工业荧光寿命成像（FLIM）

——Gerhard Holst博士，埃赛力达高级成像产品与应用科学家

本文来自埃赛力达

【引言】

       荧光寿命成像（Fluorescence Lifetime Imaging，FLIM）通常应用于生命科学领域。然而，FLIM 是否真的仅限于此？它是否也能够在工业中发挥作用？

       寿命（Lifetime）、激发态持续时间或衰减时间等术语，都与荧光现象密切相关。在现代光学显微镜应用中，这一现象被广泛用于标记细胞或细胞成分、可视化代谢过程、区分反应产物，或者通过发光特性的变化来测量诸如氧分压等二级参数。

       在文献中 “荧光”常常与“光致发光”互换使用，而后者实际上包括荧光与磷光，二者都基于吸收高能光与发射低能光。由于斯托克斯位移，通常可以利用光学滤镜将激发光与光子能量更弱的发射光分离。

       在荧光测量中，既可以利用光强和偏振作为测量参数，也可以利用分子在激发态的停留时间——因为分子发光会按照特有的衰减时间逐渐减弱，在停止激发后，这一特征依然可测量。因此，衰减时间（Decay Time）或寿命（Lifetime）是另一项描述荧光的重要参数，适合作为额外的测量指标。尤其在光学化学传感器领域（如氧气、pH、二氧化碳、温度等），每次测量都必须对探测器/相机与化学传感器进行校准。在这些场景中，作为不受染料分子数量或激发光强度影响的测量参数，荧光寿命显然更具优势。

FLIM 的成像方法

       除了利用单点探测器逐点扫描样品以获得二维寿命分布外，近十年来，基于成像传感器的相机系统也不断发展。这类系统包括：像增强器相机（如 Photonscore 的 LinCam）、可调制 CMOS 传感器相机（如 埃赛力达的 pco.flim X），以及基于 SPAD 阵列的新型相机系统（如 PI Imaging 的 512²、Lambert Instruments 的 vTau、Horiba 的 FLIMera、MPD 的 Hermes）。这种方法即是我们所说的荧光寿命成像（FLIM）。在人们的普遍认知中，FLIM 主要应用于生命科学，但它的应用潜力远不止于此。

案例一：废木材回收

       罗森海姆应用技术大学与亚琛应用技术大学，联合科研与产业伙伴，在德国联邦教育与研究部（BMBF）的资助下，成功开展了 FrIDAH 项目（废木材的荧光识别）。研究的目标是探讨能否通过机器人辅助的 FLIM 技术对废木材碎片进行检测，从而使更多废木材得以重新回收利用，而不是直接焚烧。

       具体操作为：带有相机的机械臂拾取木材并放置在测试台上进行荧光寿命测量；所得图像由训练好的分类网络实时分析，随后机械臂将样品放入相应的分类结果盒中。图 1 展示了两块木材样品的结果。

       图1：使用 FD（频域）-FLIM 相机 pco.flim在示范装置中对木材样品进行测试。图中展示了木材样品的归一化荧光（假彩色编码）以及对应的相位图（Phasor Plot）。相位图显示了不同的荧光寿命，由分类器进行判别。荧光信号区间约在 0.1–0.35，表明信号强度足够。图片来源：罗森海姆应用技术大学，M. Versen 教授。

案例二：太阳能电池质量控制

       另一个应用场景是太阳能电池的质量控制。钙钛矿与硅结合可用于新型太阳能电池，这种电池能够利用更长波长的光进行发电，从而提升能量转换效率。在这里，钙钛矿的荧光寿命会受到钙钛矿与硅的混合比例影响。图2展示了一种半导体样品的测试结果，其荧光寿命在 100ns 以上。

       图2：钙钛矿–硅样品的测量结果（从左至右）：荧光强度图；荧光寿命分布的假彩色图（单位 ns）；以荧光强度作为亮度权重的寿命分布图；以及基于调制指数推导出的荧光寿命分布假彩色图（单位 ns）。图片来源：: Excelitas PCO GmbH。

案例三：塑料与环境分析

       研究还表明，大多数塑料在合适的激发条件下都会产生荧光。这使得在不同环境中识别和区分微塑料颗粒成为可能。对单独塑料样品的测试结果显示，FLIM 数据能够有效区分不同塑料材料。

       进一步的应用还包括环境分析或水产品质量控制，例如检测鱼类肌肉组织是否受到微塑料污染。在这些检测中，FLIM 可作为高光谱或多光谱方法的补充。

       图3：埃赛力达的FD-FLIM相机，pco.flim X。

总结与展望

       以上只是 FLIM 在工业应用中的部分实例。其潜在应用还可扩展至安全技术，例如利用特殊染料标记来监测氧气浓度及其他工艺参数；在工艺监测和包装工业中同样具备应用价值。由此可见，基于图像的荧光寿命测量在工业领域拥有广泛的发展前景。

【关于埃赛力达 Excelitas】

       埃赛力达是一家领先的技术供应商，致力于研发对生活产生积极影响的创新技术，服务对象涵盖生命科学、先进工业、新一代半导体及航空电子等终端市场的领先企业。公司总部位于美国宾夕法尼亚州匹兹堡，是设计、开发和制造先进技术的重要合作伙伴，专注于传感、探测、成像、光学及特种照明领域的前沿创新，客户遍布世界。埃赛力达处于应对当今全世界重要发展趋势的前沿阵地，这些趋势包括精准医疗、工业自动化、人工智能以及物联网等。

       广州市元奥仪器有限公司（www.gzyaco.com）作为德国Excelitas PCO公司摄像机在中国的一级代理商，为客户提供各种成像系统解决方案，如对相关产品感到兴趣，欢迎随时联系交流。