螢光監控式氣體偵測技術

　　氣體監測對人類的生活至關重要，這是由於人類存在的環境中充滿了各式各樣的氣體，而許多的氣體與生命的維持息息相關。例如，空氣中有20%的氧氣，而環境中的氧氣濃度必須維持在19.5-23.5%才能維持人體的正常運作，太高或太低都會使人生病甚至死亡。再者，許多工業產品的製造過程中，需要用到特定的氣體，例如，農藥的製造可能需要通入氨氣。但是，環境中氨氣的濃度大於50 ppm（1 ppm等於百萬分之一）時會傷害眼睛，大於500 ppm時會損傷呼吸系統。因此，許多的場合，例如氨氣製造工廠，環境中氣體濃度的偵測是必須的。目前已經開出許多的氣體偵測技術，本文介紹其中一種──螢光監控式氣體偵測技術。

　　體監測對人類的生活至關重要，這是由於人類存在的環境中充滿了各式各樣的氣體，而許多的氣體與生命的維持息息相關。例如，空氣中有20%的氧氣，而環境中的氧氣濃度必須維持在19.5-23.5%才能維持人體的正常運作，太高或太低都會使人生病甚至死亡。再者，許多工業產品的製造過程中，需要用到特定的氣體，例如，農藥的製造可能需要通入氨氣。但是，環境中氨氣的濃度大於50 ppm（1 ppm等於百萬分之一）時會傷害眼睛，大於500 ppm時會損傷呼吸系統。因此，許多的場合，例如氨氣製造工廠，環境中氣體濃度的偵測是必須的。目前已經開出許多的氣體偵測技術，本文介紹其中一種──螢光監控式氣體偵測技術。

　　日常生活中，有許多的物質會發出螢光，例如螢光貼紙。螢光發生的原理可用圖一的示意圖來理解。螢光物質中有許多的「電子」，這些電子會盡量往能量低的地方移動，這就好像水往低處流的現象是由於低處的能量比較低的緣故。但是並不是所有能量低的地方都可以允許電子的存在，電子只會存在於某些特定的能量位置，這種位置稱為「能階」。這就好像，當我們由公寓樓梯間的二樓（高能量）往一樓（低能量）丟球（比擬為電子），由於樓梯是由台階（比擬為能階）所構成，所以球只會落在台階上，兩個台階中間是不會有球的。若我們丟很多球的話，球會從較低的台階逐步往較高的台階堆，直到所有的球丟完為止。而電子也一樣，它們會從低能階往高能階堆疊直到所有的電子堆完為止。堆完後，電子能量最高的那個能階稱為「基態」（如圖一中的S₀）。若想將電子移到更高能階的位置（如圖一中的S₁），就需要給予電子能量，這種行為稱為「電子躍遷」。這就好像我們可以施力將球由一樓拋到二樓。實際上，每個能階都含有許多的子能階（比擬為台階中有許多小洞），這些子能階間由於能量差異小，所以只要一點擾動，電子就會在子能階間移動。移動過程中，電子會傾向往低能量的子能階移動，直到移動到一個相對較穩定的子能階為止。這就好像若將一個球丟到一個台階上，球會在台階上滾動，若台階上有一個較大的小洞（比擬為較穩定的子能階），則球最後會停在此小洞上。由於「能量守恆」，所以這種電子移動會釋放能量讓週遭的原子產生輕微的震動，而上述的過程不會放光所以被稱為「非輻射躍遷」（光是一種輻射）。在這之後，電子還是會回到基態，並以放光的形式釋放能量，這種光稱為螢光。

　　如前所述，要產生螢光要先有電子躍遷，此躍遷需要外界提供能量，其中一種常用的方式是打入一道光讓電子吸收，這道光稱為「激發光」。由於光是一種電磁波，所以會有波的特性，例如頻率與波長。而螢光的波長會由前述較穩定的子能階與基態能階之間的能量差決定（參考圖一）。由於這種能量差是由材料決定，與激發光無關，所以不同波長的激發光會產生同一種波長的螢光（參考圖二）。換言之，螢光是由材料特性決定，因此它的光譜可以視為一種材料的特徵光譜。

　　一般來說，一個螢光材料只有部分的區域會發光，這些區域被稱為「活性區」，如圖三（a）的示意圖所示。這些活性區在激發光的照射下會發出螢光。而活性區越多，發出的螢光越強。當某種特定的氣體接觸到特定的螢光材料時，可能會改變此材料的螢光發光效率，使得發出來的螢光強度增加或減少，而增減的量會與此氣體的濃度有關。此處，我們用螢光減弱的狀況為例，來說明螢光變化背後發生的機制。如前所述，材料螢光的強弱取決於活性區數目的多寡。當活性區被氣體分子佔據時變會失去活性而不發光，如圖三（b）的示意圖所示。換言之，若氣體分子的濃度越高，則被佔據而失去活性的活性區也越多，則材料發出的螢光也越弱。因此，可以利用量測螢光強度的大小來判定此氣體的濃度。實際上，並非所有種類的氣體都可以讓材料螢光的強度改變。理想狀況下，一種螢光材料，只會讓某一種特定種類的氣體改變其螢光強度，而其它的氣體則不影響所發之螢光，這樣的特性稱為「專一性」。對具有專一性的材料而言，其所發出螢光的變化可以用來判讀特定氣體的濃度。反過來說，若許多不同的氣體都會造成材料所發螢光的改變，那麼就算觀察到螢光強度的變化，也無法知道是由何種氣體所造成的。實務上，技術研發人員要不斷的測試各種各樣的螢光物質，直到找到僅會對想偵測的氣體具有專一性的螢光材料為止。之後，才能利用此材料設計氣體偵測器。

　　本文所介紹的氣體偵測技術需要量測螢光，其中一種常用的方式是利用光譜儀去獲取螢光光譜。圖四為這種光譜的量測概念示意圖。在待測環境中，放入氣體偵測器，並入射一道激發光，此光會讓偵測器中的螢光物質發出螢光，之後再將螢光導入光譜儀中量測螢光光譜。若環境中的氣體讓螢光有所變化，則會在光譜中顯現出來。

　　圖五為利用此種技術去偵測不同濃度之特定氣體之螢光光譜示意圖。當氣體不存在時，螢光強度最大，且強度會隨著氣體濃度的增加而減少。所以，只要利用此技術去量測螢光的強度，就可以反推待測環境中此種氣體的濃度。進一步來看，若在氣體偵測器中放入許多對不同氣體具有專一性的螢光材料，那麼此偵測器就可以同時偵測許多不同種類的氣體濃度，因而大幅增加此偵測器的偵測校能。

　　利用螢光物質進行氣體偵測有許多優點。首先是靈敏度高，這是由於許多材料所發的螢光強度對氣體濃度的變化很敏感所致。而且螢光的發光效率好，所以光強度很高。再者，螢光材料價格便宜。此外，可塑性高，一般的螢光材料都是軟性或液體材料，因此很容易將之塗佈在各種形狀元件的表面，也可以依照偵測空間的需求加以變形，所以使用起來很方便。但是，這項技術也有缺點，首先是之前提到的專一性，要找到對某種氣體具有專一性的螢光材料要花很大的功夫，而且還不一定找的到。再者，這種材料很容易變質。大家應該都有經驗，一件光鮮亮麗的新衣服，久了就會褪色。這就是由於，衣服染料中的螢光物質變質所致。因為這兩個缺點，所以限制了這項技術的發展。

　　氣體偵測技術廣泛的應用於日常生活與工業中的各項領域。如何開發出靈敏度高、訊號強、價格便宜且可塑性大的氣體偵測元件一直是科技人士努力的方向。而螢光監控式氣體偵測技術同時兼具這些優點，因此極具開發的潛力。雖然這項技術仍有，不易找到專一性的螢光材料及材料容易變質這兩項缺點，但是隨著科技的進步，人們對螢光物質的掌控越來越好，相信未來可以克服這些缺點，開發出高效能的螢光監控式氣體偵測器。

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Fluorescence.
2. J. R. Lakowicz, Principles of Fluorescence Spectroscopy (Springer-Verlag New York Inc., New York, 2006), Third edn.
3. S. Biring, A. S. Sadhu, and M. Deb, Sensors 19, 5124 (2019).

註：本文獲得〝財團法人國立自然科學博物館文教基金會科普寫作網路平台〞審稿通過。