Phát xạ quang học là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Phát xạ quang học là hiện tượng electron trong nguyên tử hay phân tử hấp thụ năng lượng kích thích rồi trở về trạng thái cơ bản, phát ra photon đặc trưng. Fluorescence (phát xạ nhanh, τ≈10⁻⁹–10⁻⁷ s) và phosphorescence (phát xạ muộn, τ≈10⁻⁶–1 s) là hai cơ chế chính, ứng dụng rộng rãi trong cảm biến, y sinh và hiển thị.

Tóm tắt

Phát xạ quang học là quá trình vật chất hấp thụ năng lượng từ ngoại cảnh, chuyển electron lên trạng thái kích thích, sau đó trả về trạng thái nền và phát ra photon có bước sóng đặc trưng. Hiện tượng này bao gồm hai cơ chế chính là fluorescence – phát xạ nhanh và phosphorescence – phát xạ chậm do trung gian triplet, đồng thời cũng có các dạng delayed fluorescence hay upconversion.

Ứng dụng của phát xạ quang học rất đa dạng trong khoa học và công nghiệp: từ đánh dấu sinh học trong nghiên cứu tế bào, hình ảnh y sinh, đến thiết bị hiển thị OLED, cảm biến phát hiện khí và ion, cũng như phương pháp quang phổ để phân tích thành phần nguyên tố trong vật liệu hoặc trong môi trường. Việc hiểu rõ cơ chế, động học và lựa chọn vật liệu phát xạ tối ưu là then chốt để phát triển công nghệ quang học hiện đại.

Định nghĩa phát xạ quang học

Theo IUPAC, phát xạ quang học (optical emission) là “sự phát xạ tự phát của bức xạ điện từ sau khi vật chất bị kích thích” (IUPAC Gold Book). Khi electron trong nguyên tử hoặc phân tử hấp thụ năng lượng photon hoặc năng lượng va chạm, chúng chuyển lên mức năng lượng cao. Sau quá trình đối lưu nhiệt hoặc chuyển đổi nội phần, electron sẽ trả về mức năng lượng cơ bản, giải phóng phần năng lượng dư thừa dưới dạng photon.

Hai dạng phát xạ quang học được phân biệt dựa trên cơ chế trả về trạng thái nền và thời gian sống của trạng thái kích thích:

  • Fluorescence: electron từ trạng thái kích thích singlet (S1) trở về trạng thái nền (S0), phát xạ trong khoảng 10−9–10−7 s.
  • Phosphorescence: electron chuyển từ trạng thái triplet (T1) trở về singlet (S0), phát xạ chậm hơn, thời gian sống có thể từ 10−6 s đến vài giây hoặc lâu hơn.

Nguyên lý quang học cơ bản

Cấu trúc năng lượng của phân tử quang phát được mô tả qua sơ đồ Jablonski, gồm nhiều mức phân lớp singlet và triplet. Khi photon có bước sóng hνexc tương ứng năng lượng ΔE = E1 – E0 chiếu vào mẫu, electron được kích thích lên mức singlet cao hơn.

S0hνexcSnnội chuyển đổiS1phaˊt xạ fluorescenceS0+hνemS_0 \xrightarrow{h\nu_{\text{exc}}} S_n \xrightarrow{\text{nội chuyển đổi}} S_1 \xrightarrow{\text{phát xạ fluorescence}} S_0 + h\nu_{\text{em}}

Tại S1, một số electron có thể chuyển qua quá trình nội kẽ (intersystem crossing) sang mức T1, rồi phát xạ phosphorescence khi trở về S0. Quá trình nội kẽ và kích thích ngược (reverse intersystem crossing) cũng tạo ra delayed fluorescence.

  • Kích thích (Absorption): S0 → Sn bởi photon nhập.
  • Nội chuyển đổi (Internal Conversion): Sn → S1 không phát xạ.
  • Fluorescence: S1 → S0 phát hνem.
  • Nội kẽ (ISC): S1 → T1 chậm hơn.
  • Phosphorescence: T1 → S0 phát xạ muộn.

Động học phát xạ

Yếu tố quyết định mức độ phát xạ bao gồm hằng số bán kính kr và phi bán kính knr. Hiệu suất lượng tử fluorescence ΦF và thời gian sống τ được tính theo:

ΦF=krkr+knr,τ=1kr+knr\Phi_F = \frac{k_r}{k_r + k_{nr}},\quad \tau = \frac{1}{k_r + k_{nr}}

Trong đó kr là tốc độ quá trình phát xạ, knr tổng hợp các quá trình làm mất năng lượng không bức xạ: nội chuyển đổi, collisional quenching và tương tác phonon.

Thông sốÝ nghĩaĐơn vị
ΦFHiệu suất lượng tử fluorescenceĐơn vị vô hướng (0–1)
τFThời gian sống fluorescences (10−9–10−7)
τPThời gian sống phosphorescences (10−6–100)
krHằng số bán kínhs−1
knrHằng số phi bán kínhs−1

Quenching do tạp chất, oxy phân tử hay interactions giữa phân tử làm tăng knr, giảm τ và ΦF. Các phương pháp như Stern–Volmer cho biết quan hệ giữa cường độ fluorescence và nồng độ chất quenching:

I0/I=1+KSV[Q]I_0/I = 1 + K_{SV} [Q]

trong đó I_0 và I lần lượt là cường độ fluorescence không và có chất quenching, KSV hệ số Stern–Volmer, [Q] nồng độ chất quenching.

Phân loại phát xạ quang học

Phát xạ quang học được chia thành ba nhóm chính dựa trên cơ chế và thời gian sống của trạng thái kích thích:

  • Fluorescence: electron từ mức singlet cao S1 trở về trạng thái nền S0 phát xạ photon nhanh, với thời gian sống τ ≈ 10−9–10−7 s. Fluorescence thường quan sát ở phân tử hữu cơ như fluorescein, rhodamine (ACS Chem. Rev.).
  • Phosphorescence: electron chuyển qua quá trình nội kẽ (ISC) sang trạng thái triplet T1, rồi phát xạ chậm khi trở về S0, với τ có thể lên đến hàng giây hoặc phút. Thường gặp trong phosphor vô cơ như ZnS:Ag.
  • Delayed fluorescence: electron trong T1 được kích thích ngược (rISC) lên S1 trước khi phát xạ, dẫn đến fluorescence muộn; τ phụ thuộc nhiệt độ và môi trường.

Các hiện tượng phụ trợ như upconversion (hấp thụ hai photon thấp năng lượng để phát một photon cao năng lượng) hay thermally activated delayed fluorescence (TADF) đang được nghiên cứu để phát triển OLED và cảm biến quang học thế hệ mới (Adv. Energy Mater.).

Vật liệu phát xạ

Vật liệu phát xạ quang học bao phủ nhiều nền tảng, từ phân tử hữu cơ đến hợp chất vô cơ và bán dẫn nano:

  • Phân tử hữu cơ: fluorescein, rhodamine, coumarin… dễ biến đổi hóa học để điều chỉnh bước sóng phát xạ, phổ biến trong sinh học (Chem. Soc. Rev.).
  • Phosphor vô cơ: ZnS:Mn, SrAl2O4:Eu,Dy dùng cho đèn huỳnh quang, màn hình CRT, phát xạ phosphorescence lâu.
  • Quantum dots (QDs): CdSe/ZnS, InP/ZnS với kích thước hạt 2–10 nm cho phép điều chỉnh bước sóng phát xạ theo hiệu ứng lượng tử (ACS Nano).
  • Vật liệu perovskite: CH3NH3PbBr3, MAPbI3… có efficiency cao, ứng dụng in mực phát sáng và cảm biến quang (Nat. Photonics).

Bảng so sánh một số vật liệu tiêu biểu:

LoạiBước sóng phát xạτ (s)Ưu/Nhược điểm
Fluorescein515 nm4×10−9Độ sáng cao / Photobleaching
ZnS:Ag450 nm10−3–1Phosphorescence lâu / Tốc độ chậm
CdSe QDs500–650 nm10−9Điều chỉnh được màu / Độc tính Cd
Perovskite520–780 nm10−8Hiệu suất cao / Ổn định thấp

Kỹ thuật đo lường

Để phân tích phát xạ quang học, người ta sử dụng:

  • Spectrofluorimeter: ghi phổ excitation–emission matrix, đo cường độ Iem versus λem cho λexc cố định.
  • Time-Correlated Single Photon Counting (TCSPC): đo chính xác thời gian sống τ của fluorescence với độ phân giải ps, dùng photomultiplier tube (PMT) và module đồ hoạ thời gian (Appl. Opt.).
  • Phosphorimeter: giống spectrofluorimeter nhưng mở rộng dải τ lên đến giây, cho phép đo phosphorescence chậm.
  • Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy (FLIM): tạo bản đồ τ trong mẫu sinh học, hữu ích cho quan sát tương tác protein và môi trường nano (Nat. Methods).

Ứng dụng

Phát xạ quang học có vai trò nền tảng trong nhiều lĩnh vực:

  • Sinh học phân tử: fluorophore gắn protein, DNA để quan sát vị trí và tương tác trong tế bào bằng fluorescence microscopy.
  • Y sinh: chẩn đoán ung thư qua hình ảnh huỳnh quang, ví dụ sử dụng ICG (indocyanine green) trong chụp mạch máu (J. Biophotonics).
  • Thiết bị hiển thị: OLED sử dụng phosphorescent emitter để tăng hiệu suất, màn hình microLED và quantum dot display.
  • Cảm biến: phát hiện khí NO2, CO, NH3 dựa trên thay đổi fluorescence probe; đo pH, ion kim loại bằng chemosensor huỳnh quang.
  • Phân tích vật liệu: Optical Emission Spectroscopy (OES) trong phân tích thành phần nguyên tố plasma laser hoặc hồ quang (Spectrochim. Acta B).

Các yếu tố ảnh hưởng

Cường độ và bước sóng phát xạ phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

  • Nhiệt độ: tăng nhiệt độ làm tăng tương tác phonon, tăng knr, giảm τ và ΦF.
  • pH và polarity dung môi: thay đổi môi trường ảnh hưởng trạng thái proton hóa và năng lượng S1, dẫn đến lệch λem.
  • Quenching: oxy phân tử, ion kim loại hoặc chất hữu cơ hấp thụ năng lượng không bức xạ, mô tả theo phương trình Stern–Volmer.
  • Tập trung chất phát xạ: nồng độ cao gây self-quenching và reabsorption, giảm hiệu suất phát xạ.

Xu hướng nghiên cứu tương lai

Nghiên cứu đang tập trung vào:

  • Vật liệu AIE (Aggregation-Induced Emission): phát sáng mạnh khi kết tụ, khắc phục quenching tập trung (Angew. Chem.).
  • TADF (Thermally Activated Delayed Fluorescence): điện diodes phát ánh sáng trắng với hiệu suất năng lượng >30% (J. Mater. Chem. A).
  • Ứng dụng quantum dots xanh, đỏ và IR cho imaging đa kênh: tăng độ sâu và độ nhạy, giảm nhiễu autofluorescence.
  • Upconversion nanoparticles: hấp thụ NIR để phát xanh, cho phép imaging xuyên mô với độ xuyên thấu cao và ít photodamage.

Các bài báo, nghiên cứu, công bố khoa học về chủ đề phát xạ quang học:

Hai-Photon Laser Scanning Huỳnh quang Hiển vi Dịch bởi AI
American Association for the Advancement of Science (AAAS) - Tập 248 Số 4951 - Trang 73-76 - 1990
Sự kích thích phân tử bằng sự hấp thụ đồng thời của hai photon cung cấp độ phân giải ba chiều nội tại trong hiển vi huỳnh quang quét bằng laser. Việc kích thích các fluorophore có khả năng hấp thụ một photon trong vùng cực tím với dòng xung hồng ngoại cường độ tập trung dưới một phần nghìn giây đã làm khả thi các hình ảnh huỳnh quang của các tế bào sống và các vật thể hiển vi khác. Phát xạ huỳnh q...... hiện toàn bộ
#Kích thích hai-photon #hiển vi huỳnh quang quét laser #độ phân giải ba chiều #fluorophore #phát xạ huỳnh quang #quá trình tẩy trắng quang học
Tác động của các tham số quy trình đến đặc tính dòng bốc hơi trong quá trình bốc hơi bằng laser xung của Titanat chì Zirconat (PZT) Dịch bởi AI
Springer Science and Business Media LLC - Tập 310 - Trang 481-486 - 1993
Chúng tôi đã nghiên cứu đặc tính dòng bốc hơi của PbZrxTi1−xO3 phụ thuộc vào các tham số quy trình lắng đọng. Tốc độ bốc hơi-lắng đọng, phân bố góc và loại loài bốc hơi đều chịu ảnh hưởng của áp suất khí oxy. Về mặt trực quan, một sự thay đổi trong hình dạng và màu sắc của đám bốc hơi là rõ ràng khi thêm khí oxy. Phân bố dòng bốc hơi thu hẹp khi áp suất oxy tăng, từ phân bố cos40θ ở áp suất khí th...... hiện toàn bộ
#bốc hơi bằng laser #Titanat chì Zirconat #PbZrxTi1−xO3 #áp suất khí oxy #quang phổ phát xạ quang học
Dichroism hình tròn từ trường trong hiện tượng phát xạ quang học 4d-4f của các nguyên tố lanthanide: Terbium Dịch bởi AI
The European Physical Journal B - Tập 12 - Trang 171-178 - 1999
Hiện tượng dichroism hình tròn từ trường trong các multiplet phát xạ quang học 4f của nguyên tố lanthanide đã được nghiên cứu trên ngưỡng kích thích 4d-4f đối với ví dụ của kim loại Terbium. Phân tích tổng hợp giữa thực nghiệm và lý thuyết cho thấy sự tăng cường cộng hưởng của tín hiệu phát xạ quang học 4f và độ tương phản từ lớn trong cường độ phát xạ quang học được đạt được đồng thời, khi năng l...... hiện toàn bộ
#dichroism hình tròn từ trường #phát xạ quang học #nguyên tố lanthanide #Terbium #cường độ phát xạ quang học #phân cực tròn
Nghiên cứu quang học về các gốc tự do (OH, O, H, N) trong sự phóng corona streamer âm tĩnh điện có xung trong phản ứng kim loại hình chóp điện Dịch bởi AI
Plasma Chemistry and Plasma Processing - - 2006
Quang phổ phát xạ quang đã được áp dụng để nghiên cứu các gốc OH và các nguyên tử hoạt động O, H, N được tạo ra bởi sự phóng corona streamer âm tĩnh điện với điện áp cao từ hỗn hợp khí N2 và H2O trong một reactor hình kim chóp ở áp suất một atm. Các quần thể dao động tương đối và nhiệt độ dao động của N2(C, v′) đã được xác định. Các ảnh hưởng của điện áp đỉnh xung, tần số lặp lại xung, và sự bổ su...... hiện toàn bộ
#quang phổ phát xạ quang #gốc tự do #O2 #N2 #H2O #corona streamer
Tính chất phát quang và cảm quang của nanophosphor Y2−xSiO5:xDy3+ phát sáng trắng đơn pha: Nghiên cứu cấu trúc và quang học phụ thuộc vào nồng độ Dịch bởi AI
Applied Physics A Solids and Surfaces - Tập 125 - Trang 1-12 - 2019
Mặc dù có nhu cầu cao, số lượng phosphor phát sáng trắng với chất kích thích đơn lẻ là hạn chế. Nguyên nhân là do các phosphor được pha tạp đơn lẻ không phát ra ánh sáng trong vùng quang phổ cần thiết để đạt được ánh sáng trắng. Trong nghiên cứu này, chúng tôi báo cáo về việc tổng hợp nanophosphor Y2SiO5 phát sáng trắng, được kích thích bởi chất pha tạp đơn (Dy3+), thông qua phương pháp đốt cháy d...... hiện toàn bộ
#phosphor phát sáng trắng #Dy3+ #Y2SiO5 #phát quang #phát quang nhiệt #bức xạ gần UV
VCSEL có hiệu suất cao, tốc độ cao cho kết nối quang học Dịch bởi AI
Applied Physics A Solids and Surfaces - Tập 95 - Trang 1033-1037 - 2009
Các laser phát xạ bề mặt vùng (VCSEL) có lỗ mở oxit th taper hiệu suất cao và tốc độ cao phát ra ánh sáng ở bước sóng 980 nm đã được chứng minh. Bằng cách kỹ lưỡng thiết kế lỗ mở oxit taper, thể tích mode có thể giảm đáng kể mà không làm tăng đáng kể tổn thất tán xạ quang học cho các kích thước thiết bị áp dụng. Do đó, các thiết bị này có thể đạt được băng thông cao hơn với dòng điện và tổn thất c...... hiện toàn bộ
#VCSEL #laser phát xạ bề mặt #băng thông #quang học #kết nối quang học
Tổng hợp và đặc trưng quang học của ZnO xốp Dịch bởi AI
Journal of Advanced Ceramics - Tập 2 - Trang 260-265 - 2013
Trong bài báo này, một phương pháp đơn giản và rẻ tiền để chuẩn bị ZnO xốp bằng cách sử dụng nitrate kẽm, ethanol và triethanolamine (TEA) được báo cáo. Mẫu chuẩn bị bao gồm các lỗ nano và vi. Mẫu đã được thiêu kết ở nhiệt độ 300 °C, 400 °C và 500 °C với các tốc độ gia nhiệt khác nhau. Tại 500 °C, các lỗ nano biến mất nhưng mẫu vẫn duy trì tính xốp vi. Hình ảnh kính hiển vi điện tử quét phát xạ tr...... hiện toàn bộ
#ZnO xốp #nanotinh thể #năng lượng phát quang #microscopy điện tử quét phát xạ trường #phổ hồng ngoại biến đổi Fourier
Phổ phát xạ kích thích xuất phát từ sự hấp thụ liên băng của một xung quang học pico giây trong một lớp mỏng GaAs Dịch bởi AI
Semiconductors - Tập 32 - Trang 479-483 - 1998
Bơm một lớp mỏng GaAs bằng xung quang học pico giây công suất cao dẫn đến phát xạ biên không ổn định. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập để nghiên cứu sự biến đổi của phổ công suất tích hợp theo thời gian của phát xạ này với đường kính chùm tia và năng lượng của xung bơm quang học. Những dữ liệu này đủ để xác nhận bản chất kích thích của phát xạ, có thời gian kéo dài trong khoảng pico giây.
#GaAs #phát xạ kích thích #xung quang học #phổ công suất #hấp thụ liên băng
Ảnh hưởng của quá trình ủ sau khi lắng đọng lên hình thái và tính chất quang của màng mỏng Bromoaluminium phthalocyanine được bay hơi bằng chùm electron Dịch bởi AI
Journal of Materials Science: Materials in Electronics - Tập 24 - Trang 3862-3867 - 2013
Trong bài báo này, các ảnh hưởng của quá trình ủ sau khi lắng đọng lên hình thái và các tính chất quang của các màng mỏng Bromoaluminium phthalocyanine được bay hơi bằng chùm điện tử đã được nghiên cứu. Hình thái bề mặt của các màng đã được đặc trưng bằng kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM). Các vi ảnh FESEM đã cho thấy các hạt nano được đóng gói chặt chẽ và các cấu trúc giống như que...... hiện toàn bộ
#Bromoaluminium phthalocyanine #màng mỏng #quá trình ủ #tính chất quang #kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường #quang phổ hấp thụ quang học
Kết hợp định hình xung laser theo không gian và thời gian để cải thiện độ tương phản phát xạ huỳnh quang hai photon Dịch bởi AI
Applied Physics B - Tập 124 - Trang 1-10 - 2018
Chúng tôi báo cáo về việc định hình xung laser đồng thời theo thời gian và không gian bằng cách sử dụng các tính chất phân cực ánh sáng. Để thực hiện điều này, một thiết lập bao gồm bộ định hình xung theo thời gian, tấm sóng, và bộ định hình không gian đã được phát triển và đặc trưng hoá bằng cách so sánh với các mô phỏng. Phương pháp này cho phép định hình đồng thời một thành phần phân cực theo t...... hiện toàn bộ
#định hình xung laser #phát xạ huỳnh quang #phân cực ánh sáng #sự điều chế ánh sáng #quang học sinh học
Tổng số: 32   
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4