熒光基本概念和原理

一、簡介

　　某些物質被一定波長的光照射時，會在較短時間内發射出波長比入射光長的光（入射光的一部分能量被該物質吸收，使得發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闡明了熒光發射的機制，認為熒光是由于物質吸收了光能而重新發出的波長不同的光，并由一種能發熒光的礦物-----螢石(fluospar)而定名為熒光。

　　我們通常所說的熒光，是指物質在吸收紫外光後發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後發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。

　　熒光光譜有兩個主要優點：第一是靈敏度高。由于熒光輻射的波長比激發光波長長，是以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，熒光不受來自激發光的本底的幹擾，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之間的躍遷，熒光産生包括兩個過程：吸收以及随之而來的發射。每個過程發生的時間與躍遷頻率的倒數是同一時間量級(大約10-15秒)，但兩個過程中有一個時間延遲，大約為10-9秒，這段時間内分子處于激發态。激發态的壽命取決于輻射與非輻射之間的競争。由于熒光有一定的壽命，是以可以檢測一些時間過程與其壽命相當的過程。例如，生色團及其環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，是以無法用紫外吸收光譜檢測，但可以用熒光光譜檢測。

二、熒光的産生 

　　吸收外來光子後被激發到激發态的分子，可以通過多種途徑丢失能量，回到基态，這種過程一般稱為弛豫。在很多情況下，分子回到基态時，能量通過熱量等形式散失到周圍。但是在某些情況下，能量能以光子發射的形式釋放出來。

　　由電子态基态被激發到第一電子激發态中各振動能級上的分子，一般會以某種形式(統稱為内轉換)丢失它們的部分能量，從第一電子激發态的不同振動能級以至從第二電子激發态等更高的電子激發态傳回第一電子激發态的最低振動能級。這個過程大約為10-12秒。從第一電子激發态的最低振動能級傳回基态的不同振動能級，如果能量以光子形式釋放，則放出的光稱為熒光。這個過程通常發生在10-6-10-9秒内。

　　由于熒光的頻率低于入射光的頻率，是以測量到的熒光頻率與入射光的頻率不同。同時，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光的本底幹擾，可以達到很高的靈敏度，一般比吸收光譜高兩個數量級左右。此外，由于熒光有一定的壽命，且其壽命比紫外吸收的時間過程(10-15秒)要長，是以一些用紫外觀測不到的變化過程(如生色團及其環境的變化)，恰好可以用熒光來觀測。在紫外吸收的時間過程(10-15秒)中，生色團及其環境基本上是靜止不變的。而在很多反應中，溶劑的重新排列和分子的運動過程發生的時間與激發态的壽命是同一量級。

三、磷光

　　如果某種物質在被某種波長的光照射以後能在較長的時間内發出比熒光波長更長的波長的光，則稱這種光為磷光。

　　磷光産生的機制與熒光是不同的，雖然它們都屬于發射光譜，但磷光不是處于第一電子激發态的最低振動能級的分子直接釋放出光子回到基态的結果，而是從某種能量低于第一電子激發态的最低振動能級的另一種亞穩能級¾三重态向基态的各振動能級以輻射方式産生躍遷時發出的光。

　　所謂三重态或三線态，是指分子中電子自旋量子數S=1，即原來兩個配對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。處于第一電子激發态最低振動能級的分子，有可能通過無輻射躍遷(系間交連，intersystem crossing)消耗部分能量，其中一個電子的自旋方向倒轉，進而處于三線态。從三線态的最低振動能級向基态的各振動能級躍遷并釋放出光子，則其發光為磷光。由于三線态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，在三線态停留的時間即壽命就比較長(從10-3秒到數秒)，強度很弱。由于三線态能量低于第一電子激發态最低振動能級，是以磷光的波長比熒光長。

四、激發譜和發射譜

　　熒光光譜包括激發譜和發射譜兩種。激發譜是熒光物質在不同波長的激發光作用下測得的某一波長處的熒光強度的變化情況，也就是不同波長的激發光的相對效率；發射譜則是某一固定波長的激發光作用下熒光強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強度。