ルミネセンス、フォトルミネセンス、蛍光、燐光は、研究論文の中で日常的に使われている用語で、試料からの光の放射を表します。 このように複数の名称が混在していると、いくつかの用語が同じように使われたり、異なる科学的背景を持つ研究者が別の名称を使いたがったりして、混乱することがあります。 この記事では、「ルミネセンス、フォトルミネセンス、蛍光、燐光の違いは何か」という質問にお答えします。
ルミネセンスとは
ルミネセンスとは、物質から発する光（電磁波）のうち、加熱によって生じたものではないものを指します。 この定義から、発光は、白熱電球のように物質の温度上昇によって生じる発光とは区別されます。 ルミネセンスの語源は、ラテン語で光を意味するlumenと、「～の過程」を意味するescentiaであり、光を放つ過程のことである
発光には多くの種類があり、発光プロセスを開始するエネルギー源により分類することができる。 図2に、さまざまな種類の発光とそのエネルギー源の概要を示す。 例えば、発光ダイオードの動作原理であるエレクトロルミネッセンス（物質に電界をかけると電子と正孔が再結合して発光する）や、化学反応により発光するケミルミネッセンス（生物測定に用いられ、蛍光灯の発光に関与している）などがある。 しかし、この記事では、強力な非破壊分光法であるフォトルミネッセンス分光法の基礎を形成するフォトルミネッセンスに焦点を当て、学術界と産業界の両方で広く使用されている。
フォトルミネセンスとは？
フォトルミネセンスは、光の吸収に続いて物質から光が放出されることを指します。 この言葉は、ラテン語で光を意味するluminescenceとギリシャ語の接頭辞photo-を組み合わせたもので、それ自体興味深いものです。 光子の吸収によって生じる発光はすべてフォトルミネッセンスと呼ばれる。 例えば、溶液中の有機色素の発光（図3a）、半導体の光励起による電子と正孔のバンド間再結合（図3b）などがこれにあたる。 (a) PBS緩衝液中のフルオレセインのフォトルミネッセンススペクトル、(b) CH3NH3PbI3ペロブスカイト半導体のバンド間再結合のフォトルミネッセンススペクトル。 FLS1000 Photoluminescence Spectrometerで測定。
光子の吸収による発光をフォトルミネッセンスと表現するのは正確ですが、特に化学者ではフォトルミネッセンスをさらに蛍光とリン光に細分化するのが一般的です。
蛍光とリン光の違いは何ですか?
蛍光と燐光の定義にはいろいろありますが、最も単純なものは、蛍光は物質の光励起後すぐに起こる光輝性発光であり、燐光は光励起が停止した後も長く続く光輝性発光であるということです。 これは単純な定義だが、なぜこのような時間スケールの違いが生じるのか、物質によっては古典的な蛍光と燐光のタイムスケールの間のグレーゾーンに入ることがあることを説明していない。 より詳細な定義は、発光プロセスに関与する励起状態と基底状態の量子力学に基づくものでなければならない。
蛍光と燐光は、分子系からの発光を指すのに最もよく使われます。 安定な分子中の電子は常に対で存在し、不対電子を持つ分子は極めて反応性が高く不安定である。 電子は「スピン」と呼ばれる固有の角運動量を持っており、2個の電子のスピンの相対的な対称性によって、1組の電子は2つの全スピン状態のいずれかに存在することが可能である。 2つのスピンが逆対称に配置されている場合、電子対の全スピンは0（S = 0）であり、対称に配置されている場合、電子対の全スピンは1（S = 1）である。 図4に示すように、電子スピンペアの状態には、反対称的なものが1つ、対称的なものが3つあり、S = 0とS = 1の状態をそれぞれ一重項、三重項と呼びます。
光子が分子に吸収されると電子が高いエネルギーレベルに上がり、分子は励起状態となる。 分子の基底状態は（ほとんど）常に一重項状態（S0）であり、角運動量保存の関係から光励起状態も一重項（S1）でなければならない（下のJablonski図に示すように）。 S1状態からS0状態への崩壊は許容される遷移であり（両方の状態が同じスピン多重度を持つため）、ピコ秒からナノ秒の時間スケールで発生する迅速な光ルミネセンスが生じ、これを蛍光と呼ぶ。
Alternatively may under the intersystem crossing (ISC) to the excited triplet state (T1)． ISCは通常、電子の軌道角運動量とスピン角運動量の結合であるスピン軌道結合が高度な分子で起こり、一重項状態と三重項状態の間の変換を可能にする。 スピン軌道相互作用の強さは原子の質量に比例して増加するため、燐光体にはユウロピウムやイリジウムなどの重金属が含まれていなければならない。 T1状態からS0状態への崩壊は、角運動量保存の関係から、両者のスピン多重度が異なるため、禁制遷移とされている。 しかし、スピン軌道相互作用によってこの制限が緩和され、T1状態からS1状態への放射遷移が可能になる。 図6: (a) 9-アミノアクリジン溶液の蛍光減衰(寿命16 ns)とEu2O3溶液の燐光減衰(寿命120 μs)。 FLS1000 Photoluminescence Spectrometerで測定。
また、ある物質からの発光は、必ずしもどちらかのカテゴリにきれいに分類されないことに注意する必要があります。 この例として、熱活性化遅延蛍光(TADF)が挙げられます。 TADFでは、S1準位とT1準位がエネルギー的に近く、強く結合しているため、T1からS1への逆ISCが可能である。 これにより、S1からS0への遷移が遅延し、遅延蛍光と呼ばれる蛍光と燐光の中間の時間スケールで発光を示すようになる。 TADF およびその高効率有機 EL における使用に関する詳細については、「TADF とは何か」の投稿を参照してください。
発光を光ルミネセンスと蛍光/リン光とで表現する場合、最終的には個人の好みに左右されます。 化学者や生物学者は、主に分子システムを研究していますが、これらの高度に局在化した分子システムでは、一重項と三重項の状態が明確に存在するため、蛍光や燐光を使用することが好まれます。 一方、物理学者が主に研究する半導体材料では、電子が非常に非局在化されており、一重項と三重項という概念が意味をなさないことが多い。
どのように呼ぶにせよ、光ルミネセンス、蛍光、燐光は、分子や材料の特性に関する豊富な情報を提供します。
ルミネセンス、フォトルミネセンス、蛍光、りん光の製品群
フォトルミネセンスを測定するには、フォトルミネセンススペクトロメーターが必要です。エディンバラでは、フォトルミネセンススペクトル、ライフタイム、異方性および量子収率を測定するシングルフォトンカウントフォトルミネセンススペクトロメーター各種をご提供しています。
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