螢光光譜基礎,螢光光譜儀的原理和應用

1.什麼是螢光？

　　物體經過較短波長的光照，把能量儲存起來，然後緩慢發出較長波長的光，發出的這種光就叫螢光。物質在吸收入射光的過程中，光子能量傳遞給物質分子。分子被激發，電子從較低能級躍遷到較高能級，形成電子激發態分子。電子的激發態的多重態用2s+1表示，s為自旋角動量量子數的代數和，數值為0或1。分子中同一軌道裡所佔據的兩個電子必須具有相反的自旋方向，即自旋配對。分子中全部電子都自旋配對，即s=0，該分子處於單重態，用S表示。若分子吸收能量後電子躍遷過程中不發生自旋方向的變化，這時分子處於激發的單重態；若躍遷伴隨自旋方向改變，這時分子具有兩個自旋不配對的電子，即s=1，分子處於激發的三重態，符號T表示。符號S0、S1和S2分別表示分子的基態、第一和第二電子激發單重態，T1和T2則分別表示第一和第二電子激發三重態。

圖1 分子的激發與失活過程

　　激發態的分子不穩定，可以通過輻射躍遷（螢光、磷光）和非輻射躍遷（振動弛豫、內轉換、外轉換、系間竄越）的失活過程返回基態。螢光是分子從第一激發單重態的最低振動能級躍遷到基態各振動能級時所產生的光子輻射，螢光輻射能比激發能量低，螢光波長大於激發波長。螢光發射時間為10-9~10-7s，多為S1→S0躍遷。磷光是分子從第一激發三重態的最低振動能級躍遷到基態各振動能級時所產生的光子輻射，磷光輻射能比螢光輻射能量低，磷光波長大於螢光波長。磷光發射時間為10-4~10s，多為T1→S0躍遷。

　　

2.什麼是螢光光譜？

　　任何螢光化合物都具有兩個特徵光譜：激發光譜和發射光譜。激發光譜反映了某一固定的發射波長下所測量的螢光強度對激發波長的依賴關係；發射光譜反映了某一固定激發波長下所測量的螢光的波長分布。

圖2 室溫下菲的乙醇溶液的激發光譜和熒(磷)光光譜

　　螢光光譜能夠提供激發譜、發射譜、峰位、峰強度、量子產率、螢光壽命、螢光偏振度等信息，螢光分析定性和定量的基礎。

　　螢光光譜的特點：（1）Stokes位移。激發光譜與發射光譜之間有波長差，發射光譜波長比激發光譜波長長；（2）發射光譜的形狀與激發波長無關；（3）鏡像規則，螢光發射光譜與它的吸收光譜成鏡像對稱關係。

　　

3.什麼是螢光壽命？

　　螢光物質具有兩個重要的發光參數：螢光壽命和螢光量子產率。螢光壽命（τ）是指當激發停止後，分子的螢光強度降到激發時最大強度的1/e所需的時間，它表示粒子在激發態存在的平均時間，通常稱為激發態的螢光壽命。與穩態螢光提供一個平均信號不同，螢光壽命提供的是激發態分子的信息，前者可以告訴你事情發生了，而後者可以告訴你為什麼發生。

圖3 螢光壽命示意圖

　　螢光壽命與物質所處微環境的極性、黏度等有關，可以通過螢光壽命分析直接了解所研究體系發生的變化。螢光現象多發生在納秒級，這正好是分子運動所發生的的時間尺度，因此利用螢光技術可以「看」到許多複雜的分子間作用過程，例如超分子體系中分子間的簇集、固液界面上吸附態高分子的構象重排、蛋白質高級結構的變化等。螢光壽命分析在光伏、法醫分析、生物分子、納米結構、量子點、光敏作用、鑭系元素、光動力治療等領域均有應用。

　　螢光壽命的測定技術有時間分辨單光計數技術(TCSPC)、相調法、閃頻法。其中TCSPC具有靈敏度高、測定結果準確、系統誤差小的優點，是目前最流行的的螢光壽命測定方法。

　　

4.什麼是螢光量子產率？

　　螢光量子產率（φf）是螢光物質另一個基本參數，它表示物質發生螢光的能力，數值在0~1之間。螢光量子效率是螢光輻射與其他輻射和非輻射躍遷競爭的結果。

　　式中， kf為螢光發射過程的速率常數， ∑ki為其他有關過程的速率常數總和。一般來說， kf主要決定於化學結構，而 ∑ki主要決定於化學環境，同時也與化學結構有關。

　　

5.分子結構與螢光？

　　並不是所有的分子都能產生螢光，分子產生螢光必須具有：合適的結構和一定的螢光量子產率。螢光產生與分子結構的關係如下：

　　（1）電子躍遷類型。大多數螢光化合物都是由π→π*或n→π*躍遷激發，然後經過振動弛豫或其他非輻射躍遷，在發生π*→π或π*→n躍遷而產生螢光，其中π*→π螢光效率最高。

　　（2）共軛效應。含有π*→π躍遷能級的芳香族化合物的螢光最常見且最強。具有較大共軛體系或脂環羰基結構的脂肪族化合物也可能產生螢光。

　　（3）取代基效應。苯環上有吸電子基常常會妨礙螢光的產生，而給電子基會使螢光增強。

　　（4）平面剛性結構。具有平面剛性結構的有機分子大多具有強烈螢光，因為該結構可降低分子振動，減少與溶劑的相互作用。

　　

6.什麼是螢光分析？

　　螢光分析就是基於物質的光致發光現象而產生的螢光的特性及其強度進行物質的定性和定量的分析方法。目前，也廣泛地作為一種表徵技術來研究體系的物理、化學性質及其變化情況，例如生物大分子構象及性質的研究。

　　螢光光譜適用於固體粉末、晶體、薄膜、液體等樣品的分析。根據樣品分別選配石英池（液體樣品）或固體樣品架（粉末或片狀樣品）。

　　螢光光譜分析可與顯微鏡耦合，獲得微區分析結果。螢光是無損傷、非接觸的分析技術，還可用於自動檢驗、批量篩分、遠程原位分析和活體分析。

　　

螢光分析的優點：

（1）靈敏度高；

（2）選擇性強；

（3）試樣量少、方法簡單；

（4）提供較多的物理參數。但是也存在應用範圍不夠廣泛、對環境敏感（幹擾因素多）等缺點。

　　

7.螢光光譜定性分析依據？

　　不同結構螢光化合物都有特徵的激發光譜和發射光譜，因此可以將螢光物質的激發光譜與發射光譜的形狀、峰位與標準溶液的光譜圖進行比較，從而達到定性分析的目的。

　　

8.螢光光譜定量分析原理？

　　在低濃度時，溶液的螢光強度與螢光物質的濃度成正比：F=Kc。其中，F為螢光強度，c為螢光物質濃度，K為比例係數。這就是螢光光譜定量分析的依據。

　　上述關係不適用於螢光物質濃度過高時，螢光物質濃度過高，其螢光強度反而降低。原因有：

　　（1）內濾效應。一是，當溶液濃度過高時，溶液中雜質對入射光的吸收作用增大，相當於降低了激發光的強度。二是，濃度過高時，入射光被液池前部的螢光物質強烈吸收，處於液池中、後部的螢光物質，則因受到入射光大大減弱而使螢光強度大大降低；而儀器的探測窗口通常對準液池中部，從而導致檢測到的螢光強度大大降低。

　　（2）相互作用。較高濃度溶液中，可發生溶質間的相互作用，產生螢光物質的激發態分子與其基態分子的二聚物或其他溶質分子的複合物，從而導致螢光光譜的改變和/或螢光強度下降。當濃度更大時，甚至會形成螢光物質的基態分子聚集體，導致螢光強度更嚴重下降。

　　（3）自淬滅。螢光物質的發射光譜與其吸收光譜呈現重疊，便可能發生所發射的螢光被部分再吸收的現象，導致螢光強度下降。溶液濃度增大時會促使再吸收現象加劇。

　　當然，螢光強度的影響因素還有溶劑、溫度、pH值、散射光等，在定量分析中需要加以考慮。

　　螢光光譜定量分析的計算與其他光譜類似，包括標準曲線法、比例法等。

　　

9.什麼是螢光淬滅？

　　螢光物質分子與溶劑分子或其他溶質分子相互作用引起螢光強度降低的現象就是螢光淬滅。引起螢光淬滅的物質稱為螢光淬滅劑，如滷素離子、重金屬離子、氧分子、硝基化合物、重氮化合物、羰基、羧基化合物等。螢光淬滅的主要形式有：碰撞淬滅（最主要的）、靜態淬滅、轉入三重態淬滅、發生電荷轉移反應的淬滅、自淬滅。

　　基於螢光物質所發出的螢光被分析物淬滅，隨著被分析物濃度增加，溶液的螢光強度降低，建立了螢光淬滅法。可以用來監控溶液中的微量氧、某些無機化合物的測定等。

　　

10.螢光光譜的應用領域？

　　螢光光譜已應用於很多不同領域，特別是需要無損、顯微、化學分析、成像分析的場合。無論是需要定性還是定量的數據，螢光分析都能快速、簡便地提供重要信息。

圖4 螢光光譜的應用領域

螢光光譜儀的原理和應用

　目前螢光分析法已經發展成為一種重要且有效的光譜化學分析手段。在我國，50年代初期僅有極少數的分析化學工作者從事螢光分析方面的研究工作，但到了70年代後期，螢光分析法已引起國內分析界的廣泛重視，在全國眾多的分析化學工作者中，已逐步形成一支從事這一領域工作的隊伍。

　　

一、螢光分析特點

　　（1）螢光分析的主要特點是靈敏度高、選擇性好，螢光分析的靈敏度要比吸收光譜測量高2-3個數量級。分光光度法通常在 10-7 級，而螢光的靈敏度達10-9。

　　（2）強選擇性強，螢光物質具有兩種特徵光譜：激發光譜和吸收光譜，相對於分光光度法單一的吸收光譜來說，螢光光譜可根據激發光譜和發射光譜來鑑定物質。

　　（3）信息量豐富，能提供螢光物質的多種參數。

　　（4）但是螢光分析方法也有其不足之處：①很多物質本身不發螢光；②螢光的產生與化合物結構的關係不明確；③幹擾因素多，光分解、氧淬滅、易汙染。

　　

二、主要應用領域

　　（1）在生物領域的應用

　　該領域主要用於臨床測定生物樣品中某些成分的含量，生物技術及免疫技術的分析等，如脫氧核糖和脫氧核糖核酸的含量測定、DNA、抗體、抗原等各方面的研究。在此領域中主要時利用各種螢光探針進行分析檢測，主要分為生物納米螢光探針和生物非納米螢光探針。

　　其中納米技術的興起，打開了螢光分析的又一個新的領域。由於納米材料具有很好的螢光性，寬激發，窄發射等優良的光譜特點，使其成為螢光分析中的重要的研究對象，引起了研究者的興趣。

　　（2）在食品領域的應用

　　該領域主要用於食品中礦物質及金屬元素、胺基酸、維生素、菌類汙染、添加劑、防腐劑、食品包裝有害物質、農藥殘留等的分析檢測。特別是與HPLC、TLC、FIA等技術的結合可以更好的達到食品中各種物質的檢測效果。

　　目前我國食品標準日趨國際化，對於食品分析的要求也越來越趨向於靈敏和微量化。螢光分析正可以滿足這方面的分析要求。

　　（3）在藥物分析中的應用

　　藥物分析領域可以利用螢光分析進行藥物的有效成分鑑定、藥物代謝動力學研究、臨床藥理藥效分析等。藥物螢光分析可以分為三類：直接螢光分析、間接螢光分析和納米螢光分析。常規螢光分析法最早被應用於分析抗瘧疾藥物奎寧，隨著螢光分析法的發展，其應用範圍日益擴大，目前被廣泛用於抗菌素藥物、止痛藥、鎮靜劑、止血藥等的分析。

　　（4）在環境分析中的應用

　　該領域主要利用螢光分析檢測環境中的物質的含量，主要是對水體、礦石和土壤進行檢測。隨著有機化工、石油化工、醫藥工業的發展, 以及農藥( 殺蟲劑、除草劑等) 的大量使用, 有機化合物對環境的危害和汙染日益嚴重。

　　

目前被列入有機汙染物監測國家標準方法中的螢光分析法有；冷原子螢光法對有機汞的測定；乙醯化濾紙層析螢光分光光度法對大氣飄塵和水體中苯並( a) 芘的測定；酚類 、木質磺酸酯、多環芳烴( 芘、螢、蒽) [ PASH]的螢光分析法測定等。