分析化学教案第十十章荧光分析法计划学时3教学要求掌握内容1.荧光分析法的基本原理（荧光的产生、荧光光谱的特征）；2.荧光定量分析方法（荧光强度与物质浓度的关系、荧光定量分析条件及方法）：熟悉内容1.分子结构与荧光的关系；2.影响荧光强度的外界因素。了解！内容1. 荧光分析仪器；2荧光分析新技术。教学要点重点荧光分析法的基本原理难点影响荧光强度的内外因素教学进程第荧光分析法的基本原理（1.5学时）第二节（0.5学时）荧光定量分析方法第三荧光分光光度计和荧光分析新技术（1学时）节教学方法采用多媒体教学方式，以教师课堂讲授为主，辅以提问、讨论等多种方式，部分内容学生课后自学。参考资料1.《分析化学》（第四版）下册，孙毓庆主编，人民卫生出版社2．湖南大学化学主干课程系列教材《分析化学》，张正奇主编，科学出版社3.北京大学化学科学译丛《分析化学》，R.KellnerJ.-M.MermetM.OttoHM.Widmer等编著，北京大学出版社4.《仪器分析》（第二版），朱明华主编，高等教育出版社9
分析化学教案 9 第十二章 荧光分析法 计 划 学 时 3 教学要求 掌 握 内 容 1．荧光分析法的基本原理（荧光的产生、荧光光谱的特征）； 2．荧光定量分析方法（荧光强度与物质浓度的关系、荧光定量分析条件及方法）； 熟 悉 内 容 1． 分子结构与荧光的关系； 2． 影响荧光强度的外界因素。 了 解 内 容 1．荧光分析仪器； 2．荧光分析新技术。 教学要点 重 点 荧光分析法的基本原理 难 点 影响荧光强度的内外因素 教学进程 第一节 荧光分析法的基本原理 （1.5 学时） 第二节 荧光定量分析方法 （0.5 学时） 第三节 荧光分光光度计和荧光分析新技术 （1 学时） 教学方法 采用多媒体教学方式，以教师课堂讲授为主，辅以提问、讨论等多种方式， 部分内容学生课后自学。 参考资料 1．《分析化学》（第四版）下册，孙毓庆主编，人民卫生出版社 2．湖南大学化学主干课程系列教材《分析化学》，张正奇主编，科学出版社 3．北京大学化学科学译丛《分析化学》，R. Kellner J. –M. Mermet M. Otto H. M. Widmer 等编著，北京大学出版社 4．《仪器分析》（第二版），朱明华主编，高等教育出版社
分析化学教案【多媒体1：荧光第十二章荧光分析法分析法1（本章内计划学时数：3学时容提要）内容提要：本章属于发射光谱分析，主要介绍了荧光分析法的基本原理、定量分析方法及仪器与技术。[多媒体2：荧光概述分析法概述之概[副板书]吸收某种波长的光后发射出比原来吸收波长更长的光的现象称为光致发念及分类1（简单光，最常见的光致发光现象是荧光和磷光。介绍荧光分析法根据物质的分子荧光光谱进行定性分析，以荧光强度进行定量分析，这就是通常讲的基本概念、分的荧光分析法。荧光根据分析对象分为原子荧光和分子荧光；根据激发光的波长范国又类、特点及应用可分为紫外-可见荧光、红外荧光和X射线荧光（本章主要介绍分子紫外-可见荧光）。等)荧光分析法与UV-vis的主要区别在于：紫外-可见分析是利用紫外光照射物质后产【多媒体3：荧光生吸收，测其吸光度：而荧光是在透射光的垂直方向测发射荧光的强度，以免透射光干分析法概述之与扰。简单的说，二者的区别主要在于光路不同。UV-vis的区别及Tar UV-vis仪器】（【掌握】t(S-10--107g/ml)荧光分析法与TI拌品溶液紫外米--UV-vis的区别主fa要在于光路不F荧光分析法同)(5-189-10-13g/ml灵敏皮局）第一节基本原理[主板书][多媒体4:荧光计划学时数：1.5学时分析法的基本原内容提要：本节介绍荧光分析法的基本原理，主要讲解荧光产生的原理、光谱特征、理1（本节内容提强度及其影响因素。本节为本章重点、难点。要)一、分子荧光的产生[主板书Ⅱ多媒体(H)荧光和磷光5：单重态与三重1.单重态与三重态态】（【熟】概(S),通常在室温下，分子处于电子能级的基态念及区别）（P230电子成对地填充在能量最低的各个轨道上能子的自图12-1A），根据Pauli不相容原理，这两个电总自旋旋方向相反，自旋量子数分别为1/2和-1/2放在磁量子数s=0，即基态没有净自旋，这样的分子称为单场中就不会发生能级的分裂，这样的电子能级8A重态（S），其多重性M=2s+1=1。。12单重本和三重态的电于分布C发到高基态分子的成对电子吸收光能后，可被激能级：若电子跃迁后，电子的自旋仍处于配对状态，自旋方向相反（s-0），这种情况称为激发单重态（M=2s+1=1）（P230图12-1B）；若电子跃迁后，发生自旋反转，自旋方向平行，总自旋量子s=1时，多重性M=2s+1=3，这样的电子能级称为三重态（T），这种情况称为激发三重态（P230图12-1C）。因为在两个未占满的电子轨道中，电子自旋不受Pauli不相容原理的限制，自旋方向可以相同。激发三重态的能量略低于相应激发单重态，10
分析化学教案 10 第十二章 荧光分析法 计划学时数：3 学时 内容提要：本章属于发射光谱分析，主要介绍了荧光分析法的基本原理、定量分析 方法及仪器与技术。 概 述 [副板书]吸收某种波长的光后发射出比原来吸收波长更长的光的现象称为光致发 光，最常见的光致发光现象是荧光和磷光。 根据物质的分子荧光光谱进行定性分析，以荧光强度进行定量分析，这就是通常讲 的荧光分析法。荧光根据分析对象分为原子荧光和分子荧光；根据激发光的波长范围又 可分为紫外-可见荧光、红外荧光和 X 射线荧光（本章主要介绍分子紫外-可见荧光）。 荧光分析法与 UV-vis 的主要区别在于：紫外-可见分析是利用紫外光照射物质后产 生吸收，测其吸光度；而荧光是在透射光的垂直方向测发射荧光的强度，以免透射光干 扰。简单的说，二者的区别主要在于光路不同。 第一节 基本原理 计划学时数：1.5 学时 内容提要：本节介绍荧光分析法的基本原理，主要讲解荧光产生的原理、光谱特征、 强度及其影响因素。本节为本章重点、难点。 一、分子荧光的产生 ㈠荧光和磷光 1．单重态与三重态 通常在室温下，分子处于电子能级的基态 （S0）， 电子成对地填充在能量最低的各个轨道上 （ P230 图 12-1A），根据 Pauli 不相容原理，这两个电 子 的 自 旋方向相反，自旋量子数分别为 1/2 和-1/2， 总 自 旋 量子数 s=0，即基态没有净自旋，这样的分子 放 在 磁 场中就不会发生能级的分裂，这样的电子能级 称 为 单 重态（S），其多重性 M=2s+1=1。 基态分子的成对电子吸收光能后，可被激 发 到 高 能级：若电子跃迁后，电子的自旋仍处于配对状态，自旋方向相反（s=0），这种情况称 为激发单重态（M=2s+1=1）（P230 图 12-1B）；若电子跃迁后，发生自旋反转，自旋方向 平行，总自旋量子 s=1 时，多重性 M=2s+1=3，这样的电子能级称为三重态（T），这种 情况称为激发三重态（P230 图 12-1C）。因为在两个未占满的电子轨道中，电子自旋不受 Pauli 不相容原理的限制，自旋方向可以相同。激发三重态的能量略低于相应激发单重态。 [多媒体 1：荧光 分析法]（本章内 容提要） [多媒体 2：荧光 分析法概述之概 念及分类]（简单 介绍荧光分析法 的基本概念、分 类、特点及应用 等） [多媒体 3：荧光 分析法概述之与 UV-vis 的区别及 仪器]（【掌握】 荧 光 分 析 法 与 UV-vis 的区别主 要 在 于 光 路 不 同） [主板书] [多媒体 4：荧光 分析法的基本原 理]（本节内容提 要） [主板书][多媒体 5：单重态与三重 态]（【熟悉】概 念及区别）
分析化学教案2.荧光的产生[主板书][多媒体6：激发处于激发态的分子返回基态的几种途径：图中So表示分子的基态，SI表示第一电子激发单重态，S2表示第二电子激发单重态，T，表示第一电子激发三重态一基态途态。径（图）1（本章重点、难(c)(b)Si点)y(f【多媒体7：激S发态分子返T回基态的途I径】（【掌捶】六种途径，(a)(d)(g(e)a【熟悉】基本I概念）1Sa中入(b)2422图12-2荧光和磷光产生示意图a.吸收b.振动弛像c.内转换d.荧光e.外转换f.体系间跨越g.磷光(1)振动弛豫激发态的分子在很短时间内（约10-12秒），通过与溶剂分子间的碰撞，将过剩的振动能量以非辐射的形式传递给溶剂分子，释放振动能量后，【主板书多从较高的振动能级下降至同一电子激发态的最低振动能级上，这一过程叫振动弛媒体8（强调豫（P230图12-2b），属于无辐射跃迁。两点：同一电SI(V=1,2,3.....)→St* (V=0)子能级和无S2*(V=1,2,3.....)S2*(V=0)辐射跃迁）(2)内部能量转换如果受激分子以无辐射跃迁方式从较高电子能级的较低振动能级转移至较低电子能级的较高振动能级上，这个过程叫内部能量转换，简【主板书Ⅱ多称内转换。内转换在激发态与基态之间不易发生，而在两电子激发态能级非常靠媒体8:激发近以至其振动能级有重选，能量相差较小时容易发生。态分子返回(3)荧光发射当激发分子通过振动弛豫达到第一电子激发单重态的最低振基态的途径动能级后，再以辐射形式发射光量子而返回至基态的各个振动能级时，所发射的之内转换]光量子即为荧光。【多媒体8]（本荧光S*(V=0)+So(V-1,2,3......)章重点，【掌由于振动弛豫和内转换损失了部分能量，荧光的能量小于原来吸收紫外光握】荧光的概（激发光）的能量，所以发射的荧光波长总比激发光波长更长。念及产生原(4)外部能量转换如果溶液中激发分子通过碰撞将能量转移给溶剂分子或理，强调从第其它溶质分子（常以热能的形式放出），而直接回到基态的过程叫作外部能量转一电子激发换，简称外转换。单重态最低(5)体系间跨越处于激发单重态较低振动能级的分子有可能发生电子自旋振动能级）反转而使分子的多重性发生变化，经过一个无辐射跃迁转移至激发三重态的较高【多媒体9]振动能级上，这一过程称为体系间跨越。分子中有重原子（I或Br），由于自旋（与荧光、磷轨道的强偶合作用，电子自旋可以逆转方向，发生体系间跨越从而使荧光减弱光对比）11
分析化学教案 11 2．荧光的产生 处于激发态的分子返回基态的几种途径：图中 S0表示分子的基态，S1 *表示 第一电子激发单重态，S2 *表示第二电子激发单重态，T1 *表示第一电子激发三重 态。 ⑴振动弛豫 激发态的分子在很短时间内（约 10-12秒），通过与溶剂分子间 的碰撞，将过剩的振动能量以非辐射的形式传递给溶剂分子，释放振动能量后， 从较高的振动能级下降至同一电子激发态的最低振动能级上，这一过程叫振动弛 豫（P230 图 12-2b），属于无辐射跃迁。 S1 * (V=1,2,3.)→S1 * (V=0) S2 * (V=1,2,3.)→S2 * (V=0) ⑵内部能量转换 如果受激分子以无辐射跃迁方式从较高电子能级的较低 振动能级转移至较低电子能级的较高振动能级上，这个过程叫内部能量转换，简 称内转换。内转换在激发态与基态之间不易发生，而在两电子激发态能级非常靠 近以至其振动能级有重迭，能量相差较小时容易发生。 ⑶荧光发射 当激发分子通过振动弛豫达到第一电子激发单重态的最低振 动能级后，再以辐射形式发射光量子而返回至基态的各个振动能级时，所发射的 光量子即为荧光。 荧光：S1 * (V=0)→S0(V=1,2,3.) 由于振动弛豫和内转换损失了部分能量，荧光的能量小于原来吸收紫外光 （激发光）的能量，所以发射的荧光波长总比激发光波长更长。 ⑷外部能量转换 如果溶液中激发分子通过碰撞将能量转移给溶剂分子或 其它溶质分子（常以热能的形式放出），而直接回到基态的过程叫作外部能量转 换，简称外转换。 ⑸体系间跨越 处于激发单重态较低振动能级的分子有可能发生电子自旋 反转而使分子的多重性发生变化，经过一个无辐射跃迁转移至激发三重态的较高 振动能级上，这一过程称为体系间跨越。分子中有重原子（I 或 Br），由于自旋- 轨道的强偶合作用，电子自旋可以逆转方向，发生体系间跨越从而使荧光减弱。 [主板书][多 媒体 6：激发 态 → 基 态 途 径（图）]（本 章 重 点 、 难 点） [多媒体 7：激 发 态 分 子 返 回 基 态 的 途 径]（【掌握】 六 种 途 径 ， 【熟悉】基本 概念） [ 主板书 ][ 多 媒体 8]（强调 两点：同一电 子 能 级 和 无 辐射跃迁） [ 主板书 ][ 多 媒体 8：激发 态 分 子 返 回 基 态 的 途 径 之内转换] [多媒体 8]（本 章重点，【掌 握】荧光的概 念 及 产 生 原 理，强调从第 一 电 子 激 发 单 重 态 最 低 振动能级） [多 媒 体 9] （与荧光、磷 光对比）
分析化学教案(6)磷光的产生受激分子经激发单重态到三重态体系间跨越后，很快发生「主板书Ⅱ[多媒振动弛豫，到达激发三重态的最低振动能级，分子在三重态的寿命较长体9]（10-~10S），所以可延迟一段时间，然后以辐射跃迁返回基态的各个振动能级，这个过程所发射的光即为磷光。主板书多媒体9]（与荧光对 体系间跨壁 T:(V=-1,3...） 热振动弛弹 T: (V-0) 辐射 s.s(V-1,3...)SI*比讲解）荧光和磷光的主要区别在于：就发光机制而言，荧光是由单重态→单重态的跃迁产生的；而磷光是由三重态→单重态的跃迁产生的；如用实验现象加以区别，对荧光来说，当激发光停止照射时，发光过程随之消失（10-~10-秒）而磷光则将延续一段时间（10-3~10秒）。磷光的能量比荧光小（因三重态的能[多媒体10:荧量比单重态的低），波长较长，发光的时间也较长。光与磷光的主二激发光谱与荧光光谱（荧光物质分子的两个特征光谱）要区别1（要求由光源发出的紫外光，通过激发分光系统分光后照射到样品，样品受激发【掌握】，从两射荧光，在垂直方向检测荧光信号，以免透射光的干扰。这部分荧光再通过发个方面讲解）[主板书]多媒射分光系统后进入检测器。体11:激发光样谱与荧光光谱1A分光系统品I（【掌握】概念池狭缝及用途）分光系统II检测器激发光谱就是将激发荧光的光源用激发分光系统I分光，测定每一激发波长所发射的荧光强度，然后用F~入作图。使激发光的波长和强度不变，而让物质所产生的荧光通过发射分光系统II分光，测定每一发射波长荧光强度F，以F～入m作图，得到的就是荧光光谱。12
分析化学教案 12 ⑹磷光的产生 受激分子经激发单重态到三重态体系间跨越后，很快发生 振动弛豫，到达激发三重态的最低振动能级，分子在三重态的寿命较长 （10-4 ~10S），所以可延迟一段时间，然后以辐射跃迁返回基态的各个振动能级， 这个过程所发射的光即为磷光。 S1 * 体系间跨越 T1 * (V=1,2,3.) 振动弛豫 T1 * (V=0) 辐射 S0(V=1,2,3.) 荧光和磷光的主要区别在于：就发光机制而言，荧光是由单重态→单重态 的跃迁产生的；而磷光是由三重态→单重态的跃迁产生的；如用实验现象加以 区别，对荧光来说，当激发光停止照射时，发光过程随之消失（10-9 ~10-6秒）； 而磷光则将延续一段时间（10-3 ~10 秒）。磷光的能量比荧光小（因三重态的能 量比单重态的低），波长较长，发光的时间也较长。 ㈡激发光谱与荧光光谱（荧光物质分子的两个特征光谱） 由光源发出的紫外光，通过激发分光系统分光后照射到样品，样品受激发 射荧光，在垂直方向检测荧光信号，以免透射光的干扰。这部分荧光再通过发 射分光系统后进入检测器。 激发光谱就是将激发荧光的光源用激发分光系统 I 分光，测定每一激发波 长所发射的荧光强度，然后用 F~λex作图。 使激发光的波长和强度不变，而让物质所产生的荧光通过发射分光系统 II 分光，测定每一发射波长荧光强度 F，以 F~λem作图，得到的就是荧光光谱。 [主板书][多媒 体 9] [主板书][多媒 体 9]（与荧光对 比讲解） [多媒体 10：荧 光与磷光的主 要区别]（要求 【掌握】，从两 个方面讲解） [主板书][多媒 体 11：激发光 谱与荧光光谱] （【掌握】概念 及用途）
分析化学教案溶液荧光光谱通常具有如下特征：1.斯托克斯位移[主板书]荧光发射波长总是大于激发波长的现象。产生斯托克斯位移的原因，是因[多媒体13]为分子受激时可能被激发到各级电子激发态的各个振动能级，而发射荧光时，（【掌握】荧光光谱的三个特总是从第一激发态的最低振动能级回到基态，有一部分能量损失。2.荧光光谱的形状与激发波长无关征，从荧光产生"15因为分子受激时，可能被激发到第一的原理加以讨O勤论)激发态或第二、三激发态，而发射荧光时，n只能从第一激发态最低振动能级回到基: :-af1t态的各个振动能级a:3．荧光光谱与激发光谱的镜像关系5金因为电子从基态跃迁至激发态时，可#花温城灵为光中（实种）跃迁至激发态的各个振动能级，而引起的这些小峰，而荧光光谱是从第一激发态的最低振动能级跃迁至基态各个振动能级。两个能级的振动能级相似，所以在激发光谱中跃迁能量最小的与荧光光谱中发射能量最大的相对应，激发光谱是以S(V=0)→S（V=1.2.3.4)，荧光光谱是以Si(V=0)→So(V=1,2,3,4)。由于荧光能量小在长波段，激发光谱能量大在短波段，所以它们之间形成镜像。[主板书]（影响二、荧光与分子结构荧光强度的内(-)荧光寿命和荧光效率（荧光物质的两个重要发光参数）部因素）1.荧光寿命(Tt)[多媒体16:荧荧光寿命是指当激发光停止照射时，分子的荧光强度降低到激发时最大荧光寿命和荧光光强度的1/e所需的时间。当荧光物质受到一个极其短暂的光脉冲激发后，它效率】（【熟悉】从激发态到基态的变化可用指数衰减定律表示：F,=Foe-kt概念）Fo和F,分别是在激发时=0和激发后时间t时的荧光强度，K是减常数。假定t=t,时，测得F,=(l/e)Fo:F/e= Foe-ktf =1/e=e-kf/ =Kt, =1=K=1/tfF/F,=e"=nF--则Ff如果以F/Frt作图，直线斜率为1/tp由此可计算荧光寿命。利用分子荧寿命的差别，可以进行荧光物质混合物的分析。【主板书多媒2.荧光效率(荧光量子产率，Pr）指物质发射荧光的量子数与吸收激发光体17:荧光寿的量子数之比。命和荧光效率1r=发射荧光的量子数／吸收激发光的量子数（【熟悉】概念）这个数字在0~1之间，其数值越大，荧光效率越高。13
分析化学教案 13 溶液荧光光谱通常具有如下特征： 1．斯托克斯位移 荧光发射波长总是大于激发波长的现象。产生斯托克斯位移的原因，是因 为分子受激时可能被激发到各级电子激发态的各个振动能级，而发射荧光时， 总是从第一激发态的最低振动能级回到基态，有一部分能量损失。 2．荧光光谱的形状与激发波长无关 因为分子受激时，可能被激发到第一 激发态或第二、三激发态，而发射荧光时， 只能从第一激发态最低振动能级回到基 态的各个振动能级 3．荧光光谱与激发光谱的镜像关系 因为电子从基态跃迁至激发态时，可 跃迁至激发态的各个振动能级，而引起的 这些小峰，而荧光光谱是从第一激发态的最低振动能级跃迁至基态各个振动能 级。两个能级的振动能级相似，所以在激发光谱中跃迁能量最小的与荧光光谱 中发射能量最大的相对应，激发光谱是以 S0(V=0)→S1 * (V=1,2,3,4)，荧光光谱 是以 S1 * (V=0)→S0(V=1,2,3,4)。由于荧光能量小在长波段，激发光谱能量大在 短波段，所以它们之间形成镜像。 二、荧光与分子结构 ㈠荧光寿命和荧光效率（荧光物质的两个重要发光参数） 1．荧光寿命(τf) 荧光寿命是指当激发光停止照射时，分子的荧光强度降低到激发时最大荧 光强度的 1/e 所需的时间。当荧光物质受到一个极其短暂的光脉冲激发后，它 从激发态到基态的变化可用指数衰减定律表示：Ft = F0e -Kτ F0和 Ft分别是在激发时 t=0 和激发后时间 t 时的荧光强度，K 是衰减常数。 假定 t=τf时，测得 Ft = (1/e) F0： f f K K F e F e e e K K f f t t t t / 1/ 1 1/ 0 = 0 Þ = Þ = Þ = - - 则 t f Kt t t F F F F e t = Þ = 0 0 / ln 如果以 Ft/F0~t 作图，直线斜率为 1/τf，由此可计算荧光寿命。利用分子荧寿命 的差别，可以进行荧光物质混合物的分析。 2．荧光效率(荧光量子产率，φf) 指物质发射荧光的量子数与吸收激发光 的量子数之比。 φf =发射荧光的量子数 / 吸收激发光的量子数 这个数字在 0~1 之间，其数值越大，荧光效率越高。 [主板书] [多媒体 13] （【掌握】荧光 光谱的三个特 征，从荧光产生 的原理加以讨 论） [主板书]（影响 荧光强度的内 部因素） [多媒体 16：荧 光寿命和荧光 效率]（【熟悉】 概念） [主板书][多媒 体 17：荧光寿 命和荧光效率] （【熟悉】概念）