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荧光、磷光的猝灭

发布时间:2015-07-15 00:00 作者:中国标准物质网 阅读量:1775

荧光(或磷光)猝灭,是发光分子与溶剂或溶质分子之间所发生的导致发光强度下降的物理或化学作用过程。与发光分子相互作用而引起发光强度下降的物质,称为猝灭剂。猝灭过程可能发生于猝灭剂与发光物质的激发态分子之间的相互作用,也可能发生于猝灾剂与发光物质的基态分子之间的相互作用。前者称为动态猝灭,后者称为静态猝灭。在动态猝灭过程中,发光物质的激发态分子通过与猝灭剂分子的碰撞作用,以能量转移的机制或电荷转移的机制丧失其激发能而返回基态。静态猝灭指的是猝灭剂与发光物质的基态分子发生络合反应,所产生的络合物在实际检测的光谱区内不发光。

荧光的动态猝灭过程可用以下的Stern-Volmer方程式加以表示:

F0/F=1+kqτ0[Q]=1+Ksv[Q]

式中kq为双分子猝灭过程的速率常数,τ0为没有猝灭剂存在下测得的荧光寿命,[Q]为猝灭剂的平衡浓度,Ksv称为Stern-Volmer猝灭常数,是双分子猝灭过程的速率常数与单分子衰变过程的速率常数的比值(单位为L•mol-1),它意味着这两种衰变途径之间的竞争。

根据猝灭剂存在与不存在时荧光寿命不同,Stern-Volmer方程式的另一表示形式为

τ0/τ=l+Ksv[Q]

τ0与τ分别表示没有猝灭剂存在与有猝灭剂存在下所测得的荧光寿命。

由上所述,若以F0/F(或τ0/τ)对[Q]作图将得一直线,其斜率为Ksv。假如测定了τ0,便可由气kqτ0=Ksv的关系求得双分子碎灭过程的速率常数kq(L•mol-1•s-1)。

对于有效的猝灭剂,Ksv=102~103L•mol-1,假如荧光分子的平均寿命τ0≈10-8s,那么kq的数值约为1010L•mol-1•s-1,这表明猝灭作用是扩散控制的。磷光由于寿命比荧光长得多,因而对猝灭剂的影响要敏感得多,少量猝灭剂的存在,就可能导致磷光丧失殆尽。

荧光的静态猝灭,源于发光分子和猝灭剂形成不发光的基态络合物,可以下式表示:

M+Q→MQ

络合物的形成常数K为

K=[MQ]/{[M][Q]}

荧光强度和猝灭剂浓度之间的关系,可以推导如下:

[M]0=[M]+[MQ]

(F0一F)/F=([M]0一[M])/[M]=[MQ]/[M]=K[Q]

F0/F=1十K[Q]

[M]0为发光分子的总浓度,F0与F分别为猝灭剂加入前后所侧得的发光强度。

上述静态猝灭F0/F与[Q]的关系式与动态拌灭所获得的关系式相似,只是在静态猝灭的情况下用络合物的形成常数代替了猝灭常数。然而应当指出,只有荧光物质与猝灭剂之间形成1:1的络合物的情况下,静态荧光猝灭才符合上述关系式。

通过观察猝灭现象与荧光寿命、温度和黏度的关系,以及吸收光谱的变化情况,可以判断猝灭现象是属于动态猝灭还是静态猝灭。区分静态猝灭与动态猝灭最准确的方法是荧光寿命的测量。在静态猝灭的情况下,猝灭剂的存在并没有改变发光分子激发态的寿命,即τ0/τ0=1;而在动态猝灭的情况下,猝灭剂的存在使发光的寿命缩短

τ0/τ0=F0/F。

动态猝灭由于与扩散有关,而温度升高时溶液的黏度下降,同时分子的运动加速,其结果将使分子的扩散系数增大,从而增大双分子猝灭常数。所以,温度升高将使动态猝灭加剧;反之,温度升高可能引起络合物的稳定度下降,从而减小静态猝灭的程度。

此外,由于动态猝灭是发生于发光分子的激发态,因而并不改变发光分子的吸收光谱。相反,静态猝灭是猝灭剂与发光物质的基态分子形成络合物而引起的,故往往会引起发光分子的吸收光谱发生变化。

在有些情况下,发光体与猝灭剂会同时发生动态的和静态的猝灭现象。这种情况下实验所获得的Stern-Volmer图不是一条直线,而是一条弯向y轴的上升曲线。

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