1. 熒光的定義

對于熒光有這樣一些文字的定義和解釋：a. “熒光是物質或分子發出的冷光（luminescence）”。所謂冷光，是指光并非由熱產生，可以是光致、電致、化學反應所致等等（反正就不能是熱致）。b. “當某種常溫物質經某種波長的入射光（通常是紫外線或X射線）照射，吸收光能后進入激發態，立即退激發并發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，發光現象也隨之立即消失。具有這種性質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。其實對于熒光最好的解釋來自于對光子與物質分子作用過程（分子的激發和馳豫）的理解。

2. 熒光從何而來 —— 分子的激發和馳豫 ？

圖 1

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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圖吧）。圖中S0，S1，S2分別表示分子中的電子基態，第一、第二電子激發態。當分子吸收光子，電子則可能從基態（S0）躍遷到激發態（S1，S2）。激發態電子不穩定，會從激發態（S1，S2）回到基態（S0），并發出熒光（這就是熒光的源頭）。當然并不一定要發出熒光，可以產生熱或者其他形式能量。如果電子從激發態（S1）通過系間竄越轉化為電子T1激發態，然后再從激發態T1回到S0，則發出磷光。（磷光與熒光的根本區別在此）。至于S1激發態和T1激發態的區別主要在于電子自旋的方向（單線態和三線態）。

分子吸收光后其中電子的激發和馳豫分別需要滿足兩大規律。激發過程滿足Franck – Condon規則；退激發滿足Kasha規則。Franck– Condon規則（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位置來不及發生變化，可以簡單理解為垂直躍遷。而Kasha規則（圖2B）規定在電子馳豫復合的過程中，首先電子要馳豫到電子激發態的最低能級，然后再回到基態。如圖2所示：

圖 2

PS：圖2摘自維基百科相關詞條

3. 如何解讀熒光光譜（穩態）

3a ：熒光光譜分為：激發光譜（PLE）和發射光譜（PL）。

激發光譜：固定發射光的波長，改變激發光的波長，記錄熒光強度隨激發波長的變化。

發射光譜：固定激發光的波長，記錄不同發射波長處熒光強度隨發射波長的變化。

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

圖 3

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PS：圖3摘自Nano Letters，2，1027

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

3b：斯托克斯位移與發射光譜形狀。

通常所說的熒光光譜指的是熒光發射光譜。大多數物質的熒光發射光譜與圖3A， 3B類似，會發生紅移，這一現象稱為斯托克斯位移。

為什么會發生斯托克斯位移：如圖1所示，處于激發態（如S1）的電子并不是直接輻射躍遷到基態（S0），而是先要經歷振動松弛、內轉化等方式。這些過程都會消耗一部分能量。同時躍遷到基態的電子也要一系列的振動馳豫。這些原因導致能量損失，反映在光譜圖中為光譜的紅移。

圖 4

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

研究發現，熒光發射光譜的形狀與激發波長無關，但是與吸收光譜保持一定的鏡面對稱，如圖4。前者是因為Kasha規則所致，無論電子被激發到那個激發態都會先馳豫到S1，然后再輻射躍遷到基態發出熒光，所以發射光譜與激發波長無關。后者是因為電子基態和電子第一激發單重態的振動能級相似，且振動躍遷概率相似，所以成對稱關系。見下圖5。

圖 5

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

仔細觀察則會發現圖4中橫坐標的刻度并不均一，這是因為分子的吸光度和相對光子通量與波長的比例不同（具體請參考《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：熒光物質發出的光子數與所吸收光子數的比值。注意區分量子效率與熒光強度的區別。某一物質的量子產率很高并不意味其熒光強度就一定大。熒光強度不僅與量子效率有關，還和物質的吸光度相關。量子效率的測量有兩種方法：絕對法和相對法。

絕對法：

絕對量子效率不需用標準物來作為參比， 它的測量誤差相對較小。如圖6所示。首先選擇合適波長、穩定、單色LED為光源（一般發射波長為400—450 nm）作為激發光源。用溶劑將某一待測樣品逐級稀釋成不同濃度的一系列溶液。待稀釋的溶液達到平衡穩定后再開始進行絕對熒光效率的測量。打開激發光源， 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積分球內，此時吸收后的激發光子和發射的熒光光子在光學積分球內經一系列的反射和吸收，最終通過光纖傳入QE65000光譜儀系統，記錄吸收后的激發光子數和發射的熒光光子數，根據定義即能計算出絕對量子效率。

圖 6

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PS：圖6和絕對法描述摘自浙江大學博士論文《核殼量子點激子態的合成控制》。

相對法：

通過在相同激發條件下 ，比較待測物質與已知量子效率物質的積分熒光強度來計算待測物的量子效率。計算公式如下：

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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率；F1， F2為參比物和待測物的積分熒光強度；A1， A2為參比物和待測物的吸光度。