激光诱导荧光(LIF)是一种光学光谱方法,通过激光激发样品,并使用光电探测器捕获样品发出的荧光。LIF可以被归类为一种光谱技术,它用激光源替代了传统的灯光激发。尽管激光现在常被用作光致荧光光谱仪的激发源,但激光诱导荧光最初是作为一种独立的激光光谱技术发展起来的,而不是用于商业仪器的目的。
激发光谱的强度可以用来识别气体种类,如丙酮、OH、CH、NO等,并确定存在的原子和分子的浓度。此外,光谱分布还可以用于温度测量。该技术在多个领域都有应用,包括平面激光诱导荧光(PLIF),可以同时测量多维种类、温度、速度等。它也用于液体膜厚度测量。
激光诱导荧光的工作原理
激光束,通常是高能量和单色光源,指向包含目标分子的样品。激光光的波长必须与样品中荧光分子的吸收特性相匹配。样品中的荧光分子吸收激光束的光子。这种吸收使分子内的电子从基态跃迁到更高的能量状态,即激发态。一旦处于激发态,荧光分子就会拥有多余的能量。它们可以通过碰撞能量转移或福斯特共振能量转移(FRET)等过程将这部分能量转移给附近的分子。
然后,激发的电子最终返回到基态,以荧光的形式释放多余的能量。这种发射的荧光通常具有比吸收的激光光更长的波长,便于区分和检测。发射的荧光通过合适的光学元件,如透镜或光纤收集,并指向探测器。探测器测量荧光的强度、光谱和寿命。这些数据提供了关于荧光分子特性的重要信息,包括它们在样品中的浓度、位置和相互作用。
激光诱导荧光的类型
激光诱导荧光光谱有多种类型,具体取决于所使用的激光和检测系统。通常,该技术分为激发LIF和发射LIF光谱。激光被用来刺激分子从基态跃迁到电子激发态。随后,当分子返回基态时,发射的荧光被使用光电倍增管(PMT)检测。
在激发LIF中,使用可调激光来改变激发波长,从而实现对激发态振动结构的分辨。在液体样品中,分子从其激发态发出光并逐渐返回到基态的一系列振动能级。然而,检测系统无法分离发射光的不同波长。为此,样品和检测系统之间放置一个特殊的滤光片。该滤光片允许检测样品发出的所有光,同时阻挡任何不需要的散射激光光。
在发射LIF中,使用特定的泵浦波长激发样品,样品发出的光通过分析其光谱进行检验。这种分析是通过利用单色仪来选择所需的检测波长进行测量。上述图示例了使用光电倍增管(PMT)进行单点检测。也可以使用阵列探测器(如CCD或CMOS)在单次测量中捕获完整的光谱。
激光诱导荧光还可以分为两种类型:连续波(CW)LIF和时间分辨LIF。该技术提供了关于化学中间体寿命及其随时间变化的光谱变化的重要信息。
连续波LIF使用连续激光进行激发,适用于仅需要光谱信息的情况。CW LIF的意义在于能够提供稳态荧光测量。它允许检测和量化荧光强度,这可以与样品中荧光分子的浓度相关联。CW LIF在生物化学、分子生物学、环境分析和制药研究等多个领域中常用。它特别适合快速和实时监测荧光信号,使研究动态过程和相互作用成为可能。
另一方面,时间分辨LIF涉及使用脉冲激光激发样品,发射的光(单个波长或整个光谱)在特定时间段内检测。时间分辨LIF能够提供关于样品荧光寿命的额外信息。荧光寿命是荧光分子在发射荧光之前保持在激发态的平均时间。通过分析荧光衰减动力学,可以获得有关分子环境、分子相互作用和样品的光物理特性的有价值信息。时间分辨LIF在分子光谱学、生物物理学、制药研究和材料科学等领域中常用。
激光诱导荧光的应用
激光诱导荧光在环境研究中发挥着重要作用。它能够检测和监测空气、水和土壤中的污染物。例如,LIF技术已被用于识别和量化污染场地中的多环芳烃(PAHs)等有害化合物。选择性针对特定分子的能力增强了我们对环境过程的理解,并有助于制定有效的减缓策略。
它也在生物医学和制药研究中有应用,通过协助药物发现,允许研究人员监测药物相互作用、代谢和在生物体内的分布。此外,LIF技术有助于癌症诊断,通过检测与特定类型癌细胞相关的荧光生物标志物。这种非侵入性方法有望实现早期检测和个性化治疗。
LIF已被用于燃烧和等离子体诊断领域。通过在火焰或等离子体中引入示踪分子,研究人员可以研究这些环境中发生的基本过程。它有助于测量温度、种类浓度和速度场,为优化燃烧效率、减少排放和开发更清洁的能源提供重要见解。
它还在艺术保护领域找到了应用。通过分析颜料发出的荧光,研究人员可以获得有关艺术品年龄、真实性和退化过程的见解。这种非破坏性技术有助于材料的识别,并协助保护者在恢复和保护方面做出明智的决定。
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