干货│荧光光谱入门(一)：荧光光谱基础

1.什么是荧光？

物体经过较短波长的光照，把能量储存起来，然后缓慢发出较长波长的光，发出的这种光就叫荧光。物质在吸收入射光的过程中，光子能量传递给物质分子。分子被激发，电子从较低能级跃迁到较高能级，形成电子激发态分子。电子的激发态的多重态用2s+1表示，s为自旋角动量量子数的代数和，数值为0或1。分子中同一轨道里所占据的两个电子必须具有相反的自旋方向，即自旋配对。分子中全部电子都自旋配对，即s=0，该分子处于单重态，用S表示。若分子吸收能量后电子跃迁过程中不发生自旋方向的变化，这时分子处于激发的单重态；若跃迁伴随自旋方向改变，这时分子具有两个自旋不配对的电子，即s=1，分子处于激发的三重态，符号T表示。符号S₀、S₁和S₂分别表示分子的基态、第一和第二电子激发单重态，T₁和T₂则分别表示第一和第二电子激发三重态。

图1 分子的激发与失活过程

激发态的分子不稳定，可以通过辐射跃迁（荧光、磷光）和非辐射跃迁（振动弛豫、内转换、外转换、系间窜越）的失活过程返回基态。荧光是分子从第一激发单重态的最低振动能级跃迁到基态各振动能级时所产生的光子辐射，荧光辐射能比激发能量低，荧光波长大于激发波长。荧光发射时间为10^-9~10^-7s，多为S₁→S₀跃迁。磷光是分子从第一激发三重态的最低振动能级跃迁到基态各振动能级时所产生的光子辐射，磷光辐射能比荧光辐射能量低，磷光波长大于荧光波长。磷光发射时间为10^-4~10s，多为T₁→S₀跃迁。

2.什么是荧光光谱？

任何荧光化合物都具有两个特征光谱：激发光谱和发射光谱。激发光谱反映了某一固定的发射波长下所测量的荧光强度对激发波长的依赖关系；发射光谱反映了某一固定激发波长下所测量的荧光的波长分布。

图2 室温下菲的乙醇溶液的激发光谱和荧(磷)光光谱

荧光光谱能够提供激发谱、发射谱、峰位、峰强度、量子产率、荧光寿命、荧光偏振度等信息，荧光分析定性和定量的基础。

荧光光谱的特点：（1）Stokes位移。激发光谱与发射光谱之间有波长差，发射光谱波长比激发光谱波长长；（2）发射光谱的形状与激发波长无关；（3）镜像规则，荧光发射光谱与它的吸收光谱成镜像对称关系。

3.什么是荧光寿命？

荧光物质具有两个重要的发光参数：荧光寿命和荧光量子产率。荧光寿命（τ）是指当激发停止后，分子的荧光强度降到激发时最大强度的1/e所需的时间，它表示粒子在激发态存在的平均时间，通常称为激发态的荧光寿命。与稳态荧光提供一个平均信号不同，荧光寿命提供的是激发态分子的信息，前者可以告诉你事情发生了，而后者可以告诉你为什么发生。

图3 荧光寿命示意图

荧光寿命与物质所处微环境的极性、黏度等有关，可以通过荧光寿命分析直接了解所研究体系发生的变化。荧光现象多发生在纳秒级，这正好是分子运动所发生的的时间尺度，因此利用荧光技术可以“看”到许多复杂的分子间作用过程，例如超分子体系中分子间的簇集、固液界面上吸附态高分子的构象重排、蛋白质高级结构的变化等。荧光寿命分析在光伏、法医分析、生物分子、纳米结构、量子点、光敏作用、镧系元素、光动力治疗等领域均有应用。

荧光寿命的测定技术有时间分辨单光计数技术(TCSPC)、相调法、闪频法。其中TCSPC具有灵敏度高、测定结果准确、系统误差小的优点，是目前最流行的的荧光寿命测定方法。

4.什么是荧光量子产率？

荧光量子产率（φ_f）是荧光物质另一个基本参数，它表示物质发生荧光的能力，数值在0~1之间。荧光量子效率是荧光辐射与其他辐射和非辐射跃迁竞争的结果。

式中， k_f为荧光发射过程的速率常数， ∑k_i为其他有关过程的速率常数总和。一般来说， k_f主要决定于化学结构，而 ∑k_i主要决定于化学环境，同时也与化学结构有关。

5.分子结构与荧光？

并不是所有的分子都能产生荧光，分子产生荧光必须具有：合适的结构和一定的荧光量子产率。荧光产生与分子结构的关系如下：

（1）电子跃迁类型。大多数荧光化合物都是由π→π*或n→π*跃迁激发，然后经过振动弛豫或其他非辐射跃迁，在发生π*→π或π*→n跃迁而产生荧光，其中π*→π荧光效率最高。

（2）共轭效应。含有π*→π跃迁能级的芳香族化合物的荧光最常见且最强。具有较大共轭体系或脂环羰基结构的脂肪族化合物也可能产生荧光。

（3）取代基效应。苯环上有吸电子基常常会妨碍荧光的产生，而给电子基会使荧光增强。

（4）平面刚性结构。具有平面刚性结构的有机分子大多具有强烈荧光，因为该结构可降低分子振动，减少与溶剂的相互作用。

6.什么是荧光分析？

荧光分析就是基于物质的光致发光现象而产生的荧光的特性及其强度进行物质的定性和定量的分析方法。目前，也广泛地作为一种表征技术来研究体系的物理、化学性质及其变化情况，例如生物大分子构象及性质的研究。

荧光光谱适用于固体粉末、晶体、薄膜、液体等样品的分析。根据样品分别选配石英池（液体样品）或固体样品架（粉末或片状样品）。

荧光光谱分析可与显微镜耦合，获得微区分析结果。荧光是无损伤、非接触的分析技术，还可用于自动检验、批量筛分、远程原位分析和活体分析。

荧光分析的优点：（1）灵敏度高；（2）选择性强；（3）试样量少、方法简单；（4）提供较多的物理参数。但是也存在应用范围不够广泛、对环境敏感（干扰因素多）等缺点。

7.荧光光谱定性分析依据？

不同结构荧光化合物都有特征的激发光谱和发射光谱，因此可以将荧光物质的激发光谱与发射光谱的形状、峰位与标准溶液的光谱图进行比较，从而达到定性分析的目的。

8.荧光光谱定量分析原理？

在低浓度时，溶液的荧光强度与荧光物质的浓度成正比：F=Kc。其中，F为荧光强度，c为荧光物质浓度，K为比例系数。这就是荧光光谱定量分析的依据。

上述关系不适用于荧光物质浓度过高时，荧光物质浓度过高，其荧光强度反而降低。原因有：

（1）内滤效应。一是，当溶液浓度过高时，溶液中杂质对入射光的吸收作用增大，相当于降低了激发光的强度。二是，浓度过高时，入射光被液池前部的荧光物质强烈吸收，处于液池中、后部的荧光物质，则因受到入射光大大减弱而使荧光强度大大降低；而仪器的探测窗口通常对准液池中部，从而导致检测到的荧光强度大大降低。

（2）相互作用。较高浓度溶液中，可发生溶质间的相互作用，产生荧光物质的激发态分子与其基态分子的二聚物或其他溶质分子的复合物，从而导致荧光光谱的改变和/或荧光强度下降。当浓度更大时，甚至会形成荧光物质的基态分子聚集体，导致荧光强度更严重下降。

（3）自淬灭。荧光物质的发射光谱与其吸收光谱呈现重叠，便可能发生所发射的荧光被部分再吸收的现象，导致荧光强度下降。溶液浓度增大时会促使再吸收现象加剧。

当然，荧光强度的影响因素还有溶剂、温度、pH值、散射光等，在定量分析中需要加以考虑。

荧光光谱定量分析的计算与其他光谱类似，包括标准曲线法、比例法等。

9.什么是荧光淬灭？

荧光物质分子与溶剂分子或其他溶质分子相互作用引起荧光强度降低的现象就是荧光淬灭。引起荧光淬灭的物质称为荧光淬灭剂，如卤素离子、重金属离子、氧分子、硝基化合物、重氮化合物、羰基、羧基化合物等。荧光淬灭的主要形式有：碰撞淬灭（最主要的）、静态淬灭、转入三重态淬灭、发生电荷转移反应的淬灭、自淬灭。

基于荧光物质所发出的荧光被分析物淬灭，随着被分析物浓度增加，溶液的荧光强度降低，建立了荧光淬灭法。可以用来监控溶液中的微量氧、某些无机化合物的测定等。

10.荧光光谱的应用领域？

荧光光谱已应用于很多不同领域，特别是需要无损、显微、化学分析、成像分析的场合。无论是需要定性还是定量的数据，荧光分析都能快速、简便地提供重要信息。

图4 荧光光谱的应用领域

参考文献：叶宪曾, 张新祥. 仪器分析教程[M]. 北京: 北京大学出版社, 2007.

本文由材料人编辑部纳米学术组Roay供稿，材料牛编辑整理。

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