化學研究中的光物理技術(shù)

1、    化學研究中的光物理技術(shù)    肖宸熠摘 要：光物理技術(shù)在各種化學科學研究中的作用越來越廣泛了，就拿時間分辨熒光各向異性技術(shù)來說，它的用途是很廣的，但人們對他了解卻很少。時間分辨熒光各向異性技術(shù)的基本測定原理和應用，充分體現(xiàn)出了光物理技術(shù)的發(fā)展和國內(nèi)對光物理技術(shù)在化學領(lǐng)域科研中的應用現(xiàn)狀。關(guān)鍵詞：化學;研究;光物理技術(shù)：o644 ：a ：1671-2064（2019）02-0215-02光物理技術(shù)是近幾年物理學發(fā)展最熱門的話題之一。特別是自從激光的產(chǎn)生和問世，光學的整個領(lǐng)域都發(fā)生了翻天復地的變化，對光物理的研究也從傳統(tǒng)的光學內(nèi)容和光譜學內(nèi)容快速的發(fā)

2、展到光學與物理其他領(lǐng)域?qū)W科研究的交匯點，比如：激光物理學、非線性光學、高分辨光譜學、強光光學和量子光學都在光物理學技術(shù)的輔助下，逐漸的完善和成熟。還有很多技術(shù)比如光子學、超快光譜學和原子光學等都在積累形成新的學科領(lǐng)域1。光物理技術(shù)與化學、生物學、醫(yī)學以及生命科技學的交涉也越來越廣泛和深入，光物理技術(shù)的新理論和新的概念方法都成為激光類和光纖通訊類等高科技技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要依靠。可以想象，在以后高科技的發(fā)展中，光物理技術(shù)的研究將還會有許多突破性的發(fā)展，并且會對生命科技學，化學領(lǐng)域，以及光電子，光計算機等高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到關(guān)鍵的推動和輔助作用。這里主要研究光物理技術(shù)在化學領(lǐng)域的應用。1 光物理技術(shù)

3、光物理技術(shù)是研究體系物理化學性質(zhì)的方法，主要研究的是具有熒光（磷光）活性的探針（probes）和標記物（labels）小分子光物理性質(zhì)根據(jù)環(huán)境的不同而變化的現(xiàn)象。這種方法的好處是：靈敏度好、選擇性好、針對性好、方法多和適應面廣等。所以廣泛應用在超分子和超分子體系的物理化學問題的研究中。光物理技術(shù)可以分為兩大類：靜態(tài)光物理技術(shù)（steady-state photophysical techniques）和分時光物理技術(shù)（tine-resolved photophysical techniques）。首先靜態(tài)光物理技術(shù)因為選用光物理參量的不同和試驗方法的不同，又可分為激發(fā)光譜和發(fā)射光譜測量，熒光猝

4、滅（fluorescence quenching），非輻射能量轉(zhuǎn)移（non-radiative energy transfer），熒光各異性或熒光偏振（fluorescence anisotropy or fluorescence polarization）等。發(fā)射光譜測量是指：光譜形狀和位移、stokes位移、激發(fā)態(tài)締合物（excimer或excoplex）形成、熒光或磷光量子產(chǎn)率等。其次分時光物理技術(shù)同樣分為時間分辨熒光光譜（time-resolved emission spectroscopy，tres）、時間分辨非輻射能量轉(zhuǎn)移、時間分辨熒光各向異性測量（time-resolved an

5、isotropy measurements，trams）等.其中時間分辨熒光各向異性（trams）的用途是最為廣泛的，但是國內(nèi)大多數(shù)化學工作者對其并不是很熟悉，因此這里對trams技術(shù)做深入探討。2 時間分辨熒光各向異性技術(shù)（trams）的熒光偏振現(xiàn)象想要了解trams的測定原理，就要先了解熒光偏振現(xiàn)象2。熒光偏振的試驗是1929年perrin在做熒光小分子在溶液中壽命的測定時發(fā)現(xiàn)的。一直到多年以后，這門技術(shù)才在分子生物學研究中獲得了很廣泛的應用。早期實踐過程中，靜態(tài)熒光偏振是其技術(shù)應用的基本形態(tài)。其它熒光偏振技術(shù)對所用光源，監(jiān)測系統(tǒng)質(zhì)量和數(shù)據(jù)處理模型都有特殊要求，故而應用較少;因此直到本世紀

6、70年代末80年代初這個時間分辨技術(shù)才得到廣泛的應用。熒光分子描述中，人們不僅可以選擇“吸收躍遷矩”ma進行系統(tǒng)描述，還可以采用“發(fā)射躍遷矩”me來進行表達。從應用過程來看，兩者的描述方式雖然具有普遍性，然其具體的取向具有差異性和固定性。即熒光和磷光的發(fā)光性質(zhì)不同，其對應的發(fā)射躍遷矩也就有不同的空間取向。一般情況下，分結(jié)構(gòu)對其單元中電子躍遷的本質(zhì)具有重大影響，其主要表現(xiàn)在兩個層面：其一，分子單元的吸收躍遷距;其二，分子單元的發(fā)射躍遷距。研究表明，對于分子吸收躍遷矩me而言，其與偏振光取向之間存在夾角，且其余弦值的平方由cos2進行表示;則不難發(fā)現(xiàn)，分子對偏振光的吸收概率與該余弦平方值存在正比例

7、關(guān)系;同樣，若以發(fā)射躍遷矩me為基本控制單元，并將其與檢偏器取向的夾角余弦值界定為cos2，此時發(fā)光強度i會與該值表現(xiàn)出正比例關(guān)系。因此取向分別為p和a系統(tǒng)的起偏器和檢偏器，觀測到發(fā)光強度正比于cos2×cos2。在實際的檢測中，要是實現(xiàn)熒光偏振的有效把控，工作人員則應對檢偏器平行發(fā)光強度i和垂直發(fā)光強度i進行嚴格把控，熒光偏振的程度取決于兩個強度的分量差值。這就能將熒光偏振p定義為：，相應的各向異性定義為：。由此可見，熒光偏振現(xiàn)象檢測中，偏振度在描述方式上雖與各向異性具有差別，當兩者本質(zhì)基本一致，一般情況下，人們通過存在對其進行關(guān)系表達。實踐過程中，熒光分子不同，其ma和me的夾角

8、也會存在差異，由此導致了其各向異性r0之間的明顯差距。譬如，單位分子的ma和me夾角是，那么就有，由此可見，當分子的ma和me保持平行狀態(tài)是，0.4是r0取值的最大指數(shù)，則在熒光偏振檢測中，其被稱為熒光分子各向異性的極限值。如果ma和me相互垂直時（=90°），r0取最小值-0.2，此時就稱它為基礎(chǔ)各向異性。還有就是當r0=0時（=54.73°），這個角度在光物理中稱為磨角，這個角度可以用來消除偏振效應。而這就說明了各向異性應該在-0.2和0.4區(qū)間，一旦各向異值活躍于該區(qū)間之外，則表明實踐檢測的過程可能受到外部散光干擾?；蚴菣z測引起存在故障。分子在激發(fā)狀態(tài)下是有一定的時間

9、壽命，分子發(fā)光過程中，旋轉(zhuǎn)運動是其基本的作用形態(tài)，其導致了兩種躍遷距取向的差異，從而對偏振觀測結(jié)果造成影響，使得去偏振或者部分去偏振發(fā)光成為實踐檢測的最終表現(xiàn)形態(tài)。新常態(tài)下，超分子技術(shù)發(fā)展迅速，時間分辨熒光各向異性技術(shù)在化學科技研究中有了很大的使用空間。光物理技術(shù)還可以對薄膜組裝體系和核-殼體系結(jié)構(gòu)等問題進行研究。根據(jù)trams技術(shù)的不斷擴展，可以設(shè)想trams在光物理研究領(lǐng)域具有突出優(yōu)勢，其進行大范圍的推廣和應用也將成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然。3 光物理技術(shù)的研究現(xiàn)狀就目前來說，世界上很多國家已經(jīng)擁有可進行trams測定的化學實驗室。他們主要分布在美國、英國、法國、德國、加拿大、日本、澳大利亞、挪威

10、、俄羅斯等發(fā)達國家。像捷克、印度一些發(fā)展中國家也有了相應的實驗裝置。經(jīng)過試驗證明，對trams研究最為理想的光源就是同步輻射，其次就是各類激光光源。像氙燈這樣的普通光源因為光強度不夠，穩(wěn)定性不好，所以他們很難應用到trams的試驗檢測中。把trams技術(shù)與其他光物理技術(shù)聯(lián)合起來應用，已經(jīng)開始普遍化。就比如將trams和全內(nèi)反射熒光（total -internal reflectance fluorescence，tirf）技術(shù)聯(lián)合起來，可以使得大分子的固液界面吸附研究免除了散射光和自由熒光物種的干擾，這也就使研究的結(jié)果更加的牢靠和準確3。近幾年，雙光子激發(fā)熒光各向異性的研究也開始出現(xiàn)在人們的視

11、線里，雙光子激發(fā)產(chǎn)生的內(nèi)在熒光各向異性的理論值為0.57，單光子激發(fā)的是0.40，這樣就會使得trams技術(shù)的應用空間又增大了不少。對非球旋轉(zhuǎn)馳豫模型的熒光各向異性數(shù)據(jù)分析方法也已經(jīng)提出并開始了使用，還可以對復合標記或者復合探針體系熒光各向異性衰減的測定與數(shù)據(jù)分析準確的開始進行。在這里不僅在時間分辨光物理技術(shù)方面取得了重大進步，而且靜態(tài)光物理技術(shù)也在不斷的進步。比如二維相關(guān)熒光技術(shù)（two dimensional fluorescence correlation spectroscopy，2dfcs）在復雜化合物的檢測，復雜體系的光物理技術(shù)方面的研究也有很大的突破。在這科技發(fā)展迅速的今天，光物理技術(shù)在化學科學研究的應用得到很長遠的發(fā)展。4 結(jié)語近年來越來越多的化學研究工作用到光物理技術(shù)，但是大都局限在靜態(tài)技術(shù)與熒光壽命檢測，而在時間分辨熒光光譜（tres）工作上的應用卻很少，在trams技術(shù)上面的應用幾乎為零。考慮到trams技術(shù)有很廣泛的實用性和有效性，所以國家已經(jīng)開始建設(shè)同步輻射實驗室和計劃建設(shè)實驗室的工作也進入了籌備當中，因此就要求國家自然科學基金委員會化學科學部和有關(guān)實驗室協(xié)商起來，盡快建立自己的trams試驗裝備，可以更好的推進有關(guān)基本物理化學的科學研究。像生命科學、材料科學和超分子化學這些技術(shù)都進一步的進行研究。