学术干货│荧光光谱入门(一)：荧光光谱基础

作者：张馨予

图2 室温下菲的乙醇溶液的激发光谱和荧(磷)光光谱

荧光光谱能够提供激发谱、发射谱、峰位、峰强度、量子产率、荧光寿命、荧光偏振度等信息，荧光分析定性和定量的基础。

荧光光谱的特点：（1）Stokes位移。激发光谱与发射光谱之间有波长差，发射光谱波长比激发光谱波长长；（2）发射光谱的形状与激发波长无关；（3）镜像规则，荧光发射光谱与它的吸收光谱成镜像对称关系。

3.什么是荧光寿命？

荧光物质具有两个重要的发光参数：荧光寿命和荧光量子产率。荧光寿命（τ）是指当激发停止后，分子的荧光强度降到激发时最大强度的1/e所需的时间，它表示粒子在激发态存在的平均时间，通常称为激发态的荧光寿命。与稳态荧光提供一个平均信号不同，荧光寿命提供的是激发态分子的信息，前者可以告诉你事情发生了，而后者可以告诉你为什么发生。

学术干货│荧光光谱入门(一)：荧光光谱基础

图3 荧光寿命示意图

荧光寿命与物质所处微环境的极性、黏度等有关，可以通过荧光寿命分析直接了解所研究体系发生的变化。荧光现象多发生在纳秒级，这正好是分子运动所发生的的时间尺度，因此利用荧光技术可以“看”到许多复杂的分子间作用过程，例如超分子体系中分子间的簇集、固液界面上吸附态高分子的构象重排、蛋白质高级结构的变化等。荧光寿命分析在光伏、法医分析、生物分子、纳米结构、量子点、光敏作用、镧系元素、光动力治疗等领域均有应用。

荧光寿命的测定技术有时间分辨单光计数技术(TCSPC)、相调法、闪频法。其中TCSPC具有灵敏度高、测定结果准确、系统误差小的优点，是目前最流行的的荧光寿命测定方法。

4.什么是荧光量子产率？

荧光量子产率（φf）是荧光物质另一个基本参数，它表示物质发生荧光的能力，数值在0~1之间。荧光量子效率是荧光辐射与其他辐射和非辐射跃迁竞争的结果。

式中， kf为荧光发射过程的速率常数， ∑ki为其他有关过程的速率常数总和。一般来说， kf主要决定于化学结构，而 ∑ki主要决定于化学环境，同时也与化学结构有关。

5.分子结构与荧光？

并不是所有的分子都能产生荧光，分子产生荧光必须具有：合适的结构和一定的荧光量子产率。荧光产生与分子结构的关系如下：

（1）电子跃迁类型。大多数荧光化合物都是由π→π*或n→π*跃迁激发，然后经过振动弛豫或其他非辐射跃迁，在发生π*→π或π*→n跃迁而产生荧光，其中π*→π荧光效率最高。

（2）共轭效应。含有π*→π跃迁能级的芳香族化合物的荧光最常见且最强。具有较大共轭体系或脂环羰基结构的脂肪族化合物也可能产生荧光。

（3）取代基效应。苯环上有吸电子基常常会妨碍荧光的产生，而给电子基会使荧光增强。

（4）平面刚性结构。具有平面刚性结构的有机分子大多具有强烈荧光，因为该结构可降低分子振动，减少与溶剂的相互作用。

6.什么是荧光分析？

荧光分析就是基于物质的光致发光现象而产生的荧光的特性及其强度进行物质的定性和定量的分析方法。目前，也广泛地作为一种表征技术来研究体系的物理、化学性质及其变化情况，例如生物大分子构象及性质的研究。

荧光光谱适用于固体粉末、晶体、薄膜、液体等样品的分析。根据样品分别选配石英池（液体样品）或固体样品架（粉末或片状样品）。

荧光光谱分析可与显微镜耦合，获得微区分析结果。荧光是无损伤、非接触的分析技术，还可用于自动检验、批量筛分、远程原位分析和活体分析。

荧光分析的优点：（1）灵敏度高；（2）选择性强；（3）试样量少、方法简单；（4）提供较多的物理参数。但是也存在应用范围不够广泛、对环境敏感（干扰因素多）等缺点。

7.荧光光谱定性分析依据？

不同结构荧光化合物都有特征的激发光谱和发射光谱，因此可以将荧光物质的激发光谱与发射光谱的形状、峰位与标准溶液的光谱图进行比较，从而达到定性分析的目的。

8.荧光光谱定量分析原理？