荧光与磷光

荧光与磷光
荧光
荧光（fluorescence）是指一种光致发光的冷发光现象。

当某种常温物质经某种波长的入射光（通常是紫外线或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比入射光的的波长长的出射光（通常波长在可见光波段）；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。

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，而不去仔细追究和区分其发光原理。

有的宝石在暗处会发光，如1603年，鲍络纳(Bologna)的一个鞋匠发现当地一种石头(含硫酸钡)经阳光照射被移到暗处后，会继续发光。

当时关于磷光的记载中描述：鲍络纳石经阳光照射，须孕育一段时间后才产生光。

经过几个世纪后，人们才弄清楚这一现象的发光原理与发光过程。

1845年，Herschel报道硫酸奎宁溶液经日光照射后发射出强烈的光。

含有奎宁的通宁水在紫外线的照射下发出荧光
荧光 - 照明
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。

钞票的荧光防伪标记在紫外线灯的照射下发出可见光就是利用了这一特性。

自然界中最典型的荧光就是极光，由于太阳带电粒子（太阳风）进入地球磁场，在地球南北两极附近地区的高空，夜间出现的灿烂美丽的光辉。

极光
荧光与生化、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
水母发光蛋白最早是从海洋生物水母（Aequorea victoria）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。

荧光显微成像技术：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。

有时侯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。

例如胆红素与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。

荧光与流场显示技术
平面激光诱导荧光（PLIF）技术
平面激光诱导荧光根据激发对象的不同分为两类。

a. 比较简单一种技术，采用YAG激光器的倍频532nm激光作为激发源。

由于532nm激光相对应的光子能量不够高，所以自然界中只有某些特殊的高分子有机染料分子可以被532nm激光激发而发出荧光。

人们就用这种有机染料分子作为示踪物质加入到所要研究的流场中，观察并测量在532nm激光激发下这些被人为加入到流场中的染料分子所产生的荧光信号的性质。

一般的规律是这种机制下观察到的荧光信号和物质的总密度相关。

通过定标，就可以用观测到的荧光信号，间接地得到物质总密度的信息。

还有一些染料的发光性质（强度或波长分布）和荧光染料分子当时的环境温度相关，因此又可以利用这一特性测量流场的温度特性。

这种在被测对象中人为地加入荧光染料的PLIF技术就是所谓的“示踪平面激光诱导荧光技术” （Tracer PLIF）. 这种PLIF技术相对于后面要提到的其它种类的PLIF技术最显著的特点是实现起来最容易，设备造价最低。

在普通的使用脉冲YAG激光器作光源的PIV设备基础上，只要在被测对象中加入示踪物质，在CCD相机前面加上特定的滤光片，有些时候在荧光信号较弱时还需要使用像增强器，再配以合适的数据采集和分析软件程序就可以进行定性的PLIF测量和分析工作了。

经过定标和标定过程，还可以得到定量的结果。

有机荧光染料通常需要溶解在乙醇等溶剂中，所以这种技术比较适宜研究液体的混合，喷射等过程。

Tracer PLIF技术所用的光源并不限于532nm, 也可以用355nm, 266nm, 或任何其它可以激发某种示踪物质的激光源。

例如在气体介质中，可以用紫外激光激发某些气态的示踪物质从而研究气体流动的密度分布和温度特性。

实例：采用Tracer PLIF以丙酮作为示踪剂测量发动机EGR对缸内温度分布影响
b. 另外一类PLIF技术不依赖于外界加入的示踪物质，而是测量分析用激光激发流场物质本身的荧光。

由于不同物质组分具有不同的激发波长，不同的荧光发射波长，所以这种技术可以分析物质的组分。

例如可以分析燃烧过程中的OH, CO, NO, CH 等原子基团的密度分
布。

但这种技术需要可调谐激光器作光源，同时由于荧光信号通常很弱，昂贵的像增强器成为必备部件，所以实验系统的成本比示踪PLIF要高得多。

一套示踪PLIF设备和PIV设备的造价相差不多，但一套非示踪PLIF设备的价格却可能是PIV设备的２倍到３倍。

典型的成套系统造价要在200－300万人民币，甚至更高。

实例：使用PLIF测量OH基研究湍流燃烧火焰
PlIF-OH图像
这样的设备不仅造价高昂，而且使用，调试起来比PIV系统要复杂的多。

如果限定只测量OH基这种燃烧过程的标志性产物，则实验系统的造价可以有所降低。

可以用所谓的可调谐YAG激光器（T-YAG）来取代染料激光器作激发光源。

这样的一套系统的价格大概在180万人民币左右。

需要和荧光区分开来的几个概念
由光照（通常是紫外线或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，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，电视机显现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“萤光”
磷光
通常发光方式很多，但根据余辉的长短将晶体的发光分成两类：荧光和磷光。

余辉指激发停止后晶体发光消失的时间。

当处于基态的分子吸收紫外－可见光后，即分子获得了能量，其价电子就会发生能级跃迁，从基态跃迁到激发单重态的各个不同振动能级，并很快以振动驰豫的方式放出小部分能量达到同一电子激发态的最低振动能级，然后以辐射形式发射光子跃迁到基态的任一振动能级上，这时发射的光子称为荧光。

荧光也可以说成余辉时间≤10^(-8)s者，即激发一停，发光立即停止。

这种类型的发光基本不受温度影响。

如果受激发分子的电子在激发态发生自旋反转，当它所处单重态的较低振动能级与激发三重态的较高能级重叠时，就会发生系间窜跃，到达激发激发三重态，经过振动驰豫达到最低振动能级，然后以辐射形式发射光子跃迁到基态的任一振动能级上，这时发射的光子称为磷光。

当然，磷光也可以说成余辉时间≥10^(-8)s者，即激发停止后，发光还要持续一段时间。

根据余辉的长短，磷光又可以分为短期磷光（余辉时间≤10^(-4)s）和长期磷光（余辉时间≥10^(-4)s）。

磷光的衰减强烈的受温度影响。

磷光是一种缓慢发光的光致冷发光现象。

当某种常温物质经某种波长的入射光（通常是紫外线或X射线）照射，吸收光能后进入激发态（通常具有和基态不同的自旋多重度[1]），然后缓慢地退激发并发出比入射光的的波长长的出射光（通常波长在可见光波段）。

当入射光停止后，发光现象持续存在。

发出磷光的退激发过程是被量子力学的跃迁选择规则禁戒的，因此这个过程很缓慢。

所谓的"在黑暗中发光"的材料通常都是磷光性材料，如夜明珠。

应用
分子示踪技术（Molecular Tagging Method - MTV）
原理
MTV是在Δt时间间隔内，用两束激光分别照射分子标记的区域（一般是分子标记的线），再用CCD记录两次照射的图片，对图片进行相关处理。

图7给出了装置示意图，图8为分子标记区域和速度场处理结果。

MTV所采用的分子示踪，不同于常用的荧光或激光诱导荧光(LIF)，它是利用磷光进行可视化。

荧光是由于单基态分子向单激发态分子转变过程中发射出的光，其过程是量子力学过程，持续时间往往只在10-9-10-7s范围内；而磷光则是由单基态向多激发态转变，其过程是非量子力学过程，所以持续时间比荧光时间长很多，可以达到10-3-101s。

MTV装置示意简图 CCD拍摄的分子标记区域及处理得到的二维速度结果 MTV技术最先是在宏观尺度发展起来的，由Koochesfahani（1997）研究组提出，利用分子标记线的旋转来分析湍流运动。

最近Hu et al.又对该技术进行了发展，使其不仅适用于速度测量，还可以进行温度测量。

但MTV测量设备和一般MicroPIV设备有一定的差别，例如MTV一般需要两台激光器来照射，如果需要观察三维流动结果，则需要4台激光器。

另外由于磷光也有其衰减时间，那么CCD的拍摄速度也有一定的要求。

根据文献记载，为了避免磷光衰减过多，CCD的曝光时间多在几个毫秒。