有關螢光分光光譜法之描述，下列何者最適當？

本題觀念：

螢光分光光譜法 (Fluorescence Spectrophotometry) 的基本原理，包括螢光產生的機制 (Stokes shift)、影響螢光強度的結構因素、環境因素 (溶劑、pH、溫度) 以及定量分析的限制 (濃度效應)。

選項分析

• A. 放射光（emission radiation）較入射光（incident radiation）之波長為短

  • 錯誤。根據 Stokes shift (斯托克斯位移) 原理，分子吸收能量 (入射光/激發光) 躍遷至激發態後，會先經由振動釋放 (vibrational relaxation) 消耗部分能量，再以輻射形式回到基態 (放射光/螢光)。由於能量降低 ($E = h\nu = hc/\lambda$)，因此放射光的頻率較低，波長較長。

• B. 結構必需具有延伸性助色團（extended auxochrome）與平面鋼性結構（rigid structure）

  • 錯誤 (或描述不精確)。
  • 螢光物質的結構通常需要具備 共軛系統 (Conjugated system) (如芳香環) 以吸收紫外光/可見光。
  • 平面剛性結構 (Planar rigid structure) 是產生強螢光的重要條件，因為剛性結構能減少振動釋放 (非輻射路徑) 的能量耗損，增加螢光量子產率。
  • 選項中的術語「延伸性助色團 (extended auxochrome)」並非標準結構要求的描述。正確的說法應是結構需有「延伸的共軛系統 (extended conjugation)」。助色團 (Auxochrome) 如 -OH, -NH2 等是接在發色團上的基團，用以增加螢光強度或改變波長，但結構本體的核心要求是共軛體系而非「延伸助色團」。

• C. 檢體濃度越高時，誤差越大

  • 正確。這是螢光分析法最重要的定量限制。
  • 螢光強度 ($F$) 與濃度 ($C$) 僅在低濃度下呈線性關係 ($F = K \cdot C$)。
  • 當濃度過高時，會發生 自淬滅 (Self-quenching) 和 內濾光效應 (Inner filter effect)：
    • 內濾光效應：溶液表層的分子吸收了大部分激發光，導致深層分子接收到的激發光減少；或者發射出的螢光被溶液中的其他分子再吸收。
    • 這些效應會導致檢量線向濃度軸彎曲 (負偏差)，使得測量誤差大幅增加，因此螢光分析必須在稀溶液中進行。

• D. 溶媒性質不會影響螢光強度

  • 錯誤。溶媒 (Solvent) 對螢光強度有顯著影響：
    • 極性：溶劑極性會改變激發態與基態的能量差，導致螢光波長移動 (Solvatochromism)。
    • 黏度：黏度增加可減少分子碰撞導致的去活化 (Collisional quenching)，通常會增強螢光。
    • 重原子效應：若溶劑含有重原子 (如碘、溴)，會促進系統間跨越 (Intersystem crossing)，導致螢光減弱 (淬滅)。
    • pH值：對於具有酸鹼基團的螢光物質，pH值會改變其離子狀態，顯著影響螢光強度 (如 Fluorescein)。

答案解析

選項 (C) 是最適當的描述。高濃度樣品會因內濾光效應 (Inner filter effect) 和自淬滅 (Self-quenching) 現象，導致螢光強度與濃度不成線性關係，從而產生巨大誤差。這是在操作螢光光譜儀時必須嚴格遵守「稀釋樣品」原則的主要原因。

核心知識點 (考前重點整理)

1. Stokes Shift：螢光波長 > 激發光波長 (能量損失)。
2. 結構要求：
   • 需有 共軛雙鍵/芳香環 (Conjugated system) (吸光)。
   • 需有 剛性平面結構 (Rigid planar structure) (減少振動鬆弛，增加量子產率，如 Fluorescein 強於 Phenolphthalein)。
   • 助色團 (Auxochrome)：電子給予基團 (如 -OH, -NH2, -OCH3) 通常增強螢光；電子吸引基團 (如 -NO2, -COOH, -Halogen) 通常減弱螢光。
3. 環境影響：
   • 溫度：溫度升高 $\rightarrow$ 碰撞增加 $\rightarrow$ 螢光減弱。
   • pH：影響酸鹼解離態。
   • 溶劑：重原子 (Br, I) 溶劑會造成淬滅 (Quenching)。
   • 溶氧：氧氣是順磁性物質，會淬滅螢光。
4. 定量限制：僅在 低濃度 (吸光度 < 0.05) 下，螢光強度與濃度呈線性。高濃度會有自吸收 (Self-absorption) / 內濾光效應。

參考資料

1. Fluorescence Spectroscopy - UCI Department of Chemistry
2. 螢光光譜 - 維基百科
3. Skoog, D. A., Holler, F. J., & Crouch, S. R. (2017). Principles of Instrumental Analysis. Cengage Learning. (Chapter on Molecular Fluorescence Spectroscopy)