無需染料的染料衰減：利用短波紅外線成像量化濃度場

核心概念

本文介紹了一種利用短波紅外線成像技術量化流體濃度場的新方法，無需添加染料，適用於生物系統或具有強烈化學反應的系統。

摘要

無需染料的染料衰減：利用短波紅外線成像量化濃度場

研究背景

染料衰減法是一種常用的光學技術，用於測量示蹤劑濃度場和流體厚度。然而，該技術依賴於染料運動僅受液體運動影響的假設，這在某些系統中並不成立，例如：

• 生物系統：染料可能會影響生物體的新陳代謝或行為。
• 具有強烈化學反應的系統：染料的運動可能與流體不同，或影響系統的化學反應。

短波紅外線成像技術

短波紅外線 (SWIR) 成像技術利用物質在短波紅外線區域的吸收特性來追踪流體濃度，無需添加染料。與中波紅外線相比，SWIR 成像的優勢在於：

• 實驗設計更簡便，可以使用標準材料（如玻璃）。
• 市面上已有成熟的 SWIR 相機和光源。

實驗方法

本文使用 SWIR 相機和 1550 nm 紅外線 LED 光源搭建了一套實驗裝置，並通過兩個案例驗證了該技術的可 feasibility：

• 案例一：測量玻璃載玻片上水滴的體積變化。
• 案例二：測量水滴在吸水聚合物片材中的吸收、擴散和蒸發過程。

結果與討論

實驗結果表明，SWIR 成像技術能夠準確地追踪流體濃度場的時空演變，並與質量平衡分析結果吻合良好。

結論與展望

本文提出的 SWIR 成像技術為研究生物系統或具有強烈化學反應的系統中的流體動力學提供了一種新的方法。未來，該技術有望應用於：

• 多相流的定量追踪。
• 化學反應過程的監測。

統計資料

水在 1450 nm 和 1930 nm 處有吸收帶。
實驗選擇了 1550 nm 附近的吸收峰右側進行 SWIR 染料衰減實驗。
水的有效衰減係數 µw 估計為 0.542。
水凝膠吸收的水的衰減係數 µg 估計為 0.594。

引述

"In this paper, we demonstrate how the concepts of dye attenuation can be extended towards tracking many normally transparent bulk liquids by using parts of the electromagnetic spectrum that do not coincide with the visible spectrum."
"In conclusion, we have presented an experimental setup that, working in the short-wave infrared region, allows fluid thicknesses to be measured optically without the need to add dye to the system for heights down to 0.2 mm with spatial and temporal resolutions of the order of 50 µm per pixel and 120 fps respectively."

從以下內容提煉的關鍵洞見

Dye Attenuation Without Dye: Quantifying Concentration Fields with Short-wave Infrared Imaging

by George T. Fo... 於 arxiv.org 11-04-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.00740.pdf

深入探究

這項技術能否應用於追踪氣體或固體顆粒的濃度場？

這項技術 原則上可以 應用於追踪氣體或固體顆粒的濃度場，但需要克服一些挑戰。
氣體：

吸收譜線： 許多氣體在短波紅外線 (SWIR) 區域具有獨特的吸收譜線。通過選擇合適的波長，可以追踪特定氣體的濃度。
濃度與吸收的關係： 氣體的吸收通常遵循比爾-朗伯定律，但需要考慮壓力和溫度的影響。
靈敏度： 與液體相比，氣體的濃度通常較低，因此需要更高的系統靈敏度。
固體顆粒：

散射： 固體顆粒會強烈散射 SWIR 光，這會使圖像模糊並難以量化濃度。
顆粒大小和形狀： 散射效率取決於顆粒的大小和形狀，這使得定量分析變得複雜。
穿透深度： SWIR 光在許多固體材料中的穿透深度有限，這限制了該技術的適用性。
總之， 雖然 SWIR 成像可以用於追踪氣體或固體顆粒的濃度場，但需要仔細考慮這些挑戰並進行適當的校準和數據分析。

如何解決 SWIR 成像在生物組織等複雜介質中的散射問題？

SWIR 成像在生物組織等複雜介質中面臨著嚴重的散射問題，這會降低圖像的對比度和分辨率。以下是一些解決方案：

選擇合適的波長： 生物組織在 SWIR 區域的某些波段（例如，1000-1350 nm 和 1600-1850 nm）的散射較低，稱為「生物窗口」。選擇這些波段可以減少散射的影響。
使用偏振技術： 偏振光可以減少散射光的影響，提高圖像對比度。
應用空間濾波技術： 空間濾波技術，例如共焦顯微鏡和光片顯微鏡，可以選擇性地收集來自樣品焦平面的光，從而減少散射光的影響。
基於模型的圖像重建： 利用光在組織中傳播的數學模型，可以開發算法來校正散射效應，並從模糊的圖像中重建高分辨率圖像。
總之， 通過結合這些方法，可以有效地減少 SWIR 成像在生物組織中的散射問題，提高成像質量。

如果將 SWIR 成像技術與其他成像技術（如熒光成像）相結合，會產生哪些新的應用？

將 SWIR 成像技術與其他成像技術（如熒光成像）相結合，可以產生許多新的應用，特別是在生物醫學領域：

多模式成像： 結合 SWIR 和熒光成像可以提供互補的信息。例如，SWIR 可以提供組織的結構信息，而熒光成像可以顯示特定分子的分佈和活性。
深層組織成像： SWIR 光比可見光具有更深的組織穿透深度，而熒光成像可以提供高靈敏度。結合這兩種技術可以實現深層組織中特定分子的成像。
腫瘤診斷和治療： SWIR 成像可以用於區分腫瘤和正常組織，而熒光成像可以用於追踪藥物在體內的輸送和靶向性。結合這兩種技術可以提高腫瘤診斷和治療的準確性和有效性。
藥物開發和篩選： SWIR 和熒光成像可以用於監測藥物在細胞和動物模型中的吸收、分佈、代謝和排泄，從而加速藥物開發和篩選過程。
總之， SWIR 成像與其他成像技術的結合具有巨大的應用潛力，可以為生物醫學研究和臨床診斷提供新的工具和方法。