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一文读懂荧光原理

时间:2020-11-16   访问量:17

第一、荧光原理导言

  荧光原理:当某些物质被一定波长的光照射时,会在短时间内发出比入射光波长更长的光(入射光的一部分能量被物质吸收,使得发出的光比原来的光能量更低,波长更长),称为荧光。1852年,斯托克斯阐明了荧光发射的机理,认为荧光是由于吸收光能而重新发射的不同波长的光,被萤石这种能发出荧光的矿物命名为荧光。

荧光色.jpg

  我们通常所说的荧光是指吸收紫外光后波长较长的紫外荧光或可见荧光,以及吸收波长较短的可见光后波长较长的可见荧光。除了紫外荧光和可见荧光,还有红外荧光、X射线荧光等等。

  在研究荧光原理的时候,常用到荧光光谱法,这个方法有两个主要优点:第一是灵敏度高。由于荧光辐射的波长比激发光的波长长,所以测得的荧光频率不同于入射光的荧光频率。此外,由于荧光光谱是发射光谱,所以可以在垂直于入射光的方向上检测,因此荧光不受激发光背景的干扰,灵敏度远高于紫外-可见吸收光谱。其次,荧光光谱可以检测一些紫外-可见吸收光谱检测不到的过程。紫外和可见荧光指的是电子能级之间的跃迁,荧光的产生包括吸收和后续发射两个过程。每个过程的时间与跃迁频率的倒数相同(约10-15秒),但两个过程之间有一个时间延迟,约为10-9秒,在此期间分子处于激发态。激发态的寿命取决于辐射和非辐射之间的竞争。因为荧光有一定的寿命,所以可以探测到一些时间进程与其寿命相当的过程。比如发色团及其环境的变化过程在紫外吸收10-15秒的过程中基本是静止的,所以不能用紫外吸收光谱检测,可以用荧光光谱检测。

第二、荧光的产生

  吸收外来光子后被激发到激发态的分子,可以通过多种途径失去能量,回到基态,一般称为弛豫。在许多情况下,当分子回到基态时,能量以热量的形式耗散到周围环境中。但是在某些情况下,能量可以以光子发射的形式释放出来。

  从电子态的基态被激发到第一电子激发态的各种振动能级的分子通常以某种形式失去它们的部分能量(统称为内部转换),并且从第一电子激发态的不同振动能级甚至从更高的电子激发态如第二电子激发态返回到第一电子激发态的最低振动能级。这个过程大约需要10-12秒。从第一电子激发态的最低振动能级到基态的不同振动能级,如果能量以光子的形式释放,释放出来的光叫荧光。这个过程通常发生在10-6-10-9秒内。

荧光原理.jpg

  由于荧光的频率低于入射光的频率,所以测得的荧光频率不同于入射光的频率。同时,从与入射光成直角的方向检测荧光,荧光不受激发光背景的干扰,可以达到高灵敏度,一般比吸收光谱高两个数量级左右。此外,由于荧光具有一定的寿命,而且其寿命比紫外吸收的时间过程(10-15秒)要长,所以荧光可以观察到一些紫外无法观察到的变化(如发色团及其环境的变化)。在紫外吸收的时间过程中(10-15秒),发色团及其环境基本上是静态的。在许多反应中,溶剂的重排和分子的运动与激发态的寿命同时发生。

第三、磷光

  如果一种物质经过一定波长的光照射后,能够发出比荧光波长更长波长的光,这种物质称为磷光。

  磷光的机制不同于荧光。虽然两者都属于发射光谱,但磷光不是处于第一电子激发态最低振动能级的分子直接释放光子回到基态的结果,而是能量低于第一电子激发态最低振动能级的另一个亚稳态的三重态通过辐射跃迁到基态的各个振动能级时发出的光。

自然荧光.jpg

  所谓三重态或三重态,是指分子中电子的自旋量子数s为1,即原来两个自旋方向相反的成对电子之一的自旋方向发生变化,从而使电子自旋之和不为零。处于第一个电子激发态最低振动能级的分子,可能会通过系统间交叉消耗一部分能量,其中一个电子的自旋方向反转,产生三重态。当光子从三重态最低振动能级跃迁到基态各振动能级释放时,其发光为磷光。因为三重态电子的自旋和不为零,所以这个跃迁是一个禁带跃迁,也就是跃迁几率很小。这样,停留在三重态的时间,即寿命相对较长(从10-3秒到几秒),强度很弱。因为三重态能量低于第一电子激发态的最低振动能级,所以磷光的波长比荧光的波长长。

四、激发光谱和发射光谱

  荧光光谱包括激发光谱和发射光谱。激发光谱是荧光物质在不同波长的激发光作用下测得的某一波长的荧光强度的变化,即不同波长激发光的相对效率;发射光谱是在固定波长的激发光作用下,不同波长的荧光强度分布,即荧光中不同波长光成分的相对强度。

  由于激发光谱表示由不同波长的激发光测量的相同波长的荧光物质的荧光强度的变化,并且荧光的产生与吸收有关,所以激发光谱和吸收光谱非常相似并且正相关。

  由于激发态和基态具有相似的振动能级分布,从基态最低振动能级跃迁到第一电子激发态各振动能级的概率与第一电子激发态相似,所以吸收谱和发射谱是镜像对称的。

  发射光谱中最大荧光强度的位置称为lmax,它是荧光光谱的一个重要参数,对环境的极性和荧光团的运动很敏感。


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