5.1　基本原理

5.1.1　分子熒光的產生

（1）分子的激發及激發態

大多數有機化合物的分子含有偶數個電子，在未吸收光能前處于最低能量狀態，即基態。根據能量最低及泡利（Pauli）不相容原理，電子在基態時是自旋成對（相反的自旋方向）地排列在能量較低的軌道上，自旋量子數分別為+1/2和-1/2，分子中的總自旋量子數S=0，即基態時電子無凈自旋。當分子受到光照射時，電子提高到高能量軌道，這種能量提高的狀態叫電子的激發態。

根據電子能級多重性定義M=2S+1，式中S為電子的總自旋量子數，其值為0或1，M為分子中電子總自旋角動量在z軸方向的可能性。當S=0時M=1，z軸方向只有一種可能，稱為單重態或單線態（singlet state，S），基態的單重態以S0表示。當電子受到激發后，電子的自旋方向保持不變，仍和處于基態的電子配對，則激發態仍為單重態，各種激發單線態以表示。若激發過程中電子自旋方向發生了改變，與基態時自旋方向相反，則與處于基態的電子呈平行狀態，此時S=（+1/2）+（+1/2）=1，M=3，這樣的激發態為三重態（triplet state，T），各種激發三重態以表示。三重態中，處于不同軌道的兩個電子自旋平行，兩個電子軌道在空間的交叉覆蓋較少，電子的平均間距變長，相互排斥的作用降低，因此自旋平行比自旋相反狀態穩定，三重態的能級要比相應單重態能級低，如圖5-1所示。

（2）熒光的產生

激發態分子經去激發回到基態有多種途徑和方式，通常包括無輻射躍遷方式和輻射躍遷方式。無輻射躍遷方式是指以熱能的形式釋放多余的能量，包括振動弛豫、內部能量轉換、外部能量轉換、體系間跨越。輻射躍遷方式是以輻射的形式發射光量子回到基態，發射的光量子為熒光或磷光。

①無輻射躍遷

a.振動弛豫　同一電子能級內分子通過碰撞或分子與晶格間相互作用，以熱能的形式損失掉部分能量，由各較高振動能級下降到低相鄰振動能級間的躍遷，稱為振動弛豫。振動弛豫時間約為10-12s，由于這部分能量以熱形式釋放，屬于無輻射躍遷。

b.內部能量轉換　簡稱內轉換，是與熒光相競爭的過程之一。在相同的多重態的電子能級中，當兩個電子能級非常靠近以致其振動能級有重疊時，電子由高能級以無輻射躍遷方式轉移至低能級，這個過程為內部能量轉換。內部能量轉換過程取決于能級之間的相對能量差。基態與激發單線態之間能量差較大，內轉換效率低。兩個單線或三重激發態之間發生內轉換的可能性要大很多，如激發態電子可由轉移至，轉移至。分子最初無論在哪個激發態都能以內轉換途徑達到第一激發態，隨后通過振動弛豫達到最低振動能級。發生內轉換的時間約為10-12s。

c.外部能量轉換　簡稱外轉換，是與熒光相競爭的主要過程，是激發態分子與溶劑或其他分子之間產生相互碰撞而失去能量，回到基態的無輻射躍遷。外轉換可使熒光或磷光減弱或發生猝滅，這一現象也稱為熒光猝滅。從第一激發單線態或三線態回到基態的無輻射躍遷包括內轉換和外轉換。

d.體系間跨越　又稱體系間交叉躍遷，指不同多重態在有重疊的振動能級間的非輻射躍遷，如躍遷至。體系間跨越改變了電子自旋狀態，屬于禁阻躍遷。含有重原子（如溴、碘）的分子中，原子的核電荷數高，電子自旋與軌道運動之間相互作用大，有利于自旋翻轉，因此體系間跨越最為常見。溶液中氧分子等順磁性物質也能增加體系間跨越的發生。

②輻射躍遷

a.熒光發射　由于電子發生振動弛豫和內轉換過程要比由第一激發單重態的最低振動能級到基態的躍遷快得多，故較高激發態分子無輻射躍遷至第一激發單重態的最低振動能級后仍不穩定，繼而以光輻射形式釋放能量回到基態的各振動能級（→S0），這時躍遷所產生的輻射為熒光。熒光發射的時間約為10-7～10-9s，由圖5-1可以看出，分子發射熒光的能量比吸收能量小，故λ'2>λ2>λ1。

b.磷光發射　電子由第一激發三重態的最低振動能級到基態的各振動能級（→S0）躍遷所產生的輻射。由于三重激發態比單重激發態的能量低，所以產生磷光的波長要比熒光波長長。磷光的產生包括多個過程：S0→激發→振動弛豫→內轉換→系間跨越→振動弛豫→→S0，所以磷光發生速率比熒光要慢得多，約為10-4～100s，當光照停止后磷光發射還可持續一段時間。

熒光和磷光的相同點與不同點如下：

相同點：都是通過輻射能量躍遷電子從激發態躍遷到基態，波長一般都不同于入射光的波長。

不同點：熒光是→S0躍遷產生的，磷光是→S0躍遷產生的。由于較能量低，所以磷光輻射波長比熒光長；磷光由于是禁阻躍遷所以磷光強度弱，而熒光的強度大；磷光發光速率較熒光慢但壽命長，熒光壽命短；磷光的壽命和輻射強度受重原子和順磁性離子存在的影響大且極為敏感；當光照射停止后熒光也很快隨之消失，而磷光還可持續一段時間。

c.延遲熒光　也被稱為緩發熒光，它來源于第一激發三重態（）重新生成的態的輻射躍遷，延遲熒光壽命長達10-3s。在激發光源熄滅后，延遲熒光可持續一段時間，但與磷光又有本質區別，同一物質的磷光總比熒光長。

5.1.2　激發光譜與發射光譜

由于熒光屬于被激發后的發射光譜，因此它具有兩個特征光譜，即激發光譜和發射光譜。

（1）激發光譜

激發光譜是指不同激發波長的輻射引起物質發射某一波長熒光的相對效率。即固定熒光發射波長，掃描記錄熒光激發波長，獲得的熒光強度與激發波長的關系曲線。以熒光強度（F）為縱坐標，激發波長（λex）為橫坐標作圖，所得到的圖譜為熒光物質激發光譜。激發光譜上熒光強度最大值所對應的波長為最大激發波長（），是激發熒光最靈敏波長。物質的激發光譜與它的吸收光譜相似，是因為熒光物質吸收了這種波長的紫外線才能發射熒光，但兩者不可能完全重疊。

（2）發射光譜

發射光譜又稱為熒光光譜，是指在所發射的熒光中各種波長組分的相對強度。即固定熒光激發波長，掃描熒光發射波長，記錄熒光強度（F）對發射波長（λem）的關系曲線，所得到的圖譜稱為熒光物質發射光譜。熒光發生光譜上熒光強度最大值對應的波長為最大熒光發射波長（）。

熒光物質的最大激發波長和最大熒光波長常用于對其進行定性，是物質分析的主要信息。

（3）熒光光譜基本特征

①

熒光光譜的形狀與激發波長無關　雖然熒光物質的吸收光譜可能含有幾個吸收帶，即使分子被激發到高于的電子激發態的各個振動能級，由于內轉換和振動弛豫的速率很快，最終都會下降至激發態的最低振動能級。而熒光發射均由第一激發單重態的最低振動能級躍遷到基態的各振動能級，所以熒光發射光譜由第一激發單重態和基態間能量決定，而與激發波長無關。

從圖5-2看到，硫酸奎寧的激發光譜有兩個峰，而熒光光譜僅有一個峰，這是內轉換和振動弛豫的結果。

②鏡像規則　如果將某一物質的激發光譜和熒光光譜進行比較，就可發現這兩種光譜之間存在著“鏡像對稱”的關系，如圖5-3所示的蒽的激發光譜和熒光光譜。鏡像對稱產生原因是激發光譜是由基態最低振動能級躍遷到第一激發單重態的各個振動能級而形成，其形狀與第一激發單重態的振動能級分布有關。發射光譜是由第一激發單重態的最低振動能級躍遷到基態的各個振動能級而形成，其形狀與基態振動能級分布有關。由于基態和激發態振動能級結構相似，激發和去激發過程相反，因此不同激發波長照射熒光物質都可以獲得相同的熒光光譜。

③Stokes 位移　在溶液中，分子熒光的發射光譜的波長總比激發光譜長，產生位移的原因是激發態時分子通過弛豫振動、內轉換消耗了部分能量，同時溶劑分子與受激發分子的碰撞也會失去部分能量，故產生Stokes位移現象。