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
Sự hình thành CaF và AlF trong plasma hồ quang và xác định quang phổ hóa học của Ca và Al Dịch bởi AI
Springer Science and Business Media LLC - Tập 274 - Trang 177-180 - 1975
Tác động của các phản ứng hóa học trong plasma hồ quang một chiều (d.c.) lên xác định phát xạ nguyên tử của các vết đã được nghiên cứu. Ảnh hưởng của NH4F bổ sung lên độ mạnh của các đường quang phổ của Ca và Al đã được kiểm tra. Sự giảm cường độ các đường quang phổ của Ca và Al trong sự hiện diện của NH4F xảy ra, nếu mẫu không được trộn với NH4F trong điện cực. Phổ băng AlF, chuyển tiếp A1Π → X1∑...... hiện toàn bộ
#Plasma hồ quang #độ phát xạ nguyên tử #đường quang phổ #Ca #Al #NH4F #gốc florua
Phát hiện nhạy cảm cao của các viền Ramsey hai-photon ở 30 THz bằng phát xạ kích thích hỗ trợ bởi lược tần số Dịch bởi AI
IEEE Journal of Quantum Electronics - Tập 38 Số 10 - Trang 1406-1411 - 2002
Sự cải thiện ngoạn mục cả về độ phân giải và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu của các viền Ramsey hai-photon đạt được ở tần số 30 THz đã được thực hiện thông qua việc áp dụng một sơ đồ phát hiện mới. Một chùm phân tử SF6, sau khi đi qua các vùng Ramsey, sẽ được kiểm tra bởi một chùm laser riêng biệt, chùm laser này tối ưu hóa việc sử dụng toàn bộ hồ sơ Doppler bằng cách tạo ra một lược tần số trong một b...... hiện toàn bộ
#Frequency #Laser theory #Stimulated emission #Ultrafast optics #Laser transitions #Signal resolution #Signal to noise ratio #Laser stability #Resonance #Testing
Tổng hợp và tính chất của các phẩm nhuộm laser màu đỏ seminaphthorhodafluor Dịch bởi AI
Research on Chemical Intermediates - Tập 46 - Trang 1991-2002 - 2020
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã tổng hợp hai phẩm nhuộm laser màu đỏ seminaphthorhodafluor SNARF-X1 và SNARF-X2 và khảo sát các tính chất quang vật lý của chúng trong các dung môi khác nhau cũng như các tính chất laser trong etanol. Kết quả cho thấy bước sóng của quang phổ hấp thụ và phát xạ huỳnh quang không nhạy cảm lắm với độ phân cực của dung môi, trong khi cường độ huỳnh quang giảm khi độ ...... hiện toàn bộ
#SNARF-X1 #SNARF-X2 #phẩm nhuộm laser #quang phổ hấp thụ #phát xạ huỳnh quang #ổn định quang học #hiệu suất chuyển đổi laser
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
Phát xạ quang học từ plasma crom và magiê do laser tạo ra dưới ảnh hưởng của hai xung laser liên tiếp Dịch bởi AI
Springer Science and Business Media LLC - Tập 65 - Trang 1075-1083 - 2005
Nghiên cứu tham số về phát xạ quang học từ plasma crom và magiê do hai xung laser liên tiếp tạo ra đã được trình bày. Phát xạ quang từ plasma crom và magiê cho thấy sự gia tăng hơn sáu lần khi kích thích bằng hai xung laser so với kích thích bằng một xung duy nhất. Một mức tăng tối ưu về cường độ phát xạ đã được ghi nhận với độ trễ giữa hai xung là ∼2–3 μs cho tất cả các nguyên tố. Các quan sát th...... hiện toàn bộ
#plasma #phát xạ quang #xung laser #làn sóng laser #phân tích nguyên tố
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
Phân tích quang phổ phát xạ bằng sự phóng điện xung điện áp thấp Dịch bởi AI
Springer Science and Business Media LLC - - 1969
Trong bước đầu tiên của việc ứng dụng sự phóng điện xung điện áp thấp vào phân tích quang phổ, các ảnh hưởng của môi trường đã được nghiên cứu. Mô hình phổ Obtained trong không khí hoặc nitơ tương tự như mô hìnhObtained với sự phóng điện giảm chấn quan trọng của phương pháp multisource dưới cùng một môi trường. Hồ sơ của một số đường phổ, đặc biệt là các đường cộng hưởng, cho thấy sự hiện diện của...... hiện toàn bộ
#phóng điện xung #quang phổ phát xạ #phân tích quang học #sắc ký quang phổ #môi trường khí
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
Các giao diện sóng lỏng được vi chế tạo cho hệ thống vi phân tích Dịch bởi AI
SENSORS, 2002 IEEE - Tập 1 - Trang 660-664 vol.1
Bài báo báo cáo về việc vi chế tạo các giao diện sóng lõi lỏng (LCW) sử dụng Teflon/sup /spl reg// AF để tích hợp vào các hệ thống phân tích vi tổng hợp. Teflon/sup /spl reg// AF có chỉ số khúc xạ thấp hơn nước. Các kênh vi hình thẳng (/spl les/500 /spl mu/m chiều rộng, /spl les/100 /spl mu/m chiều sâu) được khắc vào một wafer Pyrex đã được phủ Teflon AF và được niêm phong bằng một wafer đỉnh phủ ...... hiện toàn bộ
#Optical waveguides #Spectroscopy #Optical refraction #Absorption #Liquid waveguides #Fluorescence #Optical reflection #Biomedical optical imaging #Optical pumping #Optical sensors
Tổng số: 32   
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4