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荧光

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白光(上)与紫外线(下)照射下的萤石。
白光(上)与紫外线(下)照射下的萤石
含有奎宁的通宁水在紫外线的照射下发出荧光。
含有奎宁通宁水紫外线的照射下发出荧光。
中国护照在黑光灯下显示出荧光防伪图案。
中国护照黑光灯下显示出荧光防伪图案。

荧光fluorescence)是一种光致冷发光现象。当某种常温物质经某种波长的入射光(通常是紫外线X射线)照射,吸收光能后进入激发态,并且立即退激发并发出出射光(通常波长比入射光的的波长长,在可见光波段);而且一旦停止入射光,发光现象也随之立即消失。具有这种性质的出射光就被称之为荧光。一般以持续发光时间来分辨荧光或磷光,持续发光时间短于10-8秒的称为荧光,持续发光时间长于10-8秒的称为磷光。在日常生活中,人们通常广义地把各种微弱的光亮都称为荧光。

荧光产生的微观机制

具有荧光性的分子吸收入射光的能量后,其中的电子从基态 (通常为自旋单重态)跃迁至具有相同自旋多重度激发态 ,即 ,这里h = 普朗克常数 = 入射光光子的频率。处于激发态 的电子可以通过各种不同的途径释放其能量回到基态。比如电子可以从 经由非常快的(短于 秒)内转换过程无辐射跃迁至能量稍低并具有相同自旋多重度的激发态 ,紧接着从 以发光的方式释放出能量回到基态 ,这里发出的光就是荧光,其频率为 。由于激发态 的能量低于 ,故在这一过程中发出的荧光的频率 低于入射光的频率 。荧光态的寿命为 秒,这就是前面提到的"立即"退激发的具体含义。通常电子从激发态 跃迁至 的内转换过程非常的快,而且产生荧光的物质的分子可以通过所谓的振动弛豫过程很快地(约 秒)经由碰撞达到热平衡,这两个效应使得绝大部分荧光源自于振动基态 。总结产生荧光的反应过程为:

电子也可以从激发态 经由系间跨越过程无辐射跃迁至能量较低且具有不同自旋多重度的激发态 (通常为自旋三重态),再经由内转换过程无辐射跃迁至激发态 ,然后以发光的方式释放出能量而回到基态 。由于激发态 和基态 具有不同的自旋多重度,这一跃迁过程是被跃迁选择规则禁戒的,从而需要比释放荧光长的多的时间(从 秒到数分钟乃至数小时不等)来完成这个过程;而且与荧光过程不同,当停止入射光后,物质中还有相当数量的电子继续保持在亚稳态 上并持续发光直到所有的电子回到基态。这种缓慢释放的光被称为磷光

以上提到的电子退激发的机制可以用Jablonski 图来表示。

荧光物质的量子效率定义为出射荧光光子数和入射光光子数的比。

此外,就发光细胞而言,荧光的产生是一种氧化反应,因此必须在有氧气的环境下方能进行。细菌细胞中会产生一种发光酵素(luciferase)及醛类发光基质,而经由氧气与能量物质的参与,共同反应而发出荧光;与萤火虫的发光反应很类似。只是二者不同之处在于能量的供应有所不同;萤火虫的发光能量来自三磷酸腺苷(ATP),而细菌的发光能量则来自黄素单核苷酸(FMNH2)。细菌发光的反应式如下。

由于醛类发光基质受到氧化,反应后成为一种酸类,且FMNH2亦氧化成为氧化态的FMN,因此这在化学反应上而言是一个氧化及释放能量的过程,而释放出的能量便是以发出荧光的形式表现出来。事实上,自然界中(尤其是海洋中)存在着许多发光细菌,但因这些细菌的分布不够密集,其微弱的发光现象便因亮度不够而被我们忽略了。而唯有当大量发光细菌聚集在一起共同发光时,才能形成我们肉眼可以观看到的发光现象。这也是为什么通常只在具有发光器的海洋动物中才观察到生物荧光的原因(发光器中聚集共生著高密度的发光细菌)。

自然界中的荧光现象

含有稀土元素的矿物萤石方解石

极光也是高层大气中的萤光现象。

此外,萤火虫会利用自身一些发光细胞的生化反应,产生肉眼可见的荧光用来达到传达讯息及求偶的目的。这种生物性的发光现象我们称之为“生物荧光”。在大自然中,除了萤火虫外,尚有许多其他生物可发出生物荧光,例如原生动物、真菌、甲壳类生物、昆虫、乌贼、水母、低等植物以及细菌等。这些发光的生物中有的是靠自身细胞的生化反应而发光,有些则是靠共生的细菌来发光。

荧光的应用

有很多天然和人工合成的材料可以发出荧光,它们有着广泛的应用。

照明

荧光灯
荧光灯

常见的荧光灯就是一个例子。 灯管内部被抽成真空再注入少量的水银。灯管电极的放电使水银发出紫外波段的光。这些紫外光是不可见的,并且对人体有害。所以灯管内壁覆盖了一层称作磷(荧)光体的物质,它可以吸收那些紫外光并发出可见光。

可以发出白色光的发光二极管(LED)也是基于类似的原理。由半导体发出的光是蓝色的,这些蓝光可以激发附着在反射极上的磷(荧)光体,使它们发出橙色的荧光,两种颜色的光混合起来就近似地呈现出白光。

生化和医药

荧光在生化和医药领域有着广泛的应用。人们可以通过化学反应把具有荧光性的化学基团粘到生物大分子上,然后通过观察示踪基团发出的荧光来灵敏地探测这些生物大分子。

实例:

采用荧光标记的链终止剂所得到的DNA测序图
采用荧光标记的链终止剂所得到的DNA测序图
  • 用于对DNA进行自动测序的链末端终止法:在原初的方法中,需要对DNA的引物端进行荧光标记,以便在测序凝胶板上确定DNA色带的位置。在改进的方法中,对作为链终止剂的4种双脱氧核苷酸(ddTBP)分别进行荧光标记,电泳结束后不同长度的DNA分子彼此分开,经紫外线照射,4种被标记的双脱氧核苷酸发出不同波长的荧光。通过分析荧光的光谱便可以分辨出DNA的序列。
  • DNA探测:溴化乙啶(EtBr)是一种荧光染料,当它在溶液中自由改变构型时,只能发出很弱的荧光;当它嵌入核酸双链的碱基对之间与DNA分子结合后,便可以发出很强的荧光。因此在凝胶电泳中,一般加入溴化乙啶对DNA染色。
  • DNA微阵列生物芯片):需要对基因组探针进行荧光标记,最后通过荧光信号确定靶标序列。
  • 免疫学中的免疫荧光检查法:对抗体进行荧光标记,从而可以根据荧光的分布和形态确定抗原的部位和性质。
  • 流式细胞仪(又称荧光激活细胞分选器,FACS) :对样本细胞进行荧光标记,再用激光束激发使之产生特定的荧光,然后用光学系统检测并将信号传输到计算机进行分析,从而得到细胞相应的各种特性。
  • 荧光技术还被应用于探测和分析DNA及蛋白质的分子结构,尤其是比较复杂的生物大分子。
  • 水母发光蛋白(英语:Aequorin)最早是从海洋生物维多利亚多管发光水母中分离出来的。当它与Ca2+离子共存时,可以发出绿色的荧光。这一性质已经被应用于实时观察细胞内Ca2+离子的流动。水母发光蛋白的发现推动了人们进一步研究海洋水母并发现了绿色荧光蛋白(Green Fluorescent Protein,GFP)。绿色荧光蛋白的多肽链中含有特殊的生色团结构,无需外加辅助因子或进行任何特殊处理,便可以在紫外线的照射下发出稳定的绿色荧光,作为生物分子或基因探针具有很大的优越性,所以绿色荧光蛋白及相关蛋白已经成为生物化学和细胞生物学研究的重要工具。
  • 萤光显微成像技术:全内反射荧光显微镜

很多生物分子具有内禀的荧光性,不需要外加其他化学基团就可以发出荧光。有时候这种内禀的荧光性会随着环境的改变而改变,从而可以利用这种对环境变化敏感的荧光性来探测分子的分布和性质。例如胆红素血清白蛋白的一个特殊位点结合时,可以发出很强的荧光。又如当血红细胞中缺少铁或者含有铅时,会产生出锌原卟啉而不是正常的血红素(血红蛋白);锌原卟啉具有很强的荧光性,可以用来帮助检测病因。

宝石学矿物学和取证学

宝石矿物纤维鲁米诺以及其他一些可以作为犯罪取证的材料可以在紫外线或者X射线的照射下发出不同性质的荧光。

红宝石翡翠钻石可以在短波长的紫外线下发出红色的荧光,绿宝石黄玉珍珠也可以在紫外线下发出荧光。钻石还可以在X射线下发出磷光。

印刷防伪技术

现时大部分国家之钞票证件等须要防伪的物品都会利用特殊的油墨于紫外线下发出荧光的特点防伪,但是制造认真的伪钞可以伪造这一点页特征。

类似地,荧光笔也是利用含有荧光物质(例如荧光黄)的墨水,而实现荧光效果的。

需要和荧光区分开来的几个概念

由光照(通常是紫外线X射线)激发所引起的发光称为光致发光,例如荧光和磷光;由化学反应所引起的发光称为化学发光,例如演唱会上用的荧光棒是通过两种化学液体混合后发生化学反应发光的;由阴极射线(高能电子束流)所引起的发光称为阴极射线发光,电视机显像管的荧光屏发光就是阴极射线发光;生物体的冷发光现象是生物发光,比如萤火虫发出的光是“生物冷光”。

相关链接

外部链接

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荧光
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