一文讀懂熒光原理

第一、熒光原理導言

　　熒光原理：當某些物質(zhì)被一定波長的光照射時，會在短時間內(nèi)發(fā)出比入射光波長更長的光(入射光的一部分能量被物質(zhì)吸收，使得發(fā)出的光比原來的光能量更低，波長更長)，稱為熒光。1852年，斯托克斯闡明了熒光發(fā)射的機理，認為熒光是由于吸收光能而重新發(fā)射的不同波長的光，被螢石這種能發(fā)出熒光的礦物命名為熒光。

　　我們通常所說的熒光是指吸收紫外光后波長較長的紫外熒光或可見熒光，以及吸收波長較短的可見光后波長較長的可見熒光。除了紫外熒光和可見熒光，還有紅外熒光、X射線熒光等等。

　　在研究熒光原理的時候，常用到熒光光譜法，這個方法有兩個主要優(yōu)點:第一是靈敏度高。由于熒光輻射的波長比激發(fā)光的波長長，所以測得的熒光頻率不同于入射光的熒光頻率。此外，由于熒光光譜是發(fā)射光譜，所以可以在垂直于入射光的方向上檢測，因此熒光不受激發(fā)光背景的干擾，靈敏度遠高于紫外-可見吸收光譜。其次，熒光光譜可以檢測一些紫外-可見吸收光譜檢測不到的過程。紫外和可見熒光指的是電子能級之間的躍遷，熒光的產(chǎn)生包括吸收和后續(xù)發(fā)射兩個過程。每個過程的時間與躍遷頻率的倒數(shù)相同(約10-15秒)，但兩個過程之間有一個時間延遲，約為10-9秒，在此期間分子處于激發(fā)態(tài)。激發(fā)態(tài)的壽命取決于輻射和非輻射之間的競爭。因為熒光有一定的壽命，所以可以探測到一些時間進程與其壽命相當?shù)倪^程。比如發(fā)色團及其環(huán)境的變化過程在紫外吸收10-15秒的過程中基本是靜止的，所以不能用紫外吸收光譜檢測，可以用熒光光譜檢測。

第二、熒光的產(chǎn)生

　　吸收外來光子后被激發(fā)到激發(fā)態(tài)的分子，可以通過多種途徑失去能量，回到基態(tài)，一般稱為弛豫。在許多情況下，當分子回到基態(tài)時，能量以熱量的形式耗散到周圍環(huán)境中。但是在某些情況下，能量可以以光子發(fā)射的形式釋放出來。

　　從電子態(tài)的基態(tài)被激發(fā)到第一電子激發(fā)態(tài)的各種振動能級的分子通常以某種形式失去它們的部分能量(統(tǒng)稱為內(nèi)部轉(zhuǎn)換)，并且從第一電子激發(fā)態(tài)的不同振動能級甚至從更高的電子激發(fā)態(tài)如第二電子激發(fā)態(tài)返回到第一電子激發(fā)態(tài)的較低振動能級。這個過程大約需要10-12秒。從第一電子激發(fā)態(tài)的較低振動能級到基態(tài)的不同振動能級，如果能量以光子的形式釋放，釋放出來的光叫熒光。這個過程通常發(fā)生在10-6-10-9秒內(nèi)。

　　由于熒光的頻率低于入射光的頻率，所以測得的熒光頻率不同于入射光的頻率。同時，從與入射光成直角的方向檢測熒光，熒光不受激發(fā)光背景的干擾，可以達到高靈敏度，一般比吸收光譜高兩個數(shù)量級左右。此外，由于熒光具有一定的壽命，而且其壽命比紫外吸收的時間過程(10-15秒)要長，所以熒光可以觀察到一些紫外無法觀察到的變化(如發(fā)色團及其環(huán)境的變化)。在紫外吸收的時間過程中(10-15秒)，發(fā)色團及其環(huán)境基本上是靜態(tài)的。在許多反應(yīng)中，溶劑的重排和分子的運動與激發(fā)態(tài)的壽命同時發(fā)生。

第三、磷光

　　如果一種物質(zhì)經(jīng)過一定波長的光照射后，能夠發(fā)出比熒光波長更長波長的光，這種物質(zhì)稱為磷光。

　　磷光的機制不同于熒光。雖然兩者都屬于發(fā)射光譜，但磷光不是處于第一電子激發(fā)態(tài)較低振動能級的分子直接釋放光子回到基態(tài)的結(jié)果，而是能量低于第一電子激發(fā)態(tài)較低振動能級的另一個亞穩(wěn)態(tài)的三重態(tài)通過輻射躍遷到基態(tài)的各個振動能級時發(fā)出的光。

　　所謂三重態(tài)或三重態(tài)，是指分子中電子的自旋量子數(shù)s為1，即原來兩個自旋方向相反的成對電子之一的自旋方向發(fā)生變化，從而使電子自旋之和不為零。處于第一個電子激發(fā)態(tài)較低振動能級的分子，可能會通過系統(tǒng)間交叉消耗一部分能量，其中一個電子的自旋方向反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生三重態(tài)。當光子從三重態(tài)較低振動能級躍遷到基態(tài)各振動能級釋放時，其發(fā)光為磷光。因為三重態(tài)電子的自旋和不為零，所以這個躍遷是一個禁帶躍遷，也就是躍遷幾率很小。這樣，停留在三重態(tài)的時間，即壽命相對較長(從10-3秒到幾秒)，強度很弱。因為三重態(tài)能量低于第一電子激發(fā)態(tài)的較低振動能級，所以磷光的波長比熒光的波長長。

四、激發(fā)光譜和發(fā)射光譜

　　熒光光譜包括激發(fā)光譜和發(fā)射光譜。激發(fā)光譜是熒光物質(zhì)在不同波長的激發(fā)光作用下測得的某一波長的熒光強度的變化，即不同波長激發(fā)光的相對效率;發(fā)射光譜是在固定波長的激發(fā)光作用下，不同波長的熒光強度分布，即熒光中不同波長光成分的相對強度。

　　由于激發(fā)光譜表示由不同波長的激發(fā)光測量的相同波長的熒光物質(zhì)的熒光強度的變化，并且熒光的產(chǎn)生與吸收有關(guān)，所以激發(fā)光譜和吸收光譜非常相似并且正相關(guān)。

　　由于激發(fā)態(tài)和基態(tài)具有相似的振動能級分布，從基態(tài)較低振動能級躍遷到第一電子激發(fā)態(tài)各振動能級的概率與第一電子激發(fā)態(tài)相似，所以吸收譜和發(fā)射譜是鏡像對稱的。

　　發(fā)射光譜中較大熒光強度的位置稱為lmax，它是熒光光譜的一個重要參數(shù)，對環(huán)境的較性和熒光團的運動很敏感。