1. 熒光的定義

對(duì)于熒光有這樣一些文字的定義和解釋：a. “熒光是物質(zhì)或分子發(fā)出的冷光（luminescence）”。所謂冷光，是指光并非由熱產(chǎn)生，可以是光致、電致、化學(xué)反應(yīng)所致等等（反正就不能是熱致）。b. “當(dāng)某種常溫物質(zhì)經(jīng)某種波長的入射光（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)，立即退激發(fā)并發(fā)出比入射光波長長的出射光（通常波長在可見光波段）；而且一旦停止入射光，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。”

這些文字的解釋都難以理解和形象化。其實(shí)對(duì)于熒光最好的解釋來自于對(duì)光子與物質(zhì)分子作用過程（分子的激發(fā)和馳豫）的理解。

2. 熒光從何而來 —— 分子的激發(fā)和馳豫 ？

圖 1

?

PS：圖1摘自Principles of fluorescence Spectroscopy， Joseph R. Lakowicz

圖1為一種Jablonski diagram（就簡單的理解為能級(jí)圖吧）。圖中S0，S1，S2分別表示分子中的電子基態(tài)，第一、第二電子激發(fā)態(tài)。當(dāng)分子吸收光子，電子則可能從基態(tài)（S0）躍遷到激發(fā)態(tài)（S1，S2）。激發(fā)態(tài)電子不穩(wěn)定，會(huì)從激發(fā)態(tài)（S1，S2）回到基態(tài)（S0），并發(fā)出熒光（這就是熒光的源頭）。當(dāng)然并不一定要發(fā)出熒光，可以產(chǎn)生熱或者其他形式能量。如果電子從激發(fā)態(tài)（S1）通過系間竄越轉(zhuǎn)化為電子T1激發(fā)態(tài)，然后再從激發(fā)態(tài)T1回到S0，則發(fā)出磷光。（磷光與熒光的根本區(qū)別在此）。至于S1激發(fā)態(tài)和T1激發(fā)態(tài)的區(qū)別主要在于電子自旋的方向（單線態(tài)和三線態(tài)）。

分子吸收光后其中電子的激發(fā)和馳豫分別需要滿足兩大規(guī)律。激發(fā)過程滿足Franck – Condon規(guī)則；退激發(fā)滿足Kasha規(guī)則。Franck– Condon規(guī)則（圖2A）的大意為：電子的躍遷過程很快，這一過程中原子核的相對(duì)位置來不及發(fā)生變化，可以簡單理解為垂直躍遷。而Kasha規(guī)則（圖2B）規(guī)定在電子馳豫復(fù)合的過程中，首先電子要馳豫到電子激發(fā)態(tài)的最低能級(jí)，然后再回到基態(tài)。如圖2所示：

圖 2

PS：圖2摘自維基百科相關(guān)詞條

3. 如何解讀熒光光譜（穩(wěn)態(tài)）

3a ：熒光光譜分為：激發(fā)光譜（PLE）和發(fā)射光譜（PL）。

激發(fā)光譜：固定發(fā)射光的波長，改變激發(fā)光的波長，記錄熒光強(qiáng)度隨激發(fā)波長的變化。

發(fā)射光譜：固定激發(fā)光的波長，記錄不同發(fā)射波長處熒光強(qiáng)度隨發(fā)射波長的變化。

無論是激發(fā)還是發(fā)射熒光光譜圖，其都是記錄發(fā)射熒光強(qiáng)度隨波長的變化。所以熒光光譜中縱坐標(biāo)為強(qiáng)度，橫坐標(biāo)為波長。首先從圖中能獲取峰位和半峰寬。峰位的直觀體現(xiàn)是熒光的顏色；半峰寬則表示熒光的純度。

圖 3

?

PS：圖3摘自Nano Letters，2，1027

熒光光譜常與吸收光譜同時(shí)出現(xiàn)。所以可以與分子的吸收光譜相比較。圖3A為同一物質(zhì)的吸收光譜（UV - Vis）、熒光激發(fā)光譜（PLE）和熒光發(fā)射光譜圖（PL）。從圖中不難發(fā)現(xiàn)激發(fā)光譜與吸收光譜非常相似。但是兩者有著本質(zhì)的不同，吸收光譜的縱坐標(biāo)是吸光度（Absorbance），反應(yīng)物質(zhì)吸收光的情況；熒光光譜的縱坐標(biāo)是分子發(fā)出的熒光強(qiáng)度（Intensity），其不僅與物質(zhì)吸光能力有關(guān)還和量子效率有關(guān)。在很多研究體系中，常常結(jié)合兩者分析問題（我會(huì)在后期內(nèi)容舉例分析）。

3b：斯托克斯位移與發(fā)射光譜形狀。

通常所說的熒光光譜指的是熒光發(fā)射光譜。大多數(shù)物質(zhì)的熒光發(fā)射光譜與圖3A， 3B類似，會(huì)發(fā)生紅移，這一現(xiàn)象稱為斯托克斯位移。

為什么會(huì)發(fā)生斯托克斯位移：如圖1所示，處于激發(fā)態(tài)（如S1）的電子并不是直接輻射躍遷到基態(tài)（S0），而是先要經(jīng)歷振動(dòng)松弛、內(nèi)轉(zhuǎn)化等方式。這些過程都會(huì)消耗一部分能量。同時(shí)躍遷到基態(tài)的電子也要一系列的振動(dòng)馳豫。這些原因?qū)е履芰繐p失，反映在光譜圖中為光譜的紅移。

圖 4

?

PS：圖4摘自Principles of fluorescence Spectroscopy， Joseph R. Lakowicz

研究發(fā)現(xiàn)，熒光發(fā)射光譜的形狀與激發(fā)波長無關(guān)，但是與吸收光譜保持一定的鏡面對(duì)稱，如圖4。前者是因?yàn)镵asha規(guī)則所致，無論電子被激發(fā)到那個(gè)激發(fā)態(tài)都會(huì)先馳豫到S1，然后再輻射躍遷到基態(tài)發(fā)出熒光，所以發(fā)射光譜與激發(fā)波長無關(guān)。后者是因?yàn)殡娮踊鶓B(tài)和電子第一激發(fā)單重態(tài)的振動(dòng)能級(jí)相似，且振動(dòng)躍遷概率相似，所以成對(duì)稱關(guān)系。見下圖5。

圖 5

?

PS：圖5摘自Principles of fluorescence Spectroscopy， Joseph R. Lakowicz

仔細(xì)觀察則會(huì)發(fā)現(xiàn)圖4中橫坐標(biāo)的刻度并不均一，這是因?yàn)榉肿拥奈舛群拖鄬?duì)光子通量與波長的比例不同（具體請(qǐng)參考《熒光分析法》）。

4. 量子效率

量子效率和熒光壽命是熒光光譜中非常重要的信息。量子效率的定義是：熒光物質(zhì)發(fā)出的光子數(shù)與所吸收光子數(shù)的比值。注意區(qū)分量子效率與熒光強(qiáng)度的區(qū)別。某一物質(zhì)的量子產(chǎn)率很高并不意味其熒光強(qiáng)度就一定大。熒光強(qiáng)度不僅與量子效率有關(guān)，還和物質(zhì)的吸光度相關(guān)。量子效率的測量有兩種方法：絕對(duì)法和相對(duì)法。

絕對(duì)法：

絕對(duì)量子效率不需用標(biāo)準(zhǔn)物來作為參比， 它的測量誤差相對(duì)較小。如圖6所示。首先選擇合適波長、穩(wěn)定、單色LED為光源（一般發(fā)射波長為400—450 nm）作為激發(fā)光源。用溶劑將某一待測樣品逐級(jí)稀釋成不同濃度的一系列溶液。待稀釋的溶液達(dá)到平衡穩(wěn)定后再開始進(jìn)行絕對(duì)熒光效率的測量。打開激發(fā)光源， 將裝在小瓶子里的空白溶液和配制好的一系列待測溶液分別放入光學(xué)積分球內(nèi)，此時(shí)吸收后的激發(fā)光子和發(fā)射的熒光光子在光學(xué)積分球內(nèi)經(jīng)一系列的反射和吸收，最終通過光纖傳入QE65000光譜儀系統(tǒng)，記錄吸收后的激發(fā)光子數(shù)和發(fā)射的熒光光子數(shù)，根據(jù)定義即能計(jì)算出絕對(duì)量子效率。

圖 6

?

PS：圖6和絕對(duì)法描述摘自浙江大學(xué)博士論文《核殼量子點(diǎn)激子態(tài)的合成控制》。

相對(duì)法：

通過在相同激發(fā)條件下 ，比較待測物質(zhì)與已知量子效率物質(zhì)的積分熒光強(qiáng)度來計(jì)算待測物的量子效率。計(jì)算公式如下：

?

PS：公式來源于《熒光分析法》

其中：Y1， Y2分別表示參比物和待測物的量子產(chǎn)率；F1， F2為參比物和待測物的積分熒光強(qiáng)度；A1， A2為參比物和待測物的吸光度。