熒光壽命成像（FLIM）在工業(yè)中的應(yīng)用案例
【引言】
熒光壽命成像（Fluorescence Lifetime Imaging，F(xiàn)LIM）通常應(yīng)用于生命科學(xué)領(lǐng)域。然而，F(xiàn)LIM 是否真的僅限于此？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(shí)間或衰減時(shí)間等術(shù)語，都與熒光現(xiàn)象密切相關(guān)。在現(xiàn)代光學(xué)顯微鏡應(yīng)用中，這一現(xiàn)象被廣泛用于標(biāo)記細(xì)胞或細(xì)胞成分、可視化代謝過程、區(qū)分反應(yīng)產(chǎn)物，或者通過發(fā)光特性的變化來測(cè)量諸如氧分壓等二級(jí)參數(shù)。
在文獻(xiàn)中 “熒光”常常與“光致發(fā)光”互換使用，而后者實(shí)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，通常可以利用光學(xué)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(cè)量中，既可以利用光強(qiáng)和偏振作為測(cè)量參數(shù)，也可以利用分子在激發(fā)態(tài)的停留時(shí)間——因?yàn)榉肿影l(fā)光會(huì)按照特有的衰減時(shí)間逐漸減弱，在停止激發(fā)后，這一特征依然可測(cè)量。因此，衰減時(shí)間（Decay Time）或壽命（Lifetime）是另一項(xiàng)描述熒光的重要參數(shù)，適合作為額外的測(cè)量指標(biāo)。
尤其在光學(xué)化學(xué)傳感器領(lǐng)域（如氧氣、pH、二氧化碳、溫度等），每次測(cè)量都必須對(duì)探測(cè)器/相機(jī)與化學(xué)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。在這些場(chǎng)景中，作為不受染料分子數(shù)量或激發(fā)光強(qiáng)度影響的測(cè)量參數(shù)，熒光壽命顯然更具優(yōu)勢(shì)。
FLIM 的成像方法
除了利用單點(diǎn)探測(cè)器逐點(diǎn)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(jī)系統(tǒng)也不斷發(fā)展。這類系統(tǒng)包括：像增強(qiáng)器相機(jī)（如 Photonscore 的 LinCam）、可調(diào)制 CMOS 傳感器相機(jī)（如 埃賽力達(dá)的 pco.flim X），以及基于 SPAD 陣列的新型相機(jī)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(rèn)知中，F(xiàn)LIM 主要應(yīng)用于生命科學(xué)，但它的應(yīng)用潛力遠(yuǎn)不止于此。
案例一：廢木材回收
羅森海姆應(yīng)用技術(shù)大學(xué)與亞琛應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，聯(lián)合科研與產(chǎn)業(yè)伙伴，在德國(guó)聯(lián)邦教育與研究部（BMBF）的資助下，成功開展了 FrIDAH 項(xiàng)目（廢木材的熒光識(shí)別）。研究的目標(biāo)是探討能否通過機(jī)器人輔助的 FLIM 技術(shù)對(duì)廢木材碎片進(jìn)行檢測(cè)，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(jī)的機(jī)械臂拾取木材并放置在測(cè)試臺(tái)上進(jìn)行熒光壽命測(cè)量；所得圖像由訓(xùn)練好的分類網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)分析，隨后機(jī)械臂將樣品放入相應(yīng)的分類結(jié)果盒中。圖 1 展示了兩塊木材樣品的結(jié)果。
圖1：使用 FD（頻域）-FLIM 相機(jī) pco.flim在示范裝置中對(duì)木材樣品進(jìn)行測(cè)試。圖中展示了木材樣品的歸一化熒光（假彩色編碼）以及對(duì)應(yīng)的相位圖（Phasor Plot）。相位圖顯示了不同的熒光壽命，由分類器進(jìn)行判別。熒光信號(hào)區(qū)間約在 0.1–0.35，表明信號(hào)強(qiáng)度足夠。圖片來源：羅森海姆應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，M. Versen 教授。
案例二：太陽能電池質(zhì)量控制
另一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景是太陽能電池的質(zhì)量控制。鈣鈦礦與硅結(jié)合可用于新型太陽能電池，這種電池能夠利用更長(zhǎng)波長(zhǎng)的光進(jìn)行發(fā)電，從而提升能量轉(zhuǎn)換效率。在這里，鈣鈦礦的熒光壽命會(huì)受到鈣鈦礦與硅的混合比例影響。圖2展示了一種半導(dǎo)體樣品的測(cè)試結(jié)果，其熒光壽命在 100ns 以上。
圖2：鈣鈦礦–硅樣品的測(cè)量結(jié)果（從左至右）：熒光強(qiáng)度圖；熒光壽命分布的假彩色圖（單位 ns）；以熒光強(qiáng)度作為亮度權(quán)重的壽命分布圖；以及基于調(diào)制指數(shù)推導(dǎo)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(shù)塑料在合適的激發(fā)條件下都會(huì)產(chǎn)生熒光。這使得在不同環(huán)境中識(shí)別和區(qū)分微塑料顆粒成為可能。對(duì)單獨(dú)塑料樣品的測(cè)試結(jié)果顯示，F(xiàn)LIM 數(shù)據(jù)能夠有效區(qū)分不同塑料材料。
進(jìn)一步的應(yīng)用還包括環(huán)境分析或水產(chǎn)品質(zhì)量控制，例如檢測(cè)魚類肌肉組織是否受到微塑料污染。在這些檢測(cè)中，F(xiàn)LIM 可作為高光譜或多光譜方法的補(bǔ)充。
圖3：埃賽力達(dá)的FD-FLIM相機(jī)，pco.flim X。
總結(jié)與展望
以上只是 FLIM 在工業(yè)應(yīng)用中的部分實(shí)例。其潛在應(yīng)用還可擴(kuò)展至安全技術(shù)，例如利用特殊染料標(biāo)記來監(jiān)測(cè)氧氣濃度及其他工藝參數(shù)；在工藝監(jiān)測(cè)和包裝工業(yè)中同樣具備應(yīng)用價(jià)值。
由此可見，基于圖像的熒光壽命測(cè)量在工業(yè)領(lǐng)域擁有廣泛的發(fā)展前景。
【關(guān)于埃賽力達(dá) Excelitas】
埃賽力達(dá)是一家領(lǐng)先的技術(shù)供應(yīng)商，致力于研發(fā)對(duì)生活產(chǎn)生積極影響的創(chuàng)新技術(shù)，服務(wù)對(duì)象涵蓋生命科學(xué)、先進(jìn)工業(yè)、新一代半導(dǎo)體及航空電子等終端市場(chǎng)的全球領(lǐng)先企業(yè)。公司總部位于美國(guó)賓夕法尼亞州匹茲堡，是設(shè)計(jì)、開發(fā)和制造先進(jìn)技術(shù)的重要合作伙伴，專注于傳感、探測(cè)、成像、光學(xué)及特種照明領(lǐng)域的前沿創(chuàng)新，客戶遍布全球。埃賽力達(dá)處于應(yīng)對(duì)當(dāng)今全球重要發(fā)展趨勢(shì)的前沿陣地，這些趨勢(shì)包括精準(zhǔn)醫(yī)療、工業(yè)自動(dòng)化、人工智能以及物聯(lián)網(wǎng)等。
廣州市元奧儀器有限公司（www.gzyaco.com）作為德國(guó)Excelitas PCO公司攝像機(jī)在中國(guó)的一級(jí)代理商，為客戶提供各種成像系統(tǒng)解決方案，如對(duì)相關(guān)產(chǎn)品感到興趣，歡迎隨時(shí)聯(lián)系交流。
熒光壽命成像（Fluorescence Lifetime Imaging，F(xiàn)LIM）通常應(yīng)用于生命科學(xué)領(lǐng)域。然而，F(xiàn)LIM 是否真的僅限于此？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(shí)間或衰減時(shí)間等術(shù)語，都與熒光現(xiàn)象密切相關(guān)。在現(xiàn)代光學(xué)顯微鏡應(yīng)用中，這一現(xiàn)象被廣泛用于標(biāo)記細(xì)胞或細(xì)胞成分、可視化代謝過程、區(qū)分反應(yīng)產(chǎn)物，或者通過發(fā)光特性的變化來測(cè)量諸如氧分壓等二級(jí)參數(shù)。
在文獻(xiàn)中 “熒光”常常與“光致發(fā)光”互換使用，而后者實(shí)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，通常可以利用光學(xué)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(cè)量中，既可以利用光強(qiáng)和偏振作為測(cè)量參數(shù)，也可以利用分子在激發(fā)態(tài)的停留時(shí)間——因?yàn)榉肿影l(fā)光會(huì)按照特有的衰減時(shí)間逐漸減弱，在停止激發(fā)后，這一特征依然可測(cè)量。因此，衰減時(shí)間（Decay Time）或壽命（Lifetime）是另一項(xiàng)描述熒光的重要參數(shù)，適合作為額外的測(cè)量指標(biāo)。
尤其在光學(xué)化學(xué)傳感器領(lǐng)域（如氧氣、pH、二氧化碳、溫度等），每次測(cè)量都必須對(duì)探測(cè)器/相機(jī)與化學(xué)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。在這些場(chǎng)景中，作為不受染料分子數(shù)量或激發(fā)光強(qiáng)度影響的測(cè)量參數(shù)，熒光壽命顯然更具優(yōu)勢(shì)。
FLIM 的成像方法
除了利用單點(diǎn)探測(cè)器逐點(diǎn)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(jī)系統(tǒng)也不斷發(fā)展。這類系統(tǒng)包括：像增強(qiáng)器相機(jī)（如 Photonscore 的 LinCam）、可調(diào)制 CMOS 傳感器相機(jī)（如 埃賽力達(dá)的 pco.flim X），以及基于 SPAD 陣列的新型相機(jī)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(rèn)知中，F(xiàn)LIM 主要應(yīng)用于生命科學(xué)，但它的應(yīng)用潛力遠(yuǎn)不止于此。
案例一：廢木材回收
羅森海姆應(yīng)用技術(shù)大學(xué)與亞琛應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，聯(lián)合科研與產(chǎn)業(yè)伙伴，在德國(guó)聯(lián)邦教育與研究部（BMBF）的資助下，成功開展了 FrIDAH 項(xiàng)目（廢木材的熒光識(shí)別）。研究的目標(biāo)是探討能否通過機(jī)器人輔助的 FLIM 技術(shù)對(duì)廢木材碎片進(jìn)行檢測(cè)，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(jī)的機(jī)械臂拾取木材并放置在測(cè)試臺(tái)上進(jìn)行熒光壽命測(cè)量；所得圖像由訓(xùn)練好的分類網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)分析，隨后機(jī)械臂將樣品放入相應(yīng)的分類結(jié)果盒中。圖 1 展示了兩塊木材樣品的結(jié)果。
案例二：太陽能電池質(zhì)量控制
另一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景是太陽能電池的質(zhì)量控制。鈣鈦礦與硅結(jié)合可用于新型太陽能電池，這種電池能夠利用更長(zhǎng)波長(zhǎng)的光進(jìn)行發(fā)電，從而提升能量轉(zhuǎn)換效率。在這里，鈣鈦礦的熒光壽命會(huì)受到鈣鈦礦與硅的混合比例影響。圖2展示了一種半導(dǎo)體樣品的測(cè)試結(jié)果，其熒光壽命在 100ns 以上。
圖2：鈣鈦礦–硅樣品的測(cè)量結(jié)果（從左至右）：熒光強(qiáng)度圖；熒光壽命分布的假彩色圖（單位 ns）；以熒光強(qiáng)度作為亮度權(quán)重的壽命分布圖；以及基于調(diào)制指數(shù)推導(dǎo)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(shù)塑料在合適的激發(fā)條件下都會(huì)產(chǎn)生熒光。這使得在不同環(huán)境中識(shí)別和區(qū)分微塑料顆粒成為可能。對(duì)單獨(dú)塑料樣品的測(cè)試結(jié)果顯示，F(xiàn)LIM 數(shù)據(jù)能夠有效區(qū)分不同塑料材料。
進(jìn)一步的應(yīng)用還包括環(huán)境分析或水產(chǎn)品質(zhì)量控制，例如檢測(cè)魚類肌肉組織是否受到微塑料污染。在這些檢測(cè)中，F(xiàn)LIM 可作為高光譜或多光譜方法的補(bǔ)充。
總結(jié)與展望
以上只是 FLIM 在工業(yè)應(yīng)用中的部分實(shí)例。其潛在應(yīng)用還可擴(kuò)展至安全技術(shù)，例如利用特殊染料標(biāo)記來監(jiān)測(cè)氧氣濃度及其他工藝參數(shù)；在工藝監(jiān)測(cè)和包裝工業(yè)中同樣具備應(yīng)用價(jià)值。
由此可見，基于圖像的熒光壽命測(cè)量在工業(yè)領(lǐng)域擁有廣泛的發(fā)展前景。
【關(guān)于埃賽力達(dá) Excelitas】
埃賽力達(dá)是一家領(lǐng)先的技術(shù)供應(yīng)商，致力于研發(fā)對(duì)生活產(chǎn)生積極影響的創(chuàng)新技術(shù)，服務(wù)對(duì)象涵蓋生命科學(xué)、先進(jìn)工業(yè)、新一代半導(dǎo)體及航空電子等終端市場(chǎng)的全球領(lǐng)先企業(yè)。公司總部位于美國(guó)賓夕法尼亞州匹茲堡，是設(shè)計(jì)、開發(fā)和制造先進(jìn)技術(shù)的重要合作伙伴，專注于傳感、探測(cè)、成像、光學(xué)及特種照明領(lǐng)域的前沿創(chuàng)新，客戶遍布全球。埃賽力達(dá)處于應(yīng)對(duì)當(dāng)今全球重要發(fā)展趨勢(shì)的前沿陣地，這些趨勢(shì)包括精準(zhǔn)醫(yī)療、工業(yè)自動(dòng)化、人工智能以及物聯(lián)網(wǎng)等。
廣州市元奧儀器有限公司（www.gzyaco.com）作為德國(guó)Excelitas PCO公司攝像機(jī)在中國(guó)的一級(jí)代理商，為客戶提供各種成像系統(tǒng)解決方案，如對(duì)相關(guān)產(chǎn)品感到興趣，歡迎隨時(shí)聯(lián)系交流。
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