荧光相关光谱

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第十七章荧光光谱分析

当紫外线照射到某些物质的时候，这些物质会发射出各种颜色和不同强度的可

见光，而当紫外线停止照射时，所发射的光线也随之很快地消失，这种光线被称

为荧光。

西班牙的内科医生和植物学家es于1575年第一次记录了荧光现象。

17世纪，Boyle和Newton等著名科学家再次观察到荧光现象。17世纪和18世

纪，又陆续发现了其它一些发荧光的材料和溶液，但是在荧光现象的解释方面却

没有什么进展。1852年，Stokes在考察奎宁和叶绿素的荧光时，用分光计观察

到其荧光的波长比入射光的波长稍长，才判明这种现象是这些物质在吸收光能后

重新发射不同波长的光，而不是由光的漫射所引起的，从而导入了荧光是光发射

的概念。同时，他由发荧光的矿物“萤石”推演而提出“荧光”这一术语。1867

年，Coppelsroder进行了历史上首次的荧光分析工作，应用铝-桑色素配合物的荧

光进行铝的测定。1880年，Liebeman提出了最早的关于荧光与化学结构关系的

经验法则。到19世纪末，人们已经知道了600种以上的荧光化合物。20世纪以

来，荧光现象被研究得更多了。例如，1905年Wood发现了共振荧光；1914年

Frank和Hertz利用电子冲击发光进行定量研究；1922年Frank和Cario发现了

增感应光；1924年Wawillow进行了荧光产率的绝对测定；1926年Gaviola进行

了荧光寿命的直接测定等。

荧光分析方法的发展离不开仪器应用的发展。19世纪以前，荧光的观察是靠

肉眼进行的，直到1928年，才由Jette和West研制出第一台光电荧光计。早期

的光电荧光计的灵敏度是有限的，1939年Zworykin和Rajchman发明光电倍增

管以后，在增加灵敏度和容许使用分辨率更高的单色器等方面，是一个非常重要

的阶段。1943年Dutton和Bailey提出了一种荧光光谱的手工校正步骤，1948年

由Studer推出了第一台自动光谱校正装置，到1952年才出现商品化的校正光谱

仪器。

荧光光谱分析法除了可以用作组分的定性检测和定量测定的手段之外，还被广

泛地作为一种表征技术应用于表征所研究体系的物理、化学性质及其变化情况。

例如，在生命科学领域的研究中，人们经常可以利用荧光检测的手段，通过检测

某种荧光特定参数（如荧光的波长、强度、偏振和寿命）的变化情况来表征生物

大分子在性质和构象上的变化。

很多化合物由于本身具有大的共轭体系和刚性的平面结构，因而具有能发射荧

光的内在本质，我们称这些化合物为荧光化合物。在某些所要研究的体系中，由

于体系自身含有这种荧光团而具有内源荧光，人们就可以利用其内源荧光，通过

检测某种荧光特性参数的变化，对该体系的某些性质加以研究。但是，如果所要

研究的体系本身不含有荧光团而不具有内源荧光，或者其内源性质很弱，这时候

就必须在体系中外加一种荧光化合物即所谓荧光探针，再通过测量荧光探针的荧

光特性的变化来对该体系加以研究。例如，如果我们要检测体系的极性，便可以

将对极性敏感的荧光探针加入到体系中，然后通过对荧光探针的荧光特性的检

测，求得体系的极性，或通过探针的荧光特性的变化来表征体系的极性的变化情

况。

荧光分析法之所以发展如此迅速，应用日益广泛，其原因之一是荧光分析法具

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有很高的灵敏度。在微量分析的各种方法中，应用较为广泛的有比色法和分光光

度法。但在方法的灵敏度方面，荧光分析法的灵敏度一般要比这两种方法高2～

3各数量级。随着现代电子技术的迅速发展，对于微弱光信号检测的灵敏度已大

大提高，荧光分析的灵敏度常可达亿分之几，在与毛细管电泳分离技术结合、采

用激光诱导荧光检测法时，已能接近或达到单分子检测的水平[1]荧光分析法的另

一个优点是选择性高。这主要是对有机化合物的分析而言。吸光物质由于内在本

质的差别，不一定都会发荧光，况且，发荧光的物质彼此之间在激发波长和发射

波长方面可能有所差异，因而通过选择适当的激发波长和荧光测定波长，便可能

达到选择性测定的目的。另外，由于荧光的特性参数较多，除量子产率、激发与

发射波长之外，还有荧光寿命、荧光偏振等。因此，还可以通过采用同步扫描、

导数光谱、三维光谱、时间分辨和相分辨等一些荧光测定新技术进一步提高测定

的选择性。除灵敏度高和选择性好之外，动态线性范围宽，方法简便，重现性好，

取样量少，仪器设备不复杂等等，也是荧光分析法的优点。

近年来，在其他学科迅速发展的影响下，激光、微处理机、电子学、光导纤维

和纳米材料等方面的一些新技术的引入，很大程度上推动了荧光分析法在理论和

应用方面的进展，促进了诸如同步荧光测定、倒数荧光测定、时间分辨荧光测定、

相分辨荧光测定、荧光偏振测定、荧光免疫测定、低温荧光测定、固体表面荧光

测定、近红外荧光分析法、荧光反应速率法、三维荧光光谱技术、荧光显微与成

像技术、空间分辨荧光技术、荧光探针技术、单分子荧光检测技术和荧光光纤化

学传感器等荧光分析方面的某些新方法、新技术的发展，并且相应地加速了各式

各样新型的荧光分析仪器的问世，使荧光分析法不断朝着高效、痕量、微观、实

时、原位和自动化的方向发展，方法的灵敏度、准确度和选择性日益提高，方法

的应用范围大大扩展，遍及工业、农业、生命科学、环境科学、材料科学、食品

科学和公安情报等诸多领域。如今，荧光分析法已经发展成为一种十分重要且有

效地光谱化学分析手段。

17.1基本原理

荧光是一种光致发光现象，那么，由于分子对光的选择性吸收，不同波长的入

射光便具有不同的激发频率。如果固定荧光的发射波长（即测定波长）而不断改

变激发光（即入射光）的波长，并记录相应的荧光强度，所得到的荧光强度对激

发波长的谱图称为荧光的激发光谱（简称激发光谱）。如果使激发光的波长和强

度保持不变，而不断改变荧光的测定波长（即发射波长）并记录相应的荧光强度，

所得到的荧光强度对发射波长的谱图则称为荧光的发射光谱（简称发射光谱）。

激发光谱反映了在某一固定的发射波长下所测量的荧光强度对激发波长的依赖

关系；发射光谱反映了在某一固定的激发波长下所测量的荧光的波长分布。激发

光谱和发射光谱可用以鉴别荧光物质，并可作为进行荧光测定时选择合适的激发

波长和测定波长的依据。

荧光测量仪器有各自的特性，如光源的能量分布、单色器的透射率和检测器的

敏感度都随波长而改变，因而一般情况下测得的激发光谱和发射光谱，皆为表观

的光谱。同一份荧光化合物的溶液在不同的荧光测量仪上所测得的表观光谱彼此

间往往有所差异。只有对上述仪器特性的波长因素加以校正之后，所获得的校正

光谱（或称真是光谱）才可能是彼此一致的。某种化合物的荧光激发光谱的形状，

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理论上应与其吸收光谱的形状相同，但是由于上述仪器特性的波长因素，表光激

发光谱的形状与吸收光谱的形状大都有所差异，只有校正的激发光谱才与吸收光

谱非常接近。在化合物的浓度足够小，对不同波长激发光的吸收正比于其吸光系

数，且荧光的量子产率与激发波长无关的条件下，校正的激发光谱在形状上与吸

收光谱相同。

分子的吸收光谱可能含有几个吸收带，但其发射光谱却通常只含有一个发射

带。绝大多数情况下即使分子被激发到S

2

电子态以上的不用振动能级，但是由

于内转化和振动松弛的速率是那样的快，以致很快地丧失多余的能量而衰变到

S

1

态的最低振动能级，然后发射荧光，因而其发射光谱通常只含一个发射带，且

发射光谱的形状与激发波长无关，只与基态中振动能级的分布情况以及各振动带

的跃迁概率有关。但是也有例外，例如有些荧光体具有两个电离态，而每个电离

态显示不同的吸收和发射光谱，等等。

物质在吸收入射光的过程中，光子的能量传递给了物质分子。分子被激发后，

发生了电子从较低的能级到较高能级的跃迁。该跃迁过程经历的时间约10-15s。

跃迁所涉及的两个能级间的能量差，等于所吸收光子的能量。紫外、可见光区的

光子能量较高，足以引起分子中的电子发生电子能级间的跃迁。处于该激发态的

分子称为电子激发态分子。

电子激发态的多重态用2S+1表示，S是电子自旋角动量量子数的代数和，其

数值为0或1。分子中同一轨道里同一轨道里所占据的两个电子必须具有相反的

自旋方向，即自选配对。如果分子中的全部电子都是自旋配对的，即S=0，该分

子便处于单重态（或称单线态），用符号S表示。大多数有机物分子的基态是处

于单重态的。如果分子吸收能量后电子在跃迁过程中不发生自旋方向的变化，这

时分子处于激发的单重态；倘若电子在跃迁过程中还伴随着自旋方向的改变，这

时分子便具有两个自旋不配对的电子，即S=1，分子处于激发的三重态（或称三

线态），用符号T表示。符号S

0

、S

1

和S

2

分别表示分子的基态、第一和第二电

子激发单重态，T

1

和T

2

则分别表示第一和第二电子激发三重态。处于激发态的

分子不稳定，它可能通过辐射跃迁和非辐射跃迁的衰变过程而返回基态。另外，

激发态分子也可能由于分子间的作用过程而失活。

辐射跃迁的衰变过程伴随着光子的发射，即产生荧光活磷光；非辐射跃迁的衰

变过程，包括振动松弛（VR）、内转化（ic）、和系间窜越（isc），这些衰变过程

导致激发能转化为热能传递给介质。振动松弛是指分子将多余的振动能量传递给

介质而衰变到同一电子态的最低振动能级的过程。内转化指相同多重态的两个电

子态间的非辐射跃迁过程（例如S

1

～S

0

，T

2

～T

1

）；系间窜越则指不同多重态的两

个电子态间的非辐射跃迁过程（例如S

1

～T

1

，T

1

～S

0

）。图5.6.1为分子内所发生

的激发过程以及辐射跃迁和非辐射跃迁过程的示意图。

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图5.6.1分子内的激发和衰变过程

A1.A2.吸收；F.荧光；P.磷光；ic.内转化；isc.系间窜越；VR.振动松弛.

如果分子被激发到S

2

以上的某个电子激发单重态的不同振动能级上，处于这

种激发态的分子很快（约10-12～10-14s）发生振动松弛而衰变到该电子态的最低

振动能级，然后又经由内转化及振动松弛而衰变到S

1

态的最低振动能级。接着，

有如下几种衰变到基态的途径：①S

1

→S

0

的辐射跃迁而发射荧光；②S

1

～S

0

内转

化；③S

1

～T

1

系间窜越。而处于T1态的最低振动能级的分子，则可能发生T

1

～

S

0

的辐射跃迁而发射磷光，也可能同时发生T

1

～S

0

系间窜越。

从比较荧光与激发光的波长这一角度出发，荧光又可分为斯托克斯（Stokes）

荧光、反斯托克斯荧光以及共振荧光。斯托克斯荧光的波长比激发光源的长，反

斯托克斯荧光的波长则比激发光源的短，而共振荧光具有与激发光相同的波长。

在溶液中观察到的通常是斯托克斯荧光。由荧光在电磁辐射中所处的波段范围，

又有X射线荧光、紫外荧光、可见荧光和红外荧光之分。

17.2基本构成及其工作原理

荧光光谱仪由光源、单色器（滤光片或光栅）、狭缝、样品室、信号检测放大

系统和信号读出、记录系统组成。光源用来激发样品，单色器用来分离出所需要

的单色光，信号检测放大系统用来把荧光信号转化为电信号，联结于放大装置上

的读出装置用来显示或记录荧光信号。

下面介绍现用仪器（即法国HoribaJobinYvon生产的FluorLog-3荧光光谱

仪）的各组件。

1、激发光源

理想化的激发光源：由于荧光体的荧光强度与激发光的强度成正比，因此，作

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为一种理想的激发光源应具备：①足够的强度；②在所需光谱范围内有连续的光

谱；③其强度与波长无关，即光源的输出应是连续平滑等强度的辐射；④光强要

稳定。符合这些要求的光源实际上并不存在。可作为激发光源的主要有氙灯、汞

灯、氙-汞弧灯、激光器以及闪光灯。高压氙弧灯是荧光光谱仪中应用最广泛的

一种光源。本仪器所用的激发光源即为450W氙灯。这种光源是一种短弧气体放

电灯，外套为石英，内充氙气，室温时其压力为5atm，工作时压力约为20atm。

250～800nm光谱区呈连续光谱，450nm附近有几条锐线。其工作时，在相距约

8mm的钨电极间形成一强的电子流（电弧），氙原子与电子流相撞而离解为氙正

离子，氙正离子与电子复合而发光。氙原子的离解发射连续光谱，而激发态的氙

则发射分布于450nm附近的线状光谱。氙弧灯的光谱输出，短于280nm区的强度

迅速下降。有的氙弧灯为无臭氧灯，即工作时氙灯周围不产生臭氧，这种灯所用

的石英外套不投射波长短于250nm的光，但这种灯的输出信号强度随波长缩短而

迅速下降。工作时，氙灯灯光很强，其射线会损伤肉眼视网膜，紫外线会损伤肉

眼角膜，因此，工作者应避免直视光源。

2、单色器和滤光片

⑴光栅单色器

光栅单色器有两个主要性能指标，即色散能力和杂散光水平，色散能力通常以

nm/mm表示，其中mm为单色器的狭缝宽度。通常人们总是选用低杂散光的单色

器，以减少杂散光的干扰，同时选用高效率的单色器来提高检测弱信号的能力。

单色器一般都有进、出光两个狭缝，出射光的强度约与单色器狭缝宽度的平方成

正比，增大狭缝宽度有利于提高信号强度，缩小狭缝宽度有利于提高光谱分辨力，

但却牺牲了信号强度。对于光敏性的荧光体测量，有必要适当减少入射光的强度。

光栅单色器的透射率为波长的函数，机刻光栅的输出最强光的波长被称为闪耀

波长。光栅的闪耀波长由光栅的闪耀角而定，而闪耀角则由光栅的线槽角而定。

为了弥补激发光源（氙灯）紫外区能量弱的缺点，荧光光谱仪多选用闪耀波长落

于紫外区（例如300nm）的单色器为激发单色器。由于荧光体的荧光波长多落于

400～600nm，因而发射单色器常采用闪耀波长为500nm左右的光栅。光栅单色器

的另一重要特性在于它的透射率与偏振光有关。对于荧光测量来说，单色器的杂

散光指标是一个极关键的参数。杂散光被定义为除去所需要波长的光线以外，通

过单色器的所有其他光线的强度。首先考虑激发单色器，通常紫外线被用来激发

荧光体，而氙灯中的紫外线强度仅约为可见光的1%。荧光体的荧光一般都很弱，

通过激发单色器的长波长的杂散光，容易被当做荧光来检测。许多生物样品都有

较大的浊度，结果入射的杂散光被样品散射而干扰荧光强度的测量。因此，某些

荧光光谱仪采用双光栅单色器，这样，虽然杂散光可降至峰强度的10-8～10-12，

可是其灵敏度也将降低。

⑵滤光片

荧光测量的主要误差来自杂散光和散射光。消除这些误差源除用单色器外还可

用滤光片。滤光片具有便宜、简单等优点，因此它在荧光光谱仪中有广泛的应用。

滤光片可分为玻璃滤光片、胶膜滤光片和干涉滤光片三种。本仪器所用的是玻璃

滤光片。玻璃滤光片含有各种不同的金属氧化物，因而呈现不同的颜色。它们透

过的光线带宽较宽，且因受金属氧化物种类的限制，品种不多。但它具有稳定、

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经得起长期光照和便宜等优点。

3、检测器

检测器主要包括光电倍增管（PMT）、光导摄像管（Vidicon）、电子微分器和电

荷耦合器件阵列检测器（charge-coupleddevice,CCD）。

目前，几乎所有普通荧光光谱仪都采用光电倍增管（PMT）作为检测器。PMT是

一种很好的电流源，在一定的条件下，其电流量与入射光强度成正比。虽然PMT

对各个光子均起响应，但是平时都是测量众多光子脉冲响应的平均值。光导摄像

管被用来作为光学多道分析器（简称OMA）的检测器，它具有检测效率高、动态

范围宽、线性响应好、坚固耐用和寿命长等优点。与PMT相比，其检测灵敏度虽

不如PMT，但却能同时接受荧光体的整个发射光谱，这有利于光敏性荧光体和复

杂样品的分析，且检测系统容易实现自动化[2]。获得导数（亦称微分）光谱的方

式有两类，一为光谱信号输出的微分，它包括电子微分、数字微分、机械转速微

分；另一类为改变光路结构，例如波长调制等。荧光光谱仪采用电子微分或微处

理机微分[3-4]。电荷耦合器件阵列检测器（charge-coupleddevice,CCD）是一类

新型的光学多通道检测器，它具有光谱范围宽、量子效率高、暗电流小、噪声低、

灵敏度高、线性范围宽，同时可获取彩色、三维图像等特点。CCD是一种灵敏的

固体成像装置，一般来说CCD的有效成像面积为1～8cm2。现在商品型号的CCD

有576*384像素、5126*512像素、1024*1024像素、400万像素、800万像素等

系列产品[5-6]。

本中心配备的荧光光谱仪的检测器是R928PPMT（photomultiplier-tube,光电倍

增管）。PMT由一个光阴极和多级的二次发射电极所组成。光照射于光阴极时会

引起一次电子发射，这些光电子在PMT中被电场加速飞射到第一个二次发射极

（打拿极）上时，每个光电子将引起5～20个二次电子发射，这些电子又被加速

到下一个电极上去，如此多次重复，最后电子被集中到阳极上去。所产生的电流

被放大到可检测的水平。PMT的光电子产生率与施加于光阴极的高压值有关，一

般PMT常用-500～-1000V的电压，有些型号的PMT则用-1000～-2000V。电压越

高，每个二次电极发射的电子越多，因而PMT本身的放大作用就越大。PMT的灵

敏度受暗电流的限制，而暗电流主要由阴极和二次发射极的热电子发射和电极间

的漏电流所形成。电极间电压低时，暗电流主要来自漏电流；电极电压高时，则

主要来自热电子发射。

4、读出装置

以前，荧光仪器的读出装置有数字电压表、记录仪（x～y型或x～t型）和阴

极示波器等几种。数字电压表用于例行定量分析，既准确、方便又便宜。记录仪

多用于扫描激发光谱和发射光谱，它可分为x～y记录仪和x～t记录仪两种。x～

y记录仪的x轴表示荧光强度，它由光电检测器的输出来驱动其记录笔于相应的

荧光强度位置，y轴表示波长，它与单色器扫描速度同步。x～y记录仪可来回反

复扫描，其价格约为x～t记录仪的一倍。x～t记录仪的x轴显示荧光强度，t

轴表示与时间有关的波长，它只能进行单向扫描。记录仪记录笔的响应时间一般

为0.1～0.5s。阴极示波器显示的速度比记录仪快得多，可是质量好的阴极示波

器其价格比记录仪高得多。目前，计算机软硬件技术的发展使得人们可以根据不

同的需要选择不同的直观的视频读出方式。

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17.3实验技术

17.3.1实验方法的选择

在荧光分析中，可以采用不同的实验方法以进行分析物质浓度的测量。其中最

简单的是直接测定的方法。只要分析物质本身法荧光，便可以通过测量其荧光强

度以测定其浓度。许多有机芳族化合物和生物物质有内在的荧光性质，通常可以

直接进行荧光测定。若有其他干扰物质存在时，则应预先采用掩蔽或分离的办法

加以消除。

对于有些物质，它们或者本身不发荧光，或者因荧光量子产率很低而无法进行

直接测定，便只能采用间接测定的办法。间接测定的办法有多种，可按分析物质

的具体情况加以适当的选择。第一种方法是荧光衍生化的办法，即通过某种手

段使本身不发光的待分析物质转变为另一种发荧光的化合物，再通过测定该化合

物的荧光强度，可间接测定待分析物质。例如许多无机金属离子的荧光测定方法，

就是通过使它们与某些金属螯合剂反应生成具有荧光的螯合物之后加以测定的

[7-8]。某些不发光的有机化合物，可以通过降解反应、氧化还原反应、偶联反应、

缩合反应、酶催化反应或光化学反应等办法，使它们转化为荧光物质。例如维生

素B

1

本身不发荧光，但可在碱性溶液中用铁青化钾等一些氧化剂将它氧化为发

荧光的硫胺荧[9]。

如果分析物质本身不发荧光，但却具有能使某种荧光化合物荧光猝灭的能力，

由于荧光猝灭的程度与分析物质的浓度有着定量的关系，那么，通过测量荧光化

合物荧光强度的下降程度，便可间接地测定该分析物质。例如大多数过渡金属离

子与具有荧光性质的芳族配位体配合后，往往使配位体的荧光猝灭，从而可间接

测定这些金属离子[10-11]。

倘若待分析物质不发荧光，但可以通过选择合适的荧光试剂作为能量受体，在

待分析物质受激发后，通过能量转移的办法，经由单重态-单重态（或三重态-单

重态）的能量转移过程，将激发能传递给能量受体，使能量受体分子被激发，再

通过测定能量受体所发射的发光强度，也可以对分析物进行间接测定。例如在滤

纸上用萘作敏化剂以测定低浓度的蒽时，可使蒽的检测限提高达3个数量级。以

此类推，低浓度的菲也可由萘敏化而产生较强的荧光[12]。

在荧光分析中，由于每种荧光化合物具有本身的荧光激发光谱和发射光谱，因

而在测定时相应的有激发波长和发射波长两种参数可供选择，这在混合物的测定

方面比分光光度法具有更有利的条件，有时可简单地通过选择合适的激发波长或

发射波长，达到选择性测定混合物中某种组分的目的。

在选择激光波长和发射波长之后仍无法达到混合物中各组分的分别测定时，

还可仿照分光光度法中联合测定并解联立方程式的办法；对于混合物的荧光联合

测定，也有不采用联立方程式而采用校正图的办法；对于发射光谱相互重叠的双

组份或三组分荧光混合物的同时测定，在合适的条件下可应用类似于双波长分光

度的原理，采用多波长荧光法进行测定。上述这些办法提出时在当时的仪器条件

下是有效的、可以解决问题的，对拓宽荧光分析的应用范围是发挥一定作用的，

但毕竟方法比较繁琐、费时。在目前的情况下，由于荧光分析在法学和仪器方面

都有了很大的发展，就不必采用上述几种方法，而可以采用更为先进的方法，诸

如本书后面将要介绍的同步荧光测定、导数荧光测定、时间分辨荧光测定、相分

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辨荧光测定等方法，以及化学计量学的方法，来达到分别测定或同时测定的目的。

与常规荧光分析法相比，同步荧光分析法具有简化谱图、提高选择性、减少光

散射干扰等特点，尤其适合多组分混合物的分析。同步荧光扫描技术由Lloyd[13]

首先提出，它与常用的荧光测定方法最大的区别是同时扫描激发和发射两个单色

器波长，由测得的荧光强度信号与对应的激发波长（或发射波长）构成光谱图，

称为同步荧光光谱[14]。

根据激发和发射两种波长在同时扫描过程中彼此间所保持的关系，同步荧光

分析法可分为如下四种类型：第一种类型在同时扫描过程中使激发波长

（

emex

常数），这种方法称为恒（固定）波长同步荧光分析法

（constant-wavelengthsynchronousfluorescencespectrometry,CWSFS）,即习惯上

所说的同步荧光法，是最早提出的一种同步扫描技术[13-17]；第二种类型则以能量

关系代替波长关系，在两个单色器同时扫描过程中使激发波长与发射波长之间保

持固定的能量差，这种方法称为恒能量同步荧光分析法(constant-energy

synchronousfluorescencespectrometry,CESFS)[18-20]；第三种类型称为可变角（或

可变波长）同步荧光法（variable-anglesynchronousfluorescence

spectrometry,MISFS），其扫描路径表现为基体（将干扰物视为基体）的等荧光强

度线。

同步荧光扫描测定具有如下优点：1简化光谱；2窄化谱带；3减小光谱的重

叠现象；4减小散射光的影响。

三维荧光光谱是近几十年中发展起来的一种新的荧光分析技术。这种技术区别

于普通的荧光分析的主要特点在于它能获得激发波长与发射波长同时变化时的

荧光强度信息。普通荧光分析所测得的光谱是二维谱图，包括固定激发波长而扫

描发射（即荧光测定）波长所获得的发射光谱，和固定发射波长而扫描激发波长

所获得的激发光谱。但是，实际上荧光强度应是激发和发射这两个波长变量的函

数。描述荧光强度同时随激发波长和发射波长变化的关系图谱，即为三维荧光光

谱[21-27]。

另外，荧光分析法还有时间分辨和相分辨荧光分析法、荧光偏振测定、低温荧

光分析法、固体表面荧光分析法、动力学荧光分析法空间分辨荧光分析技术、单

分子荧光检测、荧光免疫分析法和导数荧光分析法。

固体表面荧光测有两种方法：一种是直接测定固体物质表面的荧光；另一种是

将待测组分吸附在固体物质表面，然后进行荧光测定。才用的固体物质品种众多，

有硅胶、氧化铝、滤纸、硅酮橡胶、乙酸钠、溴化钾、蔗糖、纤维素等。固体表

面荧光测定有两种不同形式，一为反射式，一为透射式。采用反射式时，激发光

源和荧光检测器同在样品的一边，一般互成45°角。紫外激发光聚集于固体表

面样品斑点上，样品发生的荧光经单色器散射后由检测器检测。采用透射式时，

一般将样品吸附在透明的薄层色谱板上，激发光源和检测器分处在样品的两边。

紫外激发光经滤光片除去可见光，聚集在样品斑点上而发可见光荧光，荧光透过

薄层板再经单色器散射后由检测器检测。在固体表面荧光测定中，待测物质吸附

在固体物质的小颗粒上。入射光进入固体物质而在颗粒的边界上发生多重反射，

成为漫反射发生的荧光也在颗粒之间发生反射，形成了激发光和荧光两者的散

射。在这样复杂的情况下，固体表面发生的荧光强度除与照射面积和荧光物质的

数量有关外，还受众多因素的影响，如散射光强度、吸附层厚度、固体颗粒的大

小、固体表面对激发光的吸收、测定的方式、观测发光信号的角度等。

-9-

17.3.2实验条件的选择极选择依据

样品的荧光强度和光谱分布可能与样品的吸光度和几何排列有关。样品池的最

常见排列法为入射光与样品池成直角，样品中心发光。其他的几何排列法有前表

面型和偏离中心型，这些方法通常用于大吸光度和大浊度的样品。前表面型常被

排列为入射光与样品成45°角。这种排列法的缺点是：反射入发射单色器的杂

散光量大，干扰测量。有人建议采用入射光与样品成30°角的前表面法，理由

是：①可减少进入发射单色器的反射光；②样品的光照面积大，可减少样品位置

的敏感性。其缺点是因照射面积大可能降低测量的灵敏度。许金钩等认为，当样

品的浓度和厚度不太大时，采用后表面发光型会更好些。这种方法几乎可以完全

排除发射光进入发射单色器的可能性。如果样品的吸光度较大，则样品的发射光

谱和荧光强度都可能失真；高浓度荧光体的前表面发光测量亦有失真现象。但是，

前表面型的发光强度与浓度无关，在这种情况下，所有入射光被液池的近表面吸

收。前表面发光法亦被用来研究悬浮物和血红蛋白的吸光度，其强度正比于样品

中荧光体的吸光度。

17.3.3实验影响因素及其排除办法

在测量溶液的荧光强度时，通常应注意溶剂的散射光（瑞利散射和拉曼散射）、

胶粒的散射光（丁铎尔效应）以及容器表面的散射光的影响问题。上述几种散射

光除拉曼散射外均具有与激发光相同的波长。拉曼散射光的波长与激发波长不

同，通常要比激发波长稍长一些，且随激发波长的改变而改变，但与激发波长维

持一定的频率差。散射光的干扰常是提高荧光灵敏度的主要限制因素，因而实际

工作中要注意加以克服。选择适当的激发波长和测定波长，可以大大降低或排除

散射光的影响。在测量微弱的荧光强度时，常要加大狭缝宽度以获得足够的荧光

强度测量值，但狭缝加大后散射光的影响也将加大，因而实际测定时应选择合适

的狭缝宽度。通过空白测定，亦可对散射光的影响进行校正。

下面分别介绍各种环境因素对荧光光谱和荧光强度的影响及其相应的解决办

法。

虽然物质产生荧光的能力主要取决于其分子结构，然而环境因素尤其是介质对

分子荧光可能产生强烈的影响。了解和利用环境因素的影响，有助于寻求提高荧

光分析法的灵敏度和选择性的途径。

⑴溶剂性质的影响[28-31]

同一荧光体在不同的溶剂中，其荧光光谱的位置和强度可能发生显著地变化。

由于溶液中溶质与溶剂分子之间存在着静电相互作用，而溶质分子的基态与激发

态又具有不同的电子分布，从而具有不同的偶极矩和极化率，导致基态和激发态

两者与溶剂分子之间的相互作用程度不同，这对荧光的光谱位置和强度有很大影

响。很多荧光体，尤其是那些在芳环上含有极性取代基的荧光体，它们的荧光光

谱易受溶剂的影响。溶剂的影响可分为一般的溶剂效应和特殊的溶剂效应，前者

指的是溶剂的折射率和介电常数的影响，后者指的是荧光体和溶剂分子间的特殊

化学作用，如形成氢键和配合作用。一般的溶剂效应是普遍存在的，而特殊的溶

剂效应则决定于溶剂和荧光体的化学结构。特殊的溶剂效应所引起的荧光光谱的

-10-

移动值往往大于一般的溶剂效应所引起的。除了一般的和特殊的溶剂效应外，某

些荧光体由于自身所具有的化学结构，可能因为溶剂极性的改变而形成分子内电

荷转移态和扭转的分子内电荷转移态。因此，在做荧光测试时我们应选择合适的

溶剂。

⑵介质酸碱性的影响[29-32]

如果荧光物质是一种有机酸或弱碱，该弱酸和弱碱的分子及其相应的离子，可

视为两种不同的型体，各具有不同的荧光特性（如不同的荧光光谱、荧光量子产

率或荧光寿命），溶液的酸碱性变化将使荧光物质的两种不同型体的比例发生变

化，从而对荧光光谱的形状和强度产生很大的影响。可通过调节溶液的PH值以

产生某种所要求的型体，该型体的荧光光谱移动后可与干扰组分的荧光光谱分离

开来，达到提高选择性的目的。

⑶温度的影响

温度对于溶液的荧光强度有着显著的影响。通常，随着温度的降低，溶液的荧

光量子产率和荧光强度将增大。在进行荧光测定时，由于荧光计光源的温度相当

高，容易引起测定溶液的温度上升，加上分析过程中室温可能发生变化，从而导

致荧光强度的变化，因而样品室四周的温度在测定过程中应尽可能保持恒定。

⑷重原子效应

有一类溶剂效应，可能影响到溶质的荧光强度和磷光强度，但对跃迁的频率没

有可觉察的影响。这一类溶剂效应，既不是由于溶剂的极性，也不是由于溶剂的

氢键性质所引起的，而是由于溶剂分子中含有高原子序的原子所造成的。这种效

应就是通常所说的“外重原子效应”。芳族化合物分子中的重原子取代基团，同

样会引起荧光强度减弱、磷光强度增强的现象，这类重原子效应通常称为“内重

原子效应”。

⑸有序介质的影响

表面活性剂或环糊精溶液这样的有序介质，对发光分子的发光特性有着显著的

影响，在发光分析中得到了广泛的应用。表面活性剂一般是非光活性物质，毒性

小，价格便宜，使用方便，其胶束溶液光学上透明、稳定，对发光物质具有增溶、

增敏和增稳得作用，实践证明是提高发光分析法灵敏度和选择性的有效途径之

一。环糊精类化合物的特点是分子结构中存在一个亲水的外缘和一个疏水的空

腔，其疏水的空腔能与许多有机物结合形成主客体包和物，这一结构特点是它们

获得广泛应用的基础。某些荧光物质分子，它们对于环糊精的疏水空腔有更大的

亲和力，如果分子的尺寸大小合适，便能够与环糊精分子结合形成包和物而进入

环糊精的腔体。这样的包和物是稳定的，而且能够增强荧光强度。

⑹其他溶质的影响

有机分子的荧光，不仅受到溶剂效应的影响，也会因为与其他溶质的相互作用

而受到影响。例如芳族配位体与金属离子发生配位作用之后对配位体的荧光光谱

和强度的影响，另外，荧光体还可能与其他溶质发生化学反应、能量转移、电荷

转移或碰撞作用等过程而导致荧光体的荧光猝灭现象。

-11-

17.3.4对被测样品的一般要求

很多化合物由于本身具有大的共轭体系和刚性的平面结构，因而具有能发射荧

光的内在本质，即为荧光化合物。由于其体系自身含有这种荧光团而具有内源荧

光，人们就可以利用其内源荧光，通过检测某种荧光特性参数的变化，对该体系

的某些性质加以研究。而如果所要研究的体系本身不含有荧光团而不具有内源荧

光，或者其内源性质很弱，这时候就必须在体系中外加一种荧光化合物即所谓荧

光探针，再通过测量荧光探针的荧光特性的变化来对该体系加以研究。

17.3.5样品制备方法的一般要求

⑴固体样品：将样品充分干燥并研磨成粉末，用称量纸移至样品槽内，用钥匙

压平，使槽内充满粉末即可。

⑵溶液：首先配好对应比例的溶液，然后将溶液小心转移到比色皿内，将比色

皿放在支架上，然后一起放入样品槽内，即可准备测试。

17.4实验结果解析

荧光光谱分析法除了可以用作组分的定性检测和定量测定的手段之外，还被广

泛地作为一种表征技术应用于表征所研究体系的物理、化学性质及其变化情况。

例如，在生命科学领域的研究中，人们经常可以利用荧光检测的手段，通过检测

某种荧光特性参数（如荧光的波长、强度、偏振和寿命）的变化情况来表征生物

大分子在性质和构象上的变化。

17.5应用

直接测定法应用于测定许多有机芳族化合物和生物物质具有内在的荧光性质。

间接测定法用于测定本身不发荧光或者因荧光量子产率很低而无法进行直接测

定的物质的荧光性质。同步荧光分析法是提高分析选择性，解决多组分荧光物质

同时测定的良好手段之一[17,33]。最早发展起来的恒波长同步荧光法在一般的荧光

光谱仪上均可方便实现，已在环境、医药、卫生和生物等领域获得广泛的应用，

而新近发展的各种新型同步荧光方法正显示出独特的作用，越来越受到人们的重

视。由于三维荧光光谱反映了发光强度同时随激发波长和发射波长变化的情况，

因而能提供比常规荧光光谱更完整的光谱信息，可作为一种很有价值的光谱指纹

技术。这种技术，在环境监测和法庭判证方面，常用于不同油种和来源地鉴别。

[34-38]在临床化学方面，已用于某些癌细胞的荧光代谢物的检测，以区分癌细胞和

非癌细胞[39]，用人类血浆的三维荧光光谱作为临床化学中一种新的图形识别法以

协助临床诊断[40]，以及用于某些细菌的鉴别[41-44]。由于电视荧光计能在极短时间

内取得测量体系的三维荧光光谱，方法灵敏快速，且可以同时监测体系中各种物

质的反应情况，也可用于提供鉴定未知物的信息，因而对化学反应的多组分动力

学研究具有独特的优点，已用于蒽在多氯代链烷烃中的光诱导反应的研究[45]。另

外三维荧光光谱法也用于多组分混合物的定性和定量分析。时间分辨荧光分析法

-12-

主要应用于金属配合物荧光受命的测定[46-48]、荧光体混合物中两组分的同时

测定[46-49]、痕量分析中干扰物与背景荧光的消除、多环芳烃的检测、芳基的检测

[50-51]和溶剂松弛的时间分辨测量[52-54]。相分辨荧光分析法主要应用于荧光体两组

分混合物中个别组分的荧光光谱的直接记录和荧光寿命的测定[55]、相分辨荧光法

分辨9-MA、9，10-DPA和POPOP三组分混合物[56]、基态反应的研究、基态反

应可逆性的检测[55]、溶剂松弛的分辨[57]和配位体与大分子的结合反应的分析[58]。

荧光体的荧光偏振与荧光各向异性值的测定，能够提供与荧光体在激发态寿命期

间的旋转运动动力学相关的信息，为诸如蛋白质-蛋白质作用，蛋白质-DNA健合，

抗原-抗体免疫反应，以及细胞膜的流变性等的研究提供理论基础和实验技术。

低温荧光分析法主要应用于多环芳烃及衍生物的鉴别和定量分析、炼焦厂分馏水

中苯并[a]芘和苯并[a]蒽的测定[59-60]和脱氧核糖核酸（DNA）加和物的分析。

固体表面分析具有简单、快速、取样量小、灵敏度高、费用少等优点，已应

用于环境研究、法庭检测、食品分析、农药分析、生物化学、医学、临床化学等

方面的工作。近年来电子计算机、激光光源、电视式多道检测器的采用使固体表

面荧光分析有更为广阔的用途。

有关动力学荧光分析的应用，已出版的书籍和综述性文章[61-64]都陆续有所介

绍。

荧光显微技术已成为生物学、医学诊断[65]、半导体、微电子器件、高分子材

料的生产检测[66]和超高灵敏分析[67-68]等的重要工具。

利用共焦荧光法已经观察到空气—水界面上荧光分子随时间波动的荧光光

谱图。

共焦显微荧光在生物学研究中的应用主要有三方面：1用共焦方式观察生物

样品。2对生物样品进行光学连续“切片”，并实现显微结构的三维重建。3对生

物样品进行定量分析。

共焦荧光显微镜能帮助医生确定组织的层状结构和诊断反常皮肤生长，分辨

样品的分层结构、各层厚度和各层荧光相关浓度等，这些都是常规方法难以做到

的。共焦荧光显微技术和时间分辨荧光法结合，可用于测绘空间分辨荧光光衰变

曲线和开展荧光动力学研究；与相关谱技术结合，可测量磷脂系统的扩散速度和

表面密度[69]，探测表面结合荧光物种的微秒级动力学[70]等。此外，共焦荧光显微

镜已应用于从单分子水平上观察和分析DNA—蛋白质复合物[71]。

全内反射荧光法已成为荧光光谱学在生物化学应用中的重要工具[72-74]。

单分子检测在化学分析、DNA测序、纳米材料分析、医学诊断、医学分析、

单DNA操纵、活细胞分析、分子动力学机理等方面都具有独特的应用价值，对

许多科学领域的发展产生了和正在产生着深远的影响。单分子水平上的生物分子

研究，揭示了生物大分子的结构和功能，单分子荧光检测尤其在生命科学中具有

广阔的应用前景，为生命科学提供了新的研究手段。

在生化、临床医学以及环境分析中，对分析的灵敏度和准确性要求越来越高，

甚至要求单分子检测。荧光免疫分析法作为一种广泛采用的生物医学分析技术，

同样在不断追求超高灵敏度和操作的自动化，其发展趋势主要表现在以下几方

面：（1）高特异性、高亲和性抗原和抗体的制备，这是一切免疫分析特异性和灵

敏性的基础。

（2）荧光标记物进一步更新和相应的荧光检测技术提高，如能避开背景荧光

的长寿荧光（磷光）标记物，避免生物本底荧光的近红外荧光标记物、上转换荧

光标记物等。另外，具有信号放大能力的纳米标记物也是一个重要发展方向。

-13-

（3）与高效分离技术相结合，实现荧光免疫分析的快速、自动化和多组分同

时测定。

（4）实际应用中的在线和现场荧光免疫分析。

（5）免疫芯片的实用化以现实微量多组分的免疫分析。

导数荧光技术用于蛋白质分析和叶绿素a、b和脱镁叶绿素a、b的定量测定

17.6实验

聚苯胺的荧光光谱测试

一、实验目的

1、了解FluoroLog-3荧光光谱分析方法的物理和化学的原理，

2、了解仪器的结构、操作方法、测试原理和定性定量分析方法，

3、通过对聚苯胺的荧光光谱测试实验，了解聚合物的荧光光谱的红移现象。

二、实验仪器、设备名称及其主要性能参数

本中心配置的荧光光谱仪是法国HoribaJobinYvon生产的FluoroLog-3荧光光

谱仪。

该仪器具有以下特点：

●计算机控制，界面显示、仪器能自动记录荧光光谱；

●高分辨率、低杂散光单色系统；

●高灵敏度、低噪声单光子计数器做接收系统；

●采用氙灯作为光源；

●配有稳定性好、精度高的外光路系统；

●配有多种附件，适用于液体、固体样品的分析。

主要参数及性能指标：

●波长范围200nm-850nm

●波长精度≤±0.4nm

●波长重复性≤0.2nm

●狭缝宽度0-2mm连续可调，示值精度0.01mm、最大高度20mm

●接收单元为单光子计数器技术指标

●灵敏度:稳态测量信噪比S/N≥5000:1（条件：R928PPMT，5nm带宽，1s

响应时间，350nm激发，397nm水拉曼峰，450nm强度，S/N=（I

397

-I

450

）/

（I

450

）1/2）,这是JY的计算方法，在分母中考虑了全部的噪声。

三、实验辅助设备、仪器、装置

-14-

四、实验原理（实验原理、设备结构及其功能）

光源：450W氙灯

激发单色仪

样品室：T-box

发射单色仪

检测仪：R928PPMT（photomultiplier-tube,光电倍增管）

-15-

五、实验操作方法（演示性实验）

㈠开机步骤：

1、开启电源（Power）开关，风扇开动；

2、开启Xe灯电源（MainLam）开关；

3、开启控制器开关，软盘启动，等待至听到一声鸣响（约30秒）；

4、开启操作电脑开关，运行FluorEsnce操作软件，点击M系统初始化，进入

操作界面。

㈡系统转换和操作

1、由稳态转换到TCSPC状态：

●关闭SPECTRACQ电源。

●将PMT信号输出连接到TB-02前置放大器的输入端。

●拆下稳态样品箱，换上TCSPC样品箱。

-16-

●装NanoLED。

●开IBHHub和TB-02前置放大器的电源。

●开SPECTRACQ电源，等待软盘启动完成。

●运行DataStation软件，系统初始化，选择TCSPCLifetime。

●做未知样品的时间衰减曲线。

●做荧光散射体（Ludox）的时间衰减曲线。

●保存数据文件。

●运行DAS6软件，做曲线拟合，得到荧光寿命。

2、由TCSPC状态转换到稳态：

●关闭SPECTRACQ电源。关闭IBHHub电源和TB-02前置放大器的电源。

●将PMT信号输出连接到DM302的输入端。

●取下NanoLED。

●拆下TCSPC样品箱，换上稳态样品箱。

●开Xe灯风扇，电源。

●开SPECTRACQ电源。

●运行FluorEsnce软件。

六、实验数据处理或谱图解析方法

以苯胺和聚苯胺为例，演示两种样品的操作过程，最后得到两个样品的激发光

谱和发射光谱，并比较最大发射波长的移动情况。

七、注意事项

1、FL3-TCSPC为精密光谱仪，不得随意打开机盖，触摸反光镜和光栅表面。

2、开Xe灯前，必须确定计算机、显示器、打印机、控制器等设备的电源在

关闭位置。关Xe灯前，必须先关闭所有设备的电源。否则，开、关Xe灯时产

生的尖峰电脉冲会损坏上述设备。

3、关Xe灯电源（MainLamp）后，不能立即关闭Xe灯的冷却风扇，15分钟

后关Xe灯主电源（Power）。

4、Xe灯上的4个冷却出入风口必须保持干净，通风良好。每季度的第一个工

作日用除尘器将4个通风口上的杂物清理干净。

5、仪器的工作状态可以通过测试Xe灯得激发光谱和纯净水的拉曼光谱检查。

6、稳态测试时，信号强度不能大于10E+06，如果信号过强：①可以将激发和

发射单色仪的狭缝关小；②降低PMT探测器的高压。

7、系统状态转换，由稳态转换到TCSPC状态或由TCSPC状态转换到稳态时，

必须关闭系统电源。

八、思考及讨论

紫外电子吸收光谱、拉曼光谱和荧光光谱的关系。

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