為什麼在紫外光照射下綠色熒光蛋白能發光？
之前有看到說是吸收能量躍遷到高能量狀態，此時狀態不穩定而向低能級躍遷，釋放光波在綠光範圍內而呈綠光，問題就在這為什麼釋放的光波就在綠光範圍內呢？
熒光蛋白與發熒光的蛋白，不一樣!
所有的蛋白都可以發出熒光，但並不是所有的蛋白都叫作熒光蛋白。就像"並不是所有的牛奶都叫特侖蘇"一樣（拜託~這一點都不一樣好嗎Orz）普通蛋白質發光原理
所有的蛋白都可以發出熒光嗎？原則上是的。在蛋白質分子中, 能發射熒光的氨基酸有色氨酸(Trp )、酪氨酸(T yr) 以及苯丙氨酸(Phe)三種。個別蛋白質分子含有的黃素腺嘌呤二核苷酸 (FAD ) 也能發射熒光。Trp、Tyr 以及 Phe 由於其側鏈生色基團的不同而有不同的熒光激發和發射光譜。其中 Trp 的熒光強度最大, Tyr 次之, Phe 最小。
上圖是三種能發出熒光的氨基酸結構，可以發現，三種氨基酸都都屬於芳香類氨基酸。發出熒光通常在 280 nm 或更長的波長被激發，如果想選擇性的激發色氨酸，要選擇295 nm的波長。 Phe 在 絕大多數實驗條件下不被激發, 所以很少能觀察到 Phe 的發射。因此，蛋白質的內源熒光主要來自 Trp 和 Tyr 殘基。Trp 殘基對微環境的變化很敏感, 並且大多數蛋白質都含有幾個不同的 Trp 殘基, 因而常作為內源熒光探針來研究溶液狀態下蛋白質的構象。
普通蛋白質熒光的應用
色氨酸發出的熒光是如何根據微環境變化而變化的呢？ 這個問題很有趣。當蛋白質處於摺疊狀態時，如果在蛋白質內部含有色氨酸，色氨酸周圍的環境主要是疏水的，此時色氨酸發出的熒光的強度會很高，同時發出熒光的最大光強度在波長330 nm處。當蛋白質處在解摺疊狀態時，色氨酸完全暴露在溶液中，周圍環境是親水的，此時色氨酸發出熒光的強度會變低，同時發出熒光的最大光強度的波長會增大，移動到350 nm處（如下所示）。
上圖是IgG樣品在25 °C（藍，綠）和90°C（紅，紫）的熒光光譜。在低溫時，蛋白質處在正常摺疊狀態；而當升高溫度後，蛋白質發生了摺疊。這些信息可以從發光光譜中很好的顯示出來。將蛋白質置於不利環境，比如變性試劑，不同pH，不同溫度下，即可利用熒光的信息研究蛋白質的構象變化，甚至測定蛋白質的解摺疊溫度等信息。
熒光蛋白髮光原理【1】
為什麼說並不是所有發光的蛋白都是熒光蛋白，這是因為熒光蛋白的發光原理是不一樣的。
綠色熒光蛋白（GFP）是常用的熒光蛋白質之一，我們拿GFP舉例說明一下。GFP是一個由238個氨基酸殘基組成的蛋白，根據其晶體結構顯示，蛋白質中央是一個圓柱形水桶樣結構，長420 nm，寬240 nm，由11個圍繞中心α螺旋的反平行β摺疊組成，桶的頂部由3個短的垂直片段覆蓋，底部由一個短的垂直片段覆蓋，對熒光活性很重要的生色團則位於桶的大空腔內（如下圖）。實驗表明GFP熒光產生的前提是桶狀結構完整性，去除N端6個氨基酸或C端9個氨基酸，GFP均會失去熒光。
熒光蛋白的發光原理是咋樣的呢？GFP含有一個熒光發色團），這個發色團由65至67位的三個氨基酸（絲氨酸-酪氨酸-甘氨酸）殘基組成。當蛋白質鏈摺疊時，這段被深埋在蛋白質內部的氨基酸片段，得以「親密接觸」，導致經環化形成咪唑酮，並發生脫水反應。在分子氧存在的條件下，發色團可進一步發生氧化脫氫，最終成熟，形成可發射熒光的形式。具體過程為：在 O2存在下，GFP分子內第67位甘氨酸的醯胺對第65位絲氨酸的羧基進行親核攻擊，形成第5位碳原子咪唑基；第66位酪氨酸的α2β鍵脫氫反應之後，導致芳香團與咪唑基結合，並最終自發催化形成對羥基苯甲酸咪唑環酮生色。GFP需要在氧化狀態下產生熒光，強還原劑能使GFP轉變為非熒光形式，但一旦重新暴露在空氣或氧氣中，GFP熒光便立即得到恢復。一般來說弱還原劑並不會影響GFP熒光，中度氧化劑如生物材料的固定，脫水劑戊二酸或甲醛等對GFP熒光影響也不大。
熒光蛋白髮光特性
GFP吸收的光譜最大峰值為395nm（紫外），並有一個峰值為470nm的副吸收峰（藍光）；發射光譜最大峰值為509nm（綠光），並帶有峰值為540nm的側峰（Shouder）。雖然450～490nm只是GFP的副吸收峰，但由於該激發光對細胞的傷害更小，因此通常多使用該波段光源（多為488nm）。
GFP熒光極其穩定，在激發光照射下，GFP抗光漂白（Photobleaching）能力比熒光素強，特別是在450～490nm藍光波長下更穩定。類似的，GFP融合蛋白的熒光靈敏度遠比熒光素標記的熒光抗體高，抗光漂白能力強，因此更適用於定量測定與分析。由於GFP熒光的產生不需要任何外源反應底物，因此GFP作為一種廣泛應用的活體報告蛋白，其作用是任何其它酶類報告蛋白無法比擬的。但因為GFP不是酶，熒光信號沒有酶學放大效果，因此GFP靈敏度可能低於某些酶類報告蛋白，比如熒光蛋白的應用非常的廣泛（如上圖）， 已經應用於分子標記，體內示蹤，信號轉導，藥物篩選等生物科研的各個方面熒光讓我們能夠檢測分子的構象變化，也能讓我們追蹤化學反應.... 是科學研究的重要手段之一。與熒光相似，生物發光也常用在實驗室中。與熒光不同，生物發光不需要激發光照射。
Reference
[1] https://www.loybio.com/biowiki/t2601/
如果你只想知道為何是紅移的話，那還是很好理解。熒光物質吸收光子，到達不穩定的激發態。為了回歸穩定的基態，需要把這部分光子的能量釋放出來。釋放的能量可以以光子的形式存在，還有熱量等其他形式。因此熒光物質在沒有其他能量來源的情況下，釋放的光子能量一般來說會低於吸收的光子能量（其他能量以非光子的形式損耗掉了），因此就會出現紅移。這種現象叫做Stokes shift。
如下圖，用488 nm藍色激光激發，發射光紅移，就落在綠色波段了。
補充一下 @吳思涵 老司機的答案，有空再補充一些光化學的基礎知識。先放一個Jab?oński圖。下圖若未經說明均摘自E. Anslyn, D. Dougherty -Modern Physical Organic Chemistry（中譯本《現代物理有機化學》，強烈建議廣大磚工入手該書，這就是軟文）
（再補充：因為個人是外行，以下一些用詞根據 @任浩 的建議作了一些修改。同時其指出在這個Jab?oński圖中圖例有誤，目前還在評論區討論中。）
（又補充：到2016.9.30為止 @任浩 未繼續就該貼進行評論，故此貼已經完結。）
單純論Stokes shift的差異的起源的話，p946 的一段話講得相當清楚，Stokes shift的大小主要取決於躍遷前後分子振動態的變化。因為在分子結構從激發態relax回基態的過程中，一部分能量會損失在振動態的變化當中。在某些情況下會出現諧振熒光（即吸收峰和激發峰重合，這種情況下激發前後分子的振動態變化很少）甚至Anti-Stokes shift。
====================補充====================
Excitation的原理大多數物理化學書里應該都有涉及，這裡就不作詳細介紹了......簡單說幾點
首先Jab?oński圖應該怎麼看。第一個圖裡那幾個凹線是什麼呢，大致可以看作是這種勢能曲線：
y軸表現的是能量，從第一個圖可以看出，S1態和T1態的能量都比基態S0高，而x軸表示的是核位移的大小。也就是說，T1和S1雖然都比S0能量高，但是T1相對S0的核位移比S1相對S0間的核位移更大。從這裡就可以看出磷光和熒光的機理的區別。
光化學的一個複雜之處在於分子可以有很多方式吸收光能。對此有一個簡化的原理叫Franck-Condon原理，大意是因為電子轉移的時間尺度比核位移要小得多，所以在吸收能量的時候分子更傾向於發生電子轉移而不是核位移。這解釋了為什麼熒光的吸收譜和激發譜會是對稱的形狀。
最後談一談GFP。在GFP的中心是由三個氨基酸經自催化形成的一個共軛體系。事實上很多分子都具有熒光性質，但是大共軛體系的能級更細，而且吸收和發光譜段都在可見光區，再加上GFP優良的生物合成性質，所以被廣泛用於活體生物檢測。不過在活體生物檢測中使用化學合成的熒光分子作標記也是很常見的，其不依賴於生物合成，有更高的可控性，當然成本也更高。
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