一文讀懂熒光原理

第一、熒光原理導(dǎo)言

　　熒光原理：當(dāng)某些物質(zhì)被一定波長(zhǎng)的光照射時(shí)，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)出比入射光波長(zhǎng)更長(zhǎng)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(zhǎng)更長(zhǎng))，稱為熒光。1852年，斯托克斯闡明了熒光發(fā)射的機(jī)理，認(rèn)為熒光是由于吸收光能而重新發(fā)射的不同波長(zhǎng)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(zhǎng)較長(zhǎng)的紫外熒光或可見熒光，以及吸收波長(zhǎng)較短的可見光后波長(zhǎng)較長(zhǎng)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(shí)候，常用到熒光光譜法，這個(gè)方法有兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn):第一是靈敏度高。由于熒光輻射的波長(zhǎng)比激發(fā)光的波長(zhǎng)長(zhǎng)，所以測(cè)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(cè)，因此熒光不受激發(fā)光背景的干擾，靈敏度遠(yuǎn)高于紫外-可見吸收光譜。其次，熒光光譜可以檢測(cè)一些紫外-可見吸收光譜檢測(cè)不到的過程。紫外和可見熒光指的是電子能級(jí)之間的躍遷，熒光的產(chǎn)生包括吸收和后續(xù)發(fā)射兩個(gè)過程。每個(gè)過程的時(shí)間與躍遷頻率的倒數(shù)相同(約10-15秒)，但兩個(gè)過程之間有一個(gè)時(shí)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(jìng)爭(zhēng)。因?yàn)闊晒庥幸欢ǖ膲勖?，所以可以探測(cè)到一些時(shí)間進(jìn)程與其壽命相當(dāng)?shù)倪^程。比如發(fā)色團(tuán)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(cè)，可以用熒光光譜檢測(cè)。

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(dāng)分子回到基態(tài)時(shí)，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(dòng)能級(jí)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(dòng)能級(jí)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(dòng)能級(jí)。這個(gè)過程大約需要10-12秒。從第一電子激發(fā)態(tài)的較低振動(dòng)能級(jí)到基態(tài)的不同振動(dòng)能級(jí)，如果能量以光子的形式釋放，釋放出來的光叫熒光。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，所以測(cè)得的熒光頻率不同于入射光的頻率。同時(shí)，從與入射光成直角的方向檢測(cè)熒光，熒光不受激發(fā)光背景的干擾，可以達(dá)到高靈敏度，一般比吸收光譜高兩個(gè)數(shù)量級(jí)左右。此外，由于熒光具有一定的壽命，而且其壽命比紫外吸收的時(shí)間過程(10-15秒)要長(zhǎng)，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(tuán)及其環(huán)境的變化)。在紫外吸收的時(shí)間過程中(10-15秒)，發(fā)色團(tuán)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(yùn)動(dòng)與激發(fā)態(tài)的壽命同時(shí)發(fā)生。

第三、磷光

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

　　磷光的機(jī)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(dòng)能級(jí)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(dòng)能級(jí)的另一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)的三重態(tài)通過輻射躍遷到基態(tài)的各個(gè)振動(dòng)能級(jí)時(shí)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(gè)自旋方向相反的成對(duì)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(gè)電子激發(fā)態(tài)較低振動(dòng)能級(jí)的分子，可能會(huì)通過系統(tǒng)間交叉消耗一部分能量，其中一個(gè)電子的自旋方向反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生三重態(tài)。當(dāng)光子從三重態(tài)較低振動(dòng)能級(jí)躍遷到基態(tài)各振動(dòng)能級(jí)釋放時(shí)，其發(fā)光為磷光。因?yàn)槿貞B(tài)電子的自旋和不為零，所以這個(gè)躍遷是一個(gè)禁帶躍遷，也就是躍遷幾率很小。這樣，停留在三重態(tài)的時(shí)間，即壽命相對(duì)較長(zhǎng)(從10-3秒到幾秒)，強(qiáng)度很弱。因?yàn)槿貞B(tài)能量低于第一電子激發(fā)態(tài)的較低振動(dòng)能級(jí)，所以磷光的波長(zhǎng)比熒光的波長(zhǎng)長(zhǎng)。

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(zhǎng)的激發(fā)光作用下測(cè)得的某一波長(zhǎng)的熒光強(qiáng)度的變化，即不同波長(zhǎng)激發(fā)光的相對(duì)效率;發(fā)射光譜是在固定波長(zhǎng)的激發(fā)光作用下，不同波長(zhǎng)的熒光強(qiáng)度分布，即熒光中不同波長(zhǎng)光成分的相對(duì)強(qiáng)度。

　　由于激發(fā)光譜表示由不同波長(zhǎng)的激發(fā)光測(cè)量的相同波長(zhǎng)的熒光物質(zhì)的熒光強(qiáng)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(dòng)能級(jí)分布，從基態(tài)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(duì)稱的。

　　發(fā)射光譜中較大熒光強(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。