1. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 Principles of Fluorescence Spectroscopy Chemistry Department XMU

2. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 Chapter Three Fluorophores

3. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 Fluorophores 3.1 Organic molecule fluorescenceOrganic molecule fluorescence 3.2 metal –ligand compoundsmetal –ligand compounds 3.3 Probe

4. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 3.1 有机分子荧光 有机分子的电子结构 E  **  ** n 可能产生的吸收跃迁组合为   *  *   *  *   *  *   *  * n  *n  *n  *n  * 一般情况下， n-  * 跃迁所需能 量小。但当 n 电子与溶剂作用， 如形成氢键、质子化等，使 n 轨道能量降低， n-  * 跃迁能量 增大。 轨道能量区分 激发态能量 < 200 nm S 和 P 轨道 →  、  和 n 轨道

5. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 分子激发态的多样性 CH 2 =CH 2  ** CH 2 =CH 2 —CH 2 =CH 2 11 2*2* 1*1* 22 CH 2 =CH 2 —CH 2 =CH 2 —CH 2 =CH 2 11 2*2* 1*1* 22 3*3* 33

6. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 电子激发态的类型 —— 单线态与三线态 分子处于激发态时，单线态与三线态的势能曲线交叉，容易 发生系间窜跃（ intra-system crossing ) hv A hv F S1S1 T1T1 S0S0 hv P ISC 效率的高低决定于 自旋 - 轨道耦合程度。 增加重原子常常促进 ISC 过程。

7. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 3.1.1 有机分子荧光与结构的关系 大的共轭  键结构 刚性的平面结构 取代基团为给电子取代基 最低的激发单重态 S 1 为 ,  * 型，而不 是 n,  * 型 抗磁性 强荧光物质所具有的结构特征

8. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 电子离域程度对荧光的影响 化合物名化合物结构 FF EX nm EM nm 苯 0.11205278 萘 0.29286321 蒽 0.46365400 丁省 0.60390480 戊省 0.52580640 例 1 绸环芳烃

9. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 例 2 1,2 – 二苯乙烯 顺式， 不发光反式，发光

10. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 刚性平面结构 例 1 荧光素与酚酞  F  0.92

11. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 例 2 笏与联苯 例 3 偶氮苯与杂氮菲  F  1  F  0.2

12. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 例 4 金属配合物

13. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 例 5 荧光衍生化 硫胺素， V B1 ， 非荧光 硫胺荧，强荧光

14. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 例 6 联萘与北 观测到萘的荧光

15. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 取代基的影响 要点： 1 ）取代基影响分子的荧光光谱特性，其影响的方式 及程度视取代基的不同而不同，有的影响不大，有的 影响严重。 2 ）一般规律，取代基的电子云如果能与共轭  键发 光基团作用，降低能量，增大  电子的离域区域， 则荧光增强，发射波长红移。

16. 20040300 XMUGXQ PFS03-01  给电子取代基 增强荧光 —NH 2, —NHR, —NR 2, —OH, —OR, 等 EM 285-365 nm270-310 nm310-405 nm 相对荧光强度 1.8 1.0 2.0 荧光减弱 如何理解？ 吸收增强

17. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 酚盐吸收性质 化合物 max   203.57400254204 210.562002701450 23594002872600 介质（ 2% 甲醇）

18. 20040300 XMUGXQ PFS03-01  吸电子取代基 n 电子不与  电子共轭 羰基类 1 ） n  * 跃迁禁阻，  小， 10 -2 2 ）最低单重态为 n,  * 型，易于 ISC 。荧光弱，磷光 强 非荧光强荧光

19. 20040300 XMUGXQ PFS03-01  吸电子取代基 硝基引起 ISC 增大，荧光量子产率降低，磷光 也弱，主要是增强 IC 过程。

20. 20040300 XMUGXQ PFS03-01  取代基的位置 要点 1 ） 有利于电子离域的，则荧光增强。 因此，一般 邻位、对位给电子基团导致荧光增强。 2 ）有利于形成环，导致分子刚性增大，荧光增强。 荧光强度较弱 荧光强度较强

21. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 3 ）双取代基 可以是协同作用，也可以是非协同作用，当为非协同作 用时，以作用大的为主。 协同作用 4 – 二甲基胺 - 4‘ – 硝基苯乙烯

22. 20040300 XMUGXQ PFS03-01  重原子效应

23. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 重原子效应 P F 2-Cl 萘 2-Br 萘 2- I 萘

24. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 重原子效应  F 0.22 10 -5  P 0.14 0.43  P 1.9 s 0.024 s

25. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 最低单重态的性质 ,*,* 不含有杂原子（ N,O,S ）的有机化合物均属于这一类， 其特点是自旋允许跃迁，  大，  10 4 ，荧光强 n,*n,* 1) 含有杂原子（ N,O,S ）的有机化合物多属于这一 类，含有 n 电子，其特点是自旋禁阻 ，  小，  10 2, ISC 速率大，荧光弱。 2) n 轨道的能量受环境的影响大，如质子化或生成 氢键等，将使 n 轨道的能量降低，导致 n  * 跃迁的 能量增大。荧光分子的最低激发态可能变成 ,  * 。 分为两类含氮杂环有机物 含羰基杂原子有机物

26. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 含氮杂环有机物 荧光随极性的增大而增强 例 1 喹啉 介质 苯 乙醇 水 相对荧光 1 30 1000 可以理解为 N 上的孤对电子与水形成氢键，使 n 轨道能量 降低，从而使最低单重激发态由 n,  * 变成 ,  * 。 例 2 8- 羟基喹啉在酸性介质中荧光增强

27. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 含羰基有机物 芳香类 S 1 与 T 1 能级间隙小， ISC 效率高，接近于 1 。 脂肪类有微弱的荧光， ISC 效率低一些 0.99 1.00 1.01 0.84 0.93 0.87  ISC

28. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 抗磁性   D /  P 0.0082 0.47 57 Diamagnetic / paramagnetic 荧光量子产率

29. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 抗磁性   D /  P 0.011 0. 66 60 荧光量子产率

30. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 抗磁性 弱荧光 强荧光 猝灭机理 1 ） IC 加剧 2 ） ISC 加剧 3 ）能量转移 4 ）电荷转移 N. V. Blough and D. J. Simpson, “ Chemical mediated fluorescnece yield switching in nitroxide- fluorophore adducts: optical sensors of radical / redox reactions”, J. Am. Chem. Soc, 1988, 110, 1915- 1917

31. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 抗磁性 金属有机化合物  0.57 0.21 0.012 Reference

32. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 Reference Kazuyuke Ishii, Nagao Kobayashi, “The excited multiplet states of metalloporphyrins and metallophthalocyanines coordinated of linked to nitroxide radicals” Coordination Chemistry Reviews, 198(2000), 231-250 Kazuyuke Ishii, Nagao Kobayashi, “The excited multiplet states of metalloporphyrins and metallophthalocyanines coordinated of linked to nitroxide radicals” Coordination Chemistry Reviews, 198(2000), 231-250

33. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 3.2 Metal – ligand compounds 金属离子 - 有机配体化合物的发光特性与金属离子和有机配 体最低激发态的能级的相对高低有关 M* S1S1 T1T1 ML S0S0 S1S1 T1T1 ML S0S0 M*M* S1S1 T1T1 ML S0S0 M*M* S1S1 T1T1 M L S0S0 MLCT LMCT ⅠⅡⅢⅣ

34. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 3.2 Metal – ligand compounds 配体发光 M* S1S1 T1T1 ML S0S0 1 ）配体发光 2 ）配合前后发光特性发生变化，最 低激发态发生转变, n,  * 向 ,  * 变化 3 ）配合增加刚性，荧光增强

35. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 配体发光 强发光 弱发光

36. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 MLCT Metal – ligand charge transfer M* S1S1 T1T1 ML S0S0 Rh Ru Os Ir Re 铑 钌 锇 铱 铼

37. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 弱发光或不发光 M* S1S1 T1T1 ML S0S0 M→M* 通常很弱

38. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 金属离子发光 M* S1S1 T1T1 M L S0S0 LMCT ligand-metal charge transfer 1) f*  f 跃迁， Eu, Td, 锐线光谱 Tb 3+ -Trion 发射光谱

39. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 LMCT 2) d* →d 或  *→d 发光 Ru, Rh, Ir 等， 宽带光谱 Ru 联二吡啶、联三吡啶，邻菲啰呤 Os 联二吡啶、联三吡啶， 4 ， 6 双（甲硫基 - 3 – 氨基 - 嘧啶）等 Ir 联二吡啶、联三吡啶，邻菲啰呤 Ru 邻菲啰呤等 问题： Demas 等人认为  - 二亚胺类配体易被 还原，与铂系元素形成的配合物应为 MLCT. Demas 问题： Demas 等人认为  - 二亚胺类配体易被 还原，与铂系元素形成的配合物应为 MLCT. Demas 引自 “ 荧光分析法 ” 陈国珍等人编写。

40. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 3.2.1 铂系金属有机配体化合物 Rh Ru Os Ir Re 铑 钌 锇 铱 铼 Rhodium Ruthenium Osmium Iridium Rhenium 特点 1 ）荧光量子产率高，高达 0.5, 一般为 0.04 – 0.2 2) 固有荧光各项异性值高， 高达 0.35 3 ）荧光寿命长 有利于寿命的测定 有利于表征生物分子的旋转运动 4 ）可以选择不同的中心金属离子和不同的配体，以 适应特定的需要（分子工程） 代表性工作

41. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 Reference J. N. Demas and B. A. Degraff, “ Design and application of highly luminescence trasition metal complexs” Anal. Chem., 63(17) 829A-837A, (1991)

42. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 电子结构 以 d 6 型金属离子和二亚胺（ diimine) 配体为主进行讨论。 ML 6 正八面体晶体场 dz 2,dx 2 -y 2 dxy, dxz, dzy e t2t2  分裂能 能量简并能量分裂 分裂能的决定因素 1 ）晶体场的强度 Crystal field strength of the ligand 2) 中心金属离子 Central metal ion

43. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 配体 关注  轨道 e t26t26 1212 2*2* 1*1* 2222 t26,1*1t26,1*1 t25,1*1t25,1*1 t 2 5, e 1 t26t26 S0S0 3 d  d* 1 d→d* 1,3 MLCT →*→* 可能的跃迁与电子态 轨道能级 t 2 6,  1 1,e 1 1,3 LMCT  →d* d→  *

44. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 跃迁特性 1 ） d  d* 禁阻，寿命长，受环境影响大，易猝灭，量子产率低。 2 ） CTMLCT 铂系金属离子 LMCT d*  d 发光 f*→f 发光 稀土金属离子 金属离子还原性越强，配体的氧化性越强，越易发生 MLCT bipyridine 能量转移

45. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 能量转移 稀土配合物的荧光产生示意图 A ：吸收； F ：荧光； P ：燐光； Ln ：稀土离子； Ln-F ：稀土离子荧光.

46. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 配体对发光的影响 强金属 - 配体化合物具备几个特点 1 ） 最低激发态为 CT 态或  * 态 2 ） d→d* 态应比最低激发态高得多，以避免 d→d* 的热激发。 3 ）自旋 - 轨道耦合应是有效的，以利于与无辐射去活化竞争。 4 ）单纯的  * 磷光寿命长，量子产率低。 CT 态将增加  * 磷光。 5 ）最低激发态（发射态）能量不能过低，否则将导致 IC 加剧。

47. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 增加分裂能 中心金属离子 配位体场 配位体场的强度变化 Cl < Py << bpy, phen < CN < CO Py, pyridine, 吡啶 bpy, bipyriding 联二吡啶 Phen, 1,10- phenanthroline 1,10- 邻菲啰呤 金属离子 分裂能随原子序数的增大而增大

48. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 例 1 联二吡啶金属化合物 吸收 MLCT 带 510 nm 450 nm 700nm 化合物 FeL 3 2+ RuL 3 2+ OsL 3 2+ 电子结构 3d 6 4d 6 5d 6 发光性质 非发光 发光 弱发光 S0S0 3 d  d* 3 MLCT 3→*3→* 能量间隙小， 易于非辐射 几乎不发光

49. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 例 2 铑 - 联二吡啶化合物 化合物 Rh(bpy) 2 Cl 2 + Rh(bpy) 3 3+ 发光性质 室温不发光 低温发光（ 77ºK) 无结构 740 nm 室温几乎不发光 低温发磷光（ 77ºK) 3  →  * 有精细结构 740 nm d  d* 发光无精细结构 S0S0 3 d  d* 3 MLCT 3→*3→* 配位体发光有精细结构 配位体场的强度变化 Cl << bpy

50. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 例 3 钌 - 联二吡啶化合物  化合物 Ru(bpy) 2 (CN) 2 Ru(bpy) 2 (CN) Cl 发光性质室温发光 室温 不发光 S0S0 3 d  d* 3 MLCT 3→*3→* 配位体场的强度变化 Cl << CN  化合物 Ru(bpy) 3 2+ Ru(bpy) 2 py 2 2+ 发光性质室温发光 室温 发光不稳定 低温发光特性几乎一样 容易热激活

51. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 3.2.2 非过渡金属元素的金属配体化合物 特点 1 ）金属离子的外电子层具有与惰性气体相同的电子 结构 2 ） 两个配位基团： 共价（  键）配位 配位键 ( 提供孤对电子）

52. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 偶氮类配体 HO

53. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 四苯基卟啉类配体

54. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 3.2.2 非过渡金属元素的金属配体化合物 3 ）形成配合物后 刚性增加 最低电子激发态发生变化 荧光增强 4 ）多应用于分析测定

55. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 3.2.3 稀土金属离子 - 有机配体发光 稀土 钪（ Sc) 钇（ Y ）与镧系元素 电子结构 Eu 4f 7 6S 2 Eu 3+ 4f 6 Tb 4f 9 6S 2 Tb 3+ 4f 8 离子的特性 1 ）顺磁性 （注意区别顺磁性对芳香化合物 激发态的猝灭） 2 ）吸收 f→f* 跃迁 类线状光谱 3 ）发射 f*→f 跃迁 类线状光谱 离子的发光特性 1 ）水溶液中发光，配合后保留发光特性 2 ）具有激光活性，可作为激光材料

56. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 稀土有机配体化合物发光  4f  4f 跃迁 弱， 类线状光谱  4f  5d 跃迁 弱， 类线状光谱吸收弱，发光也弱  电荷转移跃迁 配体的高吸收，经分子内能量传递， （电荷离子发生的电荷密度从配位体的分 子轨道向稀土离子轨道进行重新分配的 结果。）获得发光效率很高的三价稀土 有机配合物。

57. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 电荷转移发光光谱特性  Stokes’ 位移大，  300 nm, 锐线光谱 Tb 3+ - L ex = 337 nm, em = 625 nm, 643 nm EX EM Eu 3+ - L Reference

58. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 Reference

59. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 拉曼峰干扰比较 硫酸奎宁的荧光光谱受水溶剂的拉曼光的干扰 A. 水溶剂的拉曼光，低灵敏度； B. 0.1 µ g/mL 溶液，低灵敏度； C. 0.033 µ g/mL 溶液，较高灵敏度； D. 0.01 µ g/mL 溶液，更高灵敏度。 F 硫酸奎宁

60. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 拉曼峰干扰比较 ex Eu 3+ -  - 二酮 613 nm

61. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 电荷转移发光光谱特性  寿命长 （ 10 – 1000  s ，受微环境、配位体的影响） 荧光物质荧光衰变（ ns) 人血清白蛋白 4.1 球蛋白 3.0 细胞色素 C 3.5 异硫氰酸荧光素 3.5 丹磺酰氯 14.0

62. 20040300 XMUGXQ PFS03-01 荧光寿命特性 Eu 3+ 离子水溶液 0.1 – 1.0 ms 非水溶液 2 - 2.5 ms 氘溶液 4 – 4.5 ms 固态 5 – 6 ms 配体化合物  - 二酮类 芳香羧酸类