荧光成像系统的应用实例讲解

荧光成像系统的应用实例讲解

创锐光谱

开

课

啦

多功能振镜扫描荧光成像系统

图片配置仅供参考

多功能振镜扫描荧光成像系统，是一种利用激光精密扫描、时间分辨采集和图像处理技术获得材料微纳尺度空间内光物理性质的高精密仪器设备，是目前世界最先进的时间分辨荧光分析仪器之一。主要用于研究半导体微纳尺度样品，光电转换材料，光催化材料以及生物样品等微纳空间尺度内的荧光动力学过程及成像。其主要结构主要包括激光光源、显微镜（正置或倒置均可）、激光扫描装置和探测器等，通过计算机控制来进行全自动、数字化图像采集和处理，可以实现荧光强度共聚焦成像、荧光寿命成像，载流子迁移成像、微纳空间荧光光谱、拉曼光谱采集等多种成像和探测功能。本系统亦可与低温装置、高压装置、（瞬态）光电流/光电电压探测装置和脉冲电压装置等相结合实现多种外场条件下的荧光动力学探测、高空间分辨的光电流成像、电致发光动力学和成像等多种特殊功能。

01

工作原理图

02

软件采集界面

可实现功能

03

荧光成像扫描视频展示

显微镜下的激光快速扫描视频

（2倍加速播放）

钙钛矿薄膜荧光成像扫描视频

（8倍加速播放）

钙钛矿纳米线荧光成像扫描视频

（2倍加速播放）

植物细胞荧光成像扫描视频

（2倍加速播放）

04

系统主要技术参数

一、激光扫描振镜模块.

1、激光光纤输入，配电控光阑系统（调控范围：25μm-2mm）

2、激光扫描成像范围：256x256 像素点，最高 4096x4096 像素点

3、成像放大倍数（zoom）: 1-32 倍

4、最短像素点停留时间：2.1μs

二、TCSPC 模块.

1、时间精度: 7 ps

3、时间窗口：50 ns - 5 μs

4、仪器响应函数（IRF）：≤ 200 ps

5、光谱检测范围：400-1000nm

三、稳态光谱检测模块.

1、光谱仪（配置可根据客户需求调整）

2、焦长：200mm

3、光栅可根据用户样品发射波长范围选配

4、出口耦合 PMT 检测器或CCD

2、光谱检测模式：波长扫描或CCD采集

四、倒置显微镜模块.

1、含照明光源、双色片、滤光片等基本配置

2、物镜：100X、50x、10x、5x（根据客户需求选配）

3、最高空间分辨率：~260nm （取决于物镜和激光/荧光波长）

五、激光器（根据客户需求选配）

六、光电流成像模块（根据客户需求选配）

七、电致发光模块（根据客户需求选配）

八、低温/高压仓模块（根据客户需求选配）

05

应用实例1：荧光强度（寿命成像）

荧光强度和荧光寿命成像为本系统基本功能，可对微纳尺度样品或样品微纳空间结构进行快速的激光扫描的共聚焦荧光成像，可同时获得荧光强度和荧光寿命空间分布信息。

样品：MAPbI3单晶纳米片和MAPbI3纳米线

实验条件：100X  空气镜， 激发波长：405 nm

成像模式：共聚焦激光扫描成像模式

样品：甲胺铅碘钙钛矿多晶薄膜

实验条件：100X（油镜），激发波长：405nm

成像模式：共聚焦激光扫描成像模式

通过分析a到b的荧光强度变化，获取最高空间分辨率可达 ~260 nm（最高空间分辨率达到衍射极限）。可有效识别钙钛矿多晶薄膜中晶粒晶界等复杂结构

样品：植物细胞标本

实验条件：50X， 激发波长：405nm

成像模式：共聚焦激光扫描成像模式

样品：二维 SnSe2（微弱荧光材料）

实验条件：100X（油镜），激发波长：405nm

成像模式：共聚焦激光扫描成像模式

可实现微弱荧光样品的荧光强度

和寿命成像

参考文献：

Xing Zhou ,et al.,Tianyou Zhai*,Adv. Mater. 2015, 27, 8035–8041

06

应用实例2：载流子迁移动力学成像

成像原理：本系统采用激光定点激发和荧光采集振境扫描模式， 可以实现材料平面尺度载流子迁移（diffusion）动力学过程的直观成像。该探测模式通过显微镜后口引入激发光（非通过振境），选择特定位置激发样品，同时荧光采集通道经过振境进入检测器。在成像过程中，激发点位置保持不变，通过扫描振境可实现在样品表面不同位置的荧光扫描采集。基于光生载流子在迁移中的边迁移边复合发光的特点，通过上述成像模式可以实现载流子从激发位置迁移到样品其它位置的动力学过程，实现最为直观的成像探测。其中载流子迁移的动力学过程可以通过采集点（振境扫描的像素位置）和激发点之间的时间信息（TCSPC获取）和距离信息（振境扫描像素距离）体现。通过对荧光动力学过程的拟合，可以同时获得微纳尺寸样品（或样品微纳尺寸空间内）的载流子迁移系数，载流子复合时间（寿命）和载流子迁移距离的探测。

工作原理示意图

工作原理动画演示

样品：钙钛矿纳米线

成像模式：载流子迁移动力学成像

分时成像图

实现动态可视化成像

固定激发－荧光扫描模式获取钙钛矿纳米线的荧光强度的空间分布成像图，在荧光成像中，样品任意位置(x,y)在ｔ时刻下的荧光强度I(t)x,y 正比于该位置t时刻下的载流子浓度 (φ(t)x,y):

因此，该荧光成像图反应了载流子在纳米线中不同时刻的浓度分布变化，该演化过程体现了载流子在浓度梯度驱动下从激发点（高浓度）向纳米线未激发区域（低浓度）的迁移，可通过提取不同位置的荧光动力曲线和拟合得到载流子迁移率、寿命和迁移距离等信息，也可以通过数据分析软件获取纳米线不同时刻下的荧成成像图，并可构建非常直观的荧光强度的动态演化图。

参考文献：

W. Tian, C. Zhao, J. Leng, R. Cui, S. Jin*. J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 12458-12461

样品：钙钛矿多晶薄膜

成像模式：载流子迁移动力学成像

定点激发荧光采集扫描成像和定点提取动力学

►实现复杂多晶结构中的载流子迁移动力学探测

►可以观测载流子在晶粒内部和跨晶粒的迁移过

(注：受限于晶粒大小）

钙钛矿多晶薄膜中表面电荷提取效率成像；Spiro-OMeTAD: 空穴受；PCBM：电子受体

参考文献：

W. Tian, et al., T. Lian*, S. Jin*. Angew. Chem. Intl. Edit., 2016, 55, 13067-13071.

07

应用实例3：荧光光斑扩散成像

基于固定激发-荧光扫描成像模式，通过采集和分析激发后不同时刻下的荧光光斑大小的变化，获得载流子迁移动力学参数。

►适用短距离载流子迁移材料体系

►迁移距离的空间分辨率可以达到：~50 nm

样品：CS2AgBiBr6钙钛矿

成像模式：荧光光斑扩散观测载流子迁移动力学成像

光斑尺寸变大

参考文献

YanfengYin,WenmingTian,*etal.JimingBian,*andShengyeJin*,ACSEnergyLett.2022,7,154−161

样品：钙钛矿薄膜

科研人员利用本系统成功探测到不同聚合物材料在钙钛矿太阳能电池表面钝化作用及其对载流子迁移系数的提高效果

参考文献：

Minhuan Wang, et al. Rational selection of the polymeric structure for interface engineering of perovskite solar cells, Joule, 2022.

08

应用实例4：低温舱内的荧光成像

本荧光成像系统可以和显微镜用低温装置组合，跟据低温装置的参数，选配不同工组距离的物镜，实现荧光信息的高效采集。可进行不同温度下的荧光强度、荧光寿命、载流子迁移、荧光发射谱等多种成像和数据的采集。

样品：MAPbI3 纳米线

实验条件：100X，空间分辨率< 1μm

成像模式：共聚焦激光扫描成像模式

观测到钙钛矿纳米先低温相变过程的空间分布和演化状况

09

应用实例5：高压舱内的荧光成像

本荧光成像系统可以和显微镜用高压装置组合，跟据高压装置的参数，选配不同工组距离的物镜，实现荧光信息的高效采集。可进行不同温度下的荧光强度、荧光寿命、载流子迁移、荧光发射谱等多种成像和数据的采集。

样品：MAPbI3单晶纳米片和MAPbI3纳米线

实验条件：100X空气镜， 空间分辨率< 1μm

成像模式：共聚焦激光扫描成像模式和载流子迁移成像模式

MAPbI3 纳米线不同压力下激光扫描荧光成像

不同压力下荧光动力学曲线

MAPbI3 纳米线不同压力下载流子迁移荧光成像

不同压力下载流子迁移动力学曲线

参考文献：YanfengYin,WenmingTian,*etal.,JimingBian,*andShengyeJin*ACS Energy Lett.2022,7,154−161

10

应用实例6：电致发光动力学成像

本荧光成像系统通过结合电脉冲发生器实现样品（例如LED器件或材料）电致发光（EL）动力学和成像检测，可以同时兼容荧光强度、荧光寿命和荧光/EL发射谱的检测。其检测原理是利用TCSPC技术，实现电脉冲条件下样品发光的动力学演化过程和EL空间成像。

样品：CdSe/ZnSe/Zns量子点LED器件

电压：10V

脉宽/频率：10μs/10KHz

►可观测到LED发光层的EL分布状况，发现存在的坏点区域。

►通过提取EL动力学，观测不同微纳区域点EL动力学的差别和变化及overshoot现象

►通过持续采集EL成像，实现LED老化过程的观测

11

应用实例7：光电流成像

本荧光成像系统通过结合源表实现样品（太阳能电池或光电探测材料）光电流成像，微纳空间I-V曲线等采集和成像，可以同时兼容荧光强度、荧光寿命和荧光发射谱的检测。其检测原理是通过振境在样品上扫描聚焦激光光斑并采集光电流或其它光电参数。

本系统可在实际太阳能电池器件上直接实现光电流和荧光成像

工作原理示意图

器件条件直接成像

►可清晰分辨电池晶粒、晶界等空间结构和不同晶粒之间的光电流分布状况

►可兼容采集荧光强度和荧光寿命成像，分析光电流产生机制

大范围成像

参考文献：

Zhao, X.; Wang, Z.; Tian, W.; Yan, X.; Shi, Y.; Wang, Y.; Sun, Z.; Jin, S., A positive correlation between local photocurrent and grain size in a perovskite solar cell. Journal of Energy Chemistry 2022.

12

本文结语

在本文中，我们简要介绍了多功能振镜扫描荧光成像系统的技术原理，并结合7个应用实例，介绍了本系统在具体应用场景中的使用方法。希望本文能对新老客户提供一些帮助，欢迎咨询。

Time-Tech Spectra

微信号｜创锐光谱

sales@timetechspectra.com

单经理    15040520524