荧光光谱入门：荧光光谱基础（一）

1.什么是荧光？

物体经过较短波长的光照，把能量储存起来，然后缓慢发出较长波长的光，发出的这种光就叫荧光。物质在吸收入射光的过程中，光子能量传递给物质分子。分子被激发，电子从较低能级跃迁到较高能级，形成电子激发态分子。电子的激发态的多重态用2s+1表示，s为自旋角动量量子数的代数和，数值为0或1。分子中同一轨道里所占据的两个电子必须具有相反的自旋方向，即自旋配对。分子中全部电子都自旋配对，即s=0，该分子处于单重态，用S表示。若分子吸收能量后电子跃迁过程中不发生自旋方向的变化，这时分子处于激发的单重态；若跃迁伴随自旋方向改变，这时分子具有两个自旋不配对的电子，即s=1，分子处于激发的三重态，符号T表示。符号S0、S1和S2分别表示分子的基态、第一和第二电子激发单重态，T1和T2则分别表示第一和第二电子激发三重态。

图1 分子的激发与失活过程

激发态的分子不稳定，可以通过辐射跃迁（荧光、磷光）和非辐射跃迁（振动弛豫、内转换、外转换、系间窜越）的失活过程返回基态。荧光是分子从第一激发单重态的最低振动能级跃迁到基态各振动能级时所产生的光子辐射，荧光辐射能比激发能量低，荧光波长大于激发波长。荧光发射时间为10-9~10-7s，多为S1→S0跃迁。磷光是分子从第一激发三重态的最低振动能级跃迁到基态各振动能级时所产生的光子辐射，磷光辐射能比荧光辐射能量低，磷光波长大于荧光波长。磷光发射时间为10-4~10s，多为T1→S0跃迁。

2.什么是荧光光谱？

任何荧光化合物都具有两个特征光谱：激发光谱和发射光谱。激发光谱反映了某一固定的发射波长下所测量的荧光强度对激发波长的依赖关系；发射光谱反映了某一固定激发波长下所测量的荧光的波长分布。

图2 室温下菲的乙醇溶液的激发光谱和荧(磷)光光谱

荧光光谱能够提供激发谱、发射谱、峰位、峰强度、量子产率、荧光寿命、荧光偏振度等信息，荧光分析定性和定量的基础。

荧光光谱的特点：（1）Stokes位移。激发光谱与发射光谱之间有波长差，发射光谱波长比激发光谱波长长；（2）发射光谱的形状与激发波长无关；（3）镜像规则，荧光发射光谱与它的吸收光谱成镜像对称关系。

3.什么是荧光寿命？

荧光物质具有两个重要的发光参数：荧光寿命和荧光量子产率。荧光寿命（τ）是指当激发停止后，分子的荧光强度降到激发时最大强度的1/e所需的时间，它表示粒子在激发态存在的平均时间，通常称为激发态的荧光寿命。与稳态荧光提供一个平均信号不同，荧光寿命提供的是激发态分子的信息，前者可以告诉你事情发生了，而后者可以告诉你为什么发生。

图3 荧光寿命示意图

荧光寿命与物质所处微环境的极性、黏度等有关，可以通过荧光寿命分析直接了解所研究体系发生的变化。荧光现象多发生在纳秒级，这正好是分子运动所发生的的时间尺度，因此利用荧光技术可以“看”到许多复杂的分子间作用过程，例如超分子体系中分子间的簇集、固液界面上吸附态高分子的构象重排、蛋白质高级结构的变化等。荧光寿命分析在光伏、法医分析、生物分子、纳米结构、量子点、光敏作用、镧系元素、光动力治疗等领域均有应用。

荧光寿命的测定技术有时间分辨单光计数技术(TCSPC)、相调法、闪频法。其中TCSPC具有灵敏度高、测定结果准确、系统误差小的优点，是目前最流行的的荧光寿命测定方法。

4.什么是荧光量子产率？

荧光量子产率（φf）是荧光物质另一个基本参数，它表示物质发生荧光的能力，数值在0~1之间。荧光量子效率是荧光辐射与其他辐射和非辐射跃迁竞争的结果。

式中， kf为荧光发射过程的速率常数， ∑ki为其他有关过程的速率常数总和。一般来说， kf主要决定于化学结构，而 ∑ki主要决定于化学环境，同时也与化学结构有关。

5.分子结构与荧光？

并不是所有的分子都能产生荧光，分子产生荧光必须具有：合适的结构和一定的荧光量子产率。荧光产生与分子结构的关系如下：

（1）电子跃迁类型。大多数荧光化合物都是由π→π*或n→π*跃迁激发，然后经过振动弛豫或其他非辐射跃迁，在发生π*→π或π*→n跃迁而产生荧光，其中π*→π荧光效率最高。

（2）共轭效应。含有π*→π跃迁能级的芳香族化合物的荧光最常见且最强。具有较大共轭体系或脂环羰基结构的脂肪族化合物也可能产生荧光。

（3）取代基效应。苯环上有吸电子基常常会妨碍荧光的产生，而给电子基会使荧光增强。

（4）平面刚性结构。具有平面刚性结构的有机分子大多具有强烈荧光，因为该结构可降低分子振动，减少与溶剂的相互作用。