螢光

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熒光（fluorescence）是光致冷發光現象，可以在氣體、液體或固體化學體系中發生。當某種常溫物質分子在單重基態吸收某種波長的入射光（通常是紫外線或X光）後被激發至單重激發態而產生的。當電子從激發態返回到基態時（幾乎立即（大約在 10^-8 秒內），是由於材料中的原子受到激發後會釋放出一個能量較低、波長較長的光子，其能量低於之前吸收的光子（通常波長比入射光的波長，在可見光波段）而且由於再發射過程非常迅速，一旦激發源被移除，螢光便會立即停止，而不像磷光那樣會持續發光一段時間。（其與磷光不同，是因為電子的自旋方向仍然與基態電子保持配對。）有這性質的出射光就稱為螢光。一般以持續發光時間來分辨螢光或磷光，持續發光時間短於10−8秒的稱為螢光，長於10−8秒的稱為磷光(原因詳見磷光)，嚴謹的定義基於發光的物理機制，而非持續時間。在日常生活，人們通常把各種微弱的光都一律稱為螢光。

## 螢光產生的微觀機制

螢光分子吸收入射光的能量後，其中的電子從基態$S_0$（通常為自旋單重態）躍遷至有相同自旋多重度的激發態$S_2^*$，即$S_0 + h \nu_{EX} \to S_2^*$。

這裡h是普朗克常數，$\nu_{EX}$是入射光光子的頻率。處於激發態$S_2^*$的電子可以通過各種不同的途徑釋放其能量回到基態。比如電子可以從$S_2^*$經由非常快的（短於$10^{-12}$秒）內轉換過程無輻射躍遷至能量稍低並有相同自旋多重度的激發態$S_1^*$：$S_2^* \to S_1^*$，緊接著從$S_1^*$以發光的方式釋放出能量回到基態$S_0$：$S_1^* \to S_0 + h \nu_{F}$，這裡發出的光就是螢光，其頻率為$\nu_{F}$。由於激發態$S_1^*$的能量低於$S_2^*$，故在這一過程中發出的螢光的頻率$\nu_{F}$低於入射光的頻率$\nu_{EX}$。螢光態的壽命為$10^{-10}$至$10^{-8}$秒，這就是前面提到的＂立即＂退激發的具體含義。通常電子從激發態$S_2^*$躍遷至$S_1^*$的內轉換過程非常的快，而且產生螢光的物質的分子可以通過所謂的振動弛豫過程很快地（約$10^{-11}$秒）經由碰撞達到熱平衡，這兩個效應使得絕大部分螢光源自于振動基態$S_1^*$。總結產生螢光的反應過程為：

$S_0 + h \nu_{EX} \to S_2^* \to S_1^* \to S_0 + h \nu_{F}$。

電子也可以從激發態$S_1^*$經由系間跨越過程無輻射躍遷至能量較低且有不同自旋多重度的激發態$T_2^*$（通常為自旋三重態），再經由內轉換過程無輻射躍遷至激發態$T_1^*$，然後以發光的方式釋放出能量而回到基態$S_0$。由於激發態$T_1^*$和基態$S_0$有不同的自旋多重度，這一躍遷過程由躍遷選擇規則禁戒，從而需要比釋放螢光長的多的時間（從$10^{-4}$秒到數分鐘乃至數小時不等）來完成這個過程；而且與螢光過程不同，當停止入射光後，物質中還有相當數量的電子繼續保持在亞穩態$T_1^*$上並持續發光直到所有的電子回到基態。這種緩慢釋放的光稱為磷光。

以上提到的電子退激發的機制可以用Jablonski圖來表示。

螢光物質的量子效率定義為出射螢光光子數和入射光光子數的比。

此外，就發光細胞而言，發螢光是氧化反應，必須在有氧環境下方能發生。細菌細胞中會產生一種發光酵素（luciferase）及醛類發光基質，而經由氧氣與能量物質的參與，共同反應而發出螢光；與螢火蟲的發光反應很類似。只是二者不同之處在於能量的供應有所不同；螢火蟲的發光能量來自三磷酸腺苷（ATP），而細菌的發光能量則來自黃素單核苷酸（FMNH2）。細菌發光的反應式如下。

由於醛類發光基質受到氧化，反應後成為一種酸類，且FMNH2亦氧化成為氧化態的FMN，因此這在化學反應上而言是一個氧化及釋放能量的過程，而釋放出的能量便是以發出螢光的形式表現出來。事實上，自然界（尤其是海洋中）有許多發光細菌，但因這些細菌分布不夠密集，其微弱的發光現象便因亮度不夠而被我們忽略。而唯有當大量發光細菌聚集在一起共同發光時，才能形成我們肉眼可看到的發光現象。這也是為什麼通常只在有發光器的海洋動物中才觀察到生物螢光的原因（發光器中聚集共生著高密度的發光細菌）。

## 自然界的螢光現象

含有稀土元素的礦物螢石和方解石

極光也是高層大氣中的螢光現象。

此外，螢火蟲會利用自身一些發光細胞的生化反應產生肉眼可見的螢光用來傳達訊息及求偶，這種生物發光現象稱為「生物螢光」。在大自然中，除了螢火蟲外，尚有許多其他生物可發出生物螢光，例如原生動物、真菌、甲殼類生物、昆蟲、烏賊、水母、低等植物以及細菌等。這些發光的生物中有的是靠自身細胞的生化反應而發光，有些則是靠共生的細菌來發光。

## 應用

很多天然和人工合成的材料可以發出螢光，它們有廣泛用途。

### 照明

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常見的螢光燈就是常見例子。燈管內部抽成真空再注入少量水銀。燈管電極放電使水銀發出紫外波長的光。這些紫外光看不見，並且對人體有害。所以燈管內壁覆蓋了一層稱作磷（熒）光體的物質，它可以吸收那些紫外光並發出可見光。

可以發出白色光的發光二極體（LED）也是基於類似的原理。由半導體發出的光是藍色的，這些藍光可以激發附著在反射極上的磷（熒）光體，使它們發出橙色的螢光，兩種顏色的光混合起來就近似地呈現出白光。

### 生化和醫藥

螢光在生化和醫藥領域有廣泛用途。化學反應可以把螢光化學基團粘到生物大分子上，然後觀察示蹤基團發出的螢光來靈敏地探測這些生物大分子。

實例：

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- 用於自動DNA測序的鏈末端終止法：原初的方法須以螢光標記DNA的引物端，以便在測序凝膠板上確定DNA色帶的位置。改進的方法分別以螢光標記作為鏈終止劑的４種雙脫氧核苷酸（ddTBP），電泳結束後不同長度的DNA分子彼此分開，經紫外線照射，４種已標記的雙脫氧核苷酸發出不同波長的螢光，分析螢光光譜便可以分辨出DNA序列。
- DNA探測：溴化乙啶（EtBr）是螢光染料，當它在溶液中自由改變構型時，只能發出很弱的螢光；當它嵌入核酸雙鏈的鹼基對之間與DNA分子結合後，便可以發出很強的螢光。因此在凝膠電泳中，一般加入溴化乙啶將DNA染色。
- DNA微陣列（生物晶片）：需要以螢光標記基因組探針，最後通過螢光信號確定靶標序列。
- 免疫學中的免疫螢光檢查法：以螢光標記抗體，從而可以根據螢光的分布和形態確定抗原的部位和性質。
- 流式細胞儀（又稱螢光激活細胞分選器，FACS）：以螢光標記樣本細胞，再用雷射束激發使之產生特定的螢光，然後用光學系統檢測並將信號傳輸到電腦分析得到細胞相應的各種特性。
- 螢光技術還用於探測和分析DNA及蛋白質的分子結構，尤其是較複雜的生物大分子。
- 水母發光蛋白（英語：Aequorin）最早是從海洋生物維多利亞多管發光水母中分離出來的。當它與鈣離子共存時可發出綠色螢光。這一性質已經應用於實時觀察細胞內鈣離子的流動。水母發光蛋白的發現推動了人們進一步研究海洋水母並發現了綠色螢光蛋白（Green Fluorescent Protein，GFP）。綠色螢光蛋白的多肽鏈有特殊的生色團結構，無需外加輔助因子或任何特殊處理便可以在紫外線照射下發出穩定的綠色螢光，可作為很優越的生物分子或基因探針，所以綠色螢光蛋白及相關蛋白已經成為生物化學和細胞生物學研究的重要工具。
- 螢光顯微成像技術：全內反射螢光顯微鏡

很多生物分子有內稟的螢光性，不需要外加其他化學基團就可以發出螢光。有時候這種內稟的螢光性會隨著環境的改變而改變，從而可以利用這種對環境變化敏感的螢光性來探測分子的分布和性質。例如膽紅素與血清白蛋白的一個特殊位點結合時，可以發出很強的螢光。又如當血紅細胞中缺少鐵或者含有鉛時，會產生出鋅原卟啉而不是正常的血紅素（血紅蛋白）；鋅原卟啉有很強的螢光性，可以用來幫助檢測病因。

### 寶石學，礦物學和取證學

寶石，礦物，纖維、魯米諾以及其他一些可以作為犯罪取證的材料可以在紫外線或者X射線的照射下發出不同性質的螢光。

紅寶石、翡翠、鑽石可以在短波長的紫外線下發出紅色的螢光，綠寶石、黃玉、珍珠也可以在紫外線下發出螢光。鑽石還可以在X射線下發出磷光。

水晶俗稱晶洞，也可發出聚能螢光，在白光與水晶在照射白色牆面，不停用白光閃爍 水晶體

白色牆面 會跑出聚光螢光效果。

### 印刷防偽技術

現時大部分國家之鈔票及證件等須要防偽的物品都會利用特殊的油墨於紫外線下發出熒光的特點防偽，但是製造認真的偽鈔可以偽造這一點頁特徵。

類似地，螢光筆也是利用含有螢光物質（例如螢光黃）的墨水，而實現螢光效果的。

## 需要和螢光區分開來的幾個概念

由光照（通常是紫外線或X射線）激發所引起的發光稱為光致發光，例如螢光和磷光；由化學反應所引起的發光稱為化學發光，例如演唱會上用的螢光棒是通過兩種化學液體混合後發生化學反應發光的；由陰極射線（高能電子束流）所引起的發光稱為陰極射線發光，電視機顯像管的螢光屏發光就是陰極射線發光；生物體的冷發光現象是生物發光，比如螢火蟲發出的光是「生物冷光」。

## 外部連結

- Fluorophores.org The database of fluorescent dyes
- Jablonski圖
- Scienceworld網站對於螢光的介紹
- 用紫外線發光二極體探測蠍子
- 生物學螢光探測手冊來源於Molecular Probes公司