荧光光谱技术及其在木材工业领域的应用

陈 玲， 潘 彪

(南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京210037)

综 述

荧光光谱技术及其在木材工业领域的应用

陈 玲， 潘 彪*

(南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京210037)

荧光光谱技术是近年来发展起来的新型分析检测技术，具有灵敏度高、检测限低、操作简单、分析时间短、无污染及成本低等优点。从荧光光谱原理入手，介绍了常规荧光光谱、同步荧光、三维荧光、时间分辨荧光等荧光光谱技术，概述了荧光光谱技术在木材工业领域中的应用，展望了该技术的发展前景。

荧光光谱技术；木材工业；应用；发展前景

当某种波长的入射光照射到某些物质上时，这些物质会在很短的时间(10-8s)内发射出比入射光波长更长的光，当入射光停止照射时，物质发射出的光线立刻随之消失，这种发射出的光线称为荧光[1-2]。第一次记录荧光现象的是西班牙的植物学家N.Monardes，1575年他发现在含有一种被称为“Ligum Nephriticum”的木头切片水溶液中呈现出了可爱的天蓝色[3]。之后也陆续有学者观察和描述过荧光现象，但对其本质认识都没有明显的进展。直到1852年，英国数学和物理学家Stokes经过观测后，提出了荧光是光发射的概念，并首次使用了“荧光”这一术语。

荧光光谱在各方面的应用及相关的方法被称为荧光光谱技术，荧光光谱技术灵敏度高、线性范围宽，为微量及痕量物质的分析提供了新的方法。现代荧光光谱技术及应用始于20世纪60年代[4]，近几十年来，荧光光谱技术因其独有的特点在化学工业、木材工业、医药卫生等领域得到了日益广泛的应用和发展。如今，荧光光谱技术已经逐步发展成为一种重要、有效的光谱化学分析手段[5-6]。

1 荧光光谱技术概述

1.1 荧光发射原理

物质吸收入射光后，光子的能量会传递给物质分子，分子被激发后发生跃迁，分子内发生的激发和跃迁过程如图1所示。图中的S0、S1和S2分别表示的是分子的基态、第一和第二电子激发单重态，T1和T2则分别表示的是第一和第二电子激发三重态；因吸收光子而被激发到S1或S2中的某一振动能级的分子通常会迅速地通过非辐射跃迁回第一激发态的最低能级，非辐射跃迁过程包括振动弛豫(VR)、内转化(ic)和系间窜越(isc)。振动弛豫是指分子将多余的振动能量传递给介质，从而衰变到同一电子态的最低振动能级的非辐射跃迁过程；内转化是指相同多重态的两个电子态间的非辐射跃迁过程(例如S1～S0，T2～T1)；系间窜越则是指不同多重态的两个电子态之间的非辐射跃迁过程(例如S1～T1，T1～S0)。这些过程将激发能转化为热能传递给介质，而处于S1(V0)能级的分子不稳定，因此还将通过以下三种途径回到基态：①S1～S0的辐射跃迁，发射出荧光；②S1～S0的内转化；③S1～T1的系间窜跃，可能会使处于T1的最低振动能级的受激分子再辐射跃迁至基态，从而发出比荧光波长更长的磷光，这三个过程往往是同时发生的，量子产率之和为1，这就是荧光发射的物理过程[7]。图1中，A1、A2均表示吸收，P表示磷光，F表示荧光。

图1 分子内的激发和跃迁示意图

1.2 荧光光谱主要参数

描述荧光光谱的特性参数主要有激发波长λex、发射波长λem和荧光强度I等。

1.2.1 激发波长和发射波长

物质的电子从基态向激发态跃迁过程中吸收的能量要高于荧光发射的能量，因此实验中观察到的荧光激发波长总是小于发射波长。Stokes在1852年首次观察到这种波长移动现象，因而人们把这种现象称为Stokes Shift。

1.2.2 荧光强度

荧光强度表示的是发射荧光的强弱，影响荧光强度的因素很多，不仅与物质的分子结构、溶液浓度、环境因素等有关，还与激发光的波长、强度和测量荧光的设备有关，实际测得的荧光强度仅是一个相对值。

1.2.3 荧光寿命

荧光寿命是指在激发光被切断后，荧光强度衰减至原强度1/e时所经历的时间。它表示的是分子S1激发态的平均寿命。

(1)

式中：kf为荧光发射的速率常数；∑K为各种分子内非辐射跃迁过程速率常数的总和。

1.2.4 荧光量子产率

荧光量子产率是指荧光物质分子被激发光激发后发射出的荧光光子数与吸收的激发光光子数的比值。因为激发态分子的衰变包括了辐射跃迁和非辐射跃迁，所以荧光量子产率也可表示为：

(2)

由上述公式可知，影响荧光寿命和荧光量子产率的因素相同。

1.3 荧光光谱技术

1.3.1 常规荧光光谱技术

荧光激发光谱和发射光谱是最常见的荧光光谱。如果以一定的激发光波长和强度激发样品，测定各种荧光发射波长λem对应的荧光强度(I)，可以得到荧光强度对荧光波长的谱图，称为荧光发射谱。如果连续改变激发波长λex，取定荧光发射波长值，可以得到相应的荧光强度对激发波长的谱图，称为荧光激发谱。

发射谱和激发谱都可以用来鉴别荧光物质，并且可以为激发波长和测定波长的选择提供依据。

同步荧光光谱技术是由Lloyd[8]首先提出的，它与常规荧光测定方法的最大区别是同时扫描激发波长和发射波长，由荧光强度与对应的激发波长(或发射波长)构成光谱图，称为同步荧光光谱[9]。同步荧光光谱技术不仅可以简化光谱，减弱光谱的重叠现象，还可以削弱散射光的影响，从而进一步提高荧光光谱技术的灵敏度和选择性，在多组分复杂混合物的荧光光谱分析中有明显的优势[10-11]。

1.3.3 导数荧光光谱技术

将荧光强度对荧光波长进行求导，并以此作为纵坐标，波长为横坐标，可以得到导数荧光光谱。导数荧光光谱通过求导可以使谱带变锐、带宽变窄，解决光谱的重叠问题，使光谱细节和弱肩峰得到显现[12]。

1.3.4 三维荧光光谱技术

荧光强度是激发波长和发射波长两个变量的函数，三维荧光光谱则是描述荧光强度随发射波长和激发波长变化关系的谱图，该技术的主要特点是可以获得激发波长和发射波长同时变化时的荧光强度。

1.3.5 时间分辨荧光光谱技术

在一定的荧光发射波长处，对不同时刻的荧光强度进行测量，可以得到以时间为变量的荧光强度谱图，称为时间分辨荧光光谱。时间分辨荧光光谱技术可以对复杂体系中荧光寿命有差异的组分进行分辨和测定，能消除杂质和溶剂的影响，在材料、化学、生物等领域的研究中有明显优势[13-16]。

2 荧光光谱技术在木材工业领域的应用

在木材工业领域中，荧光光谱技术是近几年快速发展起来的一类新型分析检测技术。

瘦素可以通过改变其他基因的表达来影响水生动物的生长发育。用不同浓度的人重组瘦素对新鲜分离的复鰕虎鱼(Synechogobius hasta)肝细胞进行体外培养，可降低细胞内甘油三酯含量和脂肪生成基因的表达，并增加几种Janus激酶(JAK)和脂解基因mRNA的表达[34]。莫桑比克罗非鱼(Oreochromis mossambicus)垂体转录组分析显示，罗非鱼重组瘦素A刺激糖酵解酶3-磷酸甘油醛脱氢酶(GAPDH)mRNA表达，瘦素还增加糖酵解限速酶——磷酸果糖激酶(PFK)mRNA表达[35]。

2.1 在造纸中的应用

随着经济的发展，人们对纸产品不仅要求可用，更注重美观，通常采用物理增白的途径来实现这一目的，其中使用最为广泛的方法就是在造纸时向纸张里添加荧光增白剂。而医学的临床实验证明，过量接触荧光增白剂可能会成为潜在的致癌因素[17]。因此，如何检测纸张中荧光物质的存在、荧光物质在纸品中的迁移性能以及确定纸张中荧光物质的含量等非常重要，而荧光光谱技术就是目前检测荧光增白剂的主要有效手段之一[18]。罗冠中等建立了以二苯乙烯型荧光增白剂为标准物质检测生活用纸中荧光增白剂的荧光光谱技术，荧光的检测激发波长为345 nm，发射波长为430 nm[19]。结果表明：此方法不仅可以用于对日常生活用纸中荧光增白剂的定量检测，也可以作为政府市场监督的检测方法。

刘峻等以荧光增白剂VBL为标准物质，应用荧光光谱技术检测纸张中荧光增白剂的强度与可迁移荧光物质的含量，结果表明该方法检测和分析纸张中荧光物质可迁移量方便快捷，可以推广应用。

喻坤等使用荧光光谱技术对餐巾纸中可迁移荧光增白剂含量进行检测，结果表明：荧光光谱技术操作简单、迅速、稳定性好，能满足日常检验的要求，可以作为快速检测餐巾纸中可迁移荧光增白剂和监控餐巾纸中荧光增白剂水平的方法[20]。

2.2 在木质复合材料中的应用

近年来，人造板生产发展迅速，适用范围也逐步扩大，广泛地应用在建筑、家具和室内装修等方面。而人造板释放出的甲醛会对人体健康产生危害，因此国内有学者建立了应用荧光分光光谱技术来检测人造板中游离甲醛含量的方法，结果表明该方法操作简便，灵敏度高，检测速度快，重现性好，可应用于实际样品中游离甲醛释放量的测定[21]。

大豆基木材胶黏剂作为一种环保型胶黏剂，市场潜力巨大。荧光光谱法在蛋白质分子构象研究中也得到了越来越广泛的应用[22]。Kalapathy等通过发射波长范围为290～400 nm的荧光光谱测量了改性前后的大豆蛋白质，并利用残余色氨酸的荧光发射光谱表征了蛋白质结构的变化，为大豆基木材胶黏剂的进一步改性提供了依据[23]。

2.3 在树种鉴别中的应用

使用荧光法作为辅助鉴别木材方法的可能性，最早是由Krishna和chowdury提出来的[24]。Miller和Bass研究了心材及其抽提物的荧光，并将它们纳入到计算机辅助识别阔叶材的标准列表中。后来，Dyer，Avella和J.A.Silva等人也对多种木材的荧光特性进行了研究并得出结论，通过观察木材的荧光现象可简单快速地识别木材特征，其是一种有效的鉴别方法[25-26]。而传统的用肉眼观察木材断面、粉末或提取物的荧光来鉴别木材的方法，因主观误差大且缺乏标准图谱对照，在很大程度上限制了该方法的发展和应用。

真正将荧光光谱技术和木材鉴别结合起来始于20世纪80年代，Panshin发现，长波紫外线辐射范围从260 nm到400 nm，研究木材荧光的最好波长约为365 nm[27]。不同的木材因其所含有荧光物质分子结构或者含量的差异，具有不同的荧光谱带，因此应用荧光光谱技术可以对树种进行鉴别。KK Pandey等[28]研究了阿拉伯金合欢、阔荚合欢、印度紫檀、红椿、柚木、细叶桉的心材及其甲醇提取物的荧光激发和发射光谱，发现不同树种的发射波长峰值不同，而且不同极性和非极性溶剂中的木材提取物可以使木材荧光光谱技术的研究更准确。

陈志刚等通过对松树、榆树和杨树荧光光谱的分析，对松树、榆树和杨树的样本进行了鉴别。发现应用荧光光谱技术对树种进行辅助鉴别时应尽可能地利用光谱的有效信息，如波峰的波长位置、强度、峰间的强度比值以及某些指标的组合等，从而提高探测精度或准度[29]。

周欣欣等分别应用荧光光谱技术对不同树种的树皮浸提物进行了检测分析，比较了不同树种树皮浸提物荧光发射光谱、荧光激发光谱和一阶导数光谱之间的差异[30]。对检测结果的分析表明，树种不同，树皮浸提物的荧光发射光谱和荧光激发光谱特征也不同，谱图中呈现的峰数、峰位可以为树皮种类的大类区分提供依据，根据一阶导数谱图中正、负峰的峰数及振幅比值的不同可以对树种种类进行鉴别。

3 总结与展望

目前，荧光光谱技术在造纸、木质复合材料及树种鉴别等方面已经得到一定的应用，虽然仍处在起步阶段，但已取得的研究结果表明，将该项技术应用于木材工业领域有其独特的优势，相信随着研究和开发的不断深入，其在木材工业领域的应用将更加广泛。

木材测定分析的方法通常有光谱法、色谱法、热分析法、扫描电镜法等，而在这些测定方法中，荧光光谱法具有很多独特的优势，如检测限低、灵敏度高、选择性好等。荧光光谱检测分析的最大优点是灵敏度高，分析所需要的样品用量很少，尤其在木材样品数量较为稀少或昂贵时将更显示出其优越性。应用荧光光谱技术辅助鉴别木材快速、便利，可提高鉴别的可靠性。

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(责任编辑 王琦)

Fluorescence Spectroscopy Technology and Its Application in the Wood Industry

CHEN Ling， PAN Biao*

(College of Materials Science and Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing Jiangsu 210037，China)

Fluorescence spectroscopy technology is a new analytical technique developed in recent years，featuring high sensitivity，low detection limit，simple operation，short analysis time，no pollution，low cost and so on.Starting from the basic principle of fluorescence spectroscopy，conventional fluorescence spectroscopy，synchronous，three-dimensional，time-resolved and other fluorescence spectroscopy technique are introduced，the application of the fluorescence spectroscopy technology in the wood industry summed up，the development prospects of this technology presented.

fluorescence spectroscopy technology；wood industry；application；development prospect

2016-10-24

江苏省林业局2016软科学研究计划项目“中山杉人工林木材高效利用技术创新策略研究”

陈 玲(1993-)，女，江苏泰州人，硕士，主要研究方向为木材学，E-mail：1210849124@qq.com。

*通讯作者：潘 彪(1964-)，男，江苏南京人，教授，硕士，主要研究方向为木材学。

TS612

A

2095-2953(2017)02-0010-05