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荧光物质聚集淬灭与聚集发光的物理化学解释

已有 1570 次阅读 2019-6-28 11:32 |系统分类:教学心得

       北美留学时的Lab Mate,香港科技大学的唐本忠院士来交大,以聚集发光的现象及其潜在应用为例,对学生讲述科研心得。三个多小时的交流临近结束时,一位本科生提问:荧光物质聚集淬灭与聚集发光可有统一的理论描述?本忠兄在紧促的时间中给出了有机化学家的解释,大意是拥有自由摆动的潜在发光基团因聚集而摆动受阻便发射荧光;而在常态发光荧光的基团进一步聚集后便不再发光。有机化学是门神奇的学科,其对化学现象的解释独特,实用,到位,无往不适;但自成体系。如一个弯弯箭头便解决了电子的部分迁移,有时令许多非化学的物理科学工作者不可思议。两者之间也许需要物理化学家翻译一下。

 两个分子接近并发生相互作用时,其原有的电子能级因此发生分化。发生共价作用的场合,同一能级的原有分子轨道分化为新的成键轨道和反键轨道;而发生分子间作用的场合,则分化为达不到成键和反键差异的高低两个轨道能级。如果是多个分子相互作用,则处于同一能级的分子轨道分化为多个能级;若大量的分子同时发生相互作用,则同一能级的大量分子轨道分化为密密麻麻的多能级轨道,称之为能带。


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 于是,聚集淬灭和聚集发光便有了统一的理论解释:单分子发光基团的基态和激发态的能级跨度大于可见光能量时,自然不会发光。而多分子聚集而相互作用时,其基态和激发态均分化为多个能级,于是,基态能级群和激发态能级群的最近距离大幅缩短,落入了可见荧光的能量范围;聚集发光发生。对于那些单分子状态便荧光活性的物质,其基态和激发态轨道的能级本来已在荧光波长的范围,聚集引起的轨道的能级分化使得基态和激发态之间的能级差缩小,不再与可见荧光的能级相当,于是荧光淬灭。


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 如此,作为统一的理论解释,分子聚集作用造成的原轨道能级的分化,使得基态轨道和激发态轨道之间的能级差落入或落出可见荧光的能级决定了聚集发光还是聚集淬灭。




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1 郑永军

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