一. 分子熒光的發生過程

（一）分子的激發態——單線激發態和三線激發態

    大多數分子含有偶數電子，在基態時，這些電子成對地存在于各個原子或分子軌道中，成對自旋，方向相反，電子凈自旋等于零：S=½+(-½)=0，其多重性  M=2S+1=1 (M 為磁量子數)，因此，分子是抗（反）磁性的，其能級不受外界磁場影響而分裂，

稱“單線態”；

圖1  單線基態（A）、單線激發態（B）和三線激發態（C）

    當基態分子的一個成對電子吸收光輻射后，被激發躍遷到能量較高的軌道上，通常它的自旋方向不改變，即ÄS=0，則激發態仍是單線態，即“單線(重)激發態”；

    如果電子在躍遷過程中，還伴隨著自旋方向的改變，這時便具有兩個自旋不配對的電子，電子凈自旋不等于零，而等于1： S=1/2+1/2=1 其多重性： M=2S+1=3

    即分子在磁場中受到影響而產生能級分裂，這種受激態稱為“三線(重)激發態”；

“三線激發態” 比 “單線激發態” 能量稍低。但由于電子自旋方向的改變在光譜學上一般是禁阻的，即躍遷幾率非常小，只相當于單線態 → 單線態過程的 10^-6~10^-7。

（二）分子去活化過程及熒光的發生：

    （一個分子的外層電子能級包括 S₀（基態）和各激發態S₁，S₂，…..，T₁…..，每個電子能級又包括一系列能量非常接近的振動能級）

    處于激發態的分子不穩定，在較短的時間內可通過不同途徑釋放多余的能量（輻射或非輻射躍遷）回到激態，這個過程稱為“去活化過程”，這些途徑為：

1. 振動弛豫：在溶液中，處于激發態的溶質分子與溶劑分子間發生碰撞，把一部分能量以熱的形式迅速傳遞給溶劑分子（環境），在10^-11~10^-13 秒時間回到同一電子激發態的最低振動能級，這一過程稱為振動弛豫。

圖2  分子吸收和發射過程的能級圖

2. 內轉換：當激發態S₂ 的較低振動能級與S₁ 的較高振動能級的能量相當或重疊時，分子有可能從S₂ 的振動能級以無輻射方式過渡到S₁ 的能量相等的振動能級上， 這一無輻射過程稱為“內轉換”。（“ 內轉換”過程同樣也發生在三線激發態的電子能級間）

 3. 外轉換：激發態分子與溶劑分子或其他溶質分子相互作用（如碰撞）而以非輻射形式轉移掉能量回到基態的過程稱“外轉換” 。

4.系間跨躍：當電子單線激發態的最低振動能級與電子三線激發態的較高振動能級相重疊時，發生電子自旋狀態改變的 S—T 躍遷，這一過程稱為 “系間跨躍” 。

    （含有高原子序數的原子如 Br₂、I₂ 的分子中，由于分子軌道相互作用大，此過程最為常見。）

5. 熒光發射：當激發態的分子通過振動馳豫—內轉換—振動馳豫到達第一單線激發態的最低振動能級時，第一單線激發態最低振動能級的電子可通過發射輻射（光子）躍回到基態的不同振動能級，此過程稱為  “熒光發射”。

    如果熒光幾率較高，則發射過程較快，需10^-8秒。（它代表熒光的壽命）

由于不同電子激發態（S）的不同振動能級相重疊時，內轉換發生速度很快（容易），在10^-11~10¹³秒內完成，所以通過重疊的振動能級發生內轉換的幾率要比由高激發態發射熒光的幾率大的多，因此，盡管使分子激發的波長有短（l₁）有長（ l₂ ），但發射熒光的波長只有l₃（>l₁>l₂）。

6. 磷光發射：第一電子三線激發態最低振動能級的分子以發射輻射（光子）的形式回到基態的不同振動能級，此過程稱為 “磷光發射”。

    （磷光的波長l₄較熒光的波長l₃稍長，發生過程較慢 約 10^-4~10s）

    由于三線態 — 單線態的躍遷是禁阻的，三線態壽命比較長，（10^-3~10s 左右），若沒其它過程同它競爭時，磷光的發生就有可能；由于三線態壽命較長，因而發生振動弛豫及外轉換的幾率也高，失去激發能的可能性大，以致在室溫條件下很難觀察到溶液中的磷光現象。因此，試樣采用液氮冷凍降低其它去活化才能觀察到某些分子的磷光。

    總之：處于激發態的分子，可以通過上述不同途徑回到基態，哪種途徑的速度快，哪種途徑就優先發生。

    如果—發射熒光使受激分子去活化過程與其他過程相比  較快，則熒光發生幾率高，強度大。

    如果—發射熒光使受激分子去活化過程與其他過程相比  較慢，則熒光很弱或不發生。

（三）熒光量子效率：

物質發射熒光的光子數與吸收激發光的光子數的比值。

                    (1)

     F 數值在 0~1 之間。他的大小取決于物質分子的化學結構及環境（t⁰c、pH 、溶劑等）。

二. 激發光譜與熒光（發射）光譜

1. 激發光譜：將激發熒光的光源用單色器分光，連續改變激發光波長，固定熒光發射波長，測定不同波長激發光下物質溶液發射的熒光強度(F)，作F—l光譜圖稱激發光譜。

    從激發光譜圖上可找到發生熒光強度最強的激發波長l_ex，選用 l_ex可得到強度最大的熒光。

2. 熒光光譜：選擇l_ex作激發光源，用另一單色器將物質發射的熒光分光，記錄每一波長下的 F，作 F- l 光譜圖稱為熒光光譜。

    熒光光譜中熒光強度最強的波長為 l_em 。

l_ex 與 l_em一般為定量分析中所選用的最靈敏的波長。

 三. 熒光與分子結構的關系

 1. 分子結構與熒光

    具有 p、 p 及 n、 p 電子共軛結構的分子能吸收紫外和可見輻射而發生 p -p^* 或 n - p^* 躍遷，然后在受激分子的去活化過程中發生 p^*- p或 p^*- n 躍遷而發射熒光。

    發生 p - p^* 躍遷分子，其摩爾吸光系數（å）比  n - p^* 躍遷分子的大100—1000倍，它的激發單線態與三線態間的能量差別比 n - p^* 的大的多，電子不易形成自旋反轉，體系間跨越幾率很小，因此， p - p^* 躍遷的分子，發生熒光的量子效率高，速率常數大，熒光也強。

 所以——只有那些具有 p- p 共軛雙鍵的分子才能發射較強的熒光；

    p 電子共軛程度越大，熒光強度就越大（ l_ex與 l_em長移）大多數含芳香環、雜環的化合物能發出熒光，且 p 電子共軛越長， F 越大。

 2. 取代基對分子發射熒光的影響

（1）（苯環上）取代 給電子基團，使 p 共軛程度升高à熒光強度增加：如–CH₃，–NH₂ ，–OH ，–OR等。

（2） (苯環上）取代吸電子基團，時熒光強度減弱甚至熄滅：如： ，–COOH ，–CHO， –NO₂ ，–N=N–。

（3）高原子序數原子，增加體系間跨越的發生，使熒光減弱甚至熄滅。如：Br，I 。

3. 共面性高的剛性多環不飽和結高的分子有利于熒光的發射。

例如：熒光素呈平面構型，其結構具有剛性，它是強熒光物質；而酚酞分子由于不易保持平面結構，故而不是熒光物質。