木材的螢光現象之一「光致光」

楓亞(張久銘)/文

木材的螢光現象包括兩種含義：

一種指部分樹種的材表或浸出液受到紫外-日光照射時可發出並非反射光的發射光，又稱光致光現象。

另一種指的是約定俗成並流行於坊間的，對於材料審美的某種認知。具體講就是部分材料的切面受到光照後，其中具有晶瑩感的區域可隨光而動，是移步換景現象一種。本文只就前者，即木材的光致光現象展開，第二種含義所指的螢光現象另文論述。

1.木材螢光現象的一般性描述

木材的光致發光現象(冷光現象) ①

當物質受到外來光線的照射時，並非因溫度升高而發射可見光的現象，稱為光致發光現象。有些樹種的木材，其水抽提液或木材表面在紫外光輻射的作用下，能夠發出可見光，這種現象稱為木材的光致發光現象(也被稱為「螢光現象」)。這種發光的顏色和程度雖然因樹種而異，但大致可以分為綠色和藍色。光致發光現象是由於木材中的某種化學物質具有與螢光物質相似的性質，受紫外線的激發作用，發出了長於紫外線波長的光。當這種光的波長進入可見光的範圍時，就使人們能夠觀察到木材的光致發光現象。

2.木材螢光現象的定義②

中文名稱：木材螢光現象

英文名稱：fluorescence of wood

學科：材料科學技術_天然材料_木材_總論

定義：部分木材抽提物受紫外線照射時所發出的比紫外線波長更長而振動頻率較低的弱光現象。 (全國科學技術名詞審定委員會2011年公布)

3.螢光現象的發現③

第一次記錄螢光現象的是西班牙的醫生和植物學家 N. Monardes，1575 年他發現在含有一種被稱為 「Ligum Nephriticum」的木頭切片水溶液中呈現出了可愛的天藍色 。之後也陸續有學者觀察和描述過螢光現象，但對其本質認識都沒有明顯的進展。直到1852年，英國數學和物理學家Stokes經過觀測研究後 ，提出 了螢光是光發射的概念，並首次使用了「螢光」這一術語。

4.螢光發光原理③④

A.一般描述

有些常溫物質，當受到某種波長的入射光(通常是紫外線)照射，吸收光能後進入激發態，並且立即被激發而發出比入射光波長更長的出射光，通常波長在可見光波段(不是全部)；該入射光一旦消失，發光現象也隨之消失。具有這種性質的出射光就被稱之為螢光。

B.原理

螢光分子受到紫外線照射吸收光能後進入激發態，分子中的原子核外電子由原來的軌道躍遷到了能級更高的軌道，即從基態躍遷到第一激發單重態或第二激發單重態等。處於激發態的分子是不穩定的，無論分子最初處於哪一個激發單重態，通過內轉換及振動弛豫，均可返回到第一激發單重態的最低振動能級，然後再以輻射形式發射光子而返回至基態的任一振動能級上，這時發射的光量子稱為螢光。

5.螢光技術之於木材識別的意義⑤

傳統的木材識別方法是建立在木材解剖學基礎之上，單純依據木材及其解剖構造特徵進行的，由於較難或無法得到諸如皮、根、葉、花、果等直觀特徵的配合，一般只能鑑定到「屬」或「類」。繼而學者們相繼開展了木材DNA條形碼技術、穩定同位素技術、化學分類法、基於計算機圖像處理和AI識別技術、以及基於木材表面光澤度、色度等物理指標分布特徵等多種分類方法的研究，推動了木材識別水平的提高，逐步向樹種級的木材識別靠近。木材識別手段之一的螢光法也繼傳統的目測螢光鑑別後發展出先進的螢光分析法(螢光光譜法)。

6.傳統的螢光鑑別方法

一些木材的粉末或木片在紫外光的照射下便可直接觀察到螢光現象，因此依據目測下螢光的有無即可以對一些木種做出鑑別。(此種方法提供的有效信息是螢光的有或無)

由於木材本身具有比較複雜的化學成分，各成分之間由於相互幹擾可能影響螢光的表現，因此用水或有機溶劑對木材抽提物進行浸提，將螢光物質提取到溶劑中然後再通過紫外燈的照射進行鑑別的方法突破了之前的局限，提高了螢光法鑑別的準確度。(此種方法提供的有效信息包括螢光的有無、螢光的顏色和螢光的強弱)

實踐證明，通過觀察木材的螢光現象，利用螢光獨有的特性，可以快速有效地識別木材的特定特徵，是一種有效的輔助鑑別方法。但是，傳統的螢光鑑別手段多依賴於觀察者的個人感受和經驗結果不夠客觀，有較大的局限性。雖然如此，限於知識和設備的局限，簡單易行的傳統螢光鑑別方法仍然是坊間應用於木材識別的主流輔助手段。作為「輔助手段」，其觀察結果還是有一定參考價值的。

7.螢光光譜法⑥

A.一般描述

不同樹種的木材中，螢光物質的分子結構及各螢光組分的含量都有一定的差別，因此產生的螢光光譜也會存在一定的差異性，可以運用多種測試技術研究木材的螢光光譜性質，然後根據圖譜的差異性對木材進行鑑別。螢光光譜法能提供諸如激發波長、發射波長、發光強度、發光壽命、量子產率等許多精確信息，可以對具體的螢光表現進行定性和定量分析，是一種重要的痕量分析方法。

B.名詞淺釋

⑴最佳激發波長

激發波長即入射光的波長，是指可以激發螢光物質，從而使其產生螢光的波長。而有效激發波長指的是能激發螢光物質產生螢光的入射光波長，它表示的是一個波段範圍。其中，與產生螢光的相對強度達到最大值時所對應的激發波長則稱之為最佳激發波長。

⑵螢光峰值波長

螢光峰值波長是指螢光相對強度達到最大值時所對應的發射波長，即螢光峰頂點對應的波長。

⑶螢光強度

螢光強度是對螢光物質所發射出的螢光強弱的描述。由於螢光強度的大小受到很多因素的影響，故測得的螢光強度只是一個相對值，單位是任意單位。

⑷螢光壽命

螢光壽命是指螢光強度在激發光停止激發後衰減到初始強度的1/e所需要的時間。它也可以理解為是螢光分子在S1激發態的平均停留時間。

⑸螢光量子產率

螢光量子產率是指物質發射螢光的光子數與吸收的激發光的光子數的比值。

8.專業螢光測試中常用的三種溶劑

由於對木材中螢光物質的化學性質尚不清楚，故測試者常選用水、乙醇、及乙酸乙酯這三種比較有代表性的溶劑對其浸提，然後進行測試。其中乙醇是親水性的有機溶劑，乙酸乙酯是親脂性的有機溶劑。

9.木材的螢光表現中若干規律性的東西

⑴很多樹種中含有螢光物質。

如檀香紫檀、染料紫檀、大果紫檀、刺蝟紫檀等一些紫檀屬的樹種、交趾黃檀、蛇紋木、刺槐等等。國外學者的研究結論⑦：豆科、芸香科、和漆樹科中的大部分樹種都存在螢光現象。

⑵不同樹種中所含螢光物質可能不同。

木材螢光發出的顏色因樹種而異，大致可以分為藍色系和綠色系，個別綠中偏黃。如：同為水的浸出液，檀香紫檀的螢光顏色偏藍而蛇紋木的螢光顏色則藍中含綠。不同顏色說明發射光波長不同。

⑶同一樹種的木材中可能含有不止一種螢光物質

使用不同的溶劑進行浸提時，螢光的顏色會有不同⑤。如：檀香紫檀、染料紫檀、非洲紫檀等木材的水浸提液的螢光是藍色的，而乙酸乙酯浸提液的螢光則是黃色的。大果紫檀水浸提液的螢光是藍色的；乙醇浸提液的螢光是黃綠色，而乙酸乙酯浸提液的螢光則是淺綠色。從物質的適溶性角度理解，同一樹種的木材中可能含有不止一種螢光物質。

⑷有些樹種中的螢光物質對乙醇和水雙溶。

筆者曾做過的實驗：首先將檀香紫檀木粉用乙醇進行浸提，然後用紫外燈對該浸提液照射，由於乙醇浸提液溶出了大量紅色素，所以紫外燈照射時無法判斷螢光的有無。而後將該浸提液置於空氣中自然揮發至淨(成為膏狀物)，再注入常溫的純淨水對該膏狀物進行浸泡，4小時之後用紫外燈對之照射時螢光顯現。見下圖

▲檀香紫檀浸出液實驗組圖

⑸有些樹種的心邊材均有螢光；另些樹種心材有螢光邊材無螢光。

實驗結果表明⑧：檀香紫檀和刺蝟紫檀的心邊材均具螢光，螢光為藍色；染料紫檀和非洲紫檀的邊材在7天檢測時間內沒有觀察到螢光。見下圖

▲紫檀屬兩個樹種的心邊材螢光表現比較

⑹有些樹種的螢光實驗目測時不見，但光譜儀測量圖譜卻證實有螢光物質存在。

由於兩版(2000版&2017版)《紅木標準》對交趾黃檀的描述中均沒有像紫檀屬的許多木材那樣提到其螢光表現，因此人們普遍認為交趾黃檀中是不含螢光物質的，然而光譜儀的測量結果卻表明交趾黃檀中存在螢光物質。發射光圖譜和數據列表顯示⑨：見下圖

▲交趾黃檀浸出液的發射光譜及數據列表

通過圖譜和數據列表我們了解到：三種浸出液的最強發射波長都不在可見光範圍(可見光波段:380～780nm)。即使考慮到發射光的波長是一個波段，其中可能包括一部分可見光，那進入可見光的部分也只是一個微弱的存在。所以人們的肉眼觀察不到或難以感知到交趾黃檀浸出液的螢光存在。

參考資料：

1.劉一星版《木材學》 (2014,7/P187）

2.材料科學技術名詞.(第一版)

3.科普中國-百度百科.(唐浩宇/振動馳豫)

4.科普中國-百度百科.(楊劍虹/螢光分析法)

5.提取條件對紫檀屬木材性能的影響.(木材工業.2019.3.劉波等)

6.木材浸提物的螢光光譜及其在木材識別中的應用.(陳玲,2018,6)

7.(Dyer S T.《南非本土樹木的木材螢光》[J]1988,9）

8.紫檀屬木材螢光性能種間差異和心邊材差異.(木材工業.2019,5/劉波等)

9.螢光分析技術在交趾黃檀中的應用.(廣東化工,2017,第六期/張韜,吳臻)

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