Лазерная индуцированная флуоресценция

Принципы лазерной индуцированной флуоресценции (ЛИФ)

Лазерная индуцированная флуоресценция (ЛИФ) представляет собой спектроскопический метод, основанный на возбуждении атомов, молекул или ионов с помощью лазерного излучения и регистрации испущенного ими флуоресцентного света. Этот метод отличается исключительно высокой чувствительностью, селективностью и пространственно-временным разрешением, что делает его незаменимым инструментом в области физики, химии, биомедицины, атмосферных и плазменных исследований.

Физическая основа метода

Воздействие монохроматического лазерного излучения на исследуемую систему приводит к возбуждению частиц с нижнего энергетического уровня на более высокий. Возбуждённое состояние нестабильно, и спустя характерное время (наносекунды для атомов, до микросекунд для некоторых молекул) частица возвращается в более низкое состояние, излучая фотон — это и есть флуоресценция. Спектральные, поляризационные и временные характеристики этого излучения несут информацию о структуре, плотности, температуре и динамике среды.

В простейшем случае реализуется двухуровневая система возбуждения:

A + hν_лазера → A^* → A + hν_{флуоресценции}

где A — частица в основном состоянии, A^* — возбужденное состояние.

Типы возбуждения

ЛИФ может быть реализована как в однофотонном, так и в многофотонном режимах:

Однофотонное возбуждение применимо при наличии резонансного перехода в пределах диапазона лазера (обычно ультрафиолетового или видимого). Такой подход прост в реализации, но ограничен по выбору переходов.
Двух- и многофотонное возбуждение позволяет использовать инфракрасные лазеры для возбуждения переходов, лежащих в УФ-области, что особенно важно для биологических и прозрачных материалов. Кроме того, данный режим обеспечивает локализованное возбуждение в фокусе лазера.

Спектральная избирательность

Высокая монохроматичность лазерного источника позволяет возбуждать строго определённые энергетические уровни, что обеспечивает:

высокую селективность в отношении вида атома/молекулы;
подавление фонового излучения;
возможность спектральной идентификации компонентов в сложной многокомпонентной среде.

Поляризация и анизотропия

Флуоресценция обладает определённой поляризацией, зависящей от поляризации возбуждающего излучения. Изучение поляризационных свойств флуоресценции позволяет получать сведения о симметрии молекул, их вращательной динамике, выравнивании и ориентации.

Временное разрешение

Использование импульсных лазеров (наносекундный, пикосекундный, фемтосекундный диапазоны) в сочетании с временно разрешённой регистрацией флуоресценции позволяет исследовать:

времена жизни возбужденных состояний;
механизмы релаксации и переходов между уровнями;
кинетику реакций в газах, жидкостях и плазме.

Пространственное разрешение

Фокусировка лазерного пучка позволяет возбуждать строго ограниченную область пространства. При сканировании лазерного пятна реализуется лазерная флуоресцентная микроскопия и томография, позволяющая восстанавливать пространственные распределения концентраций, температур и скоростей в среде.

Формула интенсивности флуоресценции

Интенсивность флуоресценции I_фл пропорциональна плотности частиц N, поглощательной способности перехода (через поглощательное сечение σ) и плотности фотонов возбуждающего лазерного излучения I_лаз:

I_фл ∝ N ⋅ σ ⋅ I_лаз ⋅ Φ

где Φ — квантовый выход флуоресценции (доля возбужденных частиц, испускающих фотон при релаксации).

В насыщенном режиме возбуждения (при очень высоких плотностях фотонов) интенсивность выходит на плато — режим насыщенной ЛИФ, что используется для калибровки и диагностики.

Применение ЛИФ в лазерной физике

Диагностика плазмы. ЛИФ широко применяется для измерения плотности, температуры, состава и скоростей ионов и нейтральных частиц в газоразрядной, лазерно-индуцированной и термоядерной плазме. Благодаря высокой селективности метод позволяет различать изотопы и ионные состояния.
Измерение скоростей (лазерная доплеровская ЛИФ). Путём анализа доплеровского сдвига флуоресценции можно определить векторную скорость частиц. Это важно в аэродинамике, турбулентной гидродинамике, исследовании струй и реактивных потоков.
Измерение концентраций в химических реакциях. В исследованиях пламени, сгорания, атмосферной химии ЛИФ применяется для количественного анализа радикалов (OH, NO, CH и др.) на уровне ppb (parts per billion).
Биомедицинские исследования. Флуоресцентная визуализация тканей, клеток, молекул (например, флуорофорных маркеров) позволяет изучать процессы на молекулярном уровне. Используются флуоресцентные зонды с лазерной активацией.
Исследование газовых потоков и аэрозолей. ЛИФ позволяет визуализировать течение газа, обнаруживать примеси, контролировать выбросы в атмосфере. Особенно эффективно при использовании УФ-лазеров и чувствительных детекторов.

Методы регистрации флуоресценции

Фотодиоды и ФЭУ — для интегральных измерений.
Спектрометры — для спектральной развертки.
Временная корреляция счёта фотонов — при фемто- и пикосекундных временных разрешениях.
Матричные ПЗС-детекторы — в визуализирующих системах (лазерная флуоресцентная томография).
Конфокальная и двухфотонная микроскопия — для пространственно разрешённой диагностики.

Влияние нелинейных эффектов

При высоких плотностях энергии возбуждающего излучения возможно проявление нелинейных эффектов, таких как:

насыщение переходов;
многофотонное поглощение;
фотоионизация возбужденных состояний;
изменение квантового выхода флуоресценции.

Эти эффекты могут быть использованы как для повышения разрешения и чувствительности, так и создавать помехи, требующие учёта при интерпретации данных.

Преимущества и ограничения метода ЛИФ

Преимущества:

высокая чувствительность (до единичных частиц);
высокая селективность;
возможность неинвазивного анализа;
пространственное и временное разрешение;
пригодность к работе в экстремальных условиях (вакуум, высокая температура, плазма).

Ограничения:

необходимость резонансного возбуждения;
наличие флуоресценции у исследуемого объекта;
возможное влияние фонового излучения;
фотоповреждение биологических объектов при высоких мощностях.

Современные направления развития

Фемтосекундная ЛИФ для изучения ультрабыстрых процессов;
ЛИФ с радиочастотной модуляцией для подавления фона;
ЛИФ в комбинации с масс-спектрометрией;
Гиперспектральная ЛИФ — одновременное получение спектров в пространстве и времени;
Нанофлуоресценция — наблюдение за отдельными молекулами;
ЛИФ в экстремальных средах — при высоких давлениях, в жидких металлах, в астрофизических моделях.

Метод лазерной индуцированной флуоресценции остаётся одним из наиболее мощных и универсальных инструментов лазерной физики, находясь на переднем крае экспериментальных исследований в фундаментальной и прикладной науке.