态的最低振动能级跃迁到基态的各振动能级，所以荧光发射光谱由第一激发单重态和基态间能量决定，而与激发波长无关。

从图5-2看到，硫酸奎宁的激发光谱有两个峰，而荧光光谱仅有一个峰，这是内转换和振动弛豫的结果。

②镜像规则　如果将某一物质的激发光谱和荧光光谱进行比较，就可发现这两种光谱之间存在着“镜像对称”的关系，如图5-3所示的蒽的激发光谱和荧光光谱。镜像对称产生原因是激发光谱是由基态最低振动能级跃迁到第一激发单重态的各个振动能级而形成，其形状与第一激发单重态的振动能级分布有关。发射光谱是由第一激发单重态的最低振动能级跃迁到基态的各个振动能级而形成，其形状与基态振动能级分布有关。由于基态和激发态振动能级结构相似，激发和去激发过程相反，因此不同激发波长照射荧光物质都可以获得相同的荧光光谱。

③Stokes 位移　在溶液中，分子荧光的发射光谱的波长总比激发光谱长，产生位移的原因是激发态时分子通过弛豫振动、内转换消耗了部分能量，同时溶剂分子与受激发分子的碰撞也会失去部分能量，故产生Stokes位移现象。