技術情報 Web基礎セミナー 分光蛍光光度計の基礎(1) 蛍光とは?
分光蛍光光度計の基礎

分光蛍光光度計の基礎(1) 蛍光とは?

蛍光とは?

物質には、エネルギーを吸収するとそのエネルギーを光で放出するものがあります。この発光現象を、一般にルミネッセンスと言います。ルミネッセンスは、表1で示すように様々な種類があります。蛍光は、光(紫外・可視光)のエネルギーを吸収し発光するフォトルミネッセンスの一種です。
蛍光物質
図1 蛍光体の例
表1 ルミネッセンスの種類
種類 刺激源
エレクトロルミネッセンス 電圧 LED、有機EL、無機EL
化学ミネッセンス 化学変化(酸化反応) 蛍光・りん光
フォトルミネッセンス 紫外線、可視光線、赤外線 白リン(青緑色発光)、ホルムアルデヒド、パラアルデヒドのアルカリ・エタノール溶液による酸化、シロキセンのCe(IV)による酸化
生物ルミネッセンス 生理的吸収(酸化酵素反応) ウミホタル、ホタルの発光、ルシフェラーゼの接触作用により酸素で酸化される際に発生
放射線ルミネッセンス α、β、γ線、中性子線 シンチレーター(NaI・TII)
X線ルミネッセンス X線 X線蛍光体
{SnCdS: Ag(緑色発光)、ZnS: Ag(青色発光)}
カソードルミネッセンス 電子線 蛍光・りん光体、ブラウン管、アパタイト
熱ルミネッセンス 温度上昇に伴う発光(ホタル石、硫化物系蛍光体)
音化学ルミネッセンス 音波、超音波(1KHz~2MHz) 音の刺激による化学反応(ルミノールの酸化反応)
摩擦ルミネッセンス 摩擦、ひずみ、破壊による発光 氷砂糖、ZnS

光の吸収と発光

光はE=hν(E: エネルギー、h: プランク定数、ν: 振動数)で表されるエネルギーを持っています。光が物質にあたるとき、光の持つエネルギーが物質に吸収される場合があります。エネルギーの吸収により、安定なエネルギー状態(基底状態)にあった物質は、一時的に高いエネルギー状態(励起状態)になります。そして、物質はエネルギーを放出し、安定な基底状態に戻ろうとします。このとき、差分のエネルギーを熱などではなく、光として放出する現象のことを発光といいます(図1)。多くの物質では、吸収したエネルギーの一部を熱エネルギーとして放出するため、吸収した光よりも長波長の光を生じます。
光の吸収と発光
図2 発光の種類とエネルギー図

蛍光とりん光の違い

光刺激による発光には、蛍光とりん光があります。蛍光では、吸収したエネルギーの一部は熱として放出し、残りのエネルギーを光として放出します。りん光の場合も同様に熱を放出します。この際、項間交差が起こり、すぐに基底状態に戻れず、ゆっくりと発光し続ける現象がりん光です。大抵の場合、蛍光はナノ秒オーダー、りん光はマイクロからミリ秒オーダーで発光します。ここで、項間交差について説明します。紫外、可視光を物質が吸収する場合、電子遷移を生じます。この電子にはスピンの向きがあり、二つの電子が逆向きで存在するという決まり(パウリの排他原理)があります。通常の励起ではスピンの向きは逆向きのままですが、項間交差が起こるとスピンが同じ向きになり、そのままでは基底状態に戻れません。そのため、基底状態に戻るのに時間がかかります。
蛍光とりん光の違い
図3 蛍光とりん光の違い
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