熒光原理及影響熒光性質測試的因素

王 穩1 朱倩倩2

(1.河南警察學院 刑事科學技術系，鄭州 450046；2. 鄭州大學 化學學院，鄭州 450001)

1 熒光原理

某些物質被激發后會發射出各種顏色和不同強度的光線，當輻射停止時，所發射的光線即很快消失，這種現象稱為熒光。當分子通過吸收輻射能而被激發時，所產生的熒光稱為光致發光。本文討論的熒光測量是光致發光現象。

熒光的形成總是從分子的第一電子激發單重態的最低振動能級開始的，與熒光體被激發到哪一個電子態無關，所以分子熒光光譜的形狀(或譜線輪廓)通常與激發光波長無關；在激發光與發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總是大于激發光的波長，這種波長移動的現象稱為斯托克斯(Stokes)位移；在室溫下，分子絕大多數處于電子基態的最低振動能級，因此，吸收光譜(又稱激發光譜)中的第一吸收帶的形狀取決于第一電子激發態中振動能級的分布情況。而分子熒光光譜的形成是激發態分子從第一電子激發態的最低振動能級輻射躍遷至基態的各個不同振動能級所產生的，其形狀由基態振動能級的分布情況決定。一般情況下，基態和第一電子激發態中振動能級的分布情況是相似的。由此，分子的熒光光譜和吸收光譜(激發光譜)形狀是相似的并呈鏡象對稱關系[1]。

Φ數值在 0～1 之間。它的大小取決于物質分子的化學結構及環境(溫度、pH 、溶劑等)[2]。

相比于相對熒光量子產率測量，絕對熒光量子產率測量應用更為廣泛。因為后者無需標準樣品，可適用于液體、薄膜和粉末樣品。采用愛丁堡FLS980穩態瞬態熒光光譜儀，結合光致發光量子產率附件，可以實現對液體和固體樣品絕對量子產率的測量。

當某種物質被一束激光激發后，該物質的分子吸收能量后從基態躍遷至某一激發態上，再以輻射躍遷的形式發出熒光回到基態，當激發停止后，分子的熒光強度降到激發時最大強度的1/e所需要的時間稱為熒光壽命，它表示粒子在激發態存在的平均時間，通常稱為激發態的熒光壽命。

熒光物質的熒光壽命不僅與自身的結構有關，而且與其所處微環境的極性、粘度等條件有關，因此通過熒光壽命測定可以直接了解所研究體系發生的變化。

2 影響熒光性質測試的因素

以熒光黃乙醇溶液樣品為例，研究其穩態熒光光譜測量、熒光量子產率及熒光壽命的測量過程。使用的熒光光譜儀型號為愛丁堡FLS980穩態瞬態熒光光譜儀，掃描步長為1nm。

2.1 激發光譜和熒光發射光譜

首先，樣品熒光發射光譜測試前，可通過同步光譜測試來尋找樣品的激發波長，但同步光譜掃描尋找樣品的激發波長，耗時較長。通過紫外可見吸收光譜測試來初步確定激發波長，掃描得到熒光發射光譜后，固定最佳發射波長，反掃激發光譜，確定樣品的激發情況。進而固定最佳激發波長，掃描熒光發射光譜。穩態光譜測試過程中，注意調節合適的狹縫，不能增加信號強度而加大狹縫，因為增加狹縫將導致進入檢測器的雜散光強度增加。如需消除二級衍射峰，可通過在發射側加入濾光片來實現，一般濾光片波長應與激發波長接近，相差20～30nm[3,4]。愛丁堡FLS980熒光光譜儀設有內置濾光片輪，可用來消除二級衍射峰。

圖1 熒光黃乙醇溶液的激發光譜

熒光黃乙醇溶液的激發光譜如圖1所示，其最佳激發波長為490nm。若采用490nm作為最佳激發波長進行發射光譜測試，起始掃描波長一般比490nm大20 ～ 30 nm，熒光峰值出現在513nm處，但熒光峰并不完整。因此，可調整激發波長，保證熒光圖譜完整。本文中，采用380 nm作為激發波長，測得其熒光發射光譜如圖2所示。

圖2 熒光黃乙醇溶液的發射光譜激發波長：380nm

2.2 熒光壽命測試

由于熒光物質的熒光壽命長短與所處的微環境有關，因此將熒光物質溶解在溶劑中進行熒光壽命測試時需要指出選用的溶劑、溫度及溶液濃度等。經驗得出，在同一種溶劑中進行熒光物質壽命測試時，熒光物質濃度不宜過高，否則可能會因自吸收導致熒光猝滅影響測試結果。測試過程中，光源的脈沖周期應遠大于樣品的熒光壽命，確保樣品熒光強度衰減結束前不會被多次激發。熒光黃乙醇溶液熒光壽命測試時，采用330nm激光器進行激發，脈沖周期為200ns，時間窗口范圍為100ns。如圖3所示，在100ns的時間范圍內，該樣品的熒光已經完全衰減結束。對數據進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度隨時間的衰減曲線

2.3 熒光量子產率測試

愛丁堡FLS980光譜儀配置積分球附件后，可進行固體、液體熒光樣品的絕對量子產率測量，測試過程方便快捷。絕對量子產率測試過程中，需要在相同的儀器參數條件下測試空白樣品和實際熒光樣品。對于溶液樣品，空白樣品為將熒光物質去除之后的組分，測試時空白溶液的體積、所使用的比色皿與測試溶液相同。對于固體粉末樣品，測試前需要進行研磨，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，愛丁堡積分球附件配有白板，無需額外選用空白樣品。

量子產率測試時，注意空白樣品和實際樣品測試時確保儀器參數條件一致。所選用的激發波長需與實際樣品的熒光發射區域有合適的間隔，避免數據處理時，熒光發射區域與激發光散射峰有重疊，影響最終測試結果的準確性。

3 結語

結合實際測試經驗，介紹了熒光原理、熒光相關性質-熒光壽命、熒光量子產率測量原理及實際測量中包括穩態光譜測試、瞬態熒光壽命測試和絕對量子產率測試的影響因素，通過了解這些影響因素，提高樣品測試的準確性。