化學(xué)研究中的光物理技術(shù)

肖宸熠

摘 要：光物理技術(shù)在各種化學(xué)科學(xué)研究中的作用越來(lái)越廣泛了，就拿時(shí)間分辨熒光各向異性技術(shù)來(lái)說(shuō)，它的用途是很廣的，但人們對(duì)他了解卻很少。時(shí)間分辨熒光各向異性技術(shù)的基本測(cè)定原理和應(yīng)用，充分體現(xiàn)出了光物理技術(shù)的發(fā)展和國(guó)內(nèi)對(duì)光物理技術(shù)在化學(xué)領(lǐng)域科研中的應(yīng)用現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：化學(xué);研究;光物理技術(shù)

中圖分類號(hào)：O644 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）02-0215-02

光物理技術(shù)是近幾年物理學(xué)發(fā)展最熱門(mén)的話題之一。特別是自從激光的產(chǎn)生和問(wèn)世，光學(xué)的整個(gè)領(lǐng)域都發(fā)生了翻天復(fù)地的變化，對(duì)光物理的研究也從傳統(tǒng)的光學(xué)內(nèi)容和光譜學(xué)內(nèi)容快速的發(fā)展到光學(xué)與物理其他領(lǐng)域?qū)W科研究的交匯點(diǎn)，比如：激光物理學(xué)、非線性光學(xué)、高分辨光譜學(xué)、強(qiáng)光光學(xué)和量子光學(xué)都在光物理學(xué)技術(shù)的輔助下，逐漸的完善和成熟。還有很多技術(shù)比如光子學(xué)、超快光譜學(xué)和原子光學(xué)等都在積累形成新的學(xué)科領(lǐng)域[1]。光物理技術(shù)與化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)以及生命科技學(xué)的交涉也越來(lái)越廣泛和深入，光物理技術(shù)的新理論和新的概念方法都成為激光類和光纖通訊類等高科技技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要依靠。可以想象，在以后高科技的發(fā)展中，光物理技術(shù)的研究將還會(huì)有許多突破性的發(fā)展，并且會(huì)對(duì)生命科技學(xué)，化學(xué)領(lǐng)域，以及光電子，光計(jì)算機(jī)等高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到關(guān)鍵的推動(dòng)和輔助作用。這里主要研究光物理技術(shù)在化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 光物理技術(shù)

光物理技術(shù)是研究體系物理化學(xué)性質(zhì)的方法，主要研究的是具有熒光（磷光）活性的探針（Probes）和標(biāo)記物（Labels）小分子光物理性質(zhì)根據(jù)環(huán)境的不同而變化的現(xiàn)象。這種方法的好處是：靈敏度好、選擇性好、針對(duì)性好、方法多和適應(yīng)面廣等。所以廣泛應(yīng)用在超分子和超分子體系的物理化學(xué)問(wèn)題的研究中。光物理技術(shù)可以分為兩大類：靜態(tài)光物理技術(shù)（Steady-State Photophysical Techniques）和分時(shí)光物理技術(shù)（Tine-Resolved Photophysical Techniques）。

首先靜態(tài)光物理技術(shù)因?yàn)檫x用光物理參量的不同和試驗(yàn)方法的不同，又可分為激發(fā)光譜和發(fā)射光譜測(cè)量，熒光猝滅（Fluorescence Quenching），非輻射能量轉(zhuǎn)移（Non-Radiative Energy Transfer），熒光各異性或熒光偏振（Fluorescence Anisotropy or Fluorescence Polarization）等。發(fā)射光譜測(cè)量是指：光譜形狀和位移、Stokes位移、激發(fā)態(tài)締合物（Excimer或Excoplex）形成、熒光或磷光量子產(chǎn)率等。

其次分時(shí)光物理技術(shù)同樣分為時(shí)間分辨熒光光譜（Time-Resolved Emission Spectroscopy，TRES）、時(shí)間分辨非輻射能量轉(zhuǎn)移、時(shí)間分辨熒光各向異性測(cè)量（Time-Resolved Anisotropy Measurements，TRAMS）等.其中時(shí)間分辨熒光各向異性（TRAMS）的用途是最為廣泛的，但是國(guó)內(nèi)大多數(shù)化學(xué)工作者對(duì)其并不是很熟悉，因此這里對(duì)TRAMS技術(shù)做深入探討。

2 時(shí)間分辨熒光各向異性技術(shù)（TRAMS）的熒光偏振現(xiàn)象

想要了解TRAMS的測(cè)定原理，就要先了解熒光偏振現(xiàn)象[2]。熒光偏振的試驗(yàn)是1929年P(guān)errin在做熒光小分子在溶液中壽命的測(cè)定時(shí)發(fā)現(xiàn)的。一直到多年以后，這門(mén)技術(shù)才在分子生物學(xué)研究中獲得了很廣泛的應(yīng)用。早期實(shí)踐過(guò)程中，靜態(tài)熒光偏振是其技術(shù)應(yīng)用的基本形態(tài)。其它熒光偏振技術(shù)對(duì)所用光源，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)質(zhì)量和數(shù)據(jù)處理模型都有特殊要求，故而應(yīng)用較少;因此直到本世紀(jì)70年代末80年代初這個(gè)時(shí)間分辨技術(shù)才得到廣泛的應(yīng)用。

熒光分子描述中，人們不僅可以選擇“吸收躍遷矩”MA進(jìn)行系統(tǒng)描述，還可以采用“發(fā)射躍遷矩”ME來(lái)進(jìn)行表達(dá)。從應(yīng)用過(guò)程來(lái)看，兩者的描述方式雖然具有普遍性，然其具體的取向具有差異性和固定性。即熒光和磷光的發(fā)光性質(zhì)不同，其對(duì)應(yīng)的發(fā)射躍遷矩也就有不同的空間取向。一般情況下，分結(jié)構(gòu)對(duì)其單元中電子躍遷的本質(zhì)具有重大影響，其主要表現(xiàn)在兩個(gè)層面：其一，分子單元的吸收躍遷距;其二，分子單元的發(fā)射躍遷距。研究表明，對(duì)于分子吸收躍遷矩ME而言，其與偏振光取向之間存在夾角α，且其余弦值的平方由cos2α進(jìn)行表示;則不難發(fā)現(xiàn)，分子對(duì)偏振光的吸收概率與該余弦平方值存在正比例關(guān)系;同樣，若以發(fā)射躍遷矩ME為基本控制單元，并將其與檢偏器取向的夾角余弦值界定為cos2β，此時(shí)發(fā)光強(qiáng)度I會(huì)與該值表現(xiàn)出正比例關(guān)系。因此取向分別為P和A系統(tǒng)的起偏器和檢偏器，觀測(cè)到發(fā)光強(qiáng)度正比于cos2α×cos2β。在實(shí)際的檢測(cè)中，要是實(shí)現(xiàn)熒光偏振的有效把控，工作人員則應(yīng)對(duì)檢偏器平行發(fā)光強(qiáng)度IⅠ和垂直發(fā)光強(qiáng)度IⅡ進(jìn)行嚴(yán)格把控，熒光偏振的程度取決于兩個(gè)強(qiáng)度的分量差值。這就能將熒光偏振P定義為：，相應(yīng)的各向異性定義為：。由此可見(jiàn)，熒光偏振現(xiàn)象檢測(cè)中，偏振度在描述方式上雖與各向異性具有差別，當(dāng)兩者本質(zhì)基本一致，一般情況下，人們通過(guò)存在對(duì)其進(jìn)行關(guān)系表達(dá)。

實(shí)踐過(guò)程中，熒光分子不同，其MA和ME的夾角也會(huì)存在差異，由此導(dǎo)致了其各向異性r0之間的明顯差距。譬如，單位分子的MA和ME夾角是，那么就有，由此可見(jiàn)，當(dāng)分子的MA和ME保持平行狀態(tài)是，0.4是r0取值的最大指數(shù)，則在熒光偏振檢測(cè)中，其被稱為熒光分子各向異性的極限值。如果MA和ME相互垂直時(shí)（=90°），r0取最小值-0.2，此時(shí)就稱它為基礎(chǔ)各向異性。還有就是當(dāng)r0=0時(shí)（=54.73°），這個(gè)角度在光物理中稱為磨角，這個(gè)角度可以用來(lái)消除偏振效應(yīng)。而這就說(shuō)明了各向異性應(yīng)該在-0.2和0.4區(qū)間，一旦各向異值活躍于該區(qū)間之外，則表明實(shí)踐檢測(cè)的過(guò)程可能受到外部散光干擾。或是檢測(cè)引起存在故障。分子在激發(fā)狀態(tài)下是有一定的時(shí)間壽命，分子發(fā)光過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是其基本的作用形態(tài)，其導(dǎo)致了兩種躍遷距取向的差異，從而對(duì)偏振觀測(cè)結(jié)果造成影響，使得去偏振或者部分去偏振發(fā)光成為實(shí)踐檢測(cè)的最終表現(xiàn)形態(tài)。

新常態(tài)下，超分子技術(shù)發(fā)展迅速，時(shí)間分辨熒光各向異性技術(shù)在化學(xué)科技研究中有了很大的使用空間。光物理技術(shù)還可以對(duì)薄膜組裝體系和核-殼體系結(jié)構(gòu)等問(wèn)題進(jìn)行研究。根據(jù)TRAMS技術(shù)的不斷擴(kuò)展，可以設(shè)想TRAMS在光物理研究領(lǐng)域具有突出優(yōu)勢(shì)，其進(jìn)行大范圍的推廣和應(yīng)用也將成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然。

3 光物理技術(shù)的研究現(xiàn)狀

就目前來(lái)說(shuō)，世界上很多國(guó)家已經(jīng)擁有可進(jìn)行TRAMS測(cè)定的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室。他們主要分布在美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、加拿大、日本、澳大利亞、挪威、俄羅斯等發(fā)達(dá)國(guó)家。像捷克、印度一些發(fā)展中國(guó)家也有了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明，對(duì)TRAMS研究最為理想的光源就是同步輻射，其次就是各類激光光源。像氙燈這樣的普通光源因?yàn)楣鈴?qiáng)度不夠，穩(wěn)定性不好，所以他們很難應(yīng)用到TRAMS的試驗(yàn)檢測(cè)中。把TRAMS技術(shù)與其他光物理技術(shù)聯(lián)合起來(lái)應(yīng)用，已經(jīng)開(kāi)始普遍化。就比如將TRAMS和全內(nèi)反射熒光（Total -Internal Reflectance Fluorescence，TIRF）技術(shù)聯(lián)合起來(lái)，可以使得大分子的固液界面吸附研究免除了散射光和自由熒光物種的干擾，這也就使研究的結(jié)果更加的牢靠和準(zhǔn)確[3]。近幾年，雙光子激發(fā)熒光各向異性的研究也開(kāi)始出現(xiàn)在人們的視線里，雙光子激發(fā)產(chǎn)生的內(nèi)在熒光各向異性的理論值為0.57，單光子激發(fā)的是0.40，這樣就會(huì)使得TRAMS技術(shù)的應(yīng)用空間又增大了不少。

對(duì)非球旋轉(zhuǎn)馳豫模型的熒光各向異性數(shù)據(jù)分析方法也已經(jīng)提出并開(kāi)始了使用，還可以對(duì)復(fù)合標(biāo)記或者復(fù)合探針體系熒光各向異性衰減的測(cè)定與數(shù)據(jù)分析準(zhǔn)確的開(kāi)始進(jìn)行。在這里不僅在時(shí)間分辨光物理技術(shù)方面取得了重大進(jìn)步，而且靜態(tài)光物理技術(shù)也在不斷的進(jìn)步。比如二維相關(guān)熒光技術(shù)（Two Dimensional Fluorescence Correlation Spectroscopy，2DFCS）在復(fù)雜化合物的檢測(cè)，復(fù)雜體系的光物理技術(shù)方面的研究也有很大的突破。在這科技發(fā)展迅速的今天，光物理技術(shù)在化學(xué)科學(xué)研究的應(yīng)用得到很長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)越來(lái)越多的化學(xué)研究工作用到光物理技術(shù)，但是大都局限在靜態(tài)技術(shù)與熒光壽命檢測(cè)，而在時(shí)間分辨熒光光譜（TRES）工作上的應(yīng)用卻很少，在TRAMS技術(shù)上面的應(yīng)用幾乎為零。考慮到TRAMS技術(shù)有很廣泛的實(shí)用性和有效性，所以國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始建設(shè)同步輻射實(shí)驗(yàn)室和計(jì)劃建設(shè)實(shí)驗(yàn)室的工作也進(jìn)入了籌備當(dāng)中，因此就要求國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)化學(xué)科學(xué)部和有關(guān)實(shí)驗(yàn)室協(xié)商起來(lái)，盡快建立自己的TRAMS試驗(yàn)裝備，可以更好的推進(jìn)有關(guān)基本物理化學(xué)的科學(xué)研究。像生命科學(xué)、材料科學(xué)和超分子化學(xué)這些技術(shù)都進(jìn)一步的進(jìn)行研究。

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