Biophysics · 10.07

Stokes shift

Stokes’ shift

🧠 Stokesシフトは、吸収後の無放射緩和によって発光光子のエネルギーが低くなり、発光極大が長波長側へ移る現象である。

波長差と波数差

吸収極大absorption maximum吸収極大（absorption maximum）absorption maximum（吸収極大）と発光極大の隔たりをStokesシフトという。波長差でも表せるが、エネルギー差に比例する波数 $\tilde\nu=1/\lambda$ を使うと、

\Delta\tilde{\nu}=\tilde{\nu}_{abs}-\tilde{\nu}_{em}

となる。 $\Delta\tilde\nu>0$ なら発光が低エネルギー側にある。

エネルギーが失われる場所

吸収直後の高い振動準位から、振動緩和vibrational relaxation振動緩和（vibrational relaxation）vibrational relaxation（振動緩和）や溶媒再配向を経て低い準位へ移ってから発光するため、差のエネルギーは熱として周囲へ渡る。遷移経路は無放射緩和、実際の二つの曲線は発光スペクトルemission spectrum発光スペクトル（emission spectrum）emission spectrum（発光スペクトル）で確認する。

蛍光計測での利点

シフトが大きいほど、強い励起光excitation light励起光（excitation light）excitation light（励起光）をフィルターbarrierフィルター（barrier）barrier（フィルター）で遮りながら弱い蛍光を検出しやすい。蛍光顕微鏡fluorescence microscope蛍光顕微鏡（fluorescence microscope）fluorescence microscope（蛍光顕微鏡）ではダイクロイックミラーdichroic mirrorダイクロイックミラー（dichroic mirror）dichroic mirror（ダイクロイックミラー）と発光フィルターbarrierフィルター（barrier）barrier（フィルター）の分離帯域を設計する基準になる。

まとめ

Stokesシフトは吸収極大absorption maximum吸収極大（absorption maximum）absorption maximum（吸収極大）と発光極大のエネルギー差である。
振動緩和vibrational relaxation振動緩和（vibrational relaxation）vibrational relaxation（振動緩和）や溶媒緩和により、発光は通常長波長側へ移る。
大きなシフトは励起光excitation light励起光（excitation light）excitation light（励起光）と蛍光の光学的分離を容易にする。