1、LIF測量原理一、 光致發(fā)光物理基礎發(fā)光可以定義為原子或分子從激發(fā)態(tài)到較低能態(tài)經歷的輻射發(fā)射過程。如果激發(fā)態(tài)是通過吸收入射輻射產生的，那么源于這種激發(fā)態(tài)的發(fā)射就稱為光致發(fā)光。1. 分子軌道理論根據(jù)分子軌道理論，兩個原子軌道結合時既可以形成成鍵分子軌道（bonding molecular orbit），又可以形成反鍵分子軌道（anti-bonding molecular orbit）。基態(tài)時分子中的電子占據(jù)成鍵軌道，有機分子中原子間電子云以頭碰頭形式形成的單鍵分子軌道叫做s軌道，相應的電子叫s電子；肩并肩形式形成的分子軌道叫p軌道，相應的電子叫p電子。相應的反鍵軌道分別用s*和p*表示。另外還有

2、很多物質還含有非鍵軌道（non-bonding electron），即未共用電子或孤電子對，用n表示。當吸收一定能量后，一定能級之間的電子可發(fā)生下圖所示的四種躍遷：s-s*、n-s*、n-p*、p-p*。分子軌道及電子能級躍遷2. 單線態(tài)和三線態(tài)電子的自旋狀態(tài)可以用自旋多重度表示，對于基態(tài)的原子，對于一個給定軌道中的兩個電子，必定具有相反的自旋方向，因此自旋多重度總等于1，稱為單線態(tài)；當一個電子被激發(fā)到能量較高的電子態(tài)時，激發(fā)態(tài)可能是單線態(tài)，也可能是三線態(tài)。從單線態(tài)激發(fā)稱為三線態(tài)的概率是相當?shù)偷模^單線態(tài)要低若干個數(shù)量級，三線態(tài)的壽命比單線態(tài)長得多。3 激發(fā)光譜和發(fā)射光譜 熒光現(xiàn)象屬于光致發(fā)光

3、，涉用到兩種輻射，即激發(fā)光（吸收）和發(fā)射光，因而也都具有兩種特征光譜，即激發(fā)光譜和發(fā)射光譜。這是熒光定性和定量分析的基本參數(shù)及依據(jù)。1） 激發(fā)光譜通過測量熒光體的發(fā)光通量（即強度）隨激發(fā)光波長的變化而獲得的光譜，稱為激發(fā)光譜。激發(fā)光譜的具體測繪方法，是通過掃描激發(fā)單色器，使不同波長的入射光照射激發(fā)熒光體，發(fā)出的熒光通過固定波長的發(fā)射單色器而照射到檢測器上，檢測其熒光強度，最后通過記錄儀記錄光強度對激發(fā)光波長的關系曲線，即為激發(fā)光譜。2） 發(fā)射光譜通過測量熒光體的發(fā)光通量隨發(fā)射光波長的變化而獲得的光譜，稱為發(fā)射光譜。其測繪方法，是固定激光發(fā)光的波長，掃描發(fā)射的光的波長，記錄發(fā)射光強度對發(fā)射光波長

4、的關系曲線，即為發(fā)射光譜。物質的發(fā)射光譜也稱為熒光光譜（或磷光光譜）。3） 激發(fā)光譜和發(fā)射光譜的特征a 熒光發(fā)射光譜的形狀與激發(fā)波長無關由于熒光發(fā)射是激發(fā)態(tài)的分子由第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動能級躍遷回基態(tài)的各振動能級所產生的，所以不管激發(fā)光的能量多大，能把電子激發(fā)到種激發(fā)態(tài)，都將經過迅速的振動弛豫及內部轉移躍遷至第一激發(fā)單重態(tài)的最低能級，然后發(fā)射熒光。因此熒光光譜只有一個發(fā)射帶，且發(fā)射光譜的形狀與激發(fā)波長無關。b 熒光激發(fā)光譜的形狀與發(fā)射波長無關熒光發(fā)射的效率（稱為量子產率）與激發(fā)光的波長無關，因此用不同發(fā)射波長繪制激發(fā)光譜時，激發(fā)光譜的形狀不變，只是發(fā)射強度不同而已。4. 熒光（或磷光）量子產

5、率 激發(fā)態(tài)分子的去激發(fā)包括兩種過程，即無輻射躍遷過程和輻射躍進遷過程，輻射躍遷可發(fā)射熒光（延遲熒光）或磷光。而有多少比例的激發(fā)分子發(fā)射出熒光（或磷光）呢？可以用熒光量子產率F-有時也叫熒光效率或熒光產率（或磷光量子產率P）表示。F定義為：熒光物質吸光后所發(fā)射熒光的光量子數(shù)與所吸光的光量子數(shù)之比，即: 或許多吸光物質并不能發(fā)射熒光，這是因為激發(fā)態(tài)分子的去激發(fā)（去活）過程中，除發(fā)射熒光（磷光）外，還有無輻射躍遷過程與之競爭。所以，熒光量子產率與其他各種過程的速率常數(shù)有關。F可以表示為:式中，Ki為無輻射躍遷各種過程的速率常數(shù)之和，即Ki KICKISCKQQ。從上式可以看出，凡是能使Kf值升高而使

6、其它Ki值它降低的因素，都可以提高量子產量，增強熒光。對于高熒光分子（如熒光素）來說，f接近于1，說明該分子的Kf較大，Ki相對于Kf不可忽略不計。一般熒光物質f小于1，不發(fā)熒光的物質Kf為0，f0。一般說來，Kf主要取決于化學結構（上節(jié)已敘述），Ki則主要取決于化學環(huán)境因素，同時也與化學結構有關。從各種速率常數(shù)還可以得到熒光壽命f:磷光的量子產率P與熒光最子產率相似。5. 熒光強度與熒光物質濃度的關系 熒光強度If正比于吸收光量（光強）Ia及熒光量子產率f: If=Iaf吸收的光量（光強）Ia應為入射光強I0與透射光的光強It之差，即：Ia I0It 根據(jù)吸收定律（朗伯-比耳定律）：所以式中

7、，為摩爾吸光系數(shù)，b為樣品溶液光程（即液池厚度），c為樣品摩爾濃度。當濃度c很小，吸收光量不超過總光量2時，（約為0.02），則展開式的高次項可忽略，即: 所以：當I0及b一定時: IfKc上式表明，熒光強度與熒光物質的濃度成正比，這是熒光分析法是量分析的依據(jù)。但是應該注意此式只適合于熒光物質的稀溶液，當c較大，即時線性關系將受到破壞。其原因是受激后激發(fā)態(tài)分子與體系中其他分子碰撞，使其以非輻射躍遷形式去激化（去活），產生熒光猝滅或者激發(fā)態(tài)分子所發(fā)射的熒光被沒受激發(fā)分子吸收，而又因f一般少于1所以發(fā)生所謂的“自吸收”現(xiàn)象而使熒光減弱。6. 熒光的猝滅 熒光的猝滅（熄滅）從廣義上說，指的是任何可使

8、某給定熒光物質的熒光強度降低的作用，或者任何可使熒光強度不與熒光物質的濃度呈線性關系的作用。從狹義上說，指的是熒光物質分子與溶劑分子或其它溶質分子之間的相互作用，導致熒光強度降低的現(xiàn)象。與熒光物質發(fā)生相互作用而使熒光強度降低的物質稱為猝滅劑，熒光猝滅的形式很多，機理也比較復雜。猝滅主要有為下幾種類型：1） 碰撞猝滅碰撞猝滅是熒光猝滅的主要類型之一。它指的是處于激發(fā)單重態(tài)熒光分子與猝滅劑分子Q相碰撞，使釋放熱量給環(huán)境以無輻射形式躍遷回基態(tài)，產生猝滅作用（這種猝滅也稱動態(tài)猝滅）。這一過程可以表示如下：碰撞猝滅效應隨溫度升高而增強，而隨粘度增大而降低。2） 生成化合物的猝滅生成化合物的猝滅也稱為靜態(tài)

9、猝滅，它指的是基態(tài)的熒光物質與猝滅劑反應生成非熒光化合物，導致熒光的猝滅，可用下式表示：從上式也容易推導出熒光強度與猝滅劑平衡濃度之間的關系式中（If）0及（If）q分別為加入猝滅劑Q之前及之后的熒光強度，CM為熒光物質的總濃度。上式與動態(tài)猝滅的關系式一樣，只是常數(shù)K的意義不同。利用上面的關系式可以用于熒光猝滅法的定量分析。3） 能量轉移猝滅當猝滅劑吸收光譜與熒光體的熒光光譜有重疊時，處于激發(fā)單重態(tài)的熒光體激發(fā)分子的能量就可能轉移到猝滅劑分子上或者猝滅劑吸收了熒光體發(fā)射的熒光，使熒光猝滅，而猝滅劑被激發(fā)，這是俗稱“內濾作用”?？捎孟率奖硎荆?） 氧的猝滅O2可以說是熒光和磷光的最普遍存在的猝滅

10、劑。對于溶液磷光來說，氧的猝滅作用是十分有效的，它可以導致通常觀察不到溶液的室溫磷光現(xiàn)象。而對于溶液熒光來說，不同熒光物質和同一熒光物質和同一熒光物質在不同的溶劑中，對氧的猝滅作用的敏感性有所不同。氧對溶液熒光產生猝滅作用的原因比較復雜，還沒有一個完整的確定說法，可能包含著多種機理。有的認為可能是由于三重態(tài)的氧分子和激發(fā)單重態(tài)的熒光分子相互作用形成激發(fā)單重態(tài)的熒光分子相互作用形成激發(fā)單重態(tài)的氧分子和激發(fā)三重態(tài)的熒光分子所引起的，如下式表示：也有的認為氧和其它順磁性物質一樣，它們之所以會使熒光猝滅，是由于它們能夠促進激發(fā)單重態(tài)的熒光分子的系間跨躍（）以及提高熒光物質基態(tài)分子的系間吸收躍遷（）的幾率；還有的認為熒光猝滅是由于熒光物質受到氧化的緣故。5） 轉入三重態(tài)的猝滅在“重原子效應”段落已經敘述，溴化物和碘化物都能產生“重原子效應”，促使熒光分子激發(fā)單重態(tài)轉入激發(fā)三重態(tài)，導致熒光的猝滅。上面也已提及氧的猝滅作用也可能是O2促使熒光體分子轉入激發(fā)三重態(tài)所致。6） 熒光物質的自猝滅當熒光物質的濃度較大時，會使熒光強度降低，熒光強度與濃度不成線性關系，稱為熒光物質的自猝滅。自猝滅可能有如下幾個原因：a 熒光物質分子之間的碰撞能量損失，這實際上是能量的外部轉移形式。b 熒光物質的自吸收，當熒光物質的吸收光譜與熒光發(fā)射光譜重疊時，會發(fā)生自吸收現(xiàn)象，處于S1激