熒光基本概念和原理

一、簡介

　　某些物質(zhì)被一定波長的光照射時(shí)，會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)射出波長比入射光長的光(入射光的一部分能量被該物質(zhì)吸收，使得發(fā)射出來的光較原來的光能量低、波長長)，這種光就稱為熒光。1852年，Stokes闡明了熒光發(fā)射的機(jī)制，認(rèn)為熒光是由于物質(zhì)吸收了光能而重新發(fā)出的波長不同的光，并由一種能發(fā)熒光的礦物 ?? 螢石(fluospar)而定名為熒光。

　　我們通常所說的熒光，是指物質(zhì)在吸收紫外光后發(fā)出的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發(fā)出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。

　　熒光光譜有兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：第一是靈敏度高。由于熒光輻射的波長比激發(fā)光波長長，因此測量到的熒光頻率與入射光的頻率不同。另外，由于熒光光譜是發(fā)射光譜，可以在與入射光成直角的方向上檢測，這樣，熒光不受來自激發(fā)光的本底的干擾，靈敏度大大高于紫外-可見吸收光譜。第二，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。紫外和可見熒光涉及的是電子能級(jí)之間的躍遷，熒光產(chǎn)生包括兩個(gè)過程：吸收以及隨之而來的發(fā)射。每個(gè)過程發(fā)生的時(shí)間與躍遷頻率的倒數(shù)是同一時(shí)間量級(jí)(大約10-15秒)，但兩個(gè)過程中有一個(gè)時(shí)間延遲，大約為10-9秒，這段時(shí)間內(nèi)分子處于激發(fā)態(tài)。激發(fā)態(tài)的壽命取決于輻射與非輻射之間的競爭。由于熒光有一定的壽命，因此可以檢測一些時(shí)間過程與其壽命相當(dāng)?shù)倪^程。例如，生色團(tuán)及其環(huán)境的變化過程在紫外吸收的10-15秒的過程中基本上是靜止不變的，因此無法用紫外吸收光譜檢測，但可以用熒光光譜檢測。

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，可以通過多種途徑丟失能量，回到基態(tài)，這種過程一般稱為弛豫。在很多情況下，分子回到基態(tài)時(shí)，能量通過熱量等形式散失到周圍。但是在某些情況下，能量能以光子發(fā)射的形式釋放出來。

　　由電子態(tài)基態(tài)被激發(fā)到第一電子激發(fā)態(tài)中各振動(dòng)能級(jí)上的分子，一般會(huì)以某種形式(統(tǒng)稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換)丟失它們的部分能量，從第一電子激發(fā)態(tài)的不同振動(dòng)能級(jí)以至從第二電子激發(fā)態(tài)等更高的電子激發(fā)態(tài)返回第一電子激發(fā)態(tài)的較低振動(dòng)能級(jí)。這個(gè)過程大約為10-12秒。從第一電子激發(fā)態(tài)的較低振動(dòng)能級(jí)返回基態(tài)的不同振動(dòng)能級(jí)，如果能量以光子形式釋放，則放出的光稱為熒光。這個(gè)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，因此測量到的熒光頻率與入射光的頻率不同。同時(shí)，熒光是從與入射光成直角的方向上檢測，這樣熒光不受來自激發(fā)光的本底干擾，可以達(dá)到很高的靈敏度，一般比吸收光譜高兩個(gè)數(shù)量級(jí)左右。此外，由于熒光有一定的壽命，且其壽命比紫外吸收的時(shí)間過程(10-15秒)要長，因此一些用紫外觀測不到的變化過程(如生色團(tuán)及其環(huán)境的變化)，恰好可以用熒光來觀測。在紫外吸收的時(shí)間過程(10-15秒)中，生色團(tuán)及其環(huán)境基本上是靜止不變的。而在很多反應(yīng)中，溶劑的重新排列和分子的運(yùn)動(dòng)過程發(fā)生的時(shí)間與激發(fā)態(tài)的壽命是同一量級(jí)。

三、磷光

　　如果某種物質(zhì)在被某種波長的光照射以后能在較長的時(shí)間內(nèi)發(fā)出比熒光波長更長的波長的光，則稱這種光為磷光。

　　磷光產(chǎn)生的機(jī)制與熒光是不同的，雖然它們都屬于發(fā)射光譜，但磷光不是處于第一電子激發(fā)態(tài)的較低振動(dòng)能級(jí)的分子直接釋放出光子回到基態(tài)的結(jié)果，而是從某種能量低于第一電子激發(fā)態(tài)的較低振動(dòng)能級(jí)的另一種亞穩(wěn)能級(jí)?三重態(tài)向基態(tài)的各振動(dòng)能級(jí)以輻射方式產(chǎn)生躍遷時(shí)發(fā)出的光。

　　所謂三重態(tài)或三線態(tài)，是指分子中電子自旋量子數(shù)S=1，即原來兩個(gè)配對(duì)的自旋方向相反的電子之一自旋方向改變，以至電子自旋之和不為0的情況。處于第一電子激發(fā)態(tài)較低振動(dòng)能級(jí)的分子，有可能通過無輻射躍遷(系間交連，intersystem crossing)消耗部分能量，其中一個(gè)電子的自旋方向倒轉(zhuǎn)，從而處于三線態(tài)。從三線態(tài)的較低振動(dòng)能級(jí)向基態(tài)的各振動(dòng)能級(jí)躍遷并釋放出光子，則其發(fā)光為磷光。由于三線態(tài)的電子自旋和不為零，這種躍遷是一種被禁躍遷，即躍遷幾率很小。這樣，在三線態(tài)停留的時(shí)間即壽命就比較長(從10-3秒到數(shù)秒)，強(qiáng)度很弱。由于三線態(tài)能量低于第一電子激發(fā)態(tài)較低振動(dòng)能級(jí)，因此磷光的波長比熒光長。

四、激發(fā)譜和發(fā)射譜

　　熒光光譜包括激發(fā)譜和發(fā)射譜兩種。激發(fā)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處的熒光強(qiáng)度的變化情況，也就是不同波長的激發(fā)光的相對(duì)效率;發(fā)射譜則是某一固定波長的激發(fā)光作用下熒光強(qiáng)度在不同波長處的分布情況，也就是熒光中不同波長的光成分的相對(duì)強(qiáng)度。

　　激發(fā)譜既然是表示某種熒光物質(zhì)在不同波長的激發(fā)光作用下所測得的同一波長下熒光強(qiáng)度的變化，而熒光的產(chǎn)生又與吸收有關(guān)，因此激發(fā)譜和吸收譜較為相似，呈正相關(guān)。

　　由于激發(fā)態(tài)和基態(tài)有相似的振動(dòng)能級(jí)分布，而且從基態(tài)的較低振動(dòng)能級(jí)躍遷到第一電子激發(fā)態(tài)各振動(dòng)能級(jí)的幾率與由第一電子激發(fā)態(tài)的較低振動(dòng)能級(jí)躍遷到基態(tài)各振動(dòng)能級(jí)的幾率也相近，因此吸收譜與發(fā)射譜呈鏡象對(duì)稱關(guān)系。

　　在發(fā)射譜中較大熒光強(qiáng)度的位置稱為lmax，它是熒光光譜的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)環(huán)境的較性和熒光團(tuán)的運(yùn)動(dòng)很敏感。