荧光&发光

　　在当代科学研究和工业应用中，光学诊断技术以其非侵入性、高灵敏度等特点发挥着越来越重要的作用。其中，激光诱导荧光(Laser-Induced Fluorescence， LIF)和各类冷发光(Luminescence)现象构成了光学检测技术的核心基础。
1.荧光与冷发光的基本概念及原理
　　冷发光(Luminescence)泛指所有不依赖于物体温度且无明显热量产生的发光现象。与白炽灯的热发光不同，冷发光过程中物质的电子被外部能量源激发到高能级，随后以光辐射形式释放能量，但材料整体保持接近环境温度。
荧光(Fluorescence)是一种特定类型的冷发光现象，其物理本质是物质吸收高能量光子后，电子从基态跃迁至激发态，随后在返回基态时发射出比激发光波长更长(能量更低)的光子。荧光过程最显著的特征是其瞬时性，即激发态寿命极短，通常在10-9到10-8秒量级，一旦停止激发，荧光几乎立即消失。另一个关键特征是斯托克斯位移，即发射光波长总是长于激发光波长，这是由于部分能量在激发态通过振动弛豫等形式转化为热能而损失。
　　激光诱导荧光(LIF)技术巧妙地结合了激光的单色性、高亮度与荧光分析的高特异性，当激光光子能量与被检测分子某两个特定能级间的能量差匹配时，分子将吸收光子并跃迁至激发态，随后通过自发辐射发出荧光。由于激光波长可精确调控且强度极高，LIF技术能实现极高的检测灵敏度，甚至达到单分子水平。与传统宽谱光源激发的荧光相比，激光诱导荧光具有更高的空间分辨率和信噪比，这使其成为化学分析、生物成像和流动诊断等领域不可替代的工具。

激光诱导荧光原理

2.荧光与冷发光的分类体系
2.1从激发机制的角度，冷发光可划分为以下几大类型：
光致发光(Photoluminescence)、化学发光(Chemiluminescence)、生物发光(Bioluminescence)、电致发光(Electroluminescence)、辐致发光(Radioluminescence)、力致发光(Mechanoluminescence)和热释发光(Thermoluminescence)。

2.2 从发光持续时间角度，可分为：
荧光(Fluorescence)：激发态寿命极短(纳秒级)，激发停止后发光几乎立即停止。这种瞬时性使荧光特别适合实时动态监测，如细胞内的快速生理过程。
磷光(Phosphorescence)：激发态寿命较长(毫秒至小时)，源于自旋禁戒的 triplet-to-singlet 跃迁。这种长寿命特性被广泛应用于夜光材料、时间分辨荧光检测等领域，可通过延迟测量有效消除短寿命背景荧光的干扰。

2.2从能量转换方向看，存在一类特殊的上转换发光(Upconversion luminescence)现象，指物质通过吸收多个低能量光子后发射一个高能量光子(波长比激发光更短)的非线性光学过程。上转换纳米颗粒(UCNPs)是这一现象的典型代表，在生物成像中具有显著优势：近红外激发光组织穿透深度大且自体荧光干扰小，发射的可见光易于检测。

　　激光诱导荧光技术本身也发展出多个分支体系，根据检测需求不同可分为：
平面激光诱导荧光(PLIF)：用于二维流场成像，广泛应用于燃烧诊断、微流控芯片检测等领域。
微激光诱导荧光(μ-LIF)：针对微尺度流动现象的测量，空间分辨率可达微米级。
时间分辨激光诱导荧光：利用荧光寿命信息进行分子环境探测或成分分析。
多光子激发荧光：使用近红外飞秒激光实现深层组织三维成像，减少光损伤和光散射。

　　荧光与主要冷发光类型的特征比较

发光类型	激发源	典型寿命	需要激发光	主要应用领域
荧光(含LIF)	光(激光)	纳秒级	是	生物、流式细胞术、工业
磷光	光	毫秒级及以上	是	夜光材料、时间分辨检测
化学发光	化学能	与反应速度相关	否	免疫分析、分子诊断
电致发光	电场	纳秒至微秒级	否	OLED显示、照明
上转换发光	激光(近红外)	微秒至毫秒级	是	深层生物成像、安全防伪

3.激光诱导荧光的技术原理与关键特性
　　激光诱导荧光技术作为传统荧光光谱学的进阶形式，凭借激光所特有的高单色性、高亮度和高方向性，将荧光分析的灵敏度和空间分辨率推向了新的高度。
　　激光诱导荧光系统通常由四大核心组件构成：激光光源、光学传输与收集系统、光谱分析装置和信号检测处理单元。激光光源的选择至关重要，常用的包括波长488nm、514nm、1064nm（常配倍频模块至532nm或355nm)等。光学系统负责将激光引导至检测区域并高效收集发出的荧光，常采用透镜组、光导纤维和反射镜等元件。光谱分析多使用光栅单色仪或干涉滤光片，实现荧光光谱的分辨。检测器方面，光电倍增管(PMT)、电荷耦合器件(CCD)和雪崩光电二极管(APD)是主流选择，各自在灵敏度、响应速度和动态范围上有不同优势。

激光诱导荧光典型结构图

　　激光诱导荧光技术具有一系列关键特性，使其在精密测量中独树一帜：
超高灵敏度：激光的高功率密度确保了大量荧光光子的产生，而光电探测器的低噪声放大技术可实现单光子水平的检测，使得LIF的检测限常达到纳摩尔甚至皮摩尔水平。
优异的选择性：既可通过激光波长选择性地激发特定物质，又可根据荧光指纹光谱进一步确认物质种类。
良好的空间分辨率：激光光束可聚焦至微米量级，结合共聚焦显微镜技术可实现三维高分辨成像。
快速动态响应：得益于荧光的纳秒级寿命，LIF技术能够捕捉快速变化的动态过程。
非侵入性：作为一种光学方法，LIF不会干扰被测体系的物理化学状态，特别适合脆弱生物样本或敏感化学反应过程的原位监测。

　　激光诱导荧光与传统荧光光谱技术的比较

特性	激光诱导荧光(LIF)	传统荧光光谱
激发光源	单色激光，高功率密度	宽谱光源(如氙灯)，经单色仪分光
时间特性	可脉冲激发，纳秒级时间分辨	多为连续激发，时间分辨率较低
空间分辨率	可达微米级，可共聚焦成像	通常毫米级，空间信息有限
灵敏度	极高，可达单分子水平	受限于光源强度，灵敏度中等
光谱干扰	激发带宽窄，减少散射光干扰	激发带宽较宽，易受散射光影响
系统复杂度	较高，需精密光学调整	相对简单，易于操作
应用场景	科研前沿、精密诊断	常规分析、质量控制

4.荧光与冷发光技术的应用领域
　　荧光和冷发光技术凭借其非侵入性、高灵敏度和丰富的信息维度，在科学研究、工业检测和医疗诊断等众多领域展现出极高的应用价值。从微观的单分子检测到宏观的环境监测，从基础科学研究到日常医疗检验，这些光学技术正在深刻改变着我们认识世界和解决问题的方法。

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5.CNI典型的荧光与冷发光用的激光器
　　荧光和冷发光用的激光器典型波长有355nm、405nm、488nm、514nm、532nm、561nm、640nm、808nm 、980nm、1064nm、1532nm激光器等，根据需求可选用连续或脉冲激光器。随着激光技术、光谱仪和探测器的发展，激光诱导荧光技术不断突破性能极限。新型量子级联激光器(QCL)和光学参量振荡器(OPO)大大扩展了可调谐激光的范围；时间相关单光子计数(TCSPC)技术将荧光寿命测量的精度提升至皮秒量级；共聚焦和双光子激发技术则实现了三维高分辨荧光成像。这些技术进步不断拓展着LIF的应用边界，使其在从基础科研到工业检测的广泛领域中发挥不可替代的作用。
　　除了上述典型单波长激光器外，还会用到以下激光产品。