第十五章

1. 第十五章 分子放光光譜法 Molecular Luminescence Spectrometry

2. 將探討相關之三種光學方法： • 分子螢光法(molecular fluorescence) • 分子磷光法(molecular phosphorescence) • 化學發光法(chemiluminescence) • 在每一種光學方法中，分析物分子被激發成一種物種，而該物種之放射光譜能夠提供出，與定性分析和定量分析等各種操作相關的資料。 • 這些方法統稱為分子放光(molecular luminescence)方法。 • 螢光方法與磷光方法其相似之處在於，都是藉由吸收光子之後，再發生激發反應。因此通常會光放光法( photoluminescence)來稱呼這兩種方法。 • 螢光方法與磷光方法之不同之處在於，放射出螢光的過程中所涵蓋之電子能階躍遷行為中，並不包括有電子自旋性的變化現象。 • 包括螢光放射過程內的激發態，其生命期很短(< 10-5 s)。 • 磷光之放射過程會包括有電子自旋性的變化現象，它的激發態之生命期會長了許多，通常會達到數秒或者更久的時間長度。

3. 無論是螢光或磷光的光放光過程所放射出來的輻射線波長值，通常都會大於使用於激發步驟的輻射線波長值。無論是螢光或磷光的光放光過程所放射出來的輻射線波長值，通常都會大於使用於激發步驟的輻射線波長值。 • 化學放光方法乃是根據，在化學反應中所形成之激發態物種的輻射線放射性而來的。 • 激發態物種通常是分析物與適當反應試劑(通常是臭氧或過氧化氫等之類的強氧化劑)之間的化學反應產物。 • 所得到之光譜可能與分析物或者試劑等兩者之氧化反應產物的特性有關，而不是與分析物自身有關。 • 分析物通常並未直接參與化學放光反應。反而是分析物會對化學放光反應有抑制或者催化影響效應。 • 光放光或化學放光等兩種輻射線強度的測量值，可以被應用於許多重要之無機物種與有機物種等各項的微量含量之定量偵測操作中。 • 放光方法的最誘人的特點之一是，具有天賦之靈敏度，其偵測極限值遠較吸收光譜法的偵測極限值，小了一到三個數量級。

4. 在受到控制的條件下，對於某些設定物種而言，已經可以使用螢光光譜法來偵測出單一分子的存在量。在受到控制的條件下，對於某些設定物種而言，已經可以使用螢光光譜法來偵測出單一分子的存在量。 • 光放光方法的另一個優點為，它們都具有很大的直線性濃度範圍，而且通常也比吸收方法大了很多。 • 因為激發態相當容易受到撞擊或者其他過程所影響而被去活性化，所以有許多的分子種類是完全無法以螢光方法或者磷光方法來偵測之。 • 通常定量放光方法會受到來自樣品基質的嚴重干擾影響。 • 因為比起吸收輻射線之後，會進行光放光反應的物種數目而言，只會吸收紫外光與可見光輻射線的物種數目還要多了許多，所以放光方法比起紫外光與可見光吸收方法而言，較不普遍被應用於定量分析工作中。

5. 15A 螢光與磷光之理論 Theory of fluorescence and phosphorescence • 螢光現象可以發生在簡單的或是複雜的氣態、液態與固態之化學系統中。 • 譬如當蒸氣態鈉原子的3s電子，可以吸收589.6與589.0 nm波長的輻射線，而被激發到3p能階。當經過約10-8 s之後，電子會鬆弛回到基態，同時朝各個方向放射出與兩個相同波長值的輻射線。 • 所吸收之輻射線在重新放射出時，並未改變其頻率值的這類螢光放射現象，稱為共振輻射(resonance radiation)或者共振螢光(resonance fluorescence)。 • 許多分子物種也會放射出共振螢光。 • 分子螢光譜帶(或者分子磷光譜帶)的中間波長值通常會大於共振譜線的波長值。 • 這種偏移向較長波長或較低能量值的現象稱為斯托克斯位移(Stokes shift)現象。

6. 15A-1 產生螢光與磷光之激發態 Excited states producing fluorescence and phosphorescence • 要瞭解這兩種光放光現象之間的差異性，則需要回顧電子自旋性，以及單重激發態和三重激發態等兩者之間的差異之處。 電子自旋 • 當兩個電子具有相反的自旋態時，稱這種自旋關係為成對的。 • 大多數分子的所有電子都具有成對的自旋性，所以它們不具有淨磁場力而具有反磁性，亦即它們不會被靜態磁場所吸引或排斥。 • 含有未成對電子的自由基具有磁矩，而會被磁場所吸引；因此自由基是具有順磁性(paramagnetic)的。 單重激發態與三重激發態 • 當分子的所有電子自旋都成對時，就稱該分子的電子態為單重態(singlet state)，而且當這種分子暴露在磁場中時，並不會發生電子能階分裂的現象。 • 因為單獨電子在磁場中會具有兩種方向性，而且相對於系統，每一個方向性都具有稍為差異之能量值，所以自由基的基態，被稱為雙重態(doublet state)。

7. 當分子中的成對電子之其中一個被激發到較高能階時，就可能形成單重態或者三重態(triplet state)。 • 在激發單重態中，躍遷電子的自旋性與基態電子呈現為成對性。 • 在三重態中，兩個電子之自旋性不再是成對的，而呈現為平行。 • 有關單重態、雙重態與三重態等術語之命名，乃是來自光譜多重性(multiplicity)的觀念。 • 請注意！激發態的三重態其能量值小於相對的激發單重態。 • 當分子處於激發態之三重態時，其性質與處於激發態之單重態時有著很明顯的差異性。 • 譬如當處於三重態時，分子呈現出順磁性，而處於單重態時，分子則呈現出反磁性的。 • 單重態–三重態之間的躍遷行為(或其逆向躍遷行為)，因為包括有電子能階的變化情況，所以比起相對應的單重態–單重態之間的躍遷行為，其可能性就少了許多。 圖15-1 分子的電子自旋狀態。 15A-1

8. 激發態三重態的平均生命期是從10-4 s至長達數秒的範圍之間。 • 激發態單重態的平均生命期則是~ 10-8 s。 • 基態分子因為輻射誘導之激發反應，而激發躍遷到激發三重態的可能性是很小的。 • 這種過程之相關吸收峰線的強度值也會比類似的單重態–單重態的躍遷行為之吸收峰線強度，還要小了幾個數量級。 • 對某些分子而言，其激發三重態態乃是由激發單重態衍生而來。這種過程的結果通常會是放射出磷光。 15A-1

9. 光放光分子之能階圖示 • 圖示典型光放光分子之部分能階圖示，也稱為Jablonski氏圖示(Jablonski diagram)。 • 一般上，第一激發態三重態的能量會小於相對應的單重態能階之能量值。 • 吸收躍遷會發生在電子由單重基態電子能階(S0)躍遷到單重激發態電子能階(S1與S2)中之不同振動能階的情況。 • 由單重基態電子能階直接被激發到三重態的躍遷過程包括了多重性的改變，其發生的機率值是很低的。 圖15-2 光放光系統之部分能階圖示。 15A-1

10. 這種低發生率的躍遷現象被稱為不允許躍遷現象(forbidden transition )。 • 當分子被激發到電子能階S1與S2時，會很快地失去任何多餘的振動能量，而鬆弛回到該電子能階的振動基態中。 • 這種非輻射性過程被稱為是振動鬆弛現象。 15A-1

11. 15A-2 吸收與放射之速率 Rates of absorption and emission • 光子被吸收的速率是非常快的，這種過程約需要10-14至10-15 s。 • 螢光放射過程的速率就慢了許多，約在10-5至10-10 s之間會發生螢光放射過程。 • 三重態–單重態的躍遷行為之平均速率值，會小於所對應之單重態–單重態的躍遷行為的平均速率值。 • 需要10-4至10 s或者更久的時間才會發生磷光放射過程。

12. 15A-3 去活化過程deactivation processes • 藉由結合數種反應機制步驟，可以讓激發態分子鬆弛回到基態。 • 其中的兩個步驟，螢光與磷光就包括有輻射光子之放射現象。 • 其他以波狀箭頭所表示的各種去活化步驟是非輻射性步驟。 • 回到基態的較有利的途徑，就是能夠讓激發態之生命期達到最短化的那個過程。 • 光放光現象受限於只能夠發生在特殊系統中，在其中必須結合有結構與環境之特徵，而能夠讓非輻射性鬆弛過程的速率值，緩慢到足以讓輻射放射過程具有動力學競爭力。

13. 振動鬆弛 • 在電子激發過程中，可能將分子躍遷至數個振動能階中的任何一個。 • 因為激發物種的分子與溶劑分子之間發生碰撞現象，會發生迅速的能量轉移過程，結果使得溶劑的溫度值微量昇高。 • 由於這種鬆弛過程呈現出很高的效率性，所以振動激發態分子的平均生命期為10-12 s或更短些，而這個生命期會明顯短於電子激發態的平均生命期。 • 當溶液放射出螢光時，通常都是由電子激發態的最低振動能階開始的躍遷過程。 • 因為振動鬆弛的高效率表現，所以已知的電子躍遷行為所產生之螢光譜帶，會位在相對應的吸收譜帶之較低頻率值或較大波長值的位置(斯托克斯偏移現象)。 • 唯有當涵蓋由基態之最低振動能階與激發態之相對應能階等兩者之間的躍遷行為時，才會出現共振峰線。 15A-3

14. 內轉換 • 內轉換(internal conversion)乃是描述分子在沒有放射輻射線的情況下，就能夠藉由分子間的作用而轉換到較低能量之電子態的一種過程。 • 內轉換過程通常都有著很高的效率性。 • 當具有相同多重性的兩個電子能階彼此非常接近，就會發生內轉換現象。 • 當兩個電子能階彼此接近到，又有振動能階重疊的現象時，內轉換過程將會是特別具有效率性的。 • 經由重疊振動能階的內轉換行為來降低其能量值，通常都會比直接由較高激發態放射出螢光而失去能量的方式，來得更有其可能性。 • 激發分子會經由一系列振動鬆弛，亦即是一種內轉換過程，而由較高之電子能階鬆弛至較低電子激發態的最低振動能階之後，接著再進行下一步的鬆弛行為。 • 金雞鈉鹼就是這種表現的典型範例。 15A-3

15. 金雞鈉鹼天然物具有可供分析使用的兩只激發譜帶，其中一只的中心波長值為250 nm，另一只則是350 nm。 • 無論使用哪一個波長來激發分子，金雞鈉鹼之放射譜帶的最大波長都是450 nm。 • 在脂肪族化合物中，會因為發生振動能階重疊的現象，而能夠相當迅速地將能量轉移出去，因而幾乎不會發生螢光放射現象。 • 內轉換過程可能發生有預解離(predissociation)現象。 • 當電子由較高的電子能階鬆弛至較低之電子態中的較高振動能階處，則這個振動能量就可能足以大到讓化學鍵發生斷鍵現象。 圖15-3 金雞鈉鹼溶液之螢光激發光譜與螢光放射光譜。 15A-3

16. 在大分子中相當可能會出現有，其中一只化學鍵的強度小於發色團之電子激發能量值。在大分子中相當可能會出現有，其中一只化學鍵的強度小於發色團之電子激發能量值。 • 此時當發色團吸收能量之後，再經由內轉換過程將電子能量轉換成這些較弱化學鍵的相關的振動能量時，就會造成這些化學鍵發生斷鍵現象。 • 解離(dissociation)現象乃是指發色團吸收輻射線之後，會直接激發其中的電子躍遷至一只相當高能量的振動能階中，因而導致發色團的化學鍵斷裂。 • 在解離現象中並未涵蓋有內轉換過程。 • 解離過程會與放射螢光過程發生競爭現象。 15A-3

17. 外轉換 • 激發電子能階的去活化過程，可能涉及激發分子與溶劑或者其他溶質分子之間的相互作用與能量轉移現象。 • 這種過程就稱為外轉換(external conversion)現象。 • 發生外轉換現象的證據包括有： • 溶劑對大多數物種的螢光強度，都有著顯著的影響效應 • 能降低粒子間之碰撞次數的某些條件，如較低的溫度與較大的黏度 • 由最低激發態之單重態與三重態發生非輻射性躍遷行為，而躍遷至基態時，就可能同時涉及有外轉換過程與內轉換過程。 15A-3

18. 系統間跨越 • 系統間跨越(intersystem crossing) 乃是指不同多重性之電子能階之間，發生了跨越躍遷過程。 • 最常見的系統間跨越過程是由單重態躍遷到三重態(S1→T1)。 • 當分子含有重原子，如碘或溴時，最常發生系統間跨越現象(重原子效應)(heavy-atom effect)。 • 因為有重原子存在時，自旋性與軌域的作用現象就會變得較強烈，因此較有可能發生自旋性改變的現象。 • 當在溶液中存在有如氧分子之類的順磁性物種時，也會增強系統間跨越現象，並因而減弱螢光放射現象。 15A-3

19. 磷光 • 激發電子態的去活化過程可能包括有磷光放射現象。 • 當發生系統間跨越現象而轉換到三重態時，就可能以內轉換、外轉換、或者磷光放射等各種步驟來進行去活化過程。 • 相對於單重態–單重態轉換行為，發生三重態→單重態躍遷過程的可能性就少了許多。 • 相對於一般放射現象，激發態三重態的平均生命期約在10-4至10 s或更久的時間長度。 • 當停止照光之後，磷光放射現象仍會持續一段時間。 • 外轉換過程和內轉換過程等兩者，與磷光進行競爭的結果都是相當地成功。 • 通常只能在低溫、高黏度的介質中，或者使用特殊方式來保護三重態時，才能觀測到磷光放射現象。 15A-3

20. 15A-4 影響螢光與磷光之放射現象的各項參數 Variables affecting fluorescence and phosphorescence • 分子構造與化學環境兩者都會影響到物質是否會有放光現象。 • 當發生放光現象時，分子構造與化學環境也會影響放射譜線之強度。 量子產率 • 螢光或磷光之量子產率(quantum yield)或者量子效率(quantum efficiency)，就是指發生放光之分子數目與被激發之所有分子數目等兩項的比值。 • 對於如螢光素之類的高度螢光性分子而言，其量子效率值可趨近於一。 • 不具有螢光性的化學物種，其效率值會趨近於零。 • 化合物的螢光產率f，決定於最低激發態單重態所進行之去活化過程的相對速率常數kx。 • 這些過程包括有螢光放射(kf)、系統間跨越(ki)、外轉換(kec)、內轉換(kic)、預解離(kpd)，以及解離(kd)等各項。

21. 它們的關係式如下： • 使用式子15-1，能夠對會影響螢光強度的許多構造參數與環境參數，做出定性解釋。 • 當這些參數會導致獲得較大之螢光放射過程速率常數值kf，而且讓其他k項的數值都較小時，會增強螢光放射現象。 • kf值、預解離反應之速率常數kpd、與解離速率常數kd等各項的數值大小，主要都是與化學結構性有關。 • 其他的速率常數值會受環境因素的強烈影響，而較不會受到構造因素的影響。 15A-4

22. 螢光之躍遷類型 • 很少因為吸收波長值小於250 nm的紫外光而發生螢光放射現象。 • 短波長小於250 nm的輻射線已經具有足夠能量，使得激發態可以經由預解離步驟或解離步驟來進行去活化過程。 • 很少能夠觀察到由s *→s 的躍遷行為所產生之螢光現象。 • p *→p 與p *→n的躍遷行為所對應之放射現象的能量值較低。 • 電子激發態分子通常藉由不會發生輻射線放射現象的一系列快速之振動鬆弛與內轉換步驟，而鬆弛回到其最低激發能階。 • 最常由第一電子激發態的最低振動能階鬆弛回到電子基態之任何一個振動能階的躍遷行為，來產生螢光放射現象。 • 對於大多數螢光性化合物而言，可能是由p *→n或者p *→p等兩者的其中一種躍遷行為，來放射出輻射線。 15A-4

23. 量子效率與躍遷類型 • 相對於最低能量的躍遷行為是n→ p *類型的化合物而言，螢光放射現象較常出現於最低能量的躍遷行為是p → p *類型的化合物。 • p * → p 躍遷行為的量子效率較高些。 • 通常p → p *躍遷行為的莫耳吸收係數與躍遷機率值都比n→ p *過程的相關數値，大了100至1000倍。 • p、 p *躍遷步驟的生命期在10-7至10-9 s，而n、 p *躍遷步驟的生命期在10-5至10-7 s。 • 最有效率的磷光放射過程通常發生在n、 p *激發態躍遷步驟。 • 相對於p 、 p *三重態， n、 p *激發態躍遷過程比較不會被去活化。 • 因為在單重態與三重態之間的能量差異是較大的，而且也不太可能會發生自旋性–軌域耦合現象，所以幾乎不可能會發生p 、 p *激發態的系統間跨越步驟。 • 因為p 、 p *躍遷行為的平均生命期較短(亦即kf值較大)，所以螢光放射現象較常出現於p → p *躍遷行為中。 15A-4

24. 螢光與構造 • 當化合物含有低能量值之p → p *躍遷過程的芳香族官能基時，就可能具有最強烈和最有用之螢光放射現象。 • 含有脂肪族或脂肪族環狀羰基構造、或者具有高度共軛雙鍵結構的化合物，可能會有螢光放射現象。 • 大多數不具有取代基之芳香族烴類在溶液中，也會有螢光放射現象。 • 芳香族烴類的量子效率通常會隨著環的數目與縮合程度增加而增大。 • 吡啶、呋喃、噻吩、與吡咯等各種簡單雜環化合物不具有螢光放射現象。 • 具有縮環構造的化合物通常會放射螢光。 15A-4

25. 對於含氮之雜環化合物，其最低能量值的電子躍遷行為應該會包括有n→p *系統，因此會快速地轉換成三重態，而且將抑制螢光的放射現象。 • 當苯環與雜環核發生縮合時，就會增大吸收峰線之莫耳吸收係數值，其激發態的生命期也會減短。 • 如奎林、異奎林、與吲哚等化合物都會出現有螢光放射現象。 • 在苯環上的取代基，將會導致最大吸收處的波長值有偏移現象，對於螢光峰線也有相對應的影響效應。 • 取代基通常會影響螢光之量子效率。 15A-4

26. 15A-4

28. 隨著鹵素之原子序增加，因為重原子效應增加增加系統間跨越至三重態的可能性，所以螢光強度會有隨之減少的現象。隨著鹵素之原子序增加，因為重原子效應增加增加系統間跨越至三重態的可能性，所以螢光強度會有隨之減少的現象。 • 對於碘苯，預解離反應會扮演著重要角色。 • 對於硝基衍生物，預解離反應也具有相同的影響效應。 • 當在芳香環上具有羧酸或羰基之取代基時，通常會抑制螢光放射現象。 • 在這些化合物中， n→p *躍遷行為的能量值會小於p → p *躍遷行為的能量值，而 n→p *系統的螢光產率通常都會較低些。 15A-4

29. 結構剛性之效應 • 具有剛性結構之分子，較可能具有螢光放射現象。 • 譬如在類似的測量條件中，茀與聯苯的量子效率依序分別約為1.0與0.2。 • 這種表現之差異性，主要可能是因為茀構造上的架橋亞甲基所增加之剛性。 • 對於某些有機螯合劑，當它們與金屬離子發生錯化合時，也會因為構造上的剛性所帶來之影響效應，而導致其螢光放射性增強。 15A-4

30. 譬如，比起鋅與8-羥基奎林之錯化合物而言，配位子之螢光強度就相對小了許多：譬如，比起鋅與8-羥基奎林之錯化合物而言，配位子之螢光強度就相對小了許多： • 當分子缺乏構造上的剛性時，就可能會增加內轉換過程的速率，並因而增加非輻射性去活化過程的速率。 • 在非剛性分子裡，其中一部分相對於另一部分，會發生低頻率之振動現象，因此將會損失了部分能量。 15A-4

31. 溫度與溶劑之效應 • 因為在高溫時，會增加碰撞頻率，因而提昇以外轉換步驟進行去活化過程的可能性。 • 對大多數分子而言，螢光之量子效率會隨著溫度昇高而減小之。 • 當降低溶劑之黏性，會增加了發生外轉換步驟的可能性，所以螢光之量子效率會之而減小。 • 當溶劑含有重原子，或者其他溶質在構造上含有這類之原子時，對於溶解在其中的分子，其螢光放射性會因而降低。 • 四氯化碳與乙基碘就是其範例。 • 這是因為軌域與自旋性相互作用的結果，會促使三重態形成反應之反應速率增快，因而減少了螢光放射性。 • 為了要增強磷光放射性時，經常在溶劑中添加入含有重原子的化合物。 15A-4

32. pH值對螢光放射性之效應 • 通常當芳香族化合物具有酸性或鹼性之苯環取代基時，其螢光放射性會受到pH值所影響。 • 對於化合物之解離形式與非解離形式而言，兩者之波長值與放射譜線之強度值就可能會有差異性。 • 這類化合物會因為分子之酸型與鹼型等兩者之相關共振物種的數目不同，因而其放射性也隨之改變。 • 譬如苯胺具有數種共振形式，而苯胺離子則只有一種。 • 此時所增加之共振形式，將會促使第一激發態更為安定；並因而能夠在紫外光範圍中放射出螢光。 15A-4

33. 當某些化合物的螢光放射性成為pH值函數時，就可以被使用來偵測酸鹼中和滴定之滴定終點。當某些化合物的螢光放射性成為pH值函數時，就可以被使用來偵測酸鹼中和滴定之滴定終點。 • 譬如，1-萘酚-4-磺酸的酚型其螢光放射性，是發生在紫外光範圍內，無法以目視方式偵測之。 • 當添加入鹼類之後，可將1-萘酚-4-磺酸轉變成酚陰離子，因而導致放射峰線會偏移到可見光範圍內的波長。 • 因為不同pH值而發生的螢光放射性差異性，可能是因為激發態分子之酸解離常數值與其基態之相同物種的解離常數值，會有差別而引起的。 • 因為激發現象而導致酸類或鹼類之解離常數值發生變化現象，乃是常有之事，甚至有時還會相差達到四或五個數量級的大小。 • 根據螢光放射性的分析方法，通常需要嚴格控制其pH值。 • 當存在有溶解氧時，通常會減弱在溶液中的螢光強度值。 • 因為氧分子之順磁性而增加系統間跨越的可能性，並將激發態分子轉換成三重態，因而發生猝熄現象。 • 其他順磁性物質也有發生螢光猝熄現象的傾向。 15A-4

34. 濃度值對螢光強度之影響效應 • 螢光的放射功率值F正比於系統所吸收之激發光束輻射功率值： • 對於已知系統而言，螢光放射過程的量子效率值是常數值，所以乘積ffK可以合併成一個新的常數項ffK。 • 為了推導出F與螢光放射性物種之濃度值c的關係式，可以將比爾定律改寫成： • 將式子15-3代入式子15-2中，可以得到： 15A-4

35. 在式子15-4中的指數項可以展開成馬克勞林級數：在式子15-4中的指數項可以展開成馬克勞林級數： • 假設當2.303ebc = A < 0.05時，括號內第一項之後的其他各項都會相當小於第一項。 • 式子可以寫成： • 或者，當固定P0值時： 15A-4

36. 在低濃度範圍時，溶液之螢光放射功率值相對於放射物種之濃度值的函數曲線乃是直線性的。在低濃度範圍時，溶液之螢光放射功率值相對於放射物種之濃度值的函數曲線乃是直線性的。 • 但是當c值大到足以使得吸收值超過約0.05時，函數曲線之直線性會消失，F值則會落在直線曲線之外插值下方。 • 這種過度吸收現象就被稱為一級吸收現象。 • 在高濃度值時，會出現直線性的負偏離現象，尚有另一個因素為二級吸收現象。 • 當放射波長範圍與吸收譜帶發生重疊現象，就會出現有二級吸收吸收現象，所以螢光強度就會減弱。 • 當分析物種自身發生吸收現象或者溶液中其他物種發生吸收現象等兩者，都稱之為二級吸收現象。 • 這些現象所造成的影響效應就是，在螢光放射功率值相對於濃度值的函數曲線可能會出現有最大值現象。 • 這些吸收影響效應通常被稱為內濾光器影響效應。 15A-4

37. 動態猝熄效應 • 猝熄(quenching)通常是指被激發物種以非輻射性轉移過程，將能量轉移到其他分子中。 • 當被激發物種與猝熄劑(Q)之間發生接觸行為時，才會發生稱為碰撞猝熄(collisional quenching)的動態猝熄(dynamic quenching)。 • 當碰撞過程參與者擴散混合在一起，立即會發生動態猝熄過程。 • 這個過程的發生速率受到溫度與溶液黏度等兩項所影響。 • 猝熄劑的濃度值必須要大到，在激發態的生命期期間，被激發物種與猝熄劑之間有著很大的機率值足以發生碰撞行為。 • 由單一種猝熄劑發生之動態猝熄過程所控制的外轉換過程，其速率常數項可以用下列式子表示： 其中，kq是猝熄過程的速率常數項，而[Q]是猝熄劑的濃度項。 15A-4

38. 當沒有發生猝熄現象，也沒有發生預解離與解離等兩種反應時，由式子15-1可以寫出螢光放射之量子效率ff0等於當沒有發生猝熄現象，也沒有發生預解離與解離等兩種反應時，由式子15-1可以寫出螢光放射之量子效率ff0等於 • 對於猝熄過程，可以表示為 • 將兩個式子取其比率關係，就可以得到Stern氏–Volmer氏方程式 15A-4

39. 其中，Kq是Stern氏–Volmer氏猝熄常數值。將這個方程式重新整理，可以得到其中，Kq是Stern氏–Volmer氏猝熄常數值。將這個方程式重新整理，可以得到 • 因此1/ff相對於[Q]的函數曲線是一條直線，其斜率等於Kq/ff0，且截距等於1/ff0。 • 由截距與斜率之比值可以得到Stern氏–Volmer氏猝熄常數值。 • 動態猝熄過程會讓螢光量子產率變小，讓螢光放射生命期縮短。 • 因為螢光放射量F直接正比於量子效率ff，因此可以使用容易被偵測到的數量來改寫Stern氏–Volmer氏方程式 • 然後，可以由F0/F相對於[Q]的函數曲線之斜率值，來獲得Stern氏–Volmer氏猝熄常數值，而曲線之截距等於一。 15A-4

40. 範例 15-1 • 在高濃度的氯離子溶液中，金雞鈉鹼硫酸鹽的螢光放射性會被猝熄。當以氯離子之濃度值的函數關係，來偵測螢光訊號值，可以得到下列各項數值。 • 請建立試算表，來計算出猝熄常數值Kq。 解答 • 試算表與Stern氏–Volmer氏函數曲線就表示圖15-4中。 • 由試算表計算出斜率值與其標準偏差值為Kq = 210 ± 0.9 M-1。 • 請注意！截距值非常接近於1。

41. 當存在有溶解氧氣時，通常會減弱溶液的螢光強度值。當存在有溶解氧氣時，通常會減弱溶液的螢光強度值。 • 這個猝熄效應較有可能是因為分子態氧的順磁性，促進了系統間跨越過程，並將被激發分子轉換成三重態所導致的結果。 • 其他的順磁性物種也有猝熄螢光放射性的傾向。 • 溶解氧也是三重態的有效猝熄劑。 • 在進行磷光偵測工作之前，溶液通常需要先進行排除氧氣步驟。 圖15-4計算氯離子對金雞鈉鹼之猝熄作用的猝熄常數值時，所使用的試算表與所獲得的函數曲線。 15A-4

42. 其他猝熄類型 • 在靜態猝熄(static quenching)過程中，猝熄劑與基態的螢光放射物會形成稱為暗黑錯化合物(dark complex)的錯化合物種類。 • 在靜態猝熄過程中，只能觀測到來自未鍵結之螢光放射物所放射出的螢光。 • 此時，式子15-11的Kq項是螢光放射物–猝熄劑錯化合物的形成常數值。 • 當發生靜態猝熄現象時，螢光放射生命期是不會受到影響的。 • 因此進行螢光放射生命期的偵測操作，就能夠區分出動態猝熄作用與靜態猝熄作用等兩者。 • 在長距離猝熄過程或者Fšrster猝熄過程中，分子間不需要發生碰撞行為，就能夠發生能量轉移現象。 • 在長距離猝熄(long-range quenching)過程中，激發態螢光放射物與做為轉移者的猝熄劑之間，會發生偶極–偶極耦合現象。 15A-4

43. 15A-5 放射光譜與激發光譜 Emission and excitation spectra • 在圖示中為菲之三種光放光類型光譜。 • 當變化激發輻射線之波長值，而在固定波長處，測量其放光強度時，所獲得的光譜為激發光譜。 • 在基本上，激發光譜會與吸收光譜是在相同條件下獲得的。 • 螢光光譜與磷光光譜，是以固定波長的輻射線進行激發作用，再依據波長之函數關係，記錄下各波長值之放射輻射線強度值，即可得之。 圖15-5 菲的光譜。

44. 表示在圖15-6是總放光光譜(total luminescence)。 • 總放光光譜可以是三維圖形或者等高線圖形。 • 兩種圖形都是同步以激發波長和放射波長等兩項之函數關係，來表示出放光訊號值。 • 這種資料有時被稱為激發–放射矩陣(excitation –emission matrix)。 • 在激發波長與放射波長等兩者之間有小的波長差異值的條件下，同步掃描兩者時，所獲得的光譜稱為同步光譜。 圖15-6 總放光光譜。 15A-5

45. 能夠利用適當的電腦軟體程式，由總放光光譜來產生同步光譜(synchronous spectrum)。 • 通常光放光現象會發生在比激發波長還要大的波長處。 • 因為激發態三重態的能量值通常會小於所對應之單重態，因此可以在比螢光譜帶的波長值還要大之波長處，觀察到磷光譜。 • 兩種光譜之間的波長差異性，會對三重態與單重態之間的能量差異性，帶來一種便利的測量方式。 圖15-7 同步光譜。 15A-5

46. 15B 使用於螢光與磷光之測量工作的儀器 Istruments for measuring fluorescence and phosphorescence • 使用來測量光放光現象的儀器之各種組件都類似於，紫外光–可見光之光度計或分光光譜儀所使用的組件。 • 在圖示中是，螢光計(fluorometer)與分光螢光儀中各項組件之典型組合方式。 • 幾乎所有的螢光型儀器都使用雙光徑型光學構造，以便於能夠將光源功率之擾動現象予以抵消之。 • 由樣品所放射出的螢光會朝所有方向進行，而最適合之觀測角度則是與激發光束呈現直角之方位。 • 直角觀測方位能夠讓散射光線，以及強烈光源輻射線等各項之影響性降低至最少化。 圖15-8 螢光計或者分光螢光儀之組件。

47. 下方的參考光束會穿透過調減器，以便於將輻射功率降低到，約等於螢光輻射線的功率(通常，功率之降低比率約在100倍以上)。下方的參考光束會穿透過調減器，以便於將輻射功率降低到，約等於螢光輻射線的功率(通常，功率之降低比率約在100倍以上)。 • 在精緻度、效能表現、與價位等各項，螢光計與分光螢光儀等兩者和相對應的吸收測量型儀器，有著很大的差別。 • 螢光計只是使用濾光片來進行波長選擇步驟。 • 分光螢光儀使用兩個單光器來進行波長選擇步驟。 • 有些儀器是混成型式，它們使用濾光片來選擇出激發波長，而使用單光器來選擇出放射波長。這些儀器通常被稱為分光螢光儀。 • 數種商業化之分光光譜儀會附有隨儀器出售之轉接器，能夠將其用途改變為分光螢光儀。 • 真正的分光螢光儀是能夠產生螢光激發光譜或者螢光放射光譜。 15B

48. 圖15-9a為蒽的激發光譜，其中是掃描激發輻射線之波長值，而在固定波長處測量它的螢光放射強度。圖15-9a為蒽的激發光譜，其中是掃描激發輻射線之波長值，而在固定波長處測量它的螢光放射強度。 • 針對光源之輸出強度與偵檢器之感應值，以波長函數關係予以適當修正之後，就能得到與吸收光譜極為相似之絕對激發光譜。 • 在圖示b中是蒽之螢光放射光譜，其中是先固定激發波長值，再掃描放射輻射線之波長值而獲得之。 • 因為基態與電子激發態等兩者之振動能量之差異值約略相等，所以兩張光譜之間彼此幾乎有著對掌鏡射性。 • 對於分子之電子特性與構造特性等各項研究工作，分光螢光儀所具有之選擇性乃是具有相當的重要性，而能夠被應用於定性分析與定量分析。 • 對於濃度值之測量工作而言，相對廉價的儀器通常已經足以勝任。 圖15-9 1 ppm蔥之乙醇溶液的螢光光譜。 15B

49. 15B-1 螢光計與分光螢光儀之組件 Components of fluorometers and spectrofluorometers 光源 • 在放光偵測操作中，輸出訊號的數值與靈敏度等兩項都直接正比於光源的輻射強度P0。 • 在放光方法中，需要其強度比吸收測量工作所使用之鎢絲燈或氫燈還要強的一只光源。 燈源 • 濾光片型螢光計最常使用的光源為，配備有熔融砂石窗片的低壓汞蒸氣燈。 • 這種光源可以放射出波長值為254、302、313、546、578、691、與773 nm等可供使用來激發出螢光的一些有用譜線。 • 可以使用適當之吸收濾光片或者干涉濾光片來分離出單獨譜線。 • 因為可以利用許多不同波長值的輻射線，來誘導大多數螢光放射性化合物放射出螢光，所以通常會有至少一支汞譜線是適合的。 • 分光螢光儀需要使用連續式輻射光源，通常會使用75至450 W的高壓氙弧燈。

50. 氙弧燈的光譜乃是約從300至1300 nm的連續光譜。 • 這種光譜接近於黑體輻射光譜。 • 某些儀器類型會使用脈衝式燈源，而能夠獲得較大的波峰強度。 • 當傳感器之輸出訊號為交流式訊號，會方便予以放大與處理之。 • 藍光放射二極體(LEDs)也已經被應用於螢光儀器中。 • 這些燈源能夠放射出450 - 475 nm的輻射線。 • 由螢光劑與LEDs構成的混合物，可以放射出波長範圍從UV範圍到約375 nm的輻射線。 15B-1