3D有趣實驗：漂亮的綠色螢光（Beautiful Green Fluorescence）〔II〕

3D有趣實驗：漂亮的綠色螢光（Beautiful Green Fluorescence）〔II〕
國立彰化師範大學化學系學生李錡峰 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

實驗影片

請按此連結，參閱「3D有趣實驗：漂亮的綠色螢光〔I〕」

原理和概念

• 螢光素（Fluorescein）最早在1871年時由Adolf von Baeyer所製備出來，固體粉末為暗紅色，微溶於水但可溶於酒精，其實驗所使用Phthalic anhydride與Resorcinol來合成，其催化劑為氯化鋅，也可以使用硫酸作為催化劑，其反應式如下所示：
  

  （來源：Fluorescein, Wikipedia.）

• 螢光是一種光致冷發光現象。當某種常溫物質經某種波長的入射光（通常是紫外線或X射線）照射，在吸收光能後，物質則進入激發態，並且立即回到基態並發出放射光（通常放射光的波長比入射光的波長為長，在可見光波段）；而且一旦停止入射光，發光現象也隨之立即消失。具有這種性質的出射光就被稱之為螢光。
• 螢光素（Fluorescein）在水中的吸收波長最高約於494 nm，紫外光或一般的日光可以使螢光素躍升至激發態，而降到基態所放出的光的波長約於521 nm，是可見光範圍中的綠光，圖六為可見光各色光的波長光譜，由此圖可知綠色光譜的波長為495–570 nm。
  

  圖六 可見光各色光的波長光譜（來源：Linear visible spectrum.svg, Wikimedia Commons 和可見光，維基百科。）

• 螢光素（Fluorescein）的吸收度（absorbent）隨著溶液的pH值增大而增強（見圖七左圖），它的螢光放射（fluorescence emission）強度隨著溶液的pH值增大而增強（見圖七右圖）。再者，此物質的吸收波長隨著溶液的pH值增大而稍微增大（見圖七左圖），它的螢光放射波長隨著溶液的pH值增大而幾乎沒有改變（見圖七右圖）。
  

  圖七 螢光素的吸收度和放射強度與pH值的關係（來源：Fluorescein, Oregon Green and Rhodamine Green Dyes—Section 1.5, Life Technologies.）

教學提示

1. 本實驗使用濃硫酸且反應時會產生刺激性的黃色煙霧，建議在通風良好處或抽風櫃中進行實驗，並穿戴實驗衣、手套與安全眼鏡。
2. 螢光素（Fluorescein）在太陽光或日光燈照射下也可觀察到綠色螢光，這是因為太陽光或日光燈有紫外光。建議使用高強度紫外光的UV燈在暗處檢驗，觀察螢光的效果較為顯著。
3. 螢光素（Fluorescein）處於pH 9之環境，其螢光放射的強度較強，螢光素的螢光更容易觀察。
4. 本實驗可改寫為教師示範，亦可改寫為實驗室實驗讓學生親自體驗合成螢光物質的樂趣。

問題與參考答案

1. 螢光素（Fluorescein）是否需要特定波長的光的照射才能顯現其螢光？為什麼？
   答：螢光素屬於螢光物質的一種，不同的螢光物質有不同的吸收波長，通常螢光物質需要特定光的照射，如紫外線、X射線等，才能顯現其螢光。
2. 使用酞酐與間苯二酚合成螢光素（Fluorescein）時，停止加熱後是否必須停止攪拌？為什麼？
   答：不能停止攪拌，若合成時停止攪拌，則會形成固體，因此必須繼續攪拌。
3. 檢驗螢光素（Fluorescein）的螢光放射強度應該在酸性或中性或鹼性環境下為佳？為什麼？
   答：應該在鹼性環境下為佳。這是因為此螢光物質的螢光放射（fluorescence emission）強度隨著溶液的pH值增大而增強

安全

1. 操作本實驗應戴手套、穿實驗衣和戴安全眼鏡。
2. 操作本實驗應該在通風良好之處或抽風櫃中操作，避免吸入刺激性的黃色煙霧。
3. 實行適當的風險評估是老師的責任。

廢棄物處理

• 檢驗後的螢光液體應該倒入標示「有機物廢液桶」之桶中，集中處理。

參考資料

1. SYNTHESIS OF FLUORESCEIN, a fluorescent dye, Christian A. Malapit, Organic Chemistry Laboratory, Department of Chemistry, Ateneo de Manila University.
2. 螢光素，維基百科。
3. Fluorescein, Wikipedia.
4. 螢光，維基百科。
5. Fluorescein, Oregon Green and Rhodamine Green Dyes—Section 1.5, Life Technologies.