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什么是熒光?

 2021-02-04        3303

熒光,漢語詞語。又作“螢光”,是指一種光致發(fā)光的冷發(fā)光現(xiàn)象。當(dāng)某種常溫物質(zhì)經(jīng)某種波長(zhǎng)的入射光(通常是紫外線或X射線)照射,吸收光能后進(jìn)入激發(fā)態(tài),并且立即退激發(fā)并發(fā)出比入射光的波長(zhǎng)長(zhǎng)的出射光(通常波長(zhǎng)在可見光波段);很多熒光物質(zhì)一旦停止入射光,發(fā)光現(xiàn)象也隨之立即消失。具有這種性質(zhì)的出射光就被稱之為熒光。另外有一些物質(zhì)在入射光撤去后仍能較長(zhǎng)時(shí)間發(fā)光,這種現(xiàn)象稱為余輝。在日常生活中,人們通常廣義地把各種微弱的光亮都稱為熒光,而不去仔細(xì)追究和區(qū)分其發(fā)光原理。 也指溫度(不是色溫)低的冷光。

熒光產(chǎn)生的原理

光照射到某些原子時(shí),光的能量使原子核周圍的一些電子由原來的軌道躍遷到了能量更高的軌道,即從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)單線態(tài)或第二激發(fā)單線態(tài)等。第一激發(fā)單線態(tài)或第二激發(fā)單線態(tài)等是不穩(wěn)定的,所以會(huì)恢復(fù)基態(tài),當(dāng)電子由第一激發(fā)單線態(tài)恢復(fù)到基態(tài)時(shí),能量會(huì)以光的形式釋放,所以產(chǎn)生熒光。

熒光是物質(zhì)吸收光照或者其他電磁輻射后發(fā)出的光。大多數(shù)情況下,發(fā)光波長(zhǎng)比吸收波長(zhǎng)較長(zhǎng),能量更低。但是,當(dāng)吸收強(qiáng)度較大時(shí),可能發(fā)生雙光子吸收現(xiàn)象,導(dǎo)致輻射波長(zhǎng)短于吸收波長(zhǎng)的情況發(fā)生。當(dāng)輻射波長(zhǎng)與吸收波長(zhǎng)相等時(shí),即是共振熒光。常見的例子是物質(zhì)吸收紫外光,發(fā)出可見波段熒光,我們生活中的熒光燈就是這個(gè)原理,涂覆在燈管的熒光粉吸收燈管中汞蒸氣發(fā)射的紫外光,而后由熒光粉發(fā)出可見光,實(shí)現(xiàn)人眼可見。

熒光的參數(shù)

(1)激發(fā)光譜:發(fā)光材料在不同波長(zhǎng)光的激發(fā)下,該材料的某一發(fā)光譜線與譜帶的強(qiáng)度或發(fā)光效率與激發(fā)光波長(zhǎng)的關(guān)系。

(2)發(fā)射光譜:發(fā)光材料在某一激發(fā)光的激發(fā)下,其不同波長(zhǎng)的發(fā)光強(qiáng)度的強(qiáng)弱變化。

(3)熒光強(qiáng)度:熒光強(qiáng)度與該種物質(zhì)的熒光量子產(chǎn)率、消光系數(shù)以及含量等因素有關(guān)。

(4)熒光量子產(chǎn)率Q:量子產(chǎn)率表示物質(zhì)將吸收的光能轉(zhuǎn)化為熒光的本領(lǐng),是熒光物質(zhì)發(fā)出光子數(shù)與吸收光子數(shù)的比值。

(5)斯托克司(Stokes)位移:斯托克司位移為最大熒光發(fā)射波長(zhǎng)與最大吸收波長(zhǎng)之差。

(6)熒光壽命:當(dāng)一束光激發(fā)熒光物質(zhì)時(shí),熒光物質(zhì)的分子吸收能量后從基態(tài)躍遷到某一激發(fā)態(tài),再以輻射的形式發(fā)出熒光回到基態(tài),激發(fā)停止時(shí),分子的熒光強(qiáng)度降低到激發(fā)時(shí)最大強(qiáng)度的1/e時(shí)所需的時(shí)間為熒光壽命。

硒化鎘量子點(diǎn)在紫外線的照射下發(fā)出熒光

硒化鎘量子點(diǎn)在紫外線的照射下發(fā)出熒光

熒光的應(yīng)用領(lǐng)域

照明

熒光燈

常見的熒光燈就是一個(gè)例子。 燈管內(nèi)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(fā)出紫外波段的光。這些紫外光是不可見的,并且對(duì)人體有害。所以燈管內(nèi)壁覆蓋了一層稱作磷(熒)光體的物質(zhì),它可以吸收那些紫外光并發(fā)出可見光。

可以發(fā)出白色光的發(fā)光二極管(LED)也是基于類似的原理。由半導(dǎo)體發(fā)出的光是藍(lán)色的,這些藍(lán)光可以激發(fā)附著在反射極上的磷(熒)光體,使它們發(fā)出橙色的熒光,兩種顏色的光混合起來就近似地呈現(xiàn)出白光。

熒光筆

熒光筆有熒光劑,它遇到紫外線(太陽光、日光燈、水銀燈比較多)時(shí)會(huì)產(chǎn)生熒光筆熒光效應(yīng),發(fā)出白光,從而使顏色看起來有刺眼的熒光感覺。 熒光筆的熒光跟我們手表、熒光棒的熒光原理不相同,熒光棒是內(nèi)部發(fā)生放射性反應(yīng),產(chǎn)生的射線激發(fā)外周的熒光粉發(fā)光,因此它們?cè)谝估餂]有任何紫外線的情況下都能發(fā)光。而熒光筆則一定有紫外線情況下才會(huì)發(fā)熒光,這一點(diǎn)你只要把熒光筆的筆跡靠近捕蚊燈、驗(yàn)鈔機(jī)就可以看得非常清楚。

生化和醫(yī)療

熒光在生化和醫(yī)藥領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。人們可以通過化學(xué)反應(yīng)把具有熒光性的化學(xué)基團(tuán)粘到生物大分子上,然后通過觀察示蹤基團(tuán)發(fā)出的熒光來靈敏地探測(cè)這些生物大分子。

采用熒光標(biāo)記的鏈終止劑所得到的DNA測(cè)序圖

用于對(duì)DNA進(jìn)行自動(dòng)測(cè)序的鏈末端終止法:在原初的方法中,需要對(duì)DNA的引物端進(jìn)行熒光標(biāo)記,以便在測(cè)序凝膠板上確定DNA色帶的位置。在改進(jìn)的方法中,對(duì)作為鏈終止劑的4種雙脫氧核苷酸(ddTBP)分別進(jìn)行熒光標(biāo)記,電泳結(jié)束后不同長(zhǎng)度的DNA分子彼此分開,經(jīng)紫外線照射,4種被標(biāo)記的雙脫氧核苷酸發(fā)出不同波長(zhǎng)的熒光。通過分析熒光的光譜便可以分辨出DNA的序列。DNA探測(cè):溴化乙啶是一種熒光染料,當(dāng)它在溶液中自由改變構(gòu)型時(shí),只能發(fā)出很弱的熒光;當(dāng)它嵌入核酸雙鏈的堿基對(duì)之間與DNA分子結(jié)合后,便可以發(fā)出很強(qiáng)的熒光。因此在凝膠電泳中,一般加入溴化乙啶對(duì)DNA染色。DNA微陣列(生物芯片):需要對(duì)基因組探針進(jìn)行熒光標(biāo)記,最后通過熒光信號(hào)確定靶標(biāo)序列。免疫學(xué)中的免疫熒光檢查法:對(duì)抗體進(jìn)行熒光標(biāo)記,從而可以根據(jù)熒光的分布和形態(tài)確定抗原的部位和性質(zhì)。流式細(xì)胞儀(又稱熒光激活細(xì)胞分選器,F(xiàn)ACS) :對(duì)樣本細(xì)胞進(jìn)行熒光標(biāo)記,再用激光束激發(fā)使之產(chǎn)生特定的熒光,然后用光學(xué)系統(tǒng)檢測(cè)并將信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行分析,從而得到細(xì)胞相應(yīng)的各種特性。熒光技術(shù)還被應(yīng)用于探測(cè)和分析DNA及蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu),尤其是比較復(fù)雜的生物大分子。水母發(fā)光蛋白最早是從海洋生物水母(Aequorea victoria)中分離出來的。當(dāng)它與Ca離子共存時(shí),可以發(fā)出綠色的熒光。這一性質(zhì)已經(jīng)被應(yīng)用于實(shí)時(shí)觀察細(xì)胞內(nèi)Ca離子的流動(dòng)。水母發(fā)光蛋白的發(fā)現(xiàn)推動(dòng)了人們進(jìn)一步研究海洋水母并發(fā)現(xiàn)了綠色熒光蛋白(Green Fluorescent Protein,GFP)。綠色熒光蛋白的多肽鏈中含有特殊的生色團(tuán)結(jié)構(gòu),無需外加輔助因子或進(jìn)行任何特殊處理,便可以在紫外線的照射下發(fā)出穩(wěn)定的綠色熒光,作為生物分子或基因探針具有很大的優(yōu)越性,所以綠色熒光蛋白及相關(guān)蛋白已經(jīng)成為生物化學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)研究的重要工具。螢光顯微成像技術(shù):全內(nèi)反射熒光顯微鏡很多生物分子具有內(nèi)稟的熒光性,不需要外加其他化學(xué)基團(tuán)就可以發(fā)出熒光。有時(shí)侯這種內(nèi)稟的熒光性會(huì)隨著環(huán)境的改變而改變,從而可以利用這種對(duì)環(huán)境變化敏感的熒光性來探測(cè)分子的分布和性質(zhì)。例如膽紅素與血清白蛋白的一個(gè)特殊位點(diǎn)結(jié)合時(shí),可以發(fā)出很強(qiáng)的熒光。又如當(dāng)血紅細(xì)胞中缺少鐵或者含有鉛時(shí),會(huì)產(chǎn)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(qiáng)的熒光性,可以用來幫助檢測(cè)病因。

寶石、礦物

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(fā)出不同性質(zhì)的熒光。

紅寶石、翡翠、鉆石可以在短波長(zhǎng)的紫外線下發(fā)出紅色的熒光,綠寶石、黃晶(黃玉)、珍珠也可以在紫外線下發(fā)出熒光。鉆石還可以在X射線下發(fā)出磷光。

概念區(qū)分

由光照(通常是紫外線或X射線)激發(fā)所引起的發(fā)光稱為光致發(fā)光,例如熒光和磷光;由化學(xué)反應(yīng)所引起的發(fā)光稱為冷光,演唱會(huì)上用的熒光棒是通過兩種化學(xué)液體混合后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)發(fā)光的;由陰極射線(高能電子束流)所引起的發(fā)光稱為陰極射線發(fā)光,電視機(jī)顯像管的熒光屏發(fā)光就是陰極射線發(fā)光;生物體的冷發(fā)光現(xiàn)象是生物發(fā)光,比如螢火蟲發(fā)出的光,是“螢光”,“螢”字在古漢語中與“熒”字通假,部分華文地區(qū),“螢”字與昆蟲有關(guān)。熒光在臺(tái)灣多稱螢光;在中國(guó)大陸多稱熒光,而“螢光”則通常是指螢火蟲發(fā)出的光。

儀器

測(cè)熒光一定要有儀器。通常用來檢測(cè)物質(zhì)所含熒光量的儀器我們稱之為熒光分光光度計(jì)。

熒光分析儀的基本結(jié)構(gòu):激發(fā)光源、激發(fā)單色器、樣品室、發(fā)射單色器及檢測(cè)系統(tǒng)


 
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