第二章 荧光法检测水中矿物油的原理以及可行性分析

第二章 荧光光谱分析法的基本原理

2.1 引言

根据物质分子吸收光谱和荧光光谱能级跃迁机理，具有吸收光子能力的物质在特定波长光（如紫外光）照射下可在瞬间发射出比激发光波长长的荧光，利用物质的荧光光谱进行定性、定量分析的方法称为荧光分析法。荧光光谱辐射峰的波长与强度包含许多有关样品物质分子结构与电子状态的信息，但外界因素对其荧光强度结果有一定的影响。

2.2荧光产生的基本原理与影响因素 2.2.1荧光产生机理

当某些物质受到紫外线照射时，会发射出各种颜色和不同强度的可见光，当紫外线停止照射时，所发射的光线会随即消失，人们将这种光线称为荧光。荧光由一种能发荧光的物质-萤石而得名。荧光的产生主要包括物质分子对光能的选择性吸收、激发和分子的去活化三个过程。 2.2.1.1光的选择性吸收

光在通过物质的过程中，由于某些频率的光被吸收而强度减弱，这一现象被称为物质对光的吸收。原子、分子或者离子都具有不连续的、数目有限的量子化能级结构，且只能吸收与两能级之差相同或为整数倍的能量。当所照射的光线和所被测物质的分子具有相同的频率时，入射光才能够该物质的分子所吸收。根据量子学理论，分子所吸收的光线可由此来表示，即

E1?E0?hv?hc? (2-1)

式中 E1——吸光物质的高能级（一般为激发态）；

E0——吸光物质的低能级（一般为基态）；

h——普朗克（Plank）常数；

v——光的频率；

?——光的波长； c——光在真空中的速度。

由于不同物质的特征能级不同，所以它们所吸收的光的波长和颜色也是有区别的，即它们所吸光能量也是不一样的，每种物质都有其特有的吸光光谱。 2.2.1.2分子的激发

物质在吸入入射光的过程中，光子的能量传递给物质分子，当物质吸收了不同

频率的光能量后，分子中的电子就会由原来的基态跃迁到激发态的不同能级上，这一过程被称为激发。这一跃迁过程经历的时间约为10-15s。跃迁过程中所涉及的两个能级之间的能量差，就等于物质分子所吸收的光子的能量。其中，紫外和可见光的光子能量较高，足够引起分子中电子发生电子能级的跃迁，处于这种激发态的分子称为电子激发态分子。

通常有机分子中的价电子数为偶数，根据Pauli不相容原理，假设基态分子中自旋方向为正反两种，并且数目各占一半，则价电子的自旋量子数为零，即S=0，自旋多重态M=2S+1=1，这时称分子处于单重态，用S表示。另外还有个别物质的分子正向旋转和反向旋转的电子数目不等，并且正旋和反旋数目之差为2，则这时S=1，M=2S+1=3，称这类分子处于三重态，用T表示。基态分子和激发分子都有单重态和三重态之分。处于单重态的电子基态(S0)的分子被激发时，很容易跃迁到单重态的电子的激发态（S1、S2、S3??），但很难跃迁到三重态的电子激发态（T1、T2、T3??）。大多数物质的分子在室温下处于单重态的振动能级，荧光和磷光所涉及的分子都处于分子的单重态，具有最低的振动能级。 2.2.1.3 激发态分子的去活化过程

处于激发态的分子不稳定，它可能通过辐射跃迁和非辐射跃迁两种方式返回到基态。当然，激发态的分子也可能由分子间的相互间的作用过程而失活。在辐射跃迁的衰变过程中，会伴随有荧光和磷光的产生。

非辐射跃迁衰变过程主要包括振动弛豫（VR）、内转化(ic)和系间窜越（isc）三种方式，这些衰变过程会将激发能转化为热能传递给介质。振动弛豫是指物质分子将吸收的多余的能量传递给介质，然后自身衰变到同一个电子态的最低振动能级的过程；内转化是指处于相同多重态的两个振动能级之间电子态的非辐射跃迁过程；系间窜越是指处于不同多重态的两个电子态间的非辐射跃迁过程。图2-2为分子内所发生的激发过程和去活化过程的示意图。

2第第第第第第第第第10VRicVRFA13210A2iciscVRPisc第第第第第第第第第102第第第第第第第第第第第第第

图2-2 分子的激发和去活化过程

A1，A2.吸收；F.荧光；P.磷光；ic.内转化；isc.系间窜越；VR.振动松弛

由于系间窜越是自旋禁阻的，所以其速率常数非常小。内转化和系间窜越与所涉及的两个电子态的最低振动能级间的能量间隔有关，能量间隔越大，速率越小。在以上几种衰变途径中，从S1—S0的衰变过程中，会伴随有荧光的产生，而T1—S0的跃迁过程中，可能有磷光的产生。 2.2.2 影响分子产生荧光的主要因素 2.2.2.1 荧光量子产率和荧光寿命

荧光寿命和荧光量子产率时荧光物质的重要发光参数。

(1)荧光量子产率 荧光量子产率定义为荧光物质吸收入射光后所发射的荧光光子数目与所吸收的入射光的光子数目之比。即

荧光量子产率=发射荧光的光子数目/吸收入射光的光子数目

由于激发分子的衰变过程包括辐射跃迁和非辐射跃迁，故荧光量子产率也可以由以下公式来表示：

y式中

f?kkff??k (2-2)

iy——荧光量子产率；

f kf——发射荧光的速率常数；

ki——各种单分子非辐射去活化过程的速率常数。

可见，荧光量子产率取决与荧光发射过程中辐射跃迁和非辐射跃迁的竞争能力的强弱。若非辐射跃迁的速率远远小于辐射跃迁的速率，即?ki<

(1)荧光寿命 荧光寿命定义为当激发光切断后，荧光强度衰减至原来强度的1e所用的时间或者说激发态的分子数目衰减至原来数目的1e所经历的时间。荧光分子的最低单重激发态的平均寿命，可表示为

??式中 ?——荧光寿命；

1kf??k (2-3)

i Kf——发射荧光的速率常数；

KI——各种单分子非辐射去活化过程的速率常数。

荧光发射没有特定的规律，是一种随机发射，仅有小部分激发态分子在t??时发射荧光。通常，在t??之前已经有63%的激发态分子衰变完成，只有37%的激发态分子在t??时可进行衰变。

激发态的平均寿命与跃迁的概率息息相关，两者的关系可表示为

???510? (2-4)

max式中 ?——荧光寿命；

?max——最大吸收波长下的摩尔吸光系数（单位为mmol）。

一般情况下，?取值为103，所以荧光寿命大致为10-8s。没有非辐射衰变过程存在的情况下，荧光分子的寿命为内在寿命，用?0表示，即 ?0?12k (2-5)

f荧光强的的衰变通常遵从下面的方程式

lnI0?lnIt?t? (2-6)

式中 I0——t?0时刻的荧光强度； It——t?t时刻的荧光强度。

若通过实验可以测量出不同时刻的所对应的荧光强度，并作出ln就可以很容易的计算出荧光的寿命。 2.2.2.2 物质结构与荧光的关系

为有效的运用荧光技术，把非荧光体转化为荧光体，把弱荧光体转化为强荧光体，需要了解荧光与荧光体结构的关系。要使荧光体发射出更强的荧光，则激发态分子去活化过程中，辐射跃迁的速率就要大于非辐射跃迁的速率。一般的强荧光物

It~t的关系曲线，

质会具有以下特征：

(1)具有较大的共轭?键 发生荧光的物质其分子都含有共轭双键结构，共轭体系越大，其?电子越容易被激发，越容易产生荧光。绝大多数的荧光物质都具有芳环活者杂环结构，其中芳环越大，荧光峰的波长也就越长，同时荧光强度也就越大。同意共轭环数的芳族化合物，线性环结构的荧光波长要比非线性的波长长。

(2)具有刚性的平面结构 荧光效率高的荧光体，它们的分子多是平面结构型并且具有一定的刚性。原本不发生荧光或者荧光强度较弱的荧光物质与金属化合物配合，假若能增强刚性和共平面性，则荧光发射能力也会显著增强。对于同分异构体中共平面较强的分子，其发射荧光的能力也会强于共平面较差者。

(3)具有最低的单线电子激发态S1为?,?1型 不含杂原子的有机体均具有最低单线电子激发态S1为?,?1型的特点。即???1跃迁。这种跃迁属于自旋允许的跃迁方式，摩尔吸光系数为104，比n??1或者n??1型跃迁大百倍以上。荧光是吸光的逆过程，只有强吸光，才会发射强荧光。

(4)取代基团为给电子取代基 -NH2,-NHR,-NR2,-OH,-OR,-CN均属于给电子取代基，拥有这类基团的荧光体其激发态常由环外的烃基或者氨基上的n电子激发转移到环上而产生。由于n电子的电子云几乎与芳环上的?轨道平行，从而共享了共轭?电子结构，同时扩大了共轭双键体系。因此这类化合物的吸收波长与发射波长均比未被取代的芳族化合物的波长长，荧光效率高。 2.2.2.3 溶液溶度与荧光强度之间的关系

荧光时物质在吸收入射光之后所发射的辐射，因此，溶液的荧光强度与该溶液的吸收的入射光强度以及该物质的荧光量子产率有密切关系。荧光强度取决于激发态的初始分布与荧光量子产率的大小。

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