熒光光譜技術(shù)及其在木材工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

陳 玲， 潘 彪

(南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京210037)

綜 述

熒光光譜技術(shù)及其在木材工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

陳 玲， 潘 彪*

(南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京210037)

熒光光譜技術(shù)是近年來發(fā)展起來的新型分析檢測技術(shù)，具有靈敏度高、檢測限低、操作簡單、分析時(shí)間短、無污染及成本低等優(yōu)點(diǎn)。從熒光光譜原理入手，介紹了常規(guī)熒光光譜、同步熒光、三維熒光、時(shí)間分辨熒光等熒光光譜技術(shù)，概述了熒光光譜技術(shù)在木材工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，展望了該技術(shù)的發(fā)展前景。

熒光光譜技術(shù)；木材工業(yè)；應(yīng)用；發(fā)展前景

當(dāng)某種波長的入射光照射到某些物質(zhì)上時(shí)，這些物質(zhì)會(huì)在很短的時(shí)間(10-8s)內(nèi)發(fā)射出比入射光波長更長的光，當(dāng)入射光停止照射時(shí)，物質(zhì)發(fā)射出的光線立刻隨之消失，這種發(fā)射出的光線稱為熒光[1-2]。第一次記錄熒光現(xiàn)象的是西班牙的植物學(xué)家N.Monardes，1575年他發(fā)現(xiàn)在含有一種被稱為“Ligum Nephriticum”的木頭切片水溶液中呈現(xiàn)出了可愛的天藍(lán)色[3]。之后也陸續(xù)有學(xué)者觀察和描述過熒光現(xiàn)象，但對其本質(zhì)認(rèn)識(shí)都沒有明顯的進(jìn)展。直到1852年，英國數(shù)學(xué)和物理學(xué)家Stokes經(jīng)過觀測后，提出了熒光是光發(fā)射的概念，并首次使用了“熒光”這一術(shù)語。

熒光光譜在各方面的應(yīng)用及相關(guān)的方法被稱為熒光光譜技術(shù)，熒光光譜技術(shù)靈敏度高、線性范圍寬，為微量及痕量物質(zhì)的分析提供了新的方法。現(xiàn)代熒光光譜技術(shù)及應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代[4]，近幾十年來，熒光光譜技術(shù)因其獨(dú)有的特點(diǎn)在化學(xué)工業(yè)、木材工業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。如今，熒光光譜技術(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展成為一種重要、有效的光譜化學(xué)分析手段[5-6]。

1 熒光光譜技術(shù)概述

1.1 熒光發(fā)射原理

物質(zhì)吸收入射光后，光子的能量會(huì)傳遞給物質(zhì)分子，分子被激發(fā)后發(fā)生躍遷，分子內(nèi)發(fā)生的激發(fā)和躍遷過程如圖1所示。圖中的S0、S1和S2分別表示的是分子的基態(tài)、第一和第二電子激發(fā)單重態(tài)，T1和T2則分別表示的是第一和第二電子激發(fā)三重態(tài)；因吸收光子而被激發(fā)到S1或S2中的某一振動(dòng)能級的分子通常會(huì)迅速地通過非輻射躍遷回第一激發(fā)態(tài)的最低能級，非輻射躍遷過程包括振動(dòng)弛豫(VR)、內(nèi)轉(zhuǎn)化(ic)和系間竄越(isc)。振動(dòng)弛豫是指分子將多余的振動(dòng)能量傳遞給介質(zhì)，從而衰變到同一電子態(tài)的最低振動(dòng)能級的非輻射躍遷過程；內(nèi)轉(zhuǎn)化是指相同多重態(tài)的兩個(gè)電子態(tài)間的非輻射躍遷過程(例如S1～S0，T2～T1)；系間竄越則是指不同多重態(tài)的兩個(gè)電子態(tài)之間的非輻射躍遷過程(例如S1～T1，T1～S0)。這些過程將激發(fā)能轉(zhuǎn)化為熱能傳遞給介質(zhì)，而處于S1(V0)能級的分子不穩(wěn)定，因此還將通過以下三種途徑回到基態(tài)：①S1～S0的輻射躍遷，發(fā)射出熒光；②S1～S0的內(nèi)轉(zhuǎn)化；③S1～T1的系間竄躍，可能會(huì)使處于T1的最低振動(dòng)能級的受激分子再輻射躍遷至基態(tài)，從而發(fā)出比熒光波長更長的磷光，這三個(gè)過程往往是同時(shí)發(fā)生的，量子產(chǎn)率之和為1，這就是熒光發(fā)射的物理過程[7]。圖1中，A1、A2均表示吸收，P表示磷光，F(xiàn)表示熒光。

圖1 分子內(nèi)的激發(fā)和躍遷示意圖

1.2 熒光光譜主要參數(shù)

描述熒光光譜的特性參數(shù)主要有激發(fā)波長λex、發(fā)射波長λem和熒光強(qiáng)度I等。

1.2.1 激發(fā)波長和發(fā)射波長

物質(zhì)的電子從基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷過程中吸收的能量要高于熒光發(fā)射的能量，因此實(shí)驗(yàn)中觀察到的熒光激發(fā)波長總是小于發(fā)射波長。Stokes在1852年首次觀察到這種波長移動(dòng)現(xiàn)象，因而人們把這種現(xiàn)象稱為Stokes Shift。

1.2.2 熒光強(qiáng)度

熒光強(qiáng)度表示的是發(fā)射熒光的強(qiáng)弱，影響熒光強(qiáng)度的因素很多，不僅與物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)、溶液濃度、環(huán)境因素等有關(guān)，還與激發(fā)光的波長、強(qiáng)度和測量熒光的設(shè)備有關(guān)，實(shí)際測得的熒光強(qiáng)度僅是一個(gè)相對值。

1.2.3 熒光壽命

熒光壽命是指在激發(fā)光被切斷后，熒光強(qiáng)度衰減至原強(qiáng)度1/e時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。它表示的是分子S1激發(fā)態(tài)的平均壽命。

(1)

式中：kf為熒光發(fā)射的速率常數(shù)；∑K為各種分子內(nèi)非輻射躍遷過程速率常數(shù)的總和。

1.2.4 熒光量子產(chǎn)率

熒光量子產(chǎn)率是指熒光物質(zhì)分子被激發(fā)光激發(fā)后發(fā)射出的熒光光子數(shù)與吸收的激發(fā)光光子數(shù)的比值。因?yàn)榧ぐl(fā)態(tài)分子的衰變包括了輻射躍遷和非輻射躍遷，所以熒光量子產(chǎn)率也可表示為：

(2)

由上述公式可知，影響熒光壽命和熒光量子產(chǎn)率的因素相同。

1.3 熒光光譜技術(shù)

1.3.1 常規(guī)熒光光譜技術(shù)

熒光激發(fā)光譜和發(fā)射光譜是最常見的熒光光譜。如果以一定的激發(fā)光波長和強(qiáng)度激發(fā)樣品，測定各種熒光發(fā)射波長λem對應(yīng)的熒光強(qiáng)度(I)，可以得到熒光強(qiáng)度對熒光波長的譜圖，稱為熒光發(fā)射譜。如果連續(xù)改變激發(fā)波長λex，取定熒光發(fā)射波長值，可以得到相應(yīng)的熒光強(qiáng)度對激發(fā)波長的譜圖，稱為熒光激發(fā)譜。

發(fā)射譜和激發(fā)譜都可以用來鑒別熒光物質(zhì)，并且可以為激發(fā)波長和測定波長的選擇提供依據(jù)。

同步熒光光譜技術(shù)是由Lloyd[8]首先提出的，它與常規(guī)熒光測定方法的最大區(qū)別是同時(shí)掃描激發(fā)波長和發(fā)射波長，由熒光強(qiáng)度與對應(yīng)的激發(fā)波長(或發(fā)射波長)構(gòu)成光譜圖，稱為同步熒光光譜[9]。同步熒光光譜技術(shù)不僅可以簡化光譜，減弱光譜的重疊現(xiàn)象，還可以削弱散射光的影響，從而進(jìn)一步提高熒光光譜技術(shù)的靈敏度和選擇性，在多組分復(fù)雜混合物的熒光光譜分析中有明顯的優(yōu)勢[10-11]。

1.3.3 導(dǎo)數(shù)熒光光譜技術(shù)

將熒光強(qiáng)度對熒光波長進(jìn)行求導(dǎo)，并以此作為縱坐標(biāo)，波長為橫坐標(biāo)，可以得到導(dǎo)數(shù)熒光光譜。導(dǎo)數(shù)熒光光譜通過求導(dǎo)可以使譜帶變銳、帶寬變窄，解決光譜的重疊問題，使光譜細(xì)節(jié)和弱肩峰得到顯現(xiàn)[12]。

1.3.4 三維熒光光譜技術(shù)

熒光強(qiáng)度是激發(fā)波長和發(fā)射波長兩個(gè)變量的函數(shù)，三維熒光光譜則是描述熒光強(qiáng)度隨發(fā)射波長和激發(fā)波長變化關(guān)系的譜圖，該技術(shù)的主要特點(diǎn)是可以獲得激發(fā)波長和發(fā)射波長同時(shí)變化時(shí)的熒光強(qiáng)度。

1.3.5 時(shí)間分辨熒光光譜技術(shù)

在一定的熒光發(fā)射波長處，對不同時(shí)刻的熒光強(qiáng)度進(jìn)行測量，可以得到以時(shí)間為變量的熒光強(qiáng)度譜圖，稱為時(shí)間分辨熒光光譜。時(shí)間分辨熒光光譜技術(shù)可以對復(fù)雜體系中熒光壽命有差異的組分進(jìn)行分辨和測定，能消除雜質(zhì)和溶劑的影響，在材料、化學(xué)、生物等領(lǐng)域的研究中有明顯優(yōu)勢[13-16]。

2 熒光光譜技術(shù)在木材工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

在木材工業(yè)領(lǐng)域中，熒光光譜技術(shù)是近幾年快速發(fā)展起來的一類新型分析檢測技術(shù)。

瘦素可以通過改變其他基因的表達(dá)來影響水生動(dòng)物的生長發(fā)育。用不同濃度的人重組瘦素對新鮮分離的復(fù)鰕虎魚(Synechogobius hasta)肝細(xì)胞進(jìn)行體外培養(yǎng)，可降低細(xì)胞內(nèi)甘油三酯含量和脂肪生成基因的表達(dá)，并增加幾種Janus激酶(JAK)和脂解基因mRNA的表達(dá)[34]。莫桑比克羅非魚(Oreochromis mossambicus)垂體轉(zhuǎn)錄組分析顯示，羅非魚重組瘦素A刺激糖酵解酶3-磷酸甘油醛脫氫酶(GAPDH)mRNA表達(dá)，瘦素還增加糖酵解限速酶——磷酸果糖激酶(PFK)mRNA表達(dá)[35]。

2.1 在造紙中的應(yīng)用

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對紙產(chǎn)品不僅要求可用，更注重美觀，通常采用物理增白的途徑來實(shí)現(xiàn)這一目的，其中使用最為廣泛的方法就是在造紙時(shí)向紙張里添加熒光增白劑。而醫(yī)學(xué)的臨床實(shí)驗(yàn)證明，過量接觸熒光增白劑可能會(huì)成為潛在的致癌因素[17]。因此，如何檢測紙張中熒光物質(zhì)的存在、熒光物質(zhì)在紙品中的遷移性能以及確定紙張中熒光物質(zhì)的含量等非常重要，而熒光光譜技術(shù)就是目前檢測熒光增白劑的主要有效手段之一[18]。羅冠中等建立了以二苯乙烯型熒光增白劑為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)檢測生活用紙中熒光增白劑的熒光光譜技術(shù)，熒光的檢測激發(fā)波長為345 nm，發(fā)射波長為430 nm[19]。結(jié)果表明：此方法不僅可以用于對日常生活用紙中熒光增白劑的定量檢測，也可以作為政府市場監(jiān)督的檢測方法。

劉峻等以熒光增白劑VBL為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，應(yīng)用熒光光譜技術(shù)檢測紙張中熒光增白劑的強(qiáng)度與可遷移熒光物質(zhì)的含量，結(jié)果表明該方法檢測和分析紙張中熒光物質(zhì)可遷移量方便快捷，可以推廣應(yīng)用。

喻坤等使用熒光光譜技術(shù)對餐巾紙中可遷移熒光增白劑含量進(jìn)行檢測，結(jié)果表明：熒光光譜技術(shù)操作簡單、迅速、穩(wěn)定性好，能滿足日常檢驗(yàn)的要求，可以作為快速檢測餐巾紙中可遷移熒光增白劑和監(jiān)控餐巾紙中熒光增白劑水平的方法[20]。

2.2 在木質(zhì)復(fù)合材料中的應(yīng)用

近年來，人造板生產(chǎn)發(fā)展迅速，適用范圍也逐步擴(kuò)大，廣泛地應(yīng)用在建筑、家具和室內(nèi)裝修等方面。而人造板釋放出的甲醛會(huì)對人體健康產(chǎn)生危害，因此國內(nèi)有學(xué)者建立了應(yīng)用熒光分光光譜技術(shù)來檢測人造板中游離甲醛含量的方法，結(jié)果表明該方法操作簡便，靈敏度高，檢測速度快，重現(xiàn)性好，可應(yīng)用于實(shí)際樣品中游離甲醛釋放量的測定[21]。

大豆基木材膠黏劑作為一種環(huán)保型膠黏劑，市場潛力巨大。熒光光譜法在蛋白質(zhì)分子構(gòu)象研究中也得到了越來越廣泛的應(yīng)用[22]。Kalapathy等通過發(fā)射波長范圍為290～400 nm的熒光光譜測量了改性前后的大豆蛋白質(zhì)，并利用殘余色氨酸的熒光發(fā)射光譜表征了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化，為大豆基木材膠黏劑的進(jìn)一步改性提供了依據(jù)[23]。

2.3 在樹種鑒別中的應(yīng)用

使用熒光法作為輔助鑒別木材方法的可能性，最早是由Krishna和chowdury提出來的[24]。Miller和Bass研究了心材及其抽提物的熒光，并將它們納入到計(jì)算機(jī)輔助識(shí)別闊葉材的標(biāo)準(zhǔn)列表中。后來，Dyer，Avella和J.A.Silva等人也對多種木材的熒光特性進(jìn)行了研究并得出結(jié)論，通過觀察木材的熒光現(xiàn)象可簡單快速地識(shí)別木材特征，其是一種有效的鑒別方法[25-26]。而傳統(tǒng)的用肉眼觀察木材斷面、粉末或提取物的熒光來鑒別木材的方法，因主觀誤差大且缺乏標(biāo)準(zhǔn)圖譜對照，在很大程度上限制了該方法的發(fā)展和應(yīng)用。

真正將熒光光譜技術(shù)和木材鑒別結(jié)合起來始于20世紀(jì)80年代，Panshin發(fā)現(xiàn)，長波紫外線輻射范圍從260 nm到400 nm，研究木材熒光的最好波長約為365 nm[27]。不同的木材因其所含有熒光物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)或者含量的差異，具有不同的熒光譜帶，因此應(yīng)用熒光光譜技術(shù)可以對樹種進(jìn)行鑒別。KK Pandey等[28]研究了阿拉伯金合歡、闊莢合歡、印度紫檀、紅椿、柚木、細(xì)葉桉的心材及其甲醇提取物的熒光激發(fā)和發(fā)射光譜，發(fā)現(xiàn)不同樹種的發(fā)射波長峰值不同，而且不同極性和非極性溶劑中的木材提取物可以使木材熒光光譜技術(shù)的研究更準(zhǔn)確。

陳志剛等通過對松樹、榆樹和楊樹熒光光譜的分析，對松樹、榆樹和楊樹的樣本進(jìn)行了鑒別。發(fā)現(xiàn)應(yīng)用熒光光譜技術(shù)對樹種進(jìn)行輔助鑒別時(shí)應(yīng)盡可能地利用光譜的有效信息，如波峰的波長位置、強(qiáng)度、峰間的強(qiáng)度比值以及某些指標(biāo)的組合等，從而提高探測精度或準(zhǔn)度[29]。

周欣欣等分別應(yīng)用熒光光譜技術(shù)對不同樹種的樹皮浸提物進(jìn)行了檢測分析，比較了不同樹種樹皮浸提物熒光發(fā)射光譜、熒光激發(fā)光譜和一階導(dǎo)數(shù)光譜之間的差異[30]。對檢測結(jié)果的分析表明，樹種不同，樹皮浸提物的熒光發(fā)射光譜和熒光激發(fā)光譜特征也不同，譜圖中呈現(xiàn)的峰數(shù)、峰位可以為樹皮種類的大類區(qū)分提供依據(jù)，根據(jù)一階導(dǎo)數(shù)譜圖中正、負(fù)峰的峰數(shù)及振幅比值的不同可以對樹種種類進(jìn)行鑒別。

3 總結(jié)與展望

目前，熒光光譜技術(shù)在造紙、木質(zhì)復(fù)合材料及樹種鑒別等方面已經(jīng)得到一定的應(yīng)用，雖然仍處在起步階段，但已取得的研究結(jié)果表明，將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于木材工業(yè)領(lǐng)域有其獨(dú)特的優(yōu)勢，相信隨著研究和開發(fā)的不斷深入，其在木材工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用將更加廣泛。

木材測定分析的方法通常有光譜法、色譜法、熱分析法、掃描電鏡法等，而在這些測定方法中，熒光光譜法具有很多獨(dú)特的優(yōu)勢，如檢測限低、靈敏度高、選擇性好等。熒光光譜檢測分析的最大優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，分析所需要的樣品用量很少，尤其在木材樣品數(shù)量較為稀少或昂貴時(shí)將更顯示出其優(yōu)越性。應(yīng)用熒光光譜技術(shù)輔助鑒別木材快速、便利，可提高鑒別的可靠性。

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(責(zé)任編輯 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

江蘇省林業(yè)局2016軟科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目“中山杉人工林木材高效利用技術(shù)創(chuàng)新策略研究”

陳 玲(1993-)，女，江蘇泰州人，碩士，主要研究方向?yàn)槟静膶W(xué)，E-mail：1210849124@qq.com。

*通訊作者：潘 彪(1964-)，男，江蘇南京人，教授，碩士，主要研究方向?yàn)槟静膶W(xué)。

TS612

A

2095-2953(2017)02-0010-05