激光誘導(dǎo)熒光光譜技術(shù)

1、整理ppt12 目錄目錄: 簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成 突出優(yōu)點(diǎn)突出優(yōu)點(diǎn) 應(yīng)用應(yīng)用主要問題主要問題 原理原理31以激光做為光源激發(fā)熒光物質(zhì)產(chǎn)生的熒光稱為激光以激光做為光源激發(fā)熒光物質(zhì)產(chǎn)生的熒光稱為激光誘導(dǎo)熒光誘導(dǎo)熒光( (Laser-Induced Fluorescence，LIF) )，是熒光，是熒光分析方法的一種。分析方法的一種。與瑞利散射和拉曼散射不同，與瑞利散射和拉曼散射不同，LIFLIF過程不是一個(gè)散射過程不是一個(gè)散射過程，是一個(gè)波長(zhǎng)的吸收和轉(zhuǎn)化過程。照射激光激發(fā)分過程，是一個(gè)波長(zhǎng)的吸收和轉(zhuǎn)化過程。照射激光激發(fā)分子發(fā)出更長(zhǎng)波長(zhǎng)的光，發(fā)射熒光強(qiáng)度比散射強(qiáng)度強(qiáng)。與子發(fā)出更長(zhǎng)波長(zhǎng)的光，發(fā)射

2、熒光強(qiáng)度比散射強(qiáng)度強(qiáng)。與普通熒光分析方法不同，普通熒光分析方法不同， LIF的激發(fā)光源采用激光，靈的激發(fā)光源采用激光，靈敏度較高、檢測(cè)效果好。敏度較高、檢測(cè)效果好。簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介激光誘導(dǎo)熒光光譜技術(shù)激光誘導(dǎo)熒光光譜技術(shù)41簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介激光特性激光特性激光參數(shù)可以精確控制激光參數(shù)可以精確控制 激光的方向性、單色性好激光的方向性、單色性好 激光的相干性好、強(qiáng)度大激光的相干性好、強(qiáng)度大產(chǎn)生熒光信號(hào)信噪比高產(chǎn)生熒光信號(hào)信噪比高52原理原理 讓一束激光通過檢測(cè)區(qū)域，調(diào)節(jié)激光波長(zhǎng)，當(dāng)激光光子的讓一束激光通過檢測(cè)區(qū)域，調(diào)節(jié)激光波長(zhǎng)，當(dāng)激光光子的能量（與激光的波長(zhǎng)相關(guān)）等于檢測(cè)區(qū)域某種組分分子的某兩能量（與激光的波長(zhǎng)相

3、關(guān)）等于檢測(cè)區(qū)域某種組分分子的某兩個(gè)特定能級(jí)之間的能量之差時(shí)，該分子會(huì)吸收光子能量躍遷至個(gè)特定能級(jí)之間的能量之差時(shí)，該分子會(huì)吸收光子能量躍遷至高能態(tài)。高能態(tài)。 處于高能態(tài)的分子不穩(wěn)定，在一定時(shí)間內(nèi)它會(huì)從高能態(tài)返處于高能態(tài)的分子不穩(wěn)定，在一定時(shí)間內(nèi)它會(huì)從高能態(tài)返回到基態(tài)。在此過程中，分子會(huì)通過自發(fā)輻射釋放能量發(fā)光而回到基態(tài)。在此過程中，分子會(huì)通過自發(fā)輻射釋放能量發(fā)光而產(chǎn)生熒光，這就是激光誘導(dǎo)熒光。產(chǎn)生熒光，這就是激光誘導(dǎo)熒光。實(shí)際應(yīng)用中，從熒光的分布，可以探測(cè)粒子的種類；從熒實(shí)際應(yīng)用中，從熒光的分布，可以探測(cè)粒子的種類；從熒光的強(qiáng)弱，可得知粒子的濃度以及溫度；利用其空間分辨性還光的強(qiáng)弱，可得知粒

4、子的濃度以及溫度；利用其空間分辨性還可以測(cè)量粒子的濃度場(chǎng)、溫度場(chǎng)?？梢詼y(cè)量粒子的濃度場(chǎng)、溫度場(chǎng)。63系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成激光器激光器：氣體激光器、固體激光器、液體激光器、半導(dǎo)體激光器等。樣品池：樣品池：氣體密閉池、液體池。窗口與光路上不產(chǎn)生激發(fā)光的散射，窗口與池壁不產(chǎn)生熒光、樣品池的窗口通常作成布儒斯特角。光電探測(cè)器：光電探測(cè)器：光電倍增管、光電二極管、電荷耦合器件CCD等。信號(hào)處理模塊：信號(hào)處理模塊：信號(hào)采集、分析、顯示和處理, 根據(jù)信號(hào)控制激光器、檢測(cè)光路和光電探測(cè)器等模塊, 實(shí)現(xiàn)在線分析、處理和信號(hào)優(yōu)化。光學(xué)組件：光學(xué)組件：光路調(diào)整，光路轉(zhuǎn)換，過濾雜散光等作用。73系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成圖1 激光

5、誘導(dǎo)熒光光譜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖84突出優(yōu)點(diǎn)突出優(yōu)點(diǎn)高分辨高分辨率率可達(dá)到微米量級(jí)?？蛇_(dá)到微米量級(jí)。相應(yīng)時(shí)間快相應(yīng)時(shí)間快時(shí)間分辨最高可達(dá)納秒量級(jí)時(shí)間分辨最高可達(dá)納秒量級(jí)，可對(duì)自由基等瞬，可對(duì)自由基等瞬態(tài)物質(zhì)壽命進(jìn)行檢測(cè)。態(tài)物質(zhì)壽命進(jìn)行檢測(cè)。靈敏度高靈敏度高探測(cè)下限可達(dá)探測(cè)下限可達(dá)10106個(gè)粒子個(gè)粒子/cm3/cm3，濃度檢測(cè)最低可，濃度檢測(cè)最低可達(dá)達(dá)1010-13-13mol/Lmol/L。干擾小干擾小通過激光激發(fā)，而通過激光激發(fā)，而不涉及接觸式的探針等器件，不涉及接觸式的探針等器件，對(duì)等離子體，燃燒等干擾相對(duì)較小對(duì)等離子體，燃燒等干擾相對(duì)較小。測(cè)溫范圍寬測(cè)溫范圍寬已有在已有在16001600的實(shí)驗(yàn)條

6、件和的實(shí)驗(yàn)條件和11001100的燃?xì)廨啓C(jī)條件的燃?xì)廨啓C(jī)條件下進(jìn)行熒光測(cè)溫的報(bào)道，測(cè)溫精度可達(dá)下進(jìn)行熒光測(cè)溫的報(bào)道，測(cè)溫精度可達(dá)11。95主要問題主要問題1 1目前不常檢測(cè)的物種，其熒光分離需要一定的光譜基礎(chǔ)；目前不常檢測(cè)的物種，其熒光分離需要一定的光譜基礎(chǔ)；2 2對(duì)于濃度在對(duì)于濃度在ppmppm級(jí)以下的物質(zhì)熒光可能較弱；級(jí)以下的物質(zhì)熒光可能較弱；3 3對(duì)自由基的絕對(duì)濃度測(cè)量，需要仔細(xì)的標(biāo)定；對(duì)自由基的絕對(duì)濃度測(cè)量，需要仔細(xì)的標(biāo)定；4 4對(duì)激光器的要求較高，維護(hù)昂貴；對(duì)激光器的要求較高，維護(hù)昂貴；5 5測(cè)量系統(tǒng)較復(fù)雜。測(cè)量系統(tǒng)較復(fù)雜。106應(yīng)用應(yīng)用 目前目前LIFLIF技術(shù)已應(yīng)用于氣體、液體、

7、固體的測(cè)量中及技術(shù)已應(yīng)用于氣體、液體、固體的測(cè)量中及燃燒、等離子體、噴射和流動(dòng)現(xiàn)象中。燃燒、等離子體、噴射和流動(dòng)現(xiàn)象中。毛細(xì)血管電泳檢測(cè)毛細(xì)血管電泳檢測(cè)葉綠素?zé)晒夥治鋈~綠素?zé)晒夥治鯠NA分析分析病變?cè)\斷病變?cè)\斷基因突變基因突變檢測(cè)大氣、檢測(cè)大氣、水體污染、水體污染、檢測(cè)火焰、檢測(cè)火焰、流場(chǎng)等流場(chǎng)等生物生物其他其他環(huán)境環(huán)境醫(yī)學(xué)醫(yī)學(xué)115應(yīng)用應(yīng)用(1)(1)葉綠素?zé)晒鈮勖臏y(cè)量葉綠素?zé)晒鈮勖臏y(cè)量 采用波長(zhǎng)采用波長(zhǎng)355 nm355 nm的激光作為光源激發(fā)葉綠素的激光作為光源激發(fā)葉綠素?zé)晒鉄晒? ,由光電倍增管接收其熒光信號(hào)由光電倍增管接收其熒光信號(hào), ,由于被測(cè)葉綠由于被測(cè)葉綠素?zé)晒馑p函數(shù)與激

8、光脈沖、儀器響應(yīng)函數(shù)卷積在素?zé)晒馑p函數(shù)與激光脈沖、儀器響應(yīng)函數(shù)卷積在一起一起, ,根據(jù)它們的特性根據(jù)它們的特性, ,運(yùn)用時(shí)間分辨測(cè)量法分別測(cè)運(yùn)用時(shí)間分辨測(cè)量法分別測(cè)得葉綠素?zé)晒饧捌浔尘靶盘?hào)得葉綠素?zé)晒饧捌浔尘靶盘?hào), ,并結(jié)合解卷積算法可并結(jié)合解卷積算法可分離出真實(shí)的葉綠素?zé)晒馑p函數(shù)分離出真實(shí)的葉綠素?zé)晒馑p函數(shù), ,從而獲取葉綠從而獲取葉綠素的熒光壽命素的熒光壽命. . 該方法能夠?qū)崿F(xiàn)葉綠素?zé)晒鈮勖脑摲椒軌驅(qū)崿F(xiàn)葉綠素?zé)晒鈮勖母呔葘?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高精度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè), ,通過對(duì)不同葉綠素含量的溶液熒通過對(duì)不同葉綠素含量的溶液熒光壽命測(cè)試光壽命測(cè)試, ,證明葉綠素含量與其熒光壽命具有相證明葉綠素含量

9、與其熒光壽命具有相關(guān)性關(guān)性, , 確定了葉綠素含量與熒光壽命的標(biāo)定曲線確定了葉綠素含量與熒光壽命的標(biāo)定曲線.125應(yīng)用應(yīng)用(2)(2)水質(zhì)監(jiān)測(cè)水質(zhì)監(jiān)測(cè) LIF LIF 遙測(cè)系統(tǒng)以遙測(cè)系統(tǒng)以355 nm 355 nm 激發(fā)波長(zhǎng)的激發(fā)波長(zhǎng)的Nd-YAGNd-YAG晶體激光晶體激光器為激發(fā)光源器為激發(fā)光源, , 脈沖寬度脈沖寬度4 ns , 4 ns , 重復(fù)頻率重復(fù)頻率10Hz 10Hz 。脈沖。脈沖激光通過卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡射入待測(cè)水體激光通過卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡射入待測(cè)水體, , 后向散射的熒后向散射的熒光進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡光進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡, , 使用光纖分為兩路使用光纖分為兩路, , 一路通過干涉濾光一路通過干涉

10、濾光片片, , 光電倍增管測(cè)量作為水拉曼光強(qiáng)度光電倍增管測(cè)量作為水拉曼光強(qiáng)度, , 另一路通過安另一路通過安裝有中心波長(zhǎng)為裝有中心波長(zhǎng)為355 355 、450 450 和和685 nm 685 nm 三塊干涉濾光片的三塊干涉濾光片的轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)輪, , 以光電倍增管測(cè)量瑞利散射光、以光電倍增管測(cè)量瑞利散射光、DOM DOM 熒光和葉綠熒光和葉綠素素a a 熒光強(qiáng)度。測(cè)得的瑞利散射光、熒光強(qiáng)度。測(cè)得的瑞利散射光、DOM DOM 熒光和葉綠素?zé)晒夂腿~綠素a a 熒光強(qiáng)度以水拉曼光強(qiáng)度進(jìn)行歸一化熒光強(qiáng)度以水拉曼光強(qiáng)度進(jìn)行歸一化, , 記為瑞利散射因記為瑞利散射因子、子、DOM DOM 熒光因子和葉綠素?zé)?/p>

11、光因子和葉綠素a a 熒光因子熒光因子, , 分別與水體濁分別與水體濁度、度、DOM DOM 濃度和葉綠素濃度和葉綠素a a 濃度成線性正相關(guān)。濃度成線性正相關(guān)。135應(yīng)用應(yīng)用(3)(3)燃燒系統(tǒng)中的應(yīng)用燃燒系統(tǒng)中的應(yīng)用 測(cè)量溫度、粒子濃度等。測(cè)量溫度、粒子濃度等。LIFLIF方法在火焰中粒方法在火焰中粒子濃度的測(cè)量包括：子濃度的測(cè)量包括： 瞬態(tài)自由基粒子的測(cè)量。瞬態(tài)自由基是燃燒中瞬態(tài)自由基粒子的測(cè)量。瞬態(tài)自由基是燃燒中的反應(yīng)中間體，如的反應(yīng)中間體，如OHOH等。等。 污染粒子測(cè)量，用于對(duì)污染物的控制與排放，污染粒子測(cè)量，用于對(duì)污染物的控制與排放，常見的污染粒子有常見的污染粒子有NONO、CO

12、CO、NO2NO2、SO2SO2等分子，等分子，LIFLIF方法的空間與時(shí)間的分辨測(cè)量有助于深入理解燃燒方法的空間與時(shí)間的分辨測(cè)量有助于深入理解燃燒過程中這些粒子形成的機(jī)理。過程中這些粒子形成的機(jī)理。 金屬粒子的測(cè)量，如金屬粒子的測(cè)量，如NaNa、K K、NaSNaS等。等。145應(yīng)用應(yīng)用(4)(4)痕量分析痕量分析 LIFLIF是一種高靈敏度的檢測(cè)方法，廣泛應(yīng)用于原是一種高靈敏度的檢測(cè)方法，廣泛應(yīng)用于原子與分子的痕量檢測(cè)子與分子的痕量檢測(cè), ,在激光激發(fā)下，原子所發(fā)出的熒在激光激發(fā)下，原子所發(fā)出的熒光強(qiáng)度光強(qiáng)度I IF與入射光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度I I0 0和單位體積中處于基態(tài)的原和單位體積中處

13、于基態(tài)的原子數(shù)目子數(shù)目N N成正比：成正比：在檢測(cè)中如保持入射光強(qiáng)度在檢測(cè)中如保持入射光強(qiáng)度I I0 0和單位體積中原子數(shù)目和單位體積中原子數(shù)目N N不變，則可以通過熒光強(qiáng)度來確定樣品中被測(cè)元素的不變，則可以通過熒光強(qiáng)度來確定樣品中被測(cè)元素的含量。含量。NLAIImFF0熒光量子產(chǎn)額熒光量子產(chǎn)額有效照射面積有效照射面積吸收長(zhǎng)度吸收長(zhǎng)度摩爾消光系數(shù)摩爾消光系數(shù)155應(yīng)用應(yīng)用(4)(4)痕量分析痕量分析 凡是能發(fā)射熒光的物質(zhì)都可以采用分子熒光法進(jìn)凡是能發(fā)射熒光的物質(zhì)都可以采用分子熒光法進(jìn)行分析，例如許多無機(jī)物、有機(jī)物、生物和生化樣品行分析，例如許多無機(jī)物、有機(jī)物、生物和生化樣品( (如維生素、氨基酸、蛋白質(zhì)、酶、藥物、荷爾蒙、農(nóng)如維生素、氨基酸、蛋白質(zhì)、