荧光的猝灭解析课件.ppt

1、1 溶液荧光的猝灭溶液荧光的猝灭2 荧光猝灭，广义地说包括了任何可使荧光强度降低的作用。荧光猝灭，广义地说包括了任何可使荧光强度降低的作用。狭义的仅仅指那些由于荧光物质分子与溶剂或溶质分子之间所发狭义的仅仅指那些由于荧光物质分子与溶剂或溶质分子之间所发生的导致荧光强度下降的物理或化学作用过程。相互作用所引起生的导致荧光强度下降的物理或化学作用过程。相互作用所引起的荧光降低的现象，这些会引起荧光的猝灭的物质称为荧光猝灭的荧光降低的现象，这些会引起荧光的猝灭的物质称为荧光猝灭剂剂 。 猝灭过程实际上是与发光过程相互竞争从而缩短发光分子激猝灭过程实际上是与发光过程相互竞争从而缩短发光分子激发态寿命的

2、过程。发态寿命的过程。u动态猝灭：猝灭剂与荧光物质的激发态分子之间的相互作用动态猝灭：猝灭剂与荧光物质的激发态分子之间的相互作用u静态猝灭：猝灭剂与荧光物质的基态分子之间的相互作用静态猝灭：猝灭剂与荧光物质的基态分子之间的相互作用34.1 4.1 动态猝灭动态猝灭 在动态猝灭过程中，荧光物质的激发态分子通过与在动态猝灭过程中，荧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。的机制丧失其激发能而返回基态。4 溶液中荧光物质分子溶液中荧光物质分子M和和猝灭猝灭剂剂Q相碰撞相碰撞 而引起荧光熄灭。

3、而引起荧光熄灭。 比较速率比较速率(1)(1)M Mh hMM* * ( (吸光吸光) ) 1 1 (2)(2)M M* * M Mh h ( (发生荧光发生荧光) ) k kf f M M* * (3)(3)M M* * +Q M+ Q+ +Q M+ Q+ 热热 ( (猝灭过程）猝灭过程）k kq q M M* * Q Q 1k 2k5 根据恒定态的假设，在连续的照射下，激发态荧光体根据恒定态的假设，在连续的照射下，激发态荧光体1M*会达到一个恒定值，即其生成速率与衰变速率相等，会达到一个恒定值，即其生成速率与衰变速率相等，1M*浓度保持不变，即：浓度保持不变，即：0*1dtMd 在没有猝灭

4、剂的情况下：在没有猝灭剂的情况下： 1M*表示为：表示为：1M*0，根据以上反，根据以上反应式可得：应式可得：ififakkMMkkIa0*10*1I0)(6在猝灭剂存在的情况下：在猝灭剂存在的情况下： 1M*表示为：表示为：1M*，同理可得：，同理可得：0*)(*11*1QkkkIMMQkMkkIqifaqifa式中式中kq为双分子猝灭过程的速率常数。为双分子猝灭过程的速率常数。7 在猝灭剂不存在和存在的情况下，荧光量子产率在猝灭剂不存在和存在的情况下，荧光量子产率分别为：分别为：*10*10QkkkkIMkkkkIMkqiffaffiffaff8 于是，没有猝灭剂存在时荧光强度于是，没有猝

5、灭剂存在时荧光强度F0与存在猝灭与存在猝灭剂时的荧光强度剂时的荧光强度F的比值为：的比值为：111000QKQkkkQkkkQkkkFFSVqifqifqifff该式为该式为SternVolmmer方程。方程。ut0为没有猝灭剂时测得的荧光寿命；为没有猝灭剂时测得的荧光寿命；uKsv为为SternVolmer猝灭常数，是双分子猝灭速率常数猝灭常数，是双分子猝灭速率常数 与单分子衰变速率常数的比值。与单分子衰变速率常数的比值。9 根据没有猝灭剂与存在猝灭剂时荧光寿命的不同，根据没有猝灭剂与存在猝灭剂时荧光寿命的不同，可得可得SternVolmer方程式的另一种表示形式：方程式的另一种表示形式：1

6、0QKSV式中：式中：t为猝灭剂存在时测得的荧光寿命。为猝灭剂存在时测得的荧光寿命。 由上所述，若以由上所述，若以F0/F对对Q作图得一直线，斜率为作图得一直线，斜率为Ksv。直观的看，直观的看，1/ Ksv的数值等于的数值等于50的荧光强度被猝灭时猝灭的荧光强度被猝灭时猝灭剂的浓度。假如测定了猝灭剂不存在时的荧光寿命剂的浓度。假如测定了猝灭剂不存在时的荧光寿命t0，便可，便可根据根据kq t0=Ksv的关系求得双分子猝灭过程的速率常数的关系求得双分子猝灭过程的速率常数kq。*对有效的猝灭剂，对有效的猝灭剂，KSV102 103 L/mol.10 某些荧光物质溶液在加入一些猝灭剂之后，溶液的某

7、些荧光物质溶液在加入一些猝灭剂之后，溶液的荧光强度显著降低，溶液的吸收光谱有了明显的变化荧光强度显著降低，溶液的吸收光谱有了明显的变化; 其其荧光强度随着温度的升高而增强。荧光强度随着温度的升高而增强。 这种现象可能是由于这种现象可能是由于荧光分子和猝灭剂之间形成不发光的基态配合物的结果。荧光分子和猝灭剂之间形成不发光的基态配合物的结果。这种现象称为静态猝灭。这种现象称为静态猝灭。 4.2 4.2 静态猝灭静态猝灭11 荧光分子和猝灭剂之间形成的不发光的基态配合物荧光分子和猝灭剂之间形成的不发光的基态配合物，可表示为：，可表示为：MQQM配合物的形成常数为：配合物的形成常数为：QMMQK 12

8、荧光强度和猝灭剂浓度之间的关系，可推倒如下：荧光强度和猝灭剂浓度之间的关系，可推倒如下：10000QKFFQKMMQMMMFFFMQMM即： 上式中上式中 M0为荧光分子的总浓度；为荧光分子的总浓度；F0与与F分别为猝灭分别为猝灭剂加入之前和加入之后所测得的荧光强度。剂加入之前和加入之后所测得的荧光强度。区分动态猝灭与静态猝灭：区分动态猝灭与静态猝灭：（1）最确切的方法是测量荧光体寿命；）最确切的方法是测量荧光体寿命；u对静态猝灭，猝灭剂的存在并没有改变荧光分子激发态的对静态猝灭，猝灭剂的存在并没有改变荧光分子激发态的寿命，因此寿命，因此t0/t=1;u对动态猝灭，猝灭剂的使荧光分子寿命缩短，

9、对动态猝灭，猝灭剂的使荧光分子寿命缩短， t0/t=F0/F（2）动态猝灭由于与扩散有关，而温度升高时溶液的粘度下）动态猝灭由于与扩散有关，而温度升高时溶液的粘度下降，同时双分子的运动加速，其结果使扩散系数增大，从而降，同时双分子的运动加速，其结果使扩散系数增大，从而增大双分子猝灭常数。增大双分子猝灭常数。 反之，温度升高可能引起配合物的稳定度下降，从而减反之，温度升高可能引起配合物的稳定度下降，从而减小静态猝灭的常数。小静态猝灭的常数。（3）此外，由于碰撞猝灭只影响到荧光分子的激发态，因）此外，由于碰撞猝灭只影响到荧光分子的激发态，因而并不改变荧光分子的吸收光谱。相反，基态配合物的生成而并不

10、改变荧光分子的吸收光谱。相反，基态配合物的生成往往引起荧光分子吸收光谱的改变。往往引起荧光分子吸收光谱的改变。14结合常数结合常数: 7.9106Chem. Commun., 2005, 31893191.Cu2+154。4.3 4.3 电荷转移猝灭电荷转移猝灭 某些猝灭剂与荧光物质分子相互作用时，发生了电荷转某些猝灭剂与荧光物质分子相互作用时，发生了电荷转移反应，即氧化还原反应，即引起荧光的熄灭。由于激发态移反应，即氧化还原反应，即引起荧光的熄灭。由于激发态分子往往比基态分子具有更强的氧化还原能力，也就是说，分子往往比基态分子具有更强的氧化还原能力，也就是说，激发态分子是比基态分子更强的电子

11、给体和电子受体，因此激发态分子是比基态分子更强的电子给体和电子受体，因此激发态分子更容易发生与其他物质的分子发生电荷转移作用激发态分子更容易发生与其他物质的分子发生电荷转移作用。 某些强的电子受体的物质，往往是有效的荧光猝灭剂。某些强的电子受体的物质，往往是有效的荧光猝灭剂。16 在电荷转移猝灭中，荧光物质的激发态分子与猝灭剂在电荷转移猝灭中，荧光物质的激发态分子与猝灭剂分子相互碰撞时，最初形成了分子相互碰撞时，最初形成了“遭遇配合物遭遇配合物”，而后成为，而后成为实际的激态电荷转移配合物：实际的激态电荷转移配合物：hvQMQMQMQM*1*1)(.M Q KT 在介电常数小于在介电常数小于1

12、0的非极性溶剂中，可观察到有激发态的非极性溶剂中，可观察到有激发态转移配合物所产生的荧光。但其荧光与转移配合物所产生的荧光。但其荧光与1M*的相比，光谱处的相比，光谱处于更长的波长范围，且无精细结构。于更长的波长范围，且无精细结构。17 在在极性溶剂极性溶剂中，中，1M*的荧光被猝灭剂猝灭时，通常并的荧光被猝灭剂猝灭时，通常并不伴随由基态电荷转移配合物所产生的荧光，代之而发生不伴随由基态电荷转移配合物所产生的荧光，代之而发生的是遭遇配合物形成离子对，再经溶剂化作用转变为游离的是遭遇配合物形成离子对，再经溶剂化作用转变为游离的溶剂化离子。的溶剂化离子。 SSQMQMQM*1*118 具有重原子的

13、猝灭剂分子，它们与荧光物质的激发态具有重原子的猝灭剂分子，它们与荧光物质的激发态分子所形成的电荷转移配合物，有利于电子自旋的改变，分子所形成的电荷转移配合物，有利于电子自旋的改变，以致发生电荷转移配合物的离解并伴随着经由三重态的能以致发生电荷转移配合物的离解并伴随着经由三重态的能量降低：量降低：QMQMQMQM*)(3*1*119例：甲基蓝荧光溶液被例：甲基蓝荧光溶液被Fe2+离子熄灭离子熄灭 D + h D* D* D + h D * + Fe2+ D + Fe3+ D + H DH（半醌）（半醌） 2DH D + DH2 （无色染料）（无色染料） 某些染料如甲基蓝的荧光可被某些染料如甲基蓝

14、的荧光可被Fe2猝灭，这是由于甲猝灭，这是由于甲基蓝的激发态分子与基蓝的激发态分子与Fe2发生氧化还原反应：发生氧化还原反应：20 发生电子转移反应的发生电子转移反应的猝灭猝灭剂并不限于金属离子，剂并不限于金属离子，I I- -，Br-Br-，CNSCNS- -，S S2 2O O3 32-2-等易于给出电子的阴离子对奎宁，罗丹明及荧等易于给出电子的阴离子对奎宁，罗丹明及荧光素钠等有机荧光物质也会发生猝灭作用光素钠等有机荧光物质也会发生猝灭作用。I- CNS- Br- Cl- C2O42- SO42- NO3- F- 这一顺序与电力势的增大相关联，表明这些离子对染这一顺序与电力势的增大相关联，

15、表明这些离子对染料荧光的猝灭效率与它们给出电子的难易程度有关。料荧光的猝灭效率与它们给出电子的难易程度有关。21u 光诱导电荷转移（光诱导电荷转移（photo-induced charge transfer)photo-induced charge transfer) Excitation of a fluorophore induces the motion of an electron from one orbital to another. If the initial and final orbitals are separated in space, the electronic t

16、ransition is accompanied by an almost instantaneous change in the dipole moment of the fluorophore. When the latter possesses an electron-donating group (e.g. -NH2, -NMe2, -CH3O) conjugated to an electron-withdrawing group (e.g. -C=O, -CN), the increase in dipole moment can be quite large. Consequen

17、tly, the excited state reached upon excitation (called the FranckCondon state or locally excited state, LE) is not in equilibrium with the surrounding solvent molecules if the latter are polar. In a medium that is sufficiently fluid, the solvent molecules rotate during the lifetime of the excited st

18、ate until the solvation shell is in thermodynamic equilibrium with the fluorophore. A relaxed intramolecular charge transfer (ICT) state is then reached.22 In low-polarity solvents FPP emits at short wavelengths from the LE state (toptwo panels). As the solvent polarity increases a new longer wavele

19、ngth emission appears. This longer-wavelength emission (lower panel) is due to an internal charge-transfer (ICT) state, which forms rapidly following excitation. In this case the two ends of the fluorophore are held rigidly by the methylene bridge, so that formation of the ICT state does not depend

20、on the twisting.例例1.23Figure. Emission spectra of FPP in several solvents.24例例 2.Figure. Emission spectra of Laurdan in ethanol at 50C (1), 60C (2), 70C (3), 80C (4), 85C (5), 90C (6), 100C (7), 110C (8), and 190C (9).25例例 3.dimethylamino-substituted Bodipy fluorophore26Figure. Emission spectra of a

21、 dimethylamino-substituted Bodipy in different solvents.272829Anal. Chim. Acta 2008, 627, 254257.A selective colorimetric chemosensor for thiols based on intramolecular charge transfer mechanism例例 4:30例例 5:A Ratiometric Fluorescent Probe for Cysteine and Homocysteine Displaying a Large Emission Shif

22、tOrg. Lett.，2008， 10， 5577-5580.32Fig.1. Absorption and fluorescence spectral changes of probe 1 upon addition of increasing concentration Cys.33例例 6：NHNCOHHSO3-ICT OnICT OffHSO3-NHNCHORHONaHSO3RSO3NaOH3435040045050055060002505007501000aFluorescence intensity(a.u.)Wavelength (nm) Fluorescent spectra

23、 of PBI ( a） and 4 （b)b353504004505005506000200400600NaHSO3Fluorescence intensity(a.u.)Wavelength (nm)Fig. Absorption (left) and fluorescent emission spectra (right) of 4 toward different concentrations of bisulfite2803003203403603800.000.040.080.120.16NaHSO3AbsorbanceWavelength (nm)364.4 4.4 能量转移猝灭

24、能量转移猝灭 根据能量转移过程中作用机理的不同，能量转移可根据能量转移过程中作用机理的不同，能量转移可分为分为辐射能量转移辐射能量转移和和非辐射能量转移非辐射能量转移两种。其中非辐射两种。其中非辐射能量转移又有两种不同的机理假设，即通过偶极偶极能量转移又有两种不同的机理假设，即通过偶极偶极耦合作用的耦合作用的共振能量转移共振能量转移和通过电子交换作用的和通过电子交换作用的交换能交换能量转移量转移。371. 辐射能量转移猝灭辐射能量转移猝灭 这种能量转移过程这种能量转移过程实质上是荧光的再吸收实质上是荧光的再吸收。即荧光。即荧光分子（能量供体）所发射的荧光为猝灭剂（能量受体）所分子（能量供体）所

25、发射的荧光为猝灭剂（能量受体）所吸收，从而导致后者被激发。吸收，从而导致后者被激发。*AhvAhvDD 这种能量转移过程仅仅是供体发射的荧光按照比尔定律这种能量转移过程仅仅是供体发射的荧光按照比尔定律为受体所吸收。这种能量转移过程的地效率决定于供体的发为受体所吸收。这种能量转移过程的地效率决定于供体的发射光谱和受体的吸收光谱两者的重叠程度。重叠程度越大，射光谱和受体的吸收光谱两者的重叠程度。重叠程度越大，能量转移的效率越高。能量转移的效率越高。38 Non-radiative transfer of excitation energy requires some interaction bet

26、ween a donor molecule and an acceptor molecule, and it can occur if the emission spectrum of the donor overlaps the absorption spectrum of the acceptor, so that several vibronic transitions in the donor have practically the same energy as the corresponding transitions in the acceptor. Such transitio

27、ns are coupled 。2. 非辐射跃迁能量转移：非辐射跃迁能量转移：39非辐射跃迁的形式：非辐射跃迁的形式：库仑相互作用40413. 共振能量转移共振能量转移 当供体分子和受体分子相隔的距当供体分子和受体分子相隔的距离大于供体受体的碰撞直径时，只离大于供体受体的碰撞直径时，只要供体分子的基态和第一激发态两者要供体分子的基态和第一激发态两者的振动能及间的能量差相当于受体分的振动能及间的能量差相当于受体分子的基态和第一激发态两者的振动能子的基态和第一激发态两者的振动能及间的能量差，这种情况下，仍然可及间的能量差，这种情况下，仍然可发生从供体到受体的非辐射能量转移发生从供体到受体的非辐射能

28、量转移（长距离能量转移）。（长距离能量转移）。42 这种能量转移过程，是通过偶极偶极耦合作用的这种能量转移过程，是通过偶极偶极耦合作用的共振能量转移过程。分子具有特征的振动能层，因而可共振能量转移过程。分子具有特征的振动能层，因而可提供许多近似的共振途径，这种共振途径越多，共振能提供许多近似的共振途径，这种共振途径越多，共振能量转移的概率越大。量转移的概率越大。43 A, B, C 和和A，B，C所表示的跃迁是耦合的跃迁，当激发所表示的跃迁是耦合的跃迁，当激发态的供体分子和基态的受体分子相距某一适当的距离时，供态的供体分子和基态的受体分子相距某一适当的距离时，供体分子跃迁衰变到基态时，同时诱发

29、了受体分子通过体分子跃迁衰变到基态时，同时诱发了受体分子通过A，B，C跃迁而被激发到激发态。跃迁而被激发到激发态。44 对于以固定距离对于以固定距离r相隔的某个供体受体对而言，其相隔的某个供体受体对而言，其共振能量转移的速率可表示如下：共振能量转移的速率可表示如下：dvvvvFNrnKKADDDT046452)()(128)10(ln9000 式中：式中：D为没有受体存在的情况下供体的发射量子产率为没有受体存在的情况下供体的发射量子产率；n为介质的折射率；为介质的折射率；N为阿佛加德罗常数；为阿佛加德罗常数；r为供体偶极中为供体偶极中心到受体偶极中心的平均距离；心到受体偶极中心的平均距离；tD

30、为没有受体存在下供体的为没有受体存在下供体的辐射寿命；辐射寿命；FD（v）为供体在）为供体在v至至vdv波数间隔内的校正荧波数间隔内的校正荧光强度，光强度，A为受体在波数为受体在波数v的摩尔吸光系数；的摩尔吸光系数；D/tD为供体的为供体的发射速率；发射速率；K2为定向系数。为定向系数。45 由上式可知，共振能量转移的速率与供体受体两者由上式可知，共振能量转移的速率与供体受体两者的距离、供体发射与受体吸收之间的光谱重叠程度以及它的距离、供体发射与受体吸收之间的光谱重叠程度以及它们的跃迁概率、供体发射的量子产率以及供体激发态的寿们的跃迁概率、供体发射的量子产率以及供体激发态的寿命等因素有关。命等

31、因素有关。dvvvvFNrnKKADDDT046452)()(128)10(ln9000 上式中的常数项通常合并在一起并定义为上式中的常数项通常合并在一起并定义为Forster距离距离（供体受体对的临界转移距离）（供体受体对的临界转移距离）R0，在这一距离下，在这一距离下，能量转移速率能量转移速率KT等于没有受体等于没有受体 存在的情况下供体的衰变存在的情况下供体的衰变速率，由上述方程和速率，由上述方程和KTtD-1，可得到：，可得到：dvvvvFNnKRADD044526)()(128)10(ln90000由以上两个方程联立后得：由以上两个方程联立后得：60)(1rRKDT4760)(1rR

32、KDT 由上式可知，当由上式可知，当R0 r时，能量转移的概率比供体分时，能量转移的概率比供体分子衰变的概率大；当子衰变的概率大；当R0 r时，大多数的激发态供体分子时，大多数的激发态供体分子将衰变到基态，而能量转移概率较小。将衰变到基态，而能量转移概率较小。能量转移的效率（能量转移的效率（E）可表示为：）可表示为：601)(11RrKKETDT当当r R0时，能量转移与供体的衰变概率相等。时，能量转移与供体的衰变概率相等。48Fig. Dependence of the energy transfer(E) on distance, R0 is the Forster distance.49

33、u 供体和受体的浓度越大，供体和受体的浓度越大，r值便越小，共振转移的值便越小，共振转移的效率将越大。因此，共振转移现象与浓度有关。效率将越大。因此，共振转移现象与浓度有关。u 当受体处于比供体更低的能极时，才可能发生有效当受体处于比供体更低的能极时，才可能发生有效的能量转移。的能量转移。u 不同类分子之间的能量转移，比同类分子之间的能不同类分子之间的能量转移，比同类分子之间的能量转移更为有效。量转移更为有效。50一般最可能的共振能量转移过程是一般最可能的共振能量转移过程是单重态单重态单重态单重态和和三三重态重态-单重态单重态能量转移过程，如下所示：能量转移过程，如下所示：51 由于由于D*（

34、S1）- D（S0）和）和A(S0)*A(S1)两个跃迁的两个跃迁的概率都高，因此单重态单重态共振能量转移过程可发生概率都高，因此单重态单重态共振能量转移过程可发生在比较大的临界距离内，并且速率常数也比较高。在比较大的临界距离内，并且速率常数也比较高。单重态单重态共振能量转移单重态单重态共振能量转移52 三重态单重态共振能量转移过程，虽然因为供体分三重态单重态共振能量转移过程，虽然因为供体分子的跃迁是自旋禁阻的，跃迁概率较小，但因为供体分子的跃迁是自旋禁阻的，跃迁概率较小，但因为供体分子的激发三重态寿命较长，因此这种能量转移过程虽然子的激发三重态寿命较长，因此这种能量转移过程虽然速率比较慢，但

35、仍可有效发生。可发生在比较大的临界速率比较慢，但仍可有效发生。可发生在比较大的临界距离内，并且速率常数也比较高。距离内，并且速率常数也比较高。三重态单重态共振能量转移三重态单重态共振能量转移53共振能量转移过程的两个最重要的判断标准是：共振能量转移过程的两个最重要的判断标准是：（1）能量转移应当发生在远大于碰撞半径的距离上发生；）能量转移应当发生在远大于碰撞半径的距离上发生；（2）能量转移效率与介质的粘度变化无关。）能量转移效率与介质的粘度变化无关。545556RET的应用（的应用（2）分子构象变化的探测）分子构象变化的探测 基于基于E E和和r r的关系，利用的关系，利用R R0 0和实验测

36、得的和实验测得的E E，可求得供体，可求得供体和受体之间的距离，该方法对于研究分子内和分子间的构象和受体之间的距离，该方法对于研究分子内和分子间的构象变化非常有用。其方法是在一个生物大分子或两个相互作用变化非常有用。其方法是在一个生物大分子或两个相互作用的分子上分别标记两个能发生的分子上分别标记两个能发生RETRET的荧光团，通过测量的荧光团，通过测量E E，就，就可确定两点间的距离。由于相对取向和光谱重叠积分的不确可确定两点间的距离。由于相对取向和光谱重叠积分的不确定因素，该方法不能准确测定绝对距离，但可通过监测供体定因素，该方法不能准确测定绝对距离，但可通过监测供体受体的相对距离变化，结合

37、时间变化，可以推测出大分子受体的相对距离变化，结合时间变化，可以推测出大分子在生命活动中的构象变化。在生命活动中的构象变化。57A Novel Hg2+ Selective Ratiometric FluorescentChemodosimeter Based on an IntramolecularFRET MechanismJ Fluoresc 2008，18，1187例例1.A Novel Design Method of Ratiometric Fluorescent Probes Based on Fluorescence Resonance Energy Transfer Swit

38、ching by Spectral Overlap Integral例例2.Chem. Eur. J. 2003, 9, 1479.60吸收光谱变化吸收光谱变化荧光光谱变化荧光光谱变化3. 交换能量转移猝灭交换能量转移猝灭 交换能量转移是发生在比共振能量转移更短的距离内的能交换能量转移是发生在比共振能量转移更短的距离内的能量转移现象，这种能量转移也称为短距离能量转移。其特征是量转移现象，这种能量转移也称为短距离能量转移。其特征是：（1 1）只有当供体分子和受体分子两者的电子云相互接触时，只有当供体分子和受体分子两者的电子云相互接触时，这种能量转移的形式才是重要的。这种能量转移的形式才是重要的。

39、在这种情况下，供体分子和在这种情况下，供体分子和受体分子之间能量最高的电子可能相互交换位置，也就是说，受体分子之间能量最高的电子可能相互交换位置，也就是说，激发态供体分子的光电子可能改变位置成为原先处于基态的受激发态供体分子的光电子可能改变位置成为原先处于基态的受体分子的电子结构部分，而供体分子又从基态受体分子那里交体分子的电子结构部分，而供体分子又从基态受体分子那里交换取得一个电子从而返回到基态。交换能量转移的速率是扩散换取得一个电子从而返回到基态。交换能量转移的速率是扩散控制的，因而其速率控制的，因而其速率与介质的粘度有关与介质的粘度有关。（2 2）交换作用的大小与供体及受体的跃迁概率无关

40、交换作用的大小与供体及受体的跃迁概率无关。对于如。对于如单重态三重态这样的禁阻跃迁来说，在短距离的间隔内，交单重态三重态这样的禁阻跃迁来说，在短距离的间隔内，交换能量转移过程将占支配的地位。换能量转移过程将占支配的地位。62 交换能量转移过程中，必须遵守交换能量转移过程中，必须遵守Wigner的自旋保守的自旋保守规则，即始态和终态的总自旋保持不变。因此，最重要规则，即始态和终态的总自旋保持不变。因此，最重要的交换能量过程有如下两种形式：的交换能量过程有如下两种形式：634. 4. 分子内能量转移分子内能量转移 能量转移不仅能够发生在两个分子之间，也可能发生能量转移不仅能够发生在两个分子之间，也

41、可能发生在同一分子中的两个发色团之间。在同一分子中的两个发色团之间。646566（photo-induced electron transfer, PET)photo-induced electron transfer, PET) 在光的作用下，激发的电子给体（或受体）可以与电在光的作用下，激发的电子给体（或受体）可以与电子受体（或给体）间发生电子转移，分别形成阳离子自子受体（或给体）间发生电子转移，分别形成阳离子自由基和阴离子自由基，再进而发生相关的后续反应。由基和阴离子自由基，再进而发生相关的后续反应。 4.5 4.5 光诱导电子转移光诱导电子转移 发生电子转移反应的基本条件是该过程必须在

42、发生电子转移反应的基本条件是该过程必须在热力学上热力学上是可行是可行的，并在的，并在电子转移发生后可分别得到阳离子自由基和电子转移发生后可分别得到阳离子自由基和阴离子自由基阴离子自由基。有关这些电荷分离产物的进一步变化，将依。有关这些电荷分离产物的进一步变化，将依赖于体系的状况。它们可以发生正、负离子间的重合，使体赖于体系的状况。它们可以发生正、负离子间的重合，使体系回复到原来的状态，也可发生进一步的反应，从而形成其系回复到原来的状态，也可发生进一步的反应，从而形成其他产物。他产物。 光诱导反应可以是分子内的，也可以是分子间的。光诱导反应可以是分子内的，也可以是分子间的。67还原型光诱导电子转

43、移还原型光诱导电子转移68氧化型光诱导电子转移氧化型光诱导电子转移6970dGAAEDDEG20, 00e)/()/(Rehm-Weller方程方程 E（D/D+)为电子给体的氧化电位；为电子给体的氧化电位； E（A/A-)为电子受为电子受体的还原电位；体的还原电位； G 为过程中自由能的变化，如为过程中自由能的变化，如G为为负为为负值，则过程可自发进行。值，则过程可自发进行。G0,0为光的参与使化合物分子被为光的参与使化合物分子被激发至激发态所提供的基态激发态激发至激发态所提供的基态激发态0，0能及间的激发能能及间的激发能量；最后一项为溶液中的离子对在介电常数为量；最后一项为溶液中的离子对在

44、介电常数为的溶剂中被的溶剂中被驱引至相距为驱引至相距为d时所需要的能量（通常很小为时所需要的能量（通常很小为0.0X ev）。）。71dGAAEDDEG20, 00e)/()/( E（D/D+), E（A/A-)可通过电化学测量或理论计算可通过电化学测量或理论计算LUMO和和HOMO轨道能量的方法得到。轨道能量的方法得到。 该公式是一个经验公式，它是在大量基础实验上建立起该公式是一个经验公式，它是在大量基础实验上建立起来的。有关从理论上对电子转移过程的研究是由来的。有关从理论上对电子转移过程的研究是由Marcus所所完成的。完成的。Marcus提出的电子转移模型认为，电子转移的速提出的电子转移

45、模型认为，电子转移的速率决定于电子给体与受体间的距离，反应自由能的变化以及率决定于电子给体与受体间的距离，反应自由能的变化以及反应物与周围溶剂重组能的大小等。反应物与周围溶剂重组能的大小等。72 Marcus推导出一个简单的公式来联系电子转移反应活推导出一个简单的公式来联系电子转移反应活化能的变化化能的变化G反应过程的自由能变化反应过程的自由能变化G0以及反应中总以及反应中总的重组能的重组能间的关系，如下式所示：间的关系，如下式所示：4)(20*GGFig. Variations of the rate constant for electron transfer versusG0 accor

46、ding to the Marcus theory.KET =Z exp（-G*/RT）73它预示电子转移反应的速率随它预示电子转移反应的速率随G0变得越来越负变得越来越负,而出现一个先增大后而出现一个先增大后降低的情况。即在电子转移过程会降低的情况。即在电子转移过程会出现一个所谓的出现一个所谓的“反转区反转区”。对于。对于这一结论，在若干年后得到了很好这一结论，在若干年后得到了很好的证实。的证实。Marcus因此获得因此获得1992年年的诺贝尔化学奖。的诺贝尔化学奖。7475 当对苯甲酸部分通过化学修饰，如引入给电子基团或当对苯甲酸部分通过化学修饰，如引入给电子基团或分子时，分子时，降低降低

47、了苯甲酸部分的氧化电位，因而相应升高了了苯甲酸部分的氧化电位，因而相应升高了该部分该部分HOMO(highest occupied molecular orbital)的能的能量，当苯甲酸部分的量，当苯甲酸部分的HOMO能量高到一定程度时，从苯甲能量高到一定程度时，从苯甲酸部分的酸部分的HOMO到氧杂蒽环部分的到氧杂蒽环部分的HOMO光诱导电子转移光诱导电子转移可有效的进行，此时该探针的分子开关关闭，整个分子呈可有效的进行，此时该探针的分子开关关闭，整个分子呈弱荧光。在这一过程中，苯甲酸部分作为电子的给体，氧弱荧光。在这一过程中，苯甲酸部分作为电子的给体，氧杂蒽（荧光团）部分为电子的受体。相对

48、荧光团而言，这杂蒽（荧光团）部分为电子的受体。相对荧光团而言，这一过程为可称为还原型的光诱导电子转移。一过程为可称为还原型的光诱导电子转移。 当通过分子识别反应升高苯甲酸部分的氧化电位，从当通过分子识别反应升高苯甲酸部分的氧化电位，从而降低了该部分而降低了该部分HOMO的能量，当电子给体的的能量，当电子给体的HOMO能量能量低于受体的低于受体的HOMO能量时，光诱导电子转移不能进行，探能量时，光诱导电子转移不能进行，探针的分子开关打开，整个分子呈强荧光。针的分子开关打开，整个分子呈强荧光。还原型的光诱导电子转移还原型的光诱导电子转移77 如果通过化学修饰如果通过化学修饰升高升高苯甲酸部分的还原

49、电位到一定程苯甲酸部分的还原电位到一定程度时，这时光诱导电子转移将反向进行，即从激发单重态度时，这时光诱导电子转移将反向进行，即从激发单重态的氧杂蒽部分的的氧杂蒽部分的LUMO(lowest unoccupied molecular orbital)到苯甲酸部分的到苯甲酸部分的LUMO，这使荧光体激发单重态的，这使荧光体激发单重态的能量消失，此时该探针的分子开关关闭，整个分子呈弱荧能量消失，此时该探针的分子开关关闭，整个分子呈弱荧光。在该过程中，氧杂蒽环为电子的给体，苯甲酸部分作光。在该过程中，氧杂蒽环为电子的给体，苯甲酸部分作为电子的受体。相对荧光团而言，这一过程为可称为氧化为电子的受体。相

50、对荧光团而言，这一过程为可称为氧化型的光诱导电子转移。型的光诱导电子转移。 当通过分子识别反应降低苯甲酸部分的还原电位，从当通过分子识别反应降低苯甲酸部分的还原电位，从而升高了该部分而升高了该部分LUMO的能量时，光诱导电子转移将不能的能量时，光诱导电子转移将不能进行，该探针的分子开关打开，整个分子呈强荧光。进行，该探针的分子开关打开，整个分子呈强荧光。氧化型的光诱导电子转移氧化型的光诱导电子转移7879还原型的光诱导电子转移还原型的光诱导电子转移80氧化型的光诱导电子转移氧化型的光诱导电子转移81828384858687测定测定H+ 及金属离子的及金属离子的PET原理原理88基于基于PET原