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工業(yè)熒光壽命成像（FLIM）
工業(yè)熒光壽命成像（FLIM）
——Gerhard Holst博士，埃賽力達高級成像產品與應用科學家
本文來自埃賽力達
【引言】
熒光壽命成像（Fluorescence Lifetime Imaging，FLIM）通常應用于生命科學領域。然而，FLIM 它是否也能夠在工業(yè)中發(fā)揮作用？
壽命（Lifetime）、激發(fā)態(tài)持續(xù)時間或衰減時間等術語，都與熒光現象密切相關。在現代光學顯微鏡應用中，這一現象被用于標記細胞或細胞成分、可視化代謝過程、區(qū)分反應產物，或者通過發(fā)光特性的變化來測量諸如氧分壓等二級參數。
在文獻中 “熒光”常常與“光致發(fā)光”互換使用，而后者實際上包括熒光與磷光，二者都基于吸收高能光與發(fā)射低能光。由于斯托克斯位移，通?？梢岳霉鈱W濾鏡將激發(fā)光與光子能量更弱的發(fā)射光分離。
在熒光測量中，既可以利用光強和偏振作為測量參數，也可以利用分子在激發(fā)態(tài)的停留時間——因為分子發(fā)光會按照特有的衰減時間逐漸減弱，在停止激發(fā)后，這一特征依然可測量。因此，衰減時間（Decay Time）或壽命（Lifetime）是另一項描述熒光的重要參數，適合作為額外的測量指標。
尤其在光學化學傳感器領域（如氧氣、pH、二氧化碳、溫度等），每次測量都必須對探測器/相機與化學傳感器進行校準。在這些場景中，作為不受染料分子數量或激發(fā)光強度影響的測量參數，熒光壽命顯然更具優(yōu)勢。
FLIM的成像方法
除了利用單點探測器逐點掃描樣品以獲得二維壽命分布外，近十年來，基于成像傳感器的相機系統(tǒng)也不斷發(fā)展。這類系統(tǒng)包括：像增強器相機（如 Photonscore 的 LinCam）、可調制 CMOS 傳感器相機（如 埃賽力達的 pco.flim X），以及基于 SPAD 陣列的新型相機系統(tǒng)（如 PI Imaging 的 5122、Lambert Instruments 的 vTau、Horiba 的 FLIMera、MPD 的Hermes）。這種方法即是我們所說的熒光壽命成像（FLIM）。在人們的普遍認知中，FLIM 主要應用于生命科學，但它的應用潛力遠不止于此。
案例一：廢木材回收
羅森海姆應用技術大學與亞琛應用技術大學，聯合科研與產業(yè)伙伴，在德國聯邦教育與研究部（BMBF）的資助下，成功開展了 FrIDAH 項目（廢木材的熒光識別）。研究的目標是探討能否通過機器人輔助的 FLIM 技術對廢木材碎片進行檢測，從而使更多廢木材得以重新回收利用，而不是直接焚燒。
具體操作為：帶有相機的機械臂拾取木材并放置在測試臺上進行熒光壽命測量；所得圖像由訓練好的分類網絡實時分析，隨后機械臂將樣品放入相應的分類結果盒中。圖 1 展示了兩塊木材樣品的結果。
圖1：使用 FD（頻域）-FLIM 相機 pco.flim在示范裝置中對木材樣品進行測試。圖中展示了木材樣品的歸一化熒光（假彩色編碼）以及對應的相位圖（Phasor Plot）。相位圖顯示了不同的熒光壽命，由分類器進行判別。熒光信號區(qū)間約在 0.1–0.35，表明信號強度足夠。圖片來源：羅森海姆應用技術大學，M. Versen 教授。
案例二：太陽能電池質量控制
另一個應用場景是太陽能電池的質量控制。鈣鈦礦與硅結合可用于新型太陽能電池，這種電池能夠利用更長波長的光進行發(fā)電，從而提升能量轉換效率。在這里，鈣鈦礦的熒光壽命會受到鈣鈦礦與硅的混合比例影響。圖2展示了一種半導體樣品的測試結果，其熒光壽命在 100ns 以上。
圖2：鈣鈦礦–硅樣品的測量結果（從左至右）：熒光強度圖；熒光壽命分布的假彩色圖（單位 ns）；以熒光強度作為亮度權重的壽命分布圖；以及基于調制指數推導出的熒光壽命分布假彩色圖（單位 ns）。圖片來源：: Excelitas PCO GmbH。
案例三：塑料與環(huán)境分析
研究還表明，大多數塑料在合適的激發(fā)條件下都會產生熒光。這使得在不同環(huán)境中識別和區(qū)分微塑料顆粒成為可能。對單獨塑料樣品的測試結果顯示，FLIM 數據能夠有效區(qū)分不同塑料材料。
進一步的應用還包括環(huán)境分析或水產品質量控制，例如檢測魚類肌肉組織是否受到微塑料污染。在這些檢測中，FLIM 可作為高光譜或多光譜方法的補充。
圖3：埃賽力達的FD-FLIM相機，pco.flimX。
總結與展望
以上只是 FLIM 在工業(yè)應用中的部分實例。其潛在應用還可擴展至安全技術，例如利用特殊染料標記來監(jiān)測氧氣濃度及其他工藝參數；在工藝監(jiān)測和包裝工業(yè)中同樣具備應用價值。由此可見，基于圖像的熒光壽命測量在工業(yè)領域擁有很好的發(fā)展前景。
【關于埃賽力達 Excelitas】
埃賽力達是一家**的技術供應商，致力于研發(fā)對生活產生積極影響的創(chuàng)新技術，服務對象涵蓋生命科學、先進工業(yè)、新一代半導體及航空電子等終端市場的全球企業(yè)。公司總部位于美國賓夕法尼亞州匹茲堡，是設計、開發(fā)和制造先進技術的重要合作伙伴，專注于傳感、探測、成像、光學及特種照明領域的前沿創(chuàng)新，客戶遍布全球。埃賽力達處于應對當今全球重要發(fā)展趨勢的前沿陣地，這些趨勢包括精細醫(yī)療、工業(yè)自動化、人工智能以及物聯網等。
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