熒光原理及影響熒光性質(zhì)測(cè)試的因素

王 穩(wěn)1 朱倩倩2

(1.河南警察學(xué)院 刑事科學(xué)技術(shù)系，鄭州 450046；2. 鄭州大學(xué) 化學(xué)學(xué)院，鄭州 450001)

1 熒光原理

某些物質(zhì)被激發(fā)后會(huì)發(fā)射出各種顏色和不同強(qiáng)度的光線，當(dāng)輻射停止時(shí)，所發(fā)射的光線即很快消失，這種現(xiàn)象稱為熒光。當(dāng)分子通過(guò)吸收輻射能而被激發(fā)時(shí)，所產(chǎn)生的熒光稱為光致發(fā)光。本文討論的熒光測(cè)量是光致發(fā)光現(xiàn)象。

熒光的形成總是從分子的第一電子激發(fā)單重態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)開(kāi)始的，與熒光體被激發(fā)到哪一個(gè)電子態(tài)無(wú)關(guān)，所以分子熒光光譜的形狀(或譜線輪廓)通常與激發(fā)光波長(zhǎng)無(wú)關(guān)；在激發(fā)光與發(fā)射光之間存在著一定的能量損失，所以在溶液熒光光譜中所觀察到的熒光的波長(zhǎng)總是大于激發(fā)光的波長(zhǎng)，這種波長(zhǎng)移動(dòng)的現(xiàn)象稱為斯托克斯(Stokes)位移；在室溫下，分子絕大多數(shù)處于電子基態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)，因此，吸收光譜(又稱激發(fā)光譜)中的第一吸收帶的形狀取決于第一電子激發(fā)態(tài)中振動(dòng)能級(jí)的分布情況。而分子熒光光譜的形成是激發(fā)態(tài)分子從第一電子激發(fā)態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)輻射躍遷至基態(tài)的各個(gè)不同振動(dòng)能級(jí)所產(chǎn)生的，其形狀由基態(tài)振動(dòng)能級(jí)的分布情況決定。一般情況下，基態(tài)和第一電子激發(fā)態(tài)中振動(dòng)能級(jí)的分布情況是相似的。由此，分子的熒光光譜和吸收光譜(激發(fā)光譜)形狀是相似的并呈鏡象對(duì)稱關(guān)系[1]。

Φ數(shù)值在 0～1 之間。它的大小取決于物質(zhì)分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)及環(huán)境(溫度、pH 、溶劑等)[2]。

相比于相對(duì)熒光量子產(chǎn)率測(cè)量，絕對(duì)熒光量子產(chǎn)率測(cè)量應(yīng)用更為廣泛。因?yàn)楹笳邿o(wú)需標(biāo)準(zhǔn)樣品，可適用于液體、薄膜和粉末樣品。采用愛(ài)丁堡FLS980穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)熒光光譜儀，結(jié)合光致發(fā)光量子產(chǎn)率附件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液體和固體樣品絕對(duì)量子產(chǎn)率的測(cè)量。

當(dāng)某種物質(zhì)被一束激光激發(fā)后，該物質(zhì)的分子吸收能量后從基態(tài)躍遷至某一激發(fā)態(tài)上，再以輻射躍遷的形式發(fā)出熒光回到基態(tài)，當(dāng)激發(fā)停止后，分子的熒光強(qiáng)度降到激發(fā)時(shí)最大強(qiáng)度的1/e所需要的時(shí)間稱為熒光壽命，它表示粒子在激發(fā)態(tài)存在的平均時(shí)間，通常稱為激發(fā)態(tài)的熒光壽命。

熒光物質(zhì)的熒光壽命不僅與自身的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與其所處微環(huán)境的極性、粘度等條件有關(guān)，因此通過(guò)熒光壽命測(cè)定可以直接了解所研究體系發(fā)生的變化。

2 影響熒光性質(zhì)測(cè)試的因素

以熒光黃乙醇溶液樣品為例，研究其穩(wěn)態(tài)熒光光譜測(cè)量、熒光量子產(chǎn)率及熒光壽命的測(cè)量過(guò)程。使用的熒光光譜儀型號(hào)為愛(ài)丁堡FLS980穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)熒光光譜儀，掃描步長(zhǎng)為1nm。

2.1 激發(fā)光譜和熒光發(fā)射光譜

首先，樣品熒光發(fā)射光譜測(cè)試前，可通過(guò)同步光譜測(cè)試來(lái)尋找樣品的激發(fā)波長(zhǎng)，但同步光譜掃描尋找樣品的激發(fā)波長(zhǎng)，耗時(shí)較長(zhǎng)。通過(guò)紫外可見(jiàn)吸收光譜測(cè)試來(lái)初步確定激發(fā)波長(zhǎng)，掃描得到熒光發(fā)射光譜后，固定最佳發(fā)射波長(zhǎng)，反掃激發(fā)光譜，確定樣品的激發(fā)情況。進(jìn)而固定最佳激發(fā)波長(zhǎng)，掃描熒光發(fā)射光譜。穩(wěn)態(tài)光譜測(cè)試過(guò)程中，注意調(diào)節(jié)合適的狹縫，不能增加信號(hào)強(qiáng)度而加大狹縫，因?yàn)樵黾营M縫將導(dǎo)致進(jìn)入檢測(cè)器的雜散光強(qiáng)度增加。如需消除二級(jí)衍射峰，可通過(guò)在發(fā)射側(cè)加入濾光片來(lái)實(shí)現(xiàn)，一般濾光片波長(zhǎng)應(yīng)與激發(fā)波長(zhǎng)接近，相差20～30nm[3,4]。愛(ài)丁堡FLS980熒光光譜儀設(shè)有內(nèi)置濾光片輪，可用來(lái)消除二級(jí)衍射峰。

圖1 熒光黃乙醇溶液的激發(fā)光譜

熒光黃乙醇溶液的激發(fā)光譜如圖1所示，其最佳激發(fā)波長(zhǎng)為490nm。若采用490nm作為最佳激發(fā)波長(zhǎng)進(jìn)行發(fā)射光譜測(cè)試，起始掃描波長(zhǎng)一般比490nm大20 ～ 30 nm，熒光峰值出現(xiàn)在513nm處，但熒光峰并不完整。因此，可調(diào)整激發(fā)波長(zhǎng)，保證熒光圖譜完整。本文中，采用380 nm作為激發(fā)波長(zhǎng)，測(cè)得其熒光發(fā)射光譜如圖2所示。

圖2 熒光黃乙醇溶液的發(fā)射光譜激發(fā)波長(zhǎng)：380nm

2.2 熒光壽命測(cè)試

由于熒光物質(zhì)的熒光壽命長(zhǎng)短與所處的微環(huán)境有關(guān)，因此將熒光物質(zhì)溶解在溶劑中進(jìn)行熒光壽命測(cè)試時(shí)需要指出選用的溶劑、溫度及溶液濃度等。經(jīng)驗(yàn)得出，在同一種溶劑中進(jìn)行熒光物質(zhì)壽命測(cè)試時(shí)，熒光物質(zhì)濃度不宜過(guò)高，否則可能會(huì)因自吸收導(dǎo)致熒光猝滅影響測(cè)試結(jié)果。測(cè)試過(guò)程中，光源的脈沖周期應(yīng)遠(yuǎn)大于樣品的熒光壽命，確保樣品熒光強(qiáng)度衰減結(jié)束前不會(huì)被多次激發(fā)。熒光黃乙醇溶液熒光壽命測(cè)試時(shí)，采用330nm激光器進(jìn)行激發(fā)，脈沖周期為200ns，時(shí)間窗口范圍為100ns。如圖3所示，在100ns的時(shí)間范圍內(nèi)，該樣品的熒光已經(jīng)完全衰減結(jié)束。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理得到其熒光壽命為4.07ns。

圖3 熒光黃乙醇溶液的熒光強(qiáng)度隨時(shí)間的衰減曲線

2.3 熒光量子產(chǎn)率測(cè)試

愛(ài)丁堡FLS980光譜儀配置積分球附件后，可進(jìn)行固體、液體熒光樣品的絕對(duì)量子產(chǎn)率測(cè)量，測(cè)試過(guò)程方便快捷。絕對(duì)量子產(chǎn)率測(cè)試過(guò)程中，需要在相同的儀器參數(shù)條件下測(cè)試空白樣品和實(shí)際熒光樣品。對(duì)于溶液樣品，空白樣品為將熒光物質(zhì)去除之后的組分，測(cè)試時(shí)空白溶液的體積、所使用的比色皿與測(cè)試溶液相同。對(duì)于固體粉末樣品，測(cè)試前需要進(jìn)行研磨，盡量保證樣品裝樣后樣品高度和表面與空白樣品保持一致，愛(ài)丁堡積分球附件配有白板，無(wú)需額外選用空白樣品。

量子產(chǎn)率測(cè)試時(shí)，注意空白樣品和實(shí)際樣品測(cè)試時(shí)確保儀器參數(shù)條件一致。所選用的激發(fā)波長(zhǎng)需與實(shí)際樣品的熒光發(fā)射區(qū)域有合適的間隔，避免數(shù)據(jù)處理時(shí)，熒光發(fā)射區(qū)域與激發(fā)光散射峰有重疊，影響最終測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合實(shí)際測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，介紹了熒光原理、熒光相關(guān)性質(zhì)-熒光壽命、熒光量子產(chǎn)率測(cè)量原理及實(shí)際測(cè)量中包括穩(wěn)態(tài)光譜測(cè)試、瞬態(tài)熒光壽命測(cè)試和絕對(duì)量子產(chǎn)率測(cè)試的影響因素，通過(guò)了解這些影響因素，提高樣品測(cè)試的準(zhǔn)確性。