荧光

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荧光（fluorescence）是光致冷发光现象，可以在气体、液体或固体化学体系中发生。当某种常温物质分子在单重基态吸收某种波长的入射光（通常是紫外线或X光）后被激发至单重激发态而产生的。当电子从激发态返回到基态时（几乎立即（大约在 10^-8 秒内），是由于材料中的原子受到激发后会释放出一个能量较低、波长较长的光子，其能量低于之前吸收的光子（通常波长比入射光的波长，在可见光波段）而且由于再发射过程非常迅速，一旦激发源被移除，荧光便会立即停止，而不像磷光那样会持续发光一段时间。（其与磷光不同，是因为电子的自旋方向仍然与基态电子保持配对。）有这性质的出射光就称为荧光。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，长于10−8秒的称为磷光(原因详见磷光)，严谨的定义基于发光的物理机制，而非持续时间。在日常生活，人们通常把各种微弱的光都一律称为荧光。

## 荧光产生的微观机制

荧光分子吸收入射光的能量后，其中的电子从基态$S_0$（通常为自旋单重态）跃迁至有相同自旋多重度的激发态$S_2^*$，即$S_0 + h \nu_{EX} \to S_2^*$。

这里h是普朗克常数，$\nu_{EX}$是入射光光子的频率。处于激发态$S_2^*$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$S_2^*$经由非常快的（短于$10^{-12}$秒）内转换过程无辐射跃迁至能量稍低并有相同自旋多重度的激发态$S_1^*$：$S_2^* \to S_1^*$，紧接着从$S_1^*$以发光的方式释放出能量回到基态$S_0$：$S_1^* \to S_0 + h \nu_{F}$，这里发出的光就是荧光，其频率为$\nu_{F}$。由于激发态$S_1^*$的能量低于$S_2^*$，故在这一过程中发出的荧光的频率$\nu_{F}$低于入射光的频率$\nu_{EX}$。荧光态的寿命为$10^{-10}$至$10^{-8}$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$S_2^*$跃迁至$S_1^*$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$10^{-11}$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$S_1^*$。总结产生荧光的反应过程为：

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

电子也可以从激发态$S_1^*$经由系间跨越过程无辐射跃迁至能量较低且有不同自旋多重度的激发态$T_2^*$（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$T_1^*$，然后以发光的方式释放出能量而回到基态$S_0$。由于激发态$T_1^*$和基态$S_0$有不同的自旋多重度，这一跃迁过程由跃迁选择规则禁戒，从而需要比释放荧光长的多的时间（从$10^{-4}$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$T_1^*$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，发萤光是氧化反应，必须在有氧环境下方能发生。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，共同反应而发出萤光；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萤光的形式表现出来。事实上，自然界（尤其是海洋中）有许多发光细菌，但因这些细菌分布不够密集，其微弱的发光现象便因亮度不够而被我们忽略。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看到的发光现象。这也是为什么通常只在有发光器的海洋动物中才观察到生物萤光的原因（发光器中聚集共生著高密度的发光细菌）。

## 自然界的荧光现象

含有稀土元素的矿物萤石和方解石

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萤光用来传达讯息及求偶，这种生物发光现象称为“生物萤光”。在大自然中，除了萤火虫外，尚有许多其他生物可发出生物萤光，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。

## 应用

很多天然和人工合成的材料可以发出荧光，它们有广泛用途。

### 照明

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常见的荧光灯就是常见例子。灯管内部抽成真空再注入少量水银。灯管电极放电使水银发出紫外波长的光。这些紫外光看不见，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广泛用途。化学反应可以把荧光化学基团粘到生物大分子上，然后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：

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- 用于自动DNA测序的链末端终止法：原初的方法须以荧光标记DNA的引物端，以便在测序凝胶板上确定DNA色带的位置。改进的方法分别以荧光标记作为链终止剂的４种双脱氧核苷酸（ddTBP），电泳结束后不同长度的DNA分子彼此分开，经紫外线照射，４种已标记的双脱氧核苷酸发出不同波长的荧光，分析荧光光谱便可以分辨出DNA序列。
- DNA探测：溴化乙啶（EtBr）是荧光染料，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，一般加入溴化乙啶将DNA染色。
- DNA微阵列（生物芯片）：需要以荧光标记基因组探针，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：以荧光标记抗体，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）：以荧光标记样本细胞，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分析得到细胞相应的各种特性。
- 荧光技术还用于探测和分析DNA及蛋白质的分子结构，尤其是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。当它与钙离子共存时可发出绿色荧光。这一性质已经应用于实时观察细胞内钙离子的流动。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有特殊的生色团结构，无需外加辅助因子或任何特殊处理便可以在紫外线照射下发出稳定的绿色荧光，可作为很优越的生物分子或基因探针，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：全内反射萤光显微镜

很多生物分子有内禀的荧光性，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。

水晶俗称晶洞，也可发出聚能萤光，在白光与水晶在照射白色墙面，不停用白光闪烁 水晶体

白色墙面 会跑出聚光萤光效果。

### 印刷防伪技术

现时大部分国家之钞票及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（例如萤光黄）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，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”。

## 外部链接

- Fluorophores.org The database of fluorescent dyes
- Jablonski图
- Scienceworld网站对于荧光的介绍
- 用紫外线发光二极管探测蝎子
- 生物学荧光探测手册来源于Molecular Probes公司