什么是激光诱导荧光（Laser-Induced Fluorescence）或LIF？

激光诱导荧光（LIF）是一种光学光谱方法，其中使用激光来激发样品，并使用光电探测器来捕获由样品发出的荧光。荧光光谱法可以被归类为一种荧光光谱法，它用激光源取代了传统的灯泡激发。尽管激光现在通常被用作光致发光光谱仪的激发源，但激光诱导荧光最初是作为一种独立的激光光谱技术而开发的，而不是用于商业仪器的目的。

激发光谱的强度可用于识别气体物种，如丙酮、OH、CH、NO等，以及确定存在的原子和分子的浓度。此外，光谱分布还可以测量温度。这项技术在不同的领域找到了应用，包括平面激光诱导荧光（PLIF），它可以同时测量多维的物种、温度、速度等。它还被用于液体薄膜厚度测量。

激光诱导荧光的工作原理

一束激光，通常是高能量的单色光源，被射向含有目标分子的样品。激光的波长必须与样品中存在的荧光团的吸收特性相匹配。样品中的荧光分子吸收来自激光束的光子。这种吸收导致分子内的电子从它们的基态过渡到一个更高的能量状态，称为激发态。一旦进入激发态，荧光分子就拥有了多余的能量。它们可以通过碰撞能量转移或福斯特共振能量转移（FRET）等过程将这种能量转移到附近的分子。

然后受激电子最终回到它们的基态，以荧光的形式释放出多余的能量。这种发射的荧光通常比吸收的激光具有较长的波长，使其容易被区分和检测。发出的荧光用适当的光学元件，如透镜或光纤收集，并被引向一个检测器。检测器测量荧光的强度、光谱和寿命。这些数据提供了有关荧光分子特性的宝贵信息，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，取决于所使用的特定激光和检测系统。通常情况下，该技术被归类为激发或发射LIF光谱学。激光被用来刺激分子从其基态到电子激发态。随后，当分子返回到基态时，使用光电倍增管（PMT）检测所发射的荧光。

在激发LIF中，一个可调谐的激光器被用来改变激发波长，使激发态的振动结构得到解决，如上图所示。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水平。然而，检测系统不能分离这种发射的光的不同波长。为此，在样品和检测系统之间放置了一个特殊的过滤器。这个过滤器允许检测所有来自样品的发射光，同时阻挡任何不需要的散射激光。

在发射LIF中，一个特定的泵浦波长被用来激发样品，并通过分析其光谱来检查来自样品的发射光。这种分析是通过利用单色器完成的，它有助于选择所需的检测波长进行测量。上图说明了使用光电倍增管（PMT）进行单点检测。也可以利用阵列检测器（如CCD或CMOS），在一次测量中捕获完整的光谱。

激光诱导荧光也可分为两种类型：连续波（CW）LIF和时间分辨LIF。这种技术提供了关于化学中间体的寿命和它们相应的光谱随时间变化的宝贵信息。

连续波LIF采用一个连续的激光器进行激发，当只需要光谱信息时是合适的。连续波LIF的意义在于它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常用于各个领域，如生物化学、分子生物学、环境分析和药物研究。它对于快速和实时监测荧光信号特别有用，能够研究动态过程和相互作用。

另一方面，时间分辨LIF涉及使用脉冲激光激发样品，并在特定时间段内检测发射的光（单一波长或整个光谱）。时间分辨的LIF有能力提供关于样品的荧光寿命的额外信息。荧光寿命是荧光团在通过发射荧光返回基态之前保持在激发状态的平均时间。通过分析荧光衰减动力学，可以获得关于分子环境、分子相互作用和样品的光物理特性的宝贵信息。时间分辨LIF通常用于分子光谱学、生物物理学、药物研究和材料科学等领域。

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，激光诱导技术已被用于识别和量化有害化合物，如受污染地点的多环芳烃（PAHs）。选择性地瞄准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缓解策略。

它在生物医学和制药研究中也有应用，协助药物发现，使研究人员能够监测药物的相互作用、代谢和在生物体内的分布。此外，LIF技术通过检测与特定类型的癌细胞相关的荧光生物标志物来帮助进行癌症诊断。这种非侵入性的方法为早期检测和个性化治疗带来了希望。

LIF已被用于燃烧和血浆诊断领域。通过将示踪分子引入火焰或等离子体，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、物种浓度和速度场，为优化燃烧效率、减少排放和开发更清洁的能源提供关键的见解。

它还在艺术品保护领域找到了应用。研究人员可以通过分析颜料发出的荧光，深入了解影响艺术品的年龄、真实性和退化过程。这种非破坏性的技术有助于识别材料，并协助保护者做出有关修复和保存的明智决定。