4.2　分子熒光和磷光的原理

4.2.1　分子熒光和磷光的產生

處于基態的分子在吸收適當能量（光能、電能、化學能、生物能等）后，其價電子從成鍵軌道或非鍵軌道躍遷到反鍵軌道上去，這就是分子激發態產生的本質。激發態不穩定，通過釋放能量衰變到基態。激發態在返回基態時常伴隨光子的輻射，這種現象稱為光致發光。所謂光致發光是指分子吸收了光能而被激發至較高能態，在返回基態時，發射出與吸收光波長相等或不等的輻射現象。熒（磷）光的產生屬于分子的光致發光現象。

每個分子都具有一系列的電子能級，每一個電子能級中又包含了一系列的振動能級和轉動能級。圖4-1中基態用S₀表示，第一電子激發單重態和第二電子激發單重態分別用S₁和S₂表示，第一電子激發三重態和第二電子激發三重態分別用T₁、T₂表示，基態和激發態的振動能級用ν=0、1、2、3、…表示。

單重態與三重態的區別在于電子自旋方向不同。電子激發態的多重度可用m=2s+1表示，其中s為電子自旋量子數的代數和，其數值為0或1。當所有電子都配對時，s=0，m=1，分子的電子態處于單重態，用符號S表示，如果電子在躍遷過程中不發生自旋方向的變化，此時分子處于激發的單重態。當兩個電子是平行自旋的，s=1，多重度m=3，分子的電子態處于三重激發態，用符號T表示。根據洪特規則，處于獨立軌道上的非成對電子，平行自旋要比成對自旋更穩定，所以三重態的能級要比相應的單重態能級略低（見圖4-1中的S₁和T₁，S₂和T₂）。

處于激發態的分子是不穩定的，將以輻射躍遷或非輻射躍遷等方式返回基態，這個過程稱為分子的去激發過程，而去激發過程包括了多個可能的途徑，其中對大多數分子而言，當分子處于第一激發單重態S₁的最低振動能級時，分子返回基態的過程比振動弛豫和內轉換過程慢得多。分子可能通過發射光子躍遷回到基態的S₀的各個振動能級上，這個過程稱為熒光發射。圖4-1中λ₃所表示的波長，熒光發射過程約為10^-8s。激發態分子經過系間跨越到達激發三重態后，經過迅速的弛豫到達第一電子激發三重態（T₁）的最低振動能級上，再從T₁態經發射光子返回基態。此過程稱為磷光發射。磷光發射是不同多重態之間的躍遷（即T₁→S₀），故屬禁阻躍遷，因此磷光的壽命比熒光要長得多，約為10^-3s或10s。

4.2.2　熒光量子產率

熒光的量子產率，也稱為熒光效率，用Φ表示，是發射熒光的分子數與總的激發態分子數之比

　　（4-1）

式中，k_f為熒光發射過程的速率常數；∑k_i為無輻射躍遷過程的速率常數的總和。由上式可知，凡是能夠使k_f值增加而使其他的k降低的因素都可以增強熒光。通常k_f主要取決于分子的化學結構，而∑k_i主要取決于化學環境，同時與化學結構有關。

4.2.3　激發光譜和發射光譜

熒光屬于光致發光。熒光光譜包括激發光譜和發射光譜。

熒光的激發光譜：通過固定熒光的最大發射波長，改變激發光的波長，測量熒光強度，以激發光波長為橫坐標，熒光強度為縱坐標作圖，得到了熒光的激發光譜曲線。

熒光的發射光譜：通過固定熒光的激發波長，改變發射光的波長，測量熒光強度，以發射光波長為橫坐標，熒光強度為縱坐標作圖，得到了熒光的發射光譜曲線。

室溫下萘的乙醇溶液熒光激發光譜、熒光發射光譜和磷光光譜見圖4-2。

通常情況下熒光發射光譜的發射波長大于激發波長，這種現象稱為斯托克斯位移。這種激發和發射之間的位移是由振動弛豫內轉換瞬間能量損失產生的。

一般情況下，分子的熒光發射光譜與其吸收光譜之間存在鏡像關系。圖4-3是苝在苯溶液中的吸收光譜和熒光發射光譜圖。由圖可以看出吸收和發射間存在較好的鏡像關系。鏡像對稱規則的產生是由于大多分子的基態和第一激發單重態的振動能級結構類似，因此吸收光譜的形狀與熒光發射光譜的形狀呈鏡像對稱關系。實際大多數化合物雖然存在這樣的鏡像關系，但其對稱程度不如苝分子。

4.2.4　熒光與分子結構的關系

熒光與物質分子的化學結構密切相關。一般具有強熒光的分子都具有大的共軛π鍵結構、供電子取代基和剛性平面結構等，有助于熒光的發射。因此，分子中至少具有一個芳環或具有多個共軛雙鍵的有機化合物才容易發射熒光，而飽和的或只有孤立雙鍵的化合物，無顯著的熒光。結構對分子熒光的影響主要表現在以下幾個方面。

4.2.4.1　躍遷類型

大量的實驗結果證明，多數熒光化合物都是由π→π^*或n→π^*躍遷所致的激發態去活化后，發生π^*→π或π^*→n躍遷而產生的，其中π^*→π躍遷的量子效率較高，原因是：①π→π^*躍遷的摩爾吸光系數比n→π^*躍遷大100～10000倍，躍遷的壽命（10^-9～10^-7s）又比n→π^*躍遷壽命（10^-7～10^-5s）短，則K_f較大；②系間跨躍的速率常數小，有利于發射熒光。

4.2.4.2　共軛效應

芳香族化合物含有π→π^*躍遷有利于熒光發射，因為共軛效應能增加熒光物質的摩爾吸光系數，有利于產生更多激發態分子，從而有利于熒光的發生。實驗證明，易于實現π→π^*躍遷的芳香族化合物容易發出熒光，而脂肪族化合物（除少數高度共軛體系化合物外）極少能發出熒光。體系的共軛度越大，則π電子的離域性越大，熒光越容易發生，靈敏度和熒光效率也越大。

4.2.4.3　取代基效應

苯環上的取代基會引起最大吸收波長的位移及相應熒光峰的改變。通常，供電子基團，如—NH₂、—OH、—OCH₃和—NHCH₃等，使熒光增強；而吸電子基團，如—Cl、—Br、—I、—NHCOCH₃、—NO₂和—COOH等，使熒光減弱。

4.2.4.4　剛性平面結構的平面效應

實驗表明，具有剛性平面結構的有機分子具有較強的熒光，這是由于它們與溶劑或其他溶質分子的相互作用較小，通過碰撞去活化的可能性較小，從而有利于熒光的發射。例如，熒光素和酚酞結構相似，前者分子中氧橋使其具有剛性平面結構，因而具有較強的熒光；后者不易保持平面構型，沒有熒光。又如芴，由于其分子中存在成橋的亞甲基，使剛性增加，從而有較強的熒光，其量子效率接近于1，而聯苯在同樣條件下的熒光量子效率僅為0.20。

總之，熒光是由具有熒光結構的物質吸收光后產生的，其發光強度與物質分子吸光作用及熒光效率有關，熒光與物質的化學結構密切相關，若能增加分子的共軛度或存在剛性平面結構，則可以增強熒光的強度；反之，則熒光減弱。分子所處的環境對其熒光發射也存在直接的影響，因此，合理地優化實驗條件，有助于提高熒光分析的靈敏度和選擇性。