化学研究中的光物理技术

肖宸熠

摘 要：光物理技术在各种化学科学研究中的作用越来越广泛了，就拿时间分辨荧光各向异性技术来说，它的用途是很广的，但人们对他了解却很少。时间分辨荧光各向异性技术的基本测定原理和应用，充分体现出了光物理技术的发展和国内对光物理技术在化学领域科研中的应用现状。

关键词：化学;研究;光物理技术

中图分类号：O644 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）02-0215-02

光物理技术是近几年物理学发展最热门的话题之一。特别是自从激光的产生和问世，光学的整个领域都发生了翻天复地的变化，对光物理的研究也从传统的光学内容和光谱学内容快速的发展到光学与物理其他领域学科研究的交汇点，比如：激光物理学、非线性光学、高分辨光谱学、强光光学和量子光学都在光物理学技术的辅助下，逐渐的完善和成熟。还有很多技术比如光子学、超快光谱学和原子光学等都在积累形成新的学科领域[1]。光物理技术与化学、生物学、医学以及生命科技学的交涉也越来越广泛和深入，光物理技术的新理论和新的概念方法都成为激光类和光纤通讯类等高科技技术产业发展的重要依靠。可以想象，在以后高科技的发展中，光物理技术的研究将还会有许多突破性的发展，并且会对生命科技学，化学领域，以及光电子，光计算机等高科技产业的发展起到关键的推动和辅助作用。这里主要研究光物理技术在化学领域的应用。

1 光物理技术

光物理技术是研究体系物理化学性质的方法，主要研究的是具有荧光（磷光）活性的探针（Probes）和标记物（Labels）小分子光物理性质根据环境的不同而变化的现象。这种方法的好处是：灵敏度好、选择性好、针对性好、方法多和适应面广等。所以广泛应用在超分子和超分子体系的物理化学问题的研究中。光物理技术可以分为两大类：静态光物理技术（Steady-State Photophysical Techniques）和分时光物理技术（Tine-Resolved Photophysical Techniques）。

首先静态光物理技术因为选用光物理参量的不同和试验方法的不同，又可分为激发光谱和发射光谱测量，荧光猝灭（Fluorescence Quenching），非辐射能量转移（Non-Radiative Energy Transfer），熒光各异性或荧光偏振（Fluorescence Anisotropy or Fluorescence Polarization）等。发射光谱测量是指：光谱形状和位移、Stokes位移、激发态缔合物（Excimer或Excoplex）形成、荧光或磷光量子产率等。

其次分时光物理技术同样分为时间分辨荧光光谱（Time-Resolved Emission Spectroscopy，TRES）、时间分辨非辐射能量转移、时间分辨荧光各向异性测量（Time-Resolved Anisotropy Measurements，TRAMS）等.其中时间分辨荧光各向异性（TRAMS）的用途是最为广泛的，但是国内大多数化学工作者对其并不是很熟悉，因此这里对TRAMS技术做深入探讨。

2 时间分辨荧光各向异性技术（TRAMS）的荧光偏振现象

想要了解TRAMS的测定原理，就要先了解荧光偏振现象[2]。荧光偏振的试验是1929年Perrin在做荧光小分子在溶液中寿命的测定时发现的。一直到多年以后，这门技术才在分子生物学研究中获得了很广泛的应用。早期实践过程中，静态荧光偏振是其技术应用的基本形态。其它荧光偏振技术对所用光源，监测系统质量和数据处理模型都有特殊要求，故而应用较少;因此直到本世纪70年代末80年代初这个时间分辨技术才得到广泛的应用。

荧光分子描述中，人们不仅可以选择“吸收跃迁矩”MA进行系统描述，还可以采用“发射跃迁矩”ME来进行表达。从应用过程来看，两者的描述方式虽然具有普遍性，然其具体的取向具有差异性和固定性。即荧光和磷光的发光性质不同，其对应的发射跃迁矩也就有不同的空间取向。一般情况下，分结构对其单元中电子跃迁的本质具有重大影响，其主要表现在两个层面：其一，分子单元的吸收跃迁距;其二，分子单元的发射跃迁距。研究表明，对于分子吸收跃迁矩ME而言，其与偏振光取向之间存在夹角α，且其余弦值的平方由cos2α进行表示;则不难发现，分子对偏振光的吸收概率与该余弦平方值存在正比例关系;同样，若以发射跃迁矩ME为基本控制单元，并将其与检偏器取向的夹角余弦值界定为cos2β，此时发光强度I会与该值表现出正比例关系。因此取向分别为P和A系统的起偏器和检偏器，观测到发光强度正比于cos2α×cos2β。在实际的检测中，要是实现荧光偏振的有效把控，工作人员则应对检偏器平行发光强度IⅠ和垂直发光强度IⅡ进行严格把控，荧光偏振的程度取决于两个强度的分量差值。这就能将荧光偏振P定义为：，相应的各向异性定义为：。由此可见，荧光偏振现象检测中，偏振度在描述方式上虽与各向异性具有差别，当两者本质基本一致，一般情况下，人们通过存在对其进行关系表达。

实践过程中，荧光分子不同，其MA和ME的夹角也会存在差异，由此导致了其各向异性r0之间的明显差距。譬如，单位分子的MA和ME夹角是，那么就有，由此可见，当分子的MA和ME保持平行状态是，0.4是r0取值的最大指数，则在荧光偏振检测中，其被称为荧光分子各向异性的极限值。如果MA和ME相互垂直时（=90°），r0取最小值-0.2，此时就称它为基础各向异性。还有就是当r0=0时（=54.73°），这个角度在光物理中称为磨角，这个角度可以用来消除偏振效应。而这就说明了各向异性应该在-0.2和0.4区间，一旦各向异值活跃于该区间之外，则表明实践检测的过程可能受到外部散光干扰。或是检测引起存在故障。分子在激发状态下是有一定的时间寿命，分子发光过程中，旋转运动是其基本的作用形态，其导致了两种跃迁距取向的差异，从而对偏振观测结果造成影响，使得去偏振或者部分去偏振发光成为实践检测的最终表现形态。

新常态下，超分子技术发展迅速，时间分辨荧光各向异性技术在化学科技研究中有了很大的使用空间。光物理技术还可以对薄膜组装体系和核-壳体系结构等问题进行研究。根据TRAMS技术的不断扩展，可以设想TRAMS在光物理研究领域具有突出优势，其进行大范围的推广和应用也将成为产业发展的必然。

3 光物理技術的研究现状

就目前来说，世界上很多国家已经拥有可进行TRAMS测定的化学实验室。他们主要分布在美国、英国、法国、德国、加拿大、日本、澳大利亚、挪威、俄罗斯等发达国家。像捷克、印度一些发展中国家也有了相应的实验装置。经过试验证明，对TRAMS研究最为理想的光源就是同步辐射，其次就是各类激光光源。像氙灯这样的普通光源因为光强度不够，稳定性不好，所以他们很难应用到TRAMS的试验检测中。把TRAMS技术与其他光物理技术联合起来应用，已经开始普遍化。就比如将TRAMS和全内反射荧光（Total -Internal Reflectance Fluorescence，TIRF）技术联合起来，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荧光物种的干扰，这也就使研究的结果更加的牢靠和准确[3]。近几年，双光子激发荧光各向异性的研究也开始出现在人们的视线里，双光子激发产生的内在荧光各向异性的理论值为0.57，单光子激发的是0.40，这样就会使得TRAMS技术的应用空间又增大了不少。

对非球旋转驰豫模型的荧光各向异性数据分析方法也已经提出并开始了使用，还可以对复合标记或者复合探针体系荧光各向异性衰减的测定与数据分析准确的开始进行。在这里不仅在时间分辨光物理技术方面取得了重大进步，而且静态光物理技术也在不断的进步。比如二维相关荧光技术（Two Dimensional Fluorescence Correlation Spectroscopy，2DFCS）在复杂化合物的检测，复杂体系的光物理技术方面的研究也有很大的突破。在这科技发展迅速的今天，光物理技术在化学科学研究的应用得到很长远的发展。

4 结语

近年来越来越多的化学研究工作用到光物理技术，但是大都局限在静态技术与荧光寿命检测，而在时间分辨荧光光谱（TRES）工作上的应用却很少，在TRAMS技术上面的应用几乎为零。考虑到TRAMS技术有很广泛的实用性和有效性，所以国家已经开始建设同步辐射实验室和计划建设实验室的工作也进入了筹备当中，因此就要求国家自然科学基金委员会化学科学部和有关实验室协商起来，尽快建立自己的TRAMS试验装备，可以更好的推进有关基本物理化学的科学研究。像生命科学、材料科学和超分子化学这些技术都进一步的进行研究。

参考文献

[1] 房喻.化学研究中的光物理技术[J].陕西师范大学学报（自然科学版），2002，30（2）：62-65.

[2] 闫淑莲，徐艳霞，唐静成，等.做好物理化学实验准备工作提高实验教学质量[J].继续医学教育，2016，30（7）：80-81.

[3] 周爱秋，马跃宁，许效红.在物理化学实验中引入纳米光催化综合实验[J].大学化学， 2012，27（6）：46-50.