螢光

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白光(左)與紫外線(右)下的螢石
含有奎寧通寧水紫外線的照射下發出螢光
長頸瓶中不同尺寸的硒化鎘(CdSe)量子點在紫外線的照射下發出螢光

螢光是一種光致冷發光現象。當某種常溫物質經某種波長的入射光(通常是紫外線X射線)照射,吸收光能後進入激發態,並且立即退激發並發出出射光(通常波長比入射光的的波長長,在可見光波段);而且一旦停止入射光,發光現象也隨之立即消失。具有這種性質的出射光就被稱之為螢光。一般以持續發光時間來分辨螢光或磷光,持續發光時間短於10-8秒的稱為螢光,持續發光時間長於10-8秒的稱為磷光。在日常生活中,人們通常廣義地把各種微弱的光亮都稱為螢光,而不去仔細追究和區分其發光原理。

螢光產生的微觀機制[編輯]

具有螢光性的分子吸收入射光的能量後,其中的電子從基態S_0(通常為自旋單重態)躍遷至具有相同自旋多重度激發態S_2^*,即S_0 + h \nu_{EX} \to S_2^* ,這裡h = 普朗克常數\nu_{EX} = 入射光光子的頻率。處於激發態S_2^*的電子可以通過各種不同的途徑釋放其能量回到基態。比如電子可以從S_2^*經由非常快的(短於  10^{-12} 秒)內轉換過程無輻射躍遷至能量稍低並具有相同自旋多重度的激發態S_1^*S_2^* \to S_1^* ,緊接著從S_1^*以發光的方式釋放出能量回到基態S_0 S_1^* \to S_0 + h \nu_{F},這裡發出的光就是螢光,其頻率為\nu_{F}。由於激發態S_1^*的能量低於S_2^*,故在這一過程中發出的螢光的頻率\nu_{F}低於入射光的頻率\nu_{EX}。螢光態的壽命為  10^{-8}   10^{-5} 秒,這就是前面提到的"立即"退激發的具體含義。通常電子從激發態S_2^*躍遷至S_1^*的內轉換過程非常的快,而且產生螢光的物質的分子可以通過所謂的振動弛豫過程很快地(約  10^{-11} 秒)經由碰撞達到熱平衡,這兩個效應使得絕大部分螢光源自於振動基態S_1^*。總結產生螢光的反應過程為:

S_0 + h \nu_{EX} \to S_2^* \to S_1^* \to S_0 + h \nu_{F}

電子也可以從激發態S_1^*經由系間跨越過程無輻射躍遷至能量較低且具有不同自旋多重度的激發態T_2^*(通常為自旋三重態),再經由內轉換過程無輻射躍遷至激發態T_1^*,然後以發光的方式釋放出能量而回到基態S_0。由於激發態T_1^*和基態S_0具有不同的自旋多重度,這一躍遷過程是被躍遷選擇規則禁戒的,從而需要比釋放螢光長的多的時間(從  10^{-4} 秒到數分鐘乃至數小時不等)來完成這個過程;而且與螢光過程不同,當停止入射光後,物質中還有相當數量的電子繼續保持在亞穩態T_1^*上並持續發光直到所有的電子回到基態。這種緩慢釋放的光被稱為磷光

以上提到的電子退激發的機制可以用Jablonski 圖來表示。

螢光物質的量子效率定義為出射螢光光子數和入射光光子數的比。

此外,就發光細胞而言,螢光的產生是一種氧化反應,因此必須在有氧氣的環境下方能進行。細菌細胞中會產生一種發光酵素(luciferase)及醛類發光基質,而經由氧氣與能量物質的參與,共同反應而發出螢光;與螢火蟲的發光反應很類似。只是二者不同之處在於能量的供應有所不同;螢火蟲的發光能量來自三磷酸腺(ATP),而細菌的發光能量則來自黃素單核酸(FMNH2)。細菌發光的反應式如下。

由於醛類發光基質受到氧化,反應後成為一種酸類,且FMNH2亦氧化成為氧化態的FMN,因此這在化學反應上而言是一個氧化及釋放能量的過程,而釋放出的能量便是以發出螢光的形式表現出來。事實上,自然界中(尤其是海洋中)存在著許多發光細菌,但因這些細菌的分布不夠密集,其微弱的發光現象便因亮度不夠而被我們忽略了。而唯有當大量發光細菌聚集在一起共同發光時,才能形成我們肉眼可以觀看到的發光現象。這也是為什麼通常只在具有發光器的海洋動物中才觀察到生物螢光的原因(發光器中聚集共生著高密度的發光細菌)。

自然界中的螢光現象[編輯]

含有稀土元素的礦物螢石方解石

極光也是高層大氣中的螢光現象。

此外,螢火蟲會利用自身一些發光細胞的生化反應,產生肉眼可見的螢光用來達到傳達訊息及求偶的目的。這種生物性的發光現象我們稱之為「生物螢光」。在大自然中,除了螢火蟲外,尚有許多其他生物可發出生物螢光,例如原生動物、真菌、甲殼類生物、昆蟲、烏賊、水母、低等植物以及細菌等。這些發光的生物中有的是靠自身細胞的生化反應而發光,有些則是靠共生的細菌來發光。

螢光的應用[編輯]

有很多天然和人工合成的材料可以發出螢光,它們有著廣泛的應用。

照明[編輯]

螢光燈

常見的螢光燈就是一個例子。 燈管內部被抽成真空再注入少量的水銀。燈管電極的放電使水銀發出紫外波段的光。這些紫外光是不可見的,並且對人體有害。所以燈管內壁覆蓋了一層稱作磷(熒)光體的物質,它可以吸收那些紫外光並發出可見光。

可以發出白色光的發光二極體(LED)也是基於類似的原理。由半導體發出的光是藍色的,這些藍光可以激發附著在反射極上的磷(熒)光體,使它們發出橙色的螢光,兩種顏色的光混合起來就近似地呈現出白光。

生化和醫藥[編輯]

螢光在生化和醫藥領域有著廣泛的應用。人們可以通過化學反應把具有螢光性的化學基團粘到生物大分子上,然後通過觀察示蹤基團發出的螢光來靈敏地探測這些生物大分子。

實例:

採用螢光標記的鏈終止劑所得到的DNA測序圖
  • 用於對DNA進行自動測序鏈末端終止法:在原初的方法中,需要對DNA的引子端進行螢光標記,以便在測序凝膠板上確定DNA色帶的位置。在改進的方法中,對作為鏈終止劑的4種雙脫氧核苷酸(ddTBP)分別進行螢光標記,電泳結束後不同長度的DNA分子彼此分開,經紫外線照射,4種被標記的雙脫氧核苷酸發出不同波長的螢光。通過分析螢光的光譜便可以分辨出DNA的序列。
  • DNA探測:溴化乙啶是一種螢光染料,當它在溶液中自由改變構型時,只能發出很弱的螢光;當它嵌入核酸雙鏈的鹼基對之間與DNA分子結合後,便可以發出很強的螢光。因此在凝膠電泳中,一般加入溴化乙啶對DNA染色。
  • DNA微陣列生物晶片):需要對基因組探針進行螢光標記,最後通過螢光信號確定靶標序列。
  • 免疫學中的免疫螢光檢查法:對抗體進行螢光標記,從而可以根據螢光的分布和形態確定抗原的部位和性質。
  • 流式細胞儀(又稱螢光激活細胞分選器,FACS) :對樣本細胞進行螢光標記,再用雷射束激發使之產生特定的螢光,然後用光學系統檢測並將信號傳輸到計算機進行分析,從而得到細胞相應的各種特性。
  • 螢光技術還被應用於探測和分析DNA及蛋白質的分子結構,尤其是比較複雜的生物大分子。
  • 水母發光蛋白最早是從海洋生物維多利亞多管發光水母中分離出來的。當它與Ca2+離子共存時,可以發出綠色的螢光。這一性質已經被應用於實時觀察細胞內Ca2+離子的流動。水母發光蛋白的發現推動了人們進一步研究海洋水母並發現了綠色螢光蛋白(Green Fluorescent Protein,GFP)。綠色螢光蛋白的多肽鏈中含有特殊的生色團結構,無需外加輔助因子或進行任何特殊處理,便可以在紫外線的照射下發出穩定的綠色螢光,作為生物分子或基因探針具有很大的優越性,所以綠色螢光蛋白及相關蛋白已經成為生物化學和細胞生物學研究的重要工具。
  • 螢光顯微成像技術:全內反射螢光顯微鏡

很多生物分子具有內稟的螢光性,不需要外加其他化學基團就可以發出螢光。有時候這種內稟的螢光性會隨著環境的改變而改變,從而可以利用這種對環境變化敏感的螢光性來探測分子的分布和性質。例如膽紅素血清白蛋白的一個特殊位點結合時,可以發出很強的螢光。又如當血紅細胞中缺少鐵或者含有鉛時,會產生出鋅原卟啉而不是正常的血紅素(血紅蛋白);鋅原卟啉具有很強的螢光性,可以用來幫助檢測病因。

寶石學礦物學取證學[編輯]

寶石礦物纖維以及其他一些可以作為犯罪取證的材料可以在紫外線或者X射線的照射下發出不同性質的螢光。

紅寶石翡翠鑽石可以在短波長的紫外線下發出紅色的螢光,綠寶石黃晶(黃玉)、珍珠也可以在紫外線下發出螢光。鑽石還可以在X射線下發出磷光。

印刷防偽技術[編輯]

現時大部分國家之鈔票證件等須要防偽的物品都會利用特殊的油墨於紫外線下發出螢光的特點防偽,但是製造認真的偽鈔可以偽造這一點頁特徵。

需要和螢光區分開來的幾個概念[編輯]

由光照(通常是紫外線X射線)激發所引起的發光稱為光致發光,例如螢光和磷光;由化學反應所引起的發光稱為化學發光,例如演唱會上用的螢光棒是通過兩種化學液體混合後發生化學反應發光的;由陰極射線(高能電子束流)所引起的發光稱為陰極射線發光,電視機顯現管的螢光屏發光就是陰極射線發光;生物體的冷發光現象是生物發光,比如螢火蟲發出的光是「螢光」。「螢」字在古漢語中與「熒」字通假;在部分華文地區,「螢」字使用在與昆蟲有關者。熒光台灣多稱螢光;在中國大陸多稱熒光,而「螢光」則通常是指螢火蟲或其他生物的發出的光。

相關連結[編輯]

外部連結[編輯]