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第一章 绪论
1.1.1 荧光现象
当用一种波长的光（紫外光或可见光）照射某种物质时，这个物质会在极短的时间内发射出各种不同颜色和强度的光（比照射波长更长的光），这种光称为荧光。这种光线伴随照射源停止照射而很快地消失，对于荧光来说，当激发光停止照射后，发光过程几乎立即（10-9-10-6 S）停止。
西班牙的内科医生和植物学家N.Monardes于1575年第一次记录了荧光现象。17世纪，Boyle和Newton等著名科学家再次观察到荧光现象。虽然在17到18世纪又陆陆续续发现了其它一些发荧光的材料和溶液，但是在荧光现象的解释方面却没有什么进展。直到1852年stokes在考察奎宁与叶绿素的荧光时，使用分光计发现荧光的波长比入射光的波长稍长，才判明这种现象是由于这些物质在吸收光能后重新发射的不同波长的光，而不是由光的漫射所引起的，从而导入了荧光是光发射的概念。他还由发荧光的矿物“萤石”推演而提出“荧光”这一术语。Stokes还对荧光强度与浓度之间的关系进行了研宄，描述了当高浓度和外来物质存在时会发生荧光淬灭现象。1867年，Goppelsroder进行了历史上首次的荧光分析工作，运用具有荧光的铝-桑色素配合物的荧光进行铝的测定。1880年，Liebeman最早提出关于荧光与化学结构关系的经验法则，到了19世纪末，人们己经知道了600多种突光化合物。20世纪以来，荧光现象被研究得更多了，例如，1905年Wood发现了共振荧光；1914年Frank和Hertz利用电子冲击发光进行定量研究；1922年Frank和Cario发现了增感应光；1924年Wawillow进行了荧光产率的绝对测定；1926年Gaviola进行了荧光寿命的直接测定等。近年来，荧光分析法由于其高的灵敏度和选择性，已被化学检测、生物医药、环境监测等很多方面运用，具有很好的发展前途。[1] 1.1.2 荧光的发光原理
荧光是一种光致发光现象，那么，由于分子对光的选择性吸收，不同波长的入射光便具有不同的激发频率。
分子的吸收光谱可能含有几个吸收带，但其发射光谱却通常只含有一个发射带。绝大多数情况下即使分子被激发到S2电子态以上的不用振动能级，但是由于内转化和振动松弛的速率是那样的快，以致很快地丧失多余的能量而衰变到
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S1态的最低振动能级，然后发射荧光，因而其发射光谱通常只含一个发射带，且发射光谱的形状与激发波长无关，只与基态中振动能级的分布情况以及各振动带的跃迁概率有关。但是也有例外，例如有些荧光体具有两个电离态，而每个电离态显示不同的吸收和发射光谱等。
物质在吸收入射光的过程中，光子的能量传递给了物质分子。分子被激发后，发生了电子从较低的能级到较高能级的跃迁。该跃迁过程经历的时间约10-15s。跃迁所涉及的两个能级间的能量差，等于所吸收光子的能量。紫外、可见光区的光子能量较高，足以引起分子中的电子发生电子能级间的跃迁。处于该激发态的分子称为电子激发态分子。
电子激发态的多重态用2S+1表示，S是电子自旋角动量量子数的代数和，其数值为0或1。分子中同一轨道里同一轨道里所占据的两个电子必须具有相反的自旋方向，即自选配对。如果分子中的全部电子都是自旋配对的，即S=0，该分子便处于单重态（或称单线态），用符号S表示。大多数有机物分子的基态是处于单重态的。如果分子吸收能量后电子在跃迁过程中不发生自旋方向的变化，这时分子处于激发的单重态；倘若电子在跃迁过程中还伴随着自旋方向的改变，这时分子便具有两个自旋不配对的电子，即S=1，分子处于激发的三重态（或称三线态），用符号T表示。符号S0、S1和S2分别表示分子的基态、第一和第二电子激发单重态，T1和T2则分别表示第一和第二电子激发三重态。处于激发态的分子不稳定，它可能通过辐射跃迁和非辐射跃迁的衰变过程而返回基态。另外，激发态分子也可能由于分子间的作用过程而失活。
辐射跃迁的衰变过程伴随着光子的发射，即产生荧光活磷光；非辐射跃迁的衰变过程，包括振动松弛（VR）、内转化（ic）、和系间窜越（isc），这些衰变过程导致激发能转化为热能传递给介质。振动松弛是指分子将多余的振动能量传递给介质而衰变到同一电子态的最低振动能级的过程。内转化指相同多重态的两个电子态间的非辐射跃迁过程（例如S1～S0，T2～T1）；系间窜越则指不同多重态的两个电子态间的非辐射跃迁过程（例如S1～T1，T1～S0）。图1.1为分子内所发生的激发过程以及辐射跃迁和非辐射跃迁过程的示意图。
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图1.1 分子内的激发和衰变过程
A1.A2.吸收；F.荧光；P.磷光；ic.内转化；isc.系间窜越；VR.振动松弛 如果分子被激发到S2以上的某个电子激发单重态的不同振动能级上，处于这种激发态的分子很快（约10-12～10-14s）发生振动松弛而衰变到该电子态的最低振动能级，然后又经由内转化及振动松弛而衰变到S1态的最低振动能级。接着，有如下几种衰变到基态的途径：①S1→S0的辐射跃迁而发射荧光；②S1～S0内转化；③S1～T1系间窜越。而处于T1态的最低振动能级的分子，则可能发生T1～S0的辐射跃迁而发射磷光，也可能同时发生T1～S0系间窜越。
1.1.3 荧光传感器（荧光探针）
荧光传感器（荧光探针）可分为两类：（1）其一种是化学反应型传感器，这类传感器通过与分析物发生特异的化学反应，引起荧光信号变化，从而实现对分析物的检测；（2）另一类是络合型传感器，这类荧光探针通过离子络合作用引起荧光信号变化，从而实现对分析物的检测。荧光探针主要由荧光团、连接基和接受基团三部分构成。[2]当分析物与接受基团结合后，导致传感分子的光物理性质发生变化，具体表现为:荧光团荧光的增强或猝灭，或者光谱位移。荧光探针的设计一方面要求设计的分子中包含能与特定分析物选择性相互作用的接受基团，另一方面要求分子中包含能将识别信息转化为可测量的荧光信号的报告基团。接受基团的设计是荧光探针研究中的重要环节，直接关系到荧光探针的识别
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性能。根据被分析物的特性，如金属离子的直径、电荷密度、配位数等，选择合理的接受基团是关键。[3]常见的阳离子识别基团有冠醚、吡啶、环芳烃、多胺类、含有中心原子氮或硫的配体等。对于荧光团的选择，要求其具有良好的光物理和光化学性能。[4]
图1.2 荧光探针的工作原理示意图
荧光传感器（荧光探针）就是一类能将分子识别事件通过荧光信号有效表达的分子。荧光化学传感器及分子开关是超分子化学领域的研究热点。在香豆素的或位引入供电子基团，或位引入吸电子基团得到具有“供体-受体”的共轭体系、“推-拉”电子模式的衍生物，它们与不同的阳离子受体结合即可得到基于或机理的荧光探针。通常，冠醚、穴状配体对碱金属离子具有较好的选择识别性，而具有“硬”氧中心的冠醚容易与“硬”碱金属离子结合，而有S和N中心的则易与“软”过渡金属离子结合；含有-OH的螫合受体对二价的硬阳离子具有较好的络合作用。此外，轮烷、杯芳烃和螫合剂等均可用于香豆素荧光探针分子设计。
1.1.4 荧光外部影响因素及其排除办法
在测量溶液的荧光强度时，通常应注意溶剂的散射光（瑞利散射和拉曼散射）、胶粒的散射光（丁铎尔效应）以及容器表面的散射光的影响问题。上述几种散射光除拉曼散射外均具有与激发光相同的波长。拉曼散射光的波长与激发波长不同，通常要比激发波长稍长一些，且随激发波长的改变而改变，但与激发波长维持一定的频率差。散射光的干扰常是提高荧光灵敏度的主要限制因素，因而实际工作中要注意加以克服。选择适当的激发波长和测定波长，可以大大降低或排除散射光的影响。在测量微弱的荧光强度时，常要加大狭缝宽度以获得足够的荧光强度测量值，但狭缝加大后散射光的影响也将加大，因而实际测定时应选择
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合适的狭缝宽度。通过空白测定，亦可对散射光的影响进行校正。
很多因素都会影响物质的荧光光谱和荧光强度，除了物质自身结构的影响，还受环境因素的影响，如溶剂、PH值、温度、氢键、重原子效应、表面活性剂及其它溶质影响。
（1）溶剂的影响：同一荧光体在不同的溶剂中，其荧光光谱的位置和强度可能发生显著地变化。由于溶液中溶质与溶剂分子之间存在着静电相互作用，而溶质分子的基态与激发态又具有不同的电子分布，从而具有不同的偶极矩和极化率，导致基态和激发态两者与溶剂分子之间的相互作用程度不同，这对荧光的光谱位置和强度有很大影响。很多荧光体，尤其是那些在芳环上含有极性取代基的荧光体，它们的荧光光谱易受溶剂的影响。溶剂的影响可分为一般的溶剂效应和特殊的溶剂效应，前者指的是溶剂的折射率和介电常数的影响，后者指的是荧光体和溶剂分子间的特殊化学作用，如形成氢键和配合作用。在不同极性的溶剂中，荧光物质激发态的稳定性不同，从而使荧光强度不同，一般来说，许多共辄芳香烃化合物的荧光强度变化与溶剂极性呈正相关，且荧光峰波长也呈正相关。一般的溶剂效应是普遍存在的，而特殊的溶剂效应则决定于溶剂和荧光体的化学结构。特殊的溶剂效应所引起的荧光光谱的移动值往往大于一般的溶剂效应所引起的。除了一般的和特殊的溶剂效应外，某些荧光体由于自身所具有的化学结构，可能因为溶剂极性的改变而形成分子内电荷转移态和扭转的分子内电荷转移态。因此，在做荧光测试时我们应选择合适的溶剂[7-10]。
（2）溶液PH值影：如果荧光物质是一种有机酸或弱碱，该弱酸和弱碱的分子及其相应的离子，可视为两种不同的型体，各具有不同的荧光特性（不同的荧光光谱、荧光寿命或荧光量子产率），溶液的酸碱性变化将使荧光物质的两种不同型体的比例发生变化，响当荧光物质呈弱酸性或弱碱性时，溶液的改变对物质荧光影响很大。这是由于它们的分子与离子在电子构型上的差异，从而对荧光光谱的形状和强度产生很大的影响。可通过调节溶液的PH值以产生某种所要求的型体，该型体的荧光光谱移动后可与干扰组分的荧光光谱分离开来，达到提高选择性的目的[8-11]。
（3）温度影响：温度对于溶液的荧光强度有着显著的影响。通常，随着温度的降低，溶液的荧光量子产率和荧光强度将增大，因为温度降低时，溶剂中分子的活动性减弱，溶液的點度增大，溶质分子与溶剂分子间碰撞机会减少，降低了各种无福去活化概率，使荧光效率和荧光强度增强；反之则下降。在进行荧光
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