激光诱导荧光技术1讲解
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激光诱导荧光技术
激光诱导荧光(LIF)检测作为目前灵敏度最高的 检测技术，在生物、化学、医学等领域应用广泛。 激光光束的高汇聚性使其非常适合于微区检测， LIF 成为微型化仪器和电泳芯片中应用最普遍的 检测手段。另外，许多能发自然荧光环境样品和 生物样品，通过衍生技术进行荧光检测，因而 LIF 成为检测的首选技术。
液体LIF
气体LIF 燃烧LIF 测量物质
平面激光诱导荧光技术
举例：示踪平面LIF技术
采用YAG激光器的倍频 532nm激光作为激发源。由 于自然界中只有某些特殊的高 分子有机染料分子可以被
532nm激光激发而发出荧光，
人们就用这种有机染料分子作 为示踪物质加入到所要研究的 流场中，观察并测量荧光信号 的性质。
平面激光诱导荧光技术
研究LIF主要课题组
研究课题组 主要研究领域及成就
Dovichi N. J.
Soper S. A. Issaq H. J.
发明了壳流检测池，随后的LIFD单分子检测都是在此基 础上完成的，对LIFD的应用作出了卓越贡献。
主要研究领域包括：荧光探针、分子生物学、微分析仪器 等，较多采用近红外激光诱导荧光监测器。 毛细管电泳协会的创始人之一。在激光诱导荧光检测方面 主要从事紫外激光诱导荧光检测。
平面激光诱导荧光技术
PLIF检测原理图
平面激光诱导荧光技术
PLIF优点
高空间分辨：可达到微米量级。 快速时间响应：时间分辨最高可达纳秒量级，可对自由基 等瞬态物质寿命进行检测。 高灵敏度：探测下限最高可达106个粒子/cm3。 干扰小：通过激光激发，而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。
平面激光诱导荧光技术
可见光波长的红绿蓝激光 (635nm,532nm,445nm)
激光诱导荧光技术简介资料重点
较高的空间分辨力：可达到微米量级。
快速的时间响应：时间分辨最高可达纳秒量级，可对自由基等瞬态物 质寿命进行检测。
对被测区域无干扰：通过激光激发，而不涉及接触式的探针等器件， 对等离子体，燃烧等几乎不产生干扰。
激光诱导荧光技术（LIF）
12
特点
主要问题： 对激光器的要求较高，维护昂贵； 测量系统较复杂。
采集软件：采集数据，并对数据进 行处理；
激光诱导荧光技术（LIF）
7
激光诱导荧光技术（LIF）
8
技术要求
该技术的关键是选择合适的物质与特定波长的激光光 源相匹配，以产生足够强度的荧光信号为探测器所接收。 目前作为示踪粒子的有氢氧根（OH）、碳氢根（HC）、 一氧化碳（CO）、氧分子（O2）、氧原子（O）、丁二 酮分子等。
LIF应用
生物
毛细血管 电泳检测
医学
环境
病变诊断
检测大气、 水体污染
激光诱导荧光技术（LIF）
其他
检测火焰、 流场等
11
特点
优点：
高灵敏度：探测下限可达106个粒子/cm3，浓度检测最低可达1013mol/L。
测温范围宽，测量精度高：已有在1600℃的实验条件和1100℃的燃气 轮机条件下进行荧光测温的报道，测温精度可达±1℃。
用于液体的流场显示时需要加入荧光染料。 不同物质需和不同波长的激光器相配合。
激光诱导荧光技术（LIF）
9
分类
浓度测量 温度测量
LIF分类
示踪LIF 产物分析LIF
测量手段
液体LIF 气体LIF 燃烧LIF
测量物质
激光诱导荧光技术（LIF）
10
应用
目前LIF技术已应用于气体、液体、固体的测量中及燃烧、等离 子体、喷射和流动现象中。
快速的时间响应：时间分辨最高可达纳秒量级，可对自由基等瞬态物 质寿命进行检测。
对被测区域无干扰：通过激光激发，而不涉及接触式的探针等器件， 对等离子体，燃烧等几乎不产生干扰。
激光诱导荧光技术（LIF）
12
特点
主要问题： 对激光器的要求较高，维护昂贵； 测量系统较复杂。
采集软件：采集数据，并对数据进 行处理；
激光诱导荧光技术（LIF）
7
激光诱导荧光技术（LIF）
8
技术要求
该技术的关键是选择合适的物质与特定波长的激光光 源相匹配，以产生足够强度的荧光信号为探测器所接收。 目前作为示踪粒子的有氢氧根（OH）、碳氢根（HC）、 一氧化碳（CO）、氧分子（O2）、氧原子（O）、丁二 酮分子等。
LIF应用
生物
毛细血管 电泳检测
医学
环境
病变诊断
检测大气、 水体污染
激光诱导荧光技术（LIF）
其他
检测火焰、 流场等
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特点
优点：
高灵敏度：探测下限可达106个粒子/cm3，浓度检测最低可达1013mol/L。
测温范围宽，测量精度高：已有在1600℃的实验条件和1100℃的燃气 轮机条件下进行荧光测温的报道，测温精度可达±1℃。
用于液体的流场显示时需要加入荧光染料。 不同物质需和不同波长的激光器相配合。
激光诱导荧光技术（LIF）
9
分类
浓度测量 温度测量
LIF分类
示踪LIF 产物分析LIF
测量手段
液体LIF 气体LIF 燃烧LIF
测量物质
激光诱导荧光技术（LIF）
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应用
目前LIF技术已应用于气体、液体、固体的测量中及燃烧、等离 子体、喷射和流动现象中。
激光诱导荧光技术(LIF)的研究
基于激光诱导荧光技术（LIF）的喷雾当量比特性研究 四、激光诱导荧光测试系统
基于激光诱导荧光技术（LIF）的喷雾当量比特性研究 四、激光诱导荧光测试系统
基于激光诱导荧光技术（LIF）的喷雾当量比特性研究
五、激光诱导荧光方法的应用
在燃烧系统中 L I F 法的应用，包括测量温度、 粒子浓度、燃料分布等方面。目前，LIF 法已成为 燃烧气流的化学与结构研究的重要手段。现对用激 光诱导荧光法测量发动机缸内混合气浓度进行说明。
在内燃机技术领域，激光诱导荧光试验研究燃烧，实现 了对燃烧过程的非侵入式观察。在 这 种 方 法 中利 用 单 色 性 好 、波 长 较 短 、能量较大的短脉冲激 光 使 某 种 分 子 或 原 子 激 发 ，测 量 由 激 发 态 返 回 基 态 时 发 出的荧光，便 可 以 计 算 该 成 分 的浓度 和温度分布。
基于激光诱导荧光技术（LIF）的喷雾当量比特性研究
参考文献：
多级旋流空气雾化喷嘴雾化特性及光学测试方法研究_刘存喜 复合激光诱导荧光定量标定技术及其_省略_应用_燃油喷雾当量比定量标 定方法_孙田 复合激光诱导荧光定量标定技术及其对柴油喷雾特性研究的应用_孙田 复合激光诱导荧光法在喷雾特性的研究进展_白原原 基于PLIEF技术两次喷射柴油喷雾结构和特性的定量研究_王卓卓 利用复合激光诱导荧光法对气相柴油喷雾温度场和浓度场的定量标定_ 郭红松 使用PLIEF技术对重型柴油机相_省略_柴油喷雾结构及其浓度场的定量研 究_郭红松 应用激光诱导荧光法研究直喷汽油机缸内混合气形成过程_马骁 用激光诱导荧光法测量GDI发动机缸内混合气分布_马骁 用激光诱导荧光法研究燃烧的最新进展_薛敏霞
基于激光诱导荧光技术（LIF）的喷雾当量比特性研究
五、激光诱导荧光方法的应用
第13讲-第五章-发射光谱技术+激光诱导荧光光谱技术+时间分辨荧光
4
原子在能级k→i间的自发发射系数Aki为
Aki
16
3e2
3 ki
3 0 h2c3
Rki 2
跃迁偶极矩阵元
Rki kr jd
谱线强度为：Iki Nk Akihki
Nk
16
3e2
4 ki
30hc3
Rki 2
Nk为能级k的布居数，而频率υki满足hυki=εk-εi。 在k和i之间是否存在辐射跃迁或荧光发射，决定于跃
ΦB12 N
量子产额
结论：荧光光子数与入射光强成正比(线性)。具有与二能级 系统相同的形式。
Laser spectroscopy and its application
24
强入射光时，受激跃迁速率远大于各种辐射的与非辐射 的消激发过程，发射荧光可写成：
N2
B12
N A21 A23 B12 (1 ) B21 k21 k23 k23
dN2 / dt dN1 / dt B12 N1 ( B21 k21 A21 )N 2
N1 N2 N
Laser spectroscopy and i是在激光激发后的发射时
间τ内的积分：
N f A21 0 N 2 (t)dt
大的自发发射系数A21，而碰撞弛豫速率k21很小。为 简化计算，忽略其它能级对荧光的影响。
Laser spectroscopy and its application
13
一个最简单的二能级系统，假设激发
光的能量密度为ρυ。忽略热碰撞激 发速率k12，两能级布居数随时间的变
化可以写为
k12
dN1 / dt B12 N1 ( B21 k21 A21 )N 2
N 2 A31 k31 k32
激光诱导荧光技术介绍
02
在荧光产生的过程中，激光与物质相互作用的方式决定了荧光
光谱的特征和强度。
通过控制激光的波长、功率密度和照射时间等参数，可以实现
03
对荧光光谱的调控。
03 激光诱导荧光技术的应用
生物医学研究
生物标记物检测
药物筛选
利用激光诱导荧光技术检测生物体内 的标记物，如蛋白质、核酸等，有助 于疾病的早期诊断和治疗监测。
物质吸收特定波长的激光 能量后，电子从基态跃迁 至激发态。
电子跃迁回到基态
激发态的电子通过释放能 量回到基态，以荧光的形 式释放能量。
荧光光谱分析
通过对荧光光谱进行分析， 可以了解物质的性质和组 成。
激光与物质的相互作用
01
激光与物质相互作用时，物质吸收激光能量后会产生热能、光 化学反应或电离等效应。
使用激光器产生的激光束照射样品，激发荧 光。
数据处理与分析
对收集到的荧光数据进行处理和分析，提取 相关信息。
数据处理与分析
01
数据预处理
对原始数据进行平滑、滤波等处理， 以消除噪声和异常值。
定量分析
根据荧光光谱数据，对样品中的目 标物进行定量分析。
03
02
荧光光谱分析
对荧光光谱进行分析，提取特征峰 和相关信息。
土壤污染监测
通过测量土壤中特定成分的荧光光谱，可以监测 土壤污染状况，为土壤修复和治理提供依据。
化学分析应用实例
有机化合物分析
激光诱导荧光技术可以对有机化合物进行高灵敏度和高选择性的 分析，有助于化合物的定性和定量分析。
无机离子分析
通过测量无机离子与荧光探针结合后的荧光光谱，可以实现无机 离子的高灵敏度分析。
利用激光诱导荧光技术对药物进行筛 选，可以快速、准确地评估药物的疗 效和安全性。
激光诱导荧光原理
激光诱导荧光原理激光诱导荧光（Laser-Induced Fluorescence，简称LIF）是一种常用的光谱分析技术，广泛应用于生物医学、化学、环境科学等领域。
本文将介绍激光诱导荧光的原理及其在科研和实际应用中的重要性。
激光诱导荧光技术是利用激光束对样品进行激发，使其产生荧光现象。
其基本原理是，当激光束与样品相互作用时，激光光子能量被吸收，使得样品的分子处于激发态。
随后，在分子间发生非辐射跃迁，从激发态返回基态，释放出荧光。
这些荧光信号可通过光学系统收集、分离和检测，进而获得样品的信息。
激光诱导荧光技术的应用非常广泛。
在生物医学领域，它被用于细胞、组织和生物分子的研究。
通过选择适当的激发波长和荧光探针，可以实现对生物分子的定量和定位分析。
例如，在肿瘤诊断中，激光诱导荧光技术可以帮助鉴别癌细胞和正常细胞，提高早期癌症的检测率。
此外，在药物研发中，激光诱导荧光技术还可以用于药物靶点鉴定和药物代谢动力学研究。
化学领域也广泛应用激光诱导荧光技术。
例如，在环境污染监测中，激光诱导荧光技术可以用来检测有机污染物和重金属离子。
通过对样品进行激发，不同化合物的荧光特性可以被测量和分析，从而实现对环境污染程度的评估。
此外，激光诱导荧光技术还可以用于研究化学反应动力学和分子结构等问题，为化学反应机理的解析提供重要依据。
激光诱导荧光技术的优势在于其高灵敏度和高选择性。
由于激光束的高能量和单色性，可以精确激发样品中特定的分子或原子，避免干扰信号的产生。
同时，荧光信号的检测灵敏度高，可以实现对微量样品的分析。
这使得激光诱导荧光技术成为一种非常有价值的分析工具。
然而，激光诱导荧光技术也存在一些局限性。
首先，激光束的能量较高，可能对样品造成损伤，尤其是对生物样品而言。
其次，由于荧光信号受到周围环境的干扰，可能产生误差。
因此，在实际应用中，需要对样品进行适当的处理和修正，以提高测试的准确性和可靠性。
总的来说，激光诱导荧光技术是一种非常重要的光谱分析技术，具有广泛的应用前景。
激光诱导荧光技术简介
激光诱导荧光技术（LIF）
12
特点
主要问题： 对激光器的要求较高，维护昂贵；
测量系统较复杂。
激光诱导荧光技术（LIF）
13
发展趋势
未来LIF技术的应用将更为广泛地结合PIV、激光诱 导炽光（LII）等技术，在获得更多信息的基础上，进一 步提高测试精度。
激光诱导荧光技术（LIF）
14
谢谢！
激光诱导荧光技术（LIF）
4
原理
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 分辨性还可以测量粒子的浓度场、温度场。
激光束聚焦到被测流体，产生 的荧光通过色散器件（单色、 多色光谱仪），然后荧光被检 测器接收转换为电信号。
激光诱导荧光技术（LIF）
5
系统组成
LIF的硬件系统有： （1）激励源：由激光器和光 屏（通常为一组球面或柱 面透镜）组成； （2）检测系统：包括像差修 正成像透镜和数码成像微 光摄影机； （3）高速分析系统：即图像 分析处理机，可事后、实 时处理图像。
激光诱导荧光技术（LIF）
6
系统组成
光源：提供窄线宽稳定的脉冲激光， 激光器（1,2）； 光学组件：光路调整，光路转换， 过滤杂散光等作用（3,4,5,6）；
激光诱导荧光技术（LIF）
2
激光的四大特点
单色性好 频率、波长单一 方向性好
发散小，可远距离传输
亮度高 能量密度高
相干性好
相位固定，相干长度长
激光诱导荧光技术（LIF）
3
原理
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。 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 量发光而产生荧光，这就是激光诱导荧光。用CCD相机 等图像采集工具记录下随流体一起流动的荧光物质的荧光， 从而可实现对复杂流场的可视化。
激光诱导荧光原理
激光诱导荧光原理介绍激光诱导荧光是一种通过激光光源激发物质发射荧光的技术。
该技术可以广泛应用于生物医学、物质检测和化学分析等领域。
本文将深入探讨激光诱导荧光的原理及其应用。
原理激光光源激光诱导荧光技术所使用的关键组件是激光光源。
激光光源产生的光具有高度单色性、方向性和相干性，能够提供足够的能量来激发物质的荧光发射。
能级跃迁当物质受到激光光源的激发时，其能级会发生跃迁。
物质的电子从低能级跃迁到高能级，吸收了激光能量。
此后，电子会自发地从高能级返回到低能级，释放出光子。
这些光子就是荧光的来源。
荧光发射当物质的电子从高能级返回到低能级时，会释放出能量。
这个能量以光子的形式发射出来，形成荧光。
荧光的特征是波长比激发光源长，并且具有特定的发射光谱。
荧光发射的波长和强度可以提供有关物质结构和性质的信息。
应用生物医学激光诱导荧光技术在生物医学领域有广泛应用。
通过标记生物分子或细胞，可以使用荧光探针来观察细胞结构和功能的变化。
这些荧光标记物可以在细胞、组织甚至整个生物体中进行定位，使研究者能够实时监测生物过程，并了解疾病的发展和治疗。
物质检测激光诱导荧光技术在物质检测领域也有广泛应用。
荧光标记的探针可以被应用于环境监测、食品安全和毒理学检测等领域。
例如，通过标记某种特定物质的荧光探针，可以快速检测食品中的有害物质，确保食品安全。
化学分析激光诱导荧光技术在化学分析中发挥着重要作用。
通过选择适当的荧光探针，可以实现对化学物质的快速、灵敏和选择性检测。
利用荧光分析技术，可以对物质的组成、浓度和反应动态等进行准确测量，为化学研究和工业生产提供有力支持。
优点与展望激光诱导荧光技术具有以下优点：1.高灵敏度：由于激光光源具有高能量和方向性，可以实现对微量物质的敏感检测。
2.高选择性：通过选择合适的荧光探针，可以实现对特定物质的选择性检测。
3.高空间分辨率：可以实现对微小结构的高空间分辨率观察。
展望未来，激光诱导荧光技术将继续在各个领域发挥重要作用。
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毛细管电泳协会的创始人之一。在激光诱导荧光检测方面 主要从事紫外激光诱导荧光检测。
Sweedler J. V. 领导Biotechnology Center，同时是Beckman Institute客座教 授。主要研究波长分辨激光诱导荧光检测技术。
Mathies R. A. 毛细管电泳装置的先驱，发明了“fluorescent energytransfer labels used to sequence the human geno前灵敏度最高的检 测技术，在生物、化学、医学等领域应用广泛。 激光光束的高汇聚性使其非常适合于微区检测， LIF 成为微型化仪器和电泳芯片中应用最普遍的 检测手段。另外，许多能发自然荧光环境样品和 生物样品，通过衍生技术进行荧光检测，因而LIF 成为检测的首选技术。
（通常波长比入射光的的波长长，在可见光波
段）；而且一旦停止入射光，发光现象也随之
立即消失。具有这种性质的出射光就被称之为
荧光。
平面激光诱导荧光技术
可见光波长的红绿蓝激光 (635nm,532nm,445nm)
长颈瓶中不同尺寸的硒化镉(CdSe) 量子点在紫外线的照射下发出荧光
平面激光诱导荧光技术
PLIF介绍
平面激光诱导荧光技术
LIF检测系统
LIF 检测系统主要包括激光器、检测光路、光电探测器、 信号处理模块。
目前常用的激光器是气体激光器，该类激光器结构简单、 价格低廉，对应于这些激光器的发射波长，有很多商品化 的荧光探针。
激光诱导荧光检测器为正交型，即入射光、流动池和荧光 检测三者相互垂直。
平面激光诱导荧光技术
关亚风
主要研究以固体激光器为激发光源的LIFD。
平面激光诱导荧光技术
LIFD主要生产厂家
Picometrics Beckman
ABI
Unimicro
用于高效液相 色谱、毛细管 用于毛细管 电泳、微流动 电泳；
分析系统等领
域；
光源为气体
激光器
光源为固态二 极管激光器
用于毛细管 电泳、微流 控系统；
光源为气体 激光器
测量物质
平面激光诱导荧光技术
举例：示踪平面LIF技术
采用YAG激光器的倍频532nm
激光作为激发源。由于自然界
中只有某些特殊的高分子有机
染料分子可以被532nm激光激
发而发出荧光，人们就用这种
有机染料分子作为示踪物质加 入到所要研究的流场中，观察
液体混合中的高分辨激 光诱导荧光成像测量
并测量荧光信号的性质。
（Excited spectroscopy）。
平面激光诱导荧光技术
PLIF原理
荧光光谱的作用
从荧光的分布，可以探测样品粒子的种类；从荧光的强弱， 可得知粒子的浓度以及温度；利用其空间分辨性还可以测 量粒子的空间浓度/温度分布。
与普通的荧光光谱技术相比，具有更高的灵敏度、信噪比 和光谱分辨率等优点，而且测量样品时无需进行复杂的预 处理，便于在线分析。
平面激光诱导荧光技术
PLIF检测原理图
平面激光诱导荧光技术
PLIF优点
高空间分辨：可达到微米量级。
快速时间响应：时间分辨最高可达纳秒量级，可对自由基 等瞬态物质寿命进行检测。
高灵敏度：探测下限最高可达106个粒子/cm3。
干扰小：通过激光激发，而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。
平面激光诱导荧光技术
激光光源来照明流场，流场中的荧光示踪剂会吸 收激光能量并辐射出更长波长的光。在图像采集 系统（如PIV相机）的镜头前放置截止滤光片，就 可以得到荧光的强度信息。而荧光的强度是与激 光能量及示踪剂浓度/温度相关的函数，因此我们 可以由该函数计算得到定量浓度/温度信息。
平面激光诱导荧光技术
Optical configuration of
Zetalif 2000 LIFD (Picometrics,
France)
平面激光诱导荧光技术
LIF分类
浓度测量 温Te度xt测量 测Te量xt目的
Text
LIF分类
示踪LIF 产物T分ex析t LIF
Text
测量手段
Text
液体LIF
气体LIF 燃烧LIF
研究LIF主要课题组
研究课题组
主要研究领域及成就
Dovichi N. J. 发明了壳流检测池，随后的LIFD单分子检测都是在此基 础上完成的，对LIFD的应用作出了卓越贡献。
Soper S. A.
主要研究领域包括：荧光探针、分子生物学、微分析仪器 等，较多采用近红外激光诱导荧光监测器。
Issaq H. J.
PLIF（Planar Laser Induced Fluorescence）即所谓的“平面激光诱 导荧光”。所有应用片状光源照明，对 被测对象所发出的由这种片状光源所激 发（诱导）的荧光信号进行探测的实验 技术都可以称作PLIF。
平面激光诱导荧光技术
PLIF原理
激光诱导荧光光谱
利用一束脉冲激光将特定分子（或离子）由电子基态激发 至激发态，稍后测量分子由电子激发态驰豫放出的光子， 扫描激发激光的波长使它通过分子的吸收谱带，就可以把 荧光强度描绘成激发激光波长的函数，得到激发光谱
光源为固体 激光器；
具有极佳的 灵敏度和超 强的稳定性 能
平面激光诱导荧光技术
ZETALIF of Picometrics
以固态二极管激光器为激发光源，其光路系统采用共线型设计， 所生产LIFD的激发波长范围300～900nm，可用于高效液相色谱、 毛细管电泳、微流动分析系统等分离领域。
平面激光诱导荧光技术
Planar Laser Induced Fluorescence
平面激光诱导荧光技术
目录
1
PLIF的介绍
2
PLIF的原理
3
PLIF的检测系统
4
PLIF的应用及展望
平面激光诱导荧光技术
PLIF介绍
激光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，缩写为laser）是指窄幅频率的光辐射线， 通过受激辐射放大和必要的反馈共振，产生准直、单 色、相干的光束的过程及仪器。
激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体后， 人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准 的尺”、“最亮的光”。它的亮度约为太阳光的100 亿倍。
平面激光诱导荧光技术
PLIF介绍
荧光：当某种常温物质经某种波长的入射光
（通常是紫外线或X射线）照射，吸收光能后
进入激发态，并且立即退激发并发出出射光