激光诱导荧光光谱技术

1、1 目录: 简介简介 系统组成系统组成 突出优点突出优点 应用应用主要问题主要问题 原理原理以激光做为光源激发荧光物质产生的荧光称为激光以激光做为光源激发荧光物质产生的荧光称为激光诱导荧光诱导荧光( (Laser-Induced Fluorescence，LIF) )，是荧光，是荧光分析方法的一种。分析方法的一种。与瑞利散射和拉曼散射不同，与瑞利散射和拉曼散射不同，LIFLIF过程不是一个散射过程不是一个散射过程，是一个波长的吸收和转化过程。照射激光激发分过程，是一个波长的吸收和转化过程。照射激光激发分子发出更长波长的光，发射荧光强度比散射强度强。与子发出更长波长的光，发射荧光强度比散射强度强

2、。与普通荧光分析方法不同，普通荧光分析方法不同， LIF的激发光源采用激光，灵的激发光源采用激光，灵敏度较高、检测效果好。敏度较高、检测效果好。简介简介激光诱导荧光光谱技术激光诱导荧光光谱技术简介简介激光特性激光特性激光参数可以精确控制激光参数可以精确控制 激光的方向性、单色性好激光的方向性、单色性好 激光的相干性好、强度大激光的相干性好、强度大产生荧光信号信噪比高产生荧光信号信噪比高原理原理 让一束激光通过检测区域，调节激光波长，当激光光子让一束激光通过检测区域，调节激光波长，当激光光子的能量（与激光的波长相关）等于检测区域某种组分分子的的能量（与激光的波长相关）等于检测区域某种组分分子的某

3、两个特定能级之间的能量之差时，该分子会吸收光子能量某两个特定能级之间的能量之差时，该分子会吸收光子能量跃迁至高能态。跃迁至高能态。 处于高能态的分子不稳定，在一定时间内它会从高能态处于高能态的分子不稳定，在一定时间内它会从高能态返回到基态。在此过程中，分子会通过自发辐射释放能量发返回到基态。在此过程中，分子会通过自发辐射释放能量发光而产生荧光，这就是激光诱导荧光。光而产生荧光，这就是激光诱导荧光。实际应用中，从荧光的分布，可以探测粒子的种类；从荧实际应用中，从荧光的分布，可以探测粒子的种类；从荧光的强弱，可得知粒子的浓度以及温度；利用其空间分辨性光的强弱，可得知粒子的浓度以及温度；利用其空间分

4、辨性还可以测量粒子的浓度场、温度场。还可以测量粒子的浓度场、温度场。系统组成系统组成激光器激光器：气体激光器、固体激光器、液体激光器、半导体激光器等。样品池：样品池：气体密闭池、液体池。窗口与光路上不产生激发光的散射，窗口与池壁不产生荧光、样品池的窗口通常作成布儒斯特角。光电探测器：光电探测器：光电倍增管、光电二极管、电荷耦合器件CCD等。信号处理模块：信号处理模块：信号采集、分析、显示和处理, 根据信号控制激光器、检测光路和光电探测器等模块, 实现在线分析、处理和信号优化。光学组件：光学组件：光路调整，光路转换，过滤杂散光等作用。系统组成系统组成图1 激光诱导荧光光谱系统结构图突出优点突出优

5、点高分辨高分辨率率可达到微米量级。可达到微米量级。相应时间快相应时间快时间分辨最高可达纳秒量级时间分辨最高可达纳秒量级，可对自由基等瞬，可对自由基等瞬态物质寿命进行检测。态物质寿命进行检测。灵敏度高灵敏度高探测下限可达探测下限可达10106个粒子个粒子/cm3/cm3，浓度检测最低可，浓度检测最低可达达1010-13-13mol/Lmol/L。干扰小干扰小通过激光激发，而通过激光激发，而不涉及接触式的探针等器件，不涉及接触式的探针等器件，对等离子体，燃烧等干扰相对较小对等离子体，燃烧等干扰相对较小。测温范围宽测温范围宽已有在已有在16001600的实验条件和的实验条件和11001100的燃气轮

6、机条件的燃气轮机条件下进行荧光测温的报道，测温精度可达下进行荧光测温的报道，测温精度可达11。主要问题主要问题1 1目前不常检测的物种，其荧光分离需要一定的光谱基础；目前不常检测的物种，其荧光分离需要一定的光谱基础；2 2对于浓度在对于浓度在ppmppm级以下的物质荧光可能较弱；级以下的物质荧光可能较弱；3 3对自由基的绝对浓度测量，需要仔细的标定；对自由基的绝对浓度测量，需要仔细的标定；4 4对激光器的要求较高，维护昂贵；对激光器的要求较高，维护昂贵；5 5测量系统较复杂。测量系统较复杂。应用应用 目前目前LIFLIF技术已应用于气体、液体、固体的测量中及技术已应用于气体、液体、固体的测量中

7、及燃烧、等离子体、喷射和流动现象中。燃烧、等离子体、喷射和流动现象中。毛细血管电泳毛细血管电泳检测检测叶绿素荧光分析叶绿素荧光分析DNA分析分析病变病变诊断诊断基因突变基因突变检测大气、检测大气、水体水体污染、污染、检测火焰、检测火焰、流场等流场等生物生物其他其他环境环境医学医学应用应用(1)(1)叶绿素荧光寿命的测量叶绿素荧光寿命的测量 采用波长采用波长355 nm355 nm的激光作为光源激发叶绿素的激光作为光源激发叶绿素荧光荧光, ,由光电倍增管接收其荧光信号由光电倍增管接收其荧光信号, ,由于被测叶绿由于被测叶绿素荧光衰减函数与激光脉冲、仪器响应函数卷积在素荧光衰减函数与激光脉冲、仪器

8、响应函数卷积在一起一起, ,根据它们的特性根据它们的特性, ,运用时间分辨测量法分别测运用时间分辨测量法分别测得叶绿素荧光及其背景信号得叶绿素荧光及其背景信号, ,并结合解卷积算法可并结合解卷积算法可分离出真实的叶绿素荧光衰减函数分离出真实的叶绿素荧光衰减函数, ,从而获取叶绿从而获取叶绿素的荧光寿命素的荧光寿命. . 该方法能够实现叶绿素荧光寿命的该方法能够实现叶绿素荧光寿命的高精度实时监测高精度实时监测, ,通过对不同叶绿素含量的溶液荧通过对不同叶绿素含量的溶液荧光寿命测试光寿命测试, ,证明叶绿素含量与其荧光寿命具有相证明叶绿素含量与其荧光寿命具有相关性关性, , 确定了叶绿素含量与荧光

9、寿命的标定曲线确定了叶绿素含量与荧光寿命的标定曲线. . 应用应用(2)(2)水质监测水质监测 LIF LIF 遥测系统以遥测系统以355 nm 355 nm 激发波长的激发波长的NdNd-YAG-YAG晶体激光晶体激光器为激发光源器为激发光源, , 脉冲宽度脉冲宽度4 ns , 4 ns , 重复频率重复频率10Hz 10Hz 。脉冲。脉冲激光通过卡塞格伦望远镜射入待测水体激光通过卡塞格伦望远镜射入待测水体, , 后向散射的荧后向散射的荧光进入望远镜光进入望远镜, , 使用光纤分为两路使用光纤分为两路, , 一路通过干涉滤光一路通过干涉滤光片片, , 光电倍增管测量作为水拉曼光强度光电倍增管

10、测量作为水拉曼光强度, , 另一路通过安另一路通过安装有中心波长为装有中心波长为355 355 、450 450 和和685 nm 685 nm 三块干涉滤光片的三块干涉滤光片的转轮转轮, , 以光电倍增管测量瑞利散射光、以光电倍增管测量瑞利散射光、DOM DOM 荧光和叶绿荧光和叶绿素素a a 荧光强度。测得的瑞利散射光、荧光强度。测得的瑞利散射光、DOM DOM 荧光和叶绿素荧光和叶绿素a a 荧光强度以水拉曼光强度进行归一化荧光强度以水拉曼光强度进行归一化, , 记为瑞利散射因记为瑞利散射因子、子、DOM DOM 荧光因子和叶绿素荧光因子和叶绿素a a 荧光因子荧光因子, , 分别与水体

11、浊分别与水体浊度、度、DOM DOM 浓度和叶绿素浓度和叶绿素a a 浓度成线性正相关。浓度成线性正相关。应用应用(3)(3)燃烧系统中的应用燃烧系统中的应用 测量温度、粒子浓度等。测量温度、粒子浓度等。LIFLIF方法在火焰中粒方法在火焰中粒子浓度的测量包括：子浓度的测量包括： 瞬态自由基粒子的测量。瞬态自由基是燃烧中瞬态自由基粒子的测量。瞬态自由基是燃烧中的反应中间体，如的反应中间体，如OHOH等。等。 污染粒子测量，用于对污染物的控制与排放，污染粒子测量，用于对污染物的控制与排放，常见的污染粒子有常见的污染粒子有NONO、COCO、NO2NO2、SO2SO2等分子，等分子，LIFLIF方

12、法的空间与时间的分辨测量有助于深入理解燃烧方法的空间与时间的分辨测量有助于深入理解燃烧过程中这些粒子形成的机理。过程中这些粒子形成的机理。 金属粒子的测量，如金属粒子的测量，如NaNa、K K、NaSNaS等。等。应用应用(4)(4)痕量分析痕量分析 LIFLIF是一种高灵敏度的检测方法，广泛应用于原是一种高灵敏度的检测方法，广泛应用于原子与分子的痕量检测子与分子的痕量检测, ,在激光激发下，原子所发出的在激光激发下，原子所发出的荧光强度荧光强度I IF与入射光强度与入射光强度I I0 0和单位体积中处于基态的和单位体积中处于基态的原子数目原子数目N N成正比：成正比：在检测中如保持入射光强度在检测中如保持入射光强度I I0 0和单位体积中原子数目和单位体积中原子数目N N不变，则可以通过荧光强度来确定样品中被测元素的不变，则可以通过荧光强度来确定样品中被测元素的含量。含量。NLAIImFF0荧光量子产额荧光量子产额有效照射面积有效照射面积吸收长度吸收长度摩尔消光系数摩尔消光系数应用应用(4)(4)痕量分析痕量分析 凡是能发射荧光的物质都可以采用分子荧光法进凡是能发射荧光的物质都可以采用分子荧光法进行分析，例如许多无机物、有机物、生物和生化样品行分析，例如许多无机物、有机物、生物和生化样品( (如维生素、氨基酸、蛋白质、酶、药物、荷尔蒙、如维