光谱仪应用之荧光测量

在科学技术日新月异的今天，光谱仪作为一种精密的分析工具，被广泛应用于各种研究领域。其中，荧光测试是一种基于物质在特定波长的光激发下发出荧光的分析技术。光谱仪作为荧光测试的核心设备，能够精确测量物质的激发和发射光谱，为科学研究和工业应用提供了重要数据，它能够帮助科学家们深入了解物质的荧光特性，进而揭示物质的内在结构和性质。

荧光是一种光致发光现象，当用特定波长的激发光照射样品时，样品中的荧光物质会吸收光子而跃迁至激发态，随后从激发态返回基态，发出比激发光波长更长的荧光。荧光测试的关键在于选择合适的激发光源和检测仪器，以准确测量和分析物质的荧光光谱。

图1 荧光的基本原理示意图

荧光光谱仪的工作原理是基于荧光效应，通过测量和分析这些荧光信号，可以获得物质的激发光谱、发射光谱、量子产率、荧光强度、荧光寿命等关键信息。激光作为荧光光谱的激发源，具有很好的空间和时间相干性，其较小的光斑中具有很高的功率和很窄的线宽，具有很低的占空因子，有利于提高信噪比，因而可以获得较低的检出限和较高的光谱选择性。

目前激光诱导荧光光谱分析法已经成为一种重要且有效的光谱化学分析手段。在我国，50年代初期仅有少数的分析化学工作者从事激光诱导荧光分析方面的研究工作，但到了70年代后期，该分析法已引起国内分析届的广泛重视，激光诱导荧光光谱法近些年来在生物医学、食品、药物分析、环境分析等领域发挥了重要作用。

（1）高灵敏度与选择性：荧光光谱仪采用先进的探测器，具有更高的量子效率和信噪比，能够在较低的浓度下准确检测荧光信号。同时，通过优化光学系统和选择适当的滤光片，可以显著提高测量的选择性，减少背景噪声的干扰。

（2）宽光谱范围与高精度：光谱仪具有宽泛的光谱范围，能够覆盖从紫外到近红外的多个波段，适用于多种荧光物质的检测。此外，其光学分辨率高，能够准确分辨荧光光谱中的细微特征，为定性分析和定量分析提供可靠依据。

（3）易于操作与维护：荧光光谱仪采用模块化设计，易于组装和维护。同时，配套的软件界面友好，功能强大，能够自动保存和分析数据，大大降低了操作难度和时间成本。

（4）稳定可靠：该光谱仪具有良好的热稳定性和长期稳定性，能够在不同环境下保持一致的测量结果。此外，其激光器和光学元件均经过严格筛选和测试，确保仪器的性能和可靠性。

（1）生物医学领域

生物分子检测与成像：可用于蛋白质、核酸、细胞等生物分子的检测和成像研究。通过标记荧光探针或利用生物分子自身的荧光特性，可获取生物分子在细胞内或生物体内的分布、浓度变化等信息，研究其结构与功能关系以及相互作用机制。

疾病诊断与治疗监测：检测生物标志物用于疾病的早期诊断，如某些癌症相关蛋白或代谢产物的荧光变化可作为癌症早期筛查的依据。在疾病治疗过程中，实时监测药物对细胞内靶点的作用效果，通过观察荧光信号的改变评估治疗效果，为个性化医疗提供支持。

（2）材料科学领域

荧光材料研究：对各类荧光材料，如有机荧光染料、量子点、荧光聚合物等进行性能测试和表征。研究其荧光发射波长、强度、量子产率等参数，优化材料的分子结构和合成工艺，开发具有特定发光性能的新型荧光材料，应用于显示技术（如有机发光二极管显示器）、照明（如荧光灯）、生物标记（如荧光免疫分析）等领域。例如，通过激光诱导荧光光谱分析量子点的荧光特性，调整其尺寸和组成，以实现所需的发光颜色和效率。

半导体材料检测：检测半导体材料中的杂质、缺陷态等，评估材料质量。杂质和缺陷会影响半导体材料的电子结构，进而改变其荧光特性。通过分析激光诱导荧光光谱，确定杂质的种类、浓度和缺陷的类型、密度等，为半导体器件的制备和性能优化提供依据。

纳米材料表征：研究纳米材料的尺寸、形貌、表面状态等对荧光特性的影响。纳米材料的荧光性能与其尺寸和表面修饰密切相关，利用激光诱导荧光光谱技术可以获取纳米材料的光学性质信息，探索其在生物医学（如药物载体、生物传感器）、光电器件（如太阳能电池、光电探测器）等领域的应用潜力。

（3）环境科学领域

水质监测：检测水中的污染物，包括重金属离子（如汞离子、铅离子等）、有机污染物（如多环芳烃、农药残留等）以及微生物（如藻类等）。重金属离子与特定试剂反应后的荧光络合物、有机污染物本身的荧光特性以及微生物中的叶绿素等荧光物质，都可以通过激光诱导荧光光谱进行检测。通过测量荧光光谱的变化，快速、灵敏地监测水质污染情况，评估水体的质量和安全性，为水资源保护和污染治理提供依据。

大气污染物检测：对大气中的气态污染物，如二氧化硫、氮氧化物等，以及颗粒物中的荧光成分进行检测和分析。气态污染物与荧光试剂反应后的荧光产物，以及颗粒物中来自燃烧过程等的荧光物质，可利用激光诱导荧光光谱技术进行监测。了解大气污染物的来源、组成和浓度变化，研究大气化学过程，为大气污染治理和空气质量改善提供数据支持。

（4）化学分析领域

物质定性定量分析：根据化合物在激光激发下产生的荧光光谱特征峰位、强度和形状等信息，对有机和无机化合物进行定性分析，确定化合物的种类。同时，利用荧光强度与浓度在一定范围内的线性关系，通过制备标准曲线，对化合物进行定量测定。广泛应用于药物分析（如药物纯度测定、药物代谢产物分析）、食品分析（如食品营养成分检测、食品添加剂和污染物分析）、化工产品质量控制（如原材料和成品的成分分析）等领域。例如，在药物研发过程中，通过激光诱导荧光光谱对药物分子及其杂质进行定性和定量分析，确保药物质量和安全性。

化学反应动力学研究：实时监测化学反应过程中荧光物质的生成或消失，通过激光诱导荧光光谱的变化研究反应速率、反应机理等动力学参数。在酶催化反应、光化学反应等过程中，底物或产物具有荧光特性时，可跟踪反应进程，确定反应速率方程，揭示反应的微观机制，为化学反应的优化和催化剂的设计提供理论依据。例如，研究酶催化水解反应中底物荧光强度随时间的变化，计算反应速率常数，了解酶的催化活性和反应动力学特性。

（5）其他领域

刑侦领域：在物证检验中，利用激光诱导荧光光谱分析犯罪现场遗留的微量物证，如纤维、油漆、墨水等的荧光特性，通过与已知样本对比，为案件侦破提供线索。例如，检测犯罪现场纤维上的荧光染料成分，确定其来源和可能的关联。

（一）测量系统组成

激光器：激光器是关键组成部分，具有方向性好、单色性佳、参数可精确控制、相干性强、强度大等特性。这些特性使得激光诱导荧光检测器的信噪比大大增强，能够提供高强度的激发光，以确保足够的分子被激发产生荧光信号，同时其良好的单色性有助于减少杂散光干扰，提高检测的选择性和灵敏度。

光谱仪：光谱仪是整个系统的核心部分，用于接收荧光信号并进行光电信号转化。

荧光探头：用于传输激光信号只样品，用于激发样品荧光信号，再收集样品发出的荧光信号，并传输至光谱仪。

定制采样附件：用于固定光纤探头，满足不同样品的测量需求。

（二）系统搭建示意

使用激光诱导荧光光谱仪测试样品的荧光光谱，需要将荧光探头的尾端光纤分别与拉曼光谱仪主机的光谱仪接口和激光器接口相连，在再将探头放入可调节支架上，根据所测光谱数据调节探头与样品间的距离，选择最佳距离固定后测试样品的荧光光谱，详细搭建示意图如下。

图2 荧光测量搭建示意图

表1 推荐配置

5.1 实验样品及设备搭建

使用由提供的LIFS-405激光诱导荧光光谱仪测试涂料的荧光光谱，样品以米白色纸张为基底，上涂有涂层的四种涂层样品，通过荧光测试，可以实现不同涂料的区分，测试样品和设备搭建如下图所示。

图3 实验样品

图4 测试场景图

5.2 实验数据

1#涂层样品的激光诱导荧光光谱如图5所示。从图中可以看出，在400nm-750nm之间采集到了顶部较为平滑的荧光光谱，为1#涂层样品的荧光光谱。

图5 1#涂层荧光光谱

2#涂层样品的激光诱导荧光光谱如图6所示。从图中可以看出，在400nm-750nm之间采集到了顶部较为尖锐的荧光光谱，为2#涂层样品的荧光光谱。

图6 2#涂层荧光光谱

3#涂层样品的激光诱导荧光光谱如图7所示。从图中可以看出，在400nm-750nm之间采集到了顶部较为尖锐且有肩峰的荧光光谱，为3#涂层样品的荧光光谱。

图7 3#涂层荧光光谱

4#涂层样品的激光诱导荧光光谱如图8所示。从图中可以看出，在400nm-750nm之间采集到了顶部较为尖锐且有肩峰的荧光光谱，为4#涂层样品的荧光光谱。

图8 4#涂层荧光光谱

4种涂层样品的激光诱导荧光光谱对比如图9所示。从图中可以看出，4种涂层样品的荧光光谱都在400nm-750nm之间，其中3#与4#涂层样品的荧光光谱较为相似，但在相同激发条件下，3#涂层样品的光谱响应远高于4#涂层样品；1#与2#涂层的荧光光谱能明显判别。

图9 4种涂层荧光光谱对比

5.3 实验结论

使用LIFS激光诱导荧光光谱仪，可以精准测量材料的荧光光谱，实现四种涂料的有效区分。