成像粒子分析的发展与应用

流体成像技术总监Lew Brown向AZoM介绍了成像粒子分析的发展和应用。

流体成像是如何发展成为生产粒度分析仪器的行业领导者的?

嗯，这确实是一个有趣的演变!虽然我们成立于1999年，但在最初的5年里，该公司只在一个非常有限的应用领域——海洋学研究领域为人所知。我们的旗舰产品FlowCAM®最初是在缅因州布斯湾港的毕格罗海洋科学实验室开发的，用于研究海水中的浮游生物。亚博老虎机网登录

FlowCAM是一个非常新颖的概念，它将流式细胞仪和显微镜的优点结合在一起。来自世界各地的海洋生物学家参观了这个实验室，并接触到了FlowCAM。许多科学家发现这种仪器对他们的研究非常有用，因此他们表示有兴趣为自己的实验室购买一台。此时，最初FlowCAM的联合开发者之一Chris Sieracki博士成立了Fluid Imaging Technologies公司，为其他研究人员制造仪器。

在公司成立的最初5年里，FlowCAM专门出售给海洋研究社区。在此期间，一些非海洋学客户评估了FlowCAM的粒子分析应用，并最终购买了仪器。这些早期的“工业”客户包括一家香料和香精制造商和一家石化公司。认识到FlowCAM在解决其他“工业”应用方面的潜力，该公司扩大了业务，开始向工业部门营销，同时继续向核心海洋学客户销售产品。FlowCAM也开始应用于其他水生应用，比如当时的湖沼学(对内陆水域的研究)。

从那时起，在水产和工业部门的业务增长变得更加迅速。在此期间，由于增长，我们两次进入了规模越来越大的工厂，并且在国际上也有了巨大的增长。事实上，流体成像在2008年被美国小企业管理局(SBA)评为年度小企业出口商，随后被缅因州国际贸易中心评为2010年度出口商。

FlowCAM是市场上第一个可商用的动态成像粒子分析系统，并在不断改进，因此我们在这项技术中真正成为了“行业领导者”。

什么是“动态成像粒子分析”?

一般来说，“成像粒子分析”就是利用粒子的数字图像来测量粒子的大小和形状信息。yabo214从本质上说，你可以把它看作是经典的显微术，操作者(观众)已经被计算机取代，从图像中提取信息。虽然执行这种类型的分析的实际算法已经存在多年(从1960年代开始)，但这些操作需要巨大的计算能力，这只是一般研究人员直到最近(1980年代末)才可用的。

今天，几乎所有的显微镜制造商都提供数字成像选项，在显微镜套件中增加了数码相机、计算机和一些软件。然而，这些是“静态”系统，因为它们一次只能在显微镜的视野内拍摄一张照片。为了获得统计上显著数量的粒子图像，操作员必须在每张图像之后移动(手动或通过计算机控制)显微镜平台来查看载玻片的不同部分。因此，与手动显微镜类似，这些“静态”系统仍然相当缓慢，操作密集。

“动态”成像粒子分析克服了这一限制，通过显微镜光学使包含粒子的样品实际上“流动”，这样每秒可以捕获数千个粒子图像。yabo214为了“冻结”空间中移动的粒子，某种频闪照明源与相机中非常短的快门速yabo214度同步组合。在捕捉到视场的每一帧图像时，软件会实时地从背景中提取粒子图像并进行存储。

同时，电子表格中每个粒子图像的一行都使用每个粒子的空间和灰度测量值进行填充。在FlowCAM中，我们存储了每个颗粒的30多个不同的测量值，速率高达50,000个/分钟，不需要操作员干预。yabo214这意味着我们可以快速收集统计上有意义的粒子数据。

该方法与分析流体中微观颗粒的传统技术相比如何？yabo214

嗯，如前所述，手动显微镜从1600年开始就用于粒子分析，直到今天仍然是最重要的技术之一。然而，由于准备样品和肉眼分析所需的时间，它总是被限制在统计上无关紧要的颗粒数量。yabo214

为了克服显微镜的局限性，人们开始发展快速分析微观颗粒的技术，最早的例子是1953年库尔特计数器的专利(至今仍被广泛使用)。yabo214库尔特计数器是我所说的“基于体积的”颗粒分析仪:它们不直接测量颗粒大小，而是测量信号成比例的到粒子体积。为了将信号转换为体积，系统必须通过将已知直径(体积)的球体通过系统并测量其信号来进行校准。一旦知道了体积，就假设所有的粒子都是球形的，然后通过将体积转换为等效球形直径(ESD)来对每个粒子进行单个数字测量。yabo214

几乎所有最常见的自动粒子分析系统都是“基于体积的”，比如库尔特计数器，包括激光衍射、光遮蔽和光散射等技术。所有这些技术都是“间接”测量:它们不测量物理维度。相反，它们测量的是一些可以被证明的信号成比例的到物理维度，在这种情况下体积. 然后，通过假设所有粒子都是球形，将体积转换为ESD。这些体积系统能够在短时间内处理统计上显著数量的粒子，然后呈现粒子大小分yabo214布（PSD），显示粒子大小与频率或体积的关系。

在“基于成像”的系统中，可以进行粒子测量直接从粒子的图像。由于系统的光学元件是固定的，因此通过了解整个系统的放大率，图像（“图像空间”）上的距离测量直接转换为对象（“对象空间”）上的实际距离测量。成像系统可以不必须对粒子的形状做出任何假设，因为它们直接从图像中测量。事实上，这意味着可以对每个粒子进行多次测量，以获得关于粒子的更多信息，如长度、宽度、圆度和其他形态形状描述符。此外，还可以进行灰度测量，如强度、透明度和颜色信息(当使用彩色相机时)。

所以，“基于体积的”和“基于成像的”粒子分析系统之间的主要区别是，体积系统只产生一个，间接而成像系统可以测量多个，直接测量。最后，但肯定不是最不重要的，一个成像系统给你一个具体的记录每个粒子的图像，人类可以直接看到它，以更好地理解数据(并确保数据被正确地解释)。另一方面，容量系统是真正的“黑盒”，它生成的发行版没有任何“审计跟踪”，如果不使用显微镜检查结果，就无法知道答案是否是正确的解释。

数字成像给粒子的自动分析带来了什么特点?yabo214

如果你在字典里查“分析”这个词，你会发现所有的基本定义都是关于“混合物中成分的分离”。由于体积系统必须假设所有粒子都是球形的，并且只测量ESD，所以它们不能告诉你任何关于yabo214样品组成的信息。因此，在现实中，大多数粒子分析系统确实不能做严格意义上的“分析”，它们只是粒子的“大小器”和/或“计数器”。

因此，虽然他们将输出一个显示粒度分布的图形，但他们无法提供任何关于“曲线下有什么”（即组成样本的成分）的信息。对于均质样品，这是很好的；但在现实世界中，许多被分析的样品是不均匀的，由许多不同的粒子类型组成。即使在均质样品中，人们也可能有兴趣知道是否存在用容量系统无法发现的污染物或杂质。

因此，成像的主要好处是，我们可以对每个粒子进行多次(在FlowCAM中超过30次)测量，从而产生粒子形状用来区分混合物中不同粒子类型的信息。最简单的例子就是我们的起源，在海水中识别不同种类的浮游生物。容积系统只能根据样品的ESD告诉你尺寸分布，而FlowCAM使用软件过滤器根据粒子形状信息将样品中的不同物种分成各自的组。因此，成像系统可以对样品进行真正的“分析”，即将其分解成其组成部分，而体积系统则不能。

有时人们会问，“为什么要有这么多度量?”“当我们谈到超过30个的时候。这是一个非常有效的问题!原因是更多的测量可以让我们更好地区分粒子类型。在浮游生物的例子中，我们经常会看到两种不同的物种，它们有着相同的总体形状，但可能会通过更高级的测量方法(如“圆形”)或灰度属性(如一种是不透明的，另一种是透明的)来区分。

在某些应用中，粒子实际上基本上是球形的，而且都是均匀的yabo214，在这种情况下，人们可能会认为体积法可能就足够了。然而，在许多这些应用中，出于产品性能的考虑，希望粒子尽可能“球形”。yabo214

例如激光墨粉颗粒、油气井支撑剂或高效液相色谱柱填充材料。yabo214在所有这些情况下，当颗粒的形状最球形时，产品的性能最好。yabo214FlowCAM测量三种不同的“圆度”属性，这与颗粒的球形程度直接相关。yabo214这些测量可以用于根据圆形测量的分布对产品进行“分级”，在某些情况下，QA/QC使用这些测量来决定制造商或买方对产品的可接受性。

FlowCAM在技术上最具挑战性的应用之一是生物制品(生物制药)中亚可见颗粒的表征。在这个应用中的“现任”技术是光遮蔽，它是体积的。然而，这些样品中的大部分微粒是蛋白质聚集物，本质上是透明的。

对于透明粒子，光的遮蔽效果并不好，因为光通过它们时相对不变。yabo214这意味着，在最好的情况下，光遮蔽系统将错误地描述颗粒大小，在最坏的情况下，甚至不能检测到蛋白质聚集。这些聚集体在形状上也是非常无定形的，从球形团块到单个纤维束，因此ESD通常不是一个很好的尺寸描述符。成像系统能够检测到非常细微的透明度差异，因此能够在大小和形状上检测并正确地描述这些蛋白质聚集物。

最后，如果这些生物制剂被包装在一次性注射器中，大部分检测到的颗粒物质将是用于润滑注射器的硅胶液滴。这些微粒是预期的，没有害处，所以不应该在监管环境中计算允许的亚可见微粒的数量。任何容积法都无法区分硅滴和其他微粒。然而，FlowCAM可以通过使用一个软件过滤器，寻找这些完美的球形、半不透明的颗粒，迅速从粒子计数中去除硅滴。yabo214

台式FlowCAM^®．

使用粒度分析仪器会显示哪些数据，终端用户如何管理这些信息?

流体成像的主要优势和区别之一是我们的软件，称为VisualSpreadsheet^®．几乎所有的粒子分析操作都是基于电子表格的。例如，类似于筛分分析，人们可能希望根据不同的颗粒大小范围来划分颗粒大小分布(PSD)。yabo214因此，我们只需在电子表格上做一个过滤器，以找到给定尺寸(ESD)范围内的所有粒子，然后软件返回该过滤器的表格统计(数字、平yabo214均值、标准偏差等)。

VisualSpreadsheet的区别在于，顾名思义，我们也展示结果在视觉上，就像粒子自己成像一样。因此，当您运行过滤器根据大小、形状、灰度或这些的任何组合来寻找特定的粒子类型时，结果会立即显示为匹配过滤器参数的图像拼贴图，以及汇总统计数据。该软件还允许用户根据任何测量参数对粒子图像进行排序。例如，我们可以在ESD上进行分类，立即查看最小或最大的粒子图像。

人脑是最强大的计算机；我们观察事物并立即更好地理解信息并对其采取行动的能力远远超出了任何计算机所能做到的。如果“一张图片抵得上千言万语”，那么我会想象，数千张图片的价值会更高！我们为用户提供了通过VisualSpreadsheet与实际粒子图像交互的能力，这确实是一项支持技术。人们可以通过排序和过滤以交互方式找出分割特定粒子类型的最佳参数或参数集。

通过查看粒子图像，您可以立即看到过程中发生了什么，而不是简单地依赖于数字。例如，人们可以立即看到分布中最大的粒子是聚集的，还是只是大的单个粒子。yabo214它们是哪一个告诉你在这个过程中发生了什么截然不同的事情!

我们更进一步，加入了统计模式识别。在VisualSpreadsheet的“统计过滤器”中，操作员只需点击几个他们感兴趣的粒子，就能识别出它们，并调用“选定的细粒子”。yabo214这启动了一个统计模式识别，自动计算出参数的最佳组合来寻找相似的粒子，然后根据它们与被选择的原始粒子的统计相似性对它们进行排序。yabo214

这样做的美妙之处在于，它不需要操作员对如何最好地隔离这些粒子（即过滤的测量值等）做出任何判断。这是一种纯粹的统计方法，与VisualSpreadsheet中的所有其他过滤器一样，它们可以存储起来以应用于任何数据集。在统计过滤yabo214器的情况下，这意味着对每个不同的样本进行完全相同的统计评估，从而消除任何运营商的偏见。

当然，软件也可以用直方图、散点图、汇总统计等经典方法来表示数据。我们允许为测量的任何参数创建自定义图，以及在相同的图上覆盖多次运行以进行比较。

我们还可以将任何数据、统计数据、图表等导出到其他系统，如LIMS。但真正的力量在于与图像本身的互动。如前所述，为后代存储图像也提供了铁证如山的审计线索。如果客户曾经质疑供应商的材料成分声明，他们可以向客户展示实际情况图像这个特征就是从这里得来的!

你能描述一下FlowCAM vs -系列和pv -系列之间的区别吗?

vs系列是我们的旗舰研发产品，所有其他FlowCAM衍生产品都来自于此。我说它是一个“研发产品”，因为它非常灵活，允许多种不同的配置，可以从一个基地单位升级。主要的灵活性在于，它可以接受四种不同的放大配置在同一仪器，使其潜在的整体范围从2微米到2mm。因此，对于一个研发环境，可能存在许多不同的样品类型或尺寸范围，这种灵活性意味着一个仪器可以处理多个尺寸范围。

需要注意的是，单个配置不能一次覆盖所有的范围，最大/最小尺寸实际上取决于所需的测量值。

VS系列还具有可选的荧光测量和触发功能。FlowCAM可以配备绿色（532nm）或蓝色（488nm）激光器，具有两个不同的荧光测量通道（可用库存和定制荧光带）。荧光性能的一个常见用途是水样，其中荧光用作异步捕捉图像的触发器。

在水样中，研究人员通常只对存在的活藻类感兴趣，这些藻类的浓度可能相当稀疏。当被激光击中时，藻类会发出荧光，然后用荧光信号触发相机。这确保了没有一个藻类颗粒被遗漏，并减少了使用同步捕获可能被捕获的无关的、非yabo214生物颗粒的数量。

相比之下，我们的pv系列产品意味着更多地用于“生产”环境。pv -系列在每个单元中只有一个放大倍率(两种不同的放大配置可选)，因此它被限制在每个仪器的单一粒径范围内。yabo214在我们看到的许多应用程序中，这就是客户的全部需求。例如，制造商生产的产品总是在5µm到300µm的尺寸范围内，所以他们会使用PV-40仪器，它完美地覆盖了这个范围。它实际上是指在应用中，相同的材料将被一次又一次地测量，比如在QC环境中。

在很多情况下，特别是在过程分析中，我们看到的是，过程研发部门可能会使用VS-Series来调查许多不同的过程变量。他们的研究可能会发现一些特定的粒子特性，这些特性对于在生产过程中监控以确保质量是很重要的。一旦确定了这些设备的属性和方法(过滤等)，他们可能希望部署使用pv系列作为平台的生产解决方案，以更低的成本和更小的占地面积。所以，我们的很多客户最后都买了两种产品。

台式FlowCAM^®在使用。

这些产品的主要用途是什么?

嗯，我们的很大一部分业务仍然是在原始的水市场上进行的，比如海洋学研究、饮用水分析等。这就是FlowCAM最初设计的目的，所以它仍然是我们业务的重要组成部分。我们也看到藻类分析进入更多的“工业”应用，如藻类生物燃料、营养药品，甚至基于藻类的塑料。

不过，老实说，FlowCAM并不真正关心粒子是什么…“粒子就是粒子”！然而，对于我们公司来说，这是一把“双刃剑”：这意味着该yabo214系统可以解决几乎所有的粒子分析问题（这很好），但对于一家小公司来说，这会使它难以集中精力！因此，我们在选择进入哪些市场时非常谨慎。例如，我们已经做出了一致的努力，不参与医疗/细胞分析应用程序，因为已经有一些大型参与者提供了非常具体的垂直解决方案。

我前面提到的生物制品应用对我们来说是一个非常大的市场，而且还在持续增长。我们已经在其他材料的表征应用上取得了很好的成功，如超级磨料(微粉金刚石)，色谱亚博网站下载柱包装材料表征，酵母表征，纤维分析，食品/饮料和微胶囊产品。目前，我们在石油领域也开展了大量业务，应用领域包括油水分析和钻井液表征。

如果你问我们的实验室经理，他用流动摄像机做了什么，他会把几百种不同材料的清单还给你！我们在FlowCAM中分析过的一些更奇特的东西是：冷冻alfredo沙司、炸药、巧克力、洗发水、抗酸剂、洗碗机冲洗水和各种纤维！使用FlowCAM非常有趣的一件事是，我们永远亚博网站下载不知道下一步会看到什么！

您如何看待动态成像粒子分析在未来的发展？

我看到这项技术正在以一种日益增长的方式被使用。老实说，在粒子分析行业真正“流行起来”所花的时间比我十年前开始从事流体成像时所预期的要长。这在很大程度上似乎只是一种普遍的惯性:人们习惯了容积技术，并且已经使用了很长时间，以至于他们抗拒改变。在一个已建立的过程中，整合新形式的分析可能非常耗时，而且可能被视为一种风险，所以这必须是一个深思熟虑、规划良好的过程。另一件事是体积成像粒子分析输出的数据一开始可能有点令人不安!但这正是软件真正有用的地方。

由于动态成像粒子分析相对于现有的体积技术来说是相对较新的，作为行业的领导者，我们发现我们必须在市场上做大量的教育工作。但是当人们看到他们的材料被亚博网站下载高速成像，然后看看他们可以用这些数据做什么，我们可以看到他们脑袋里的灯泡熄灭了!它确实是一个启用技术。

从技术角度来看，我们花费大量精力的一个领域是寻找更好地分离细微不同的粒子的方法，即更好的图像识别。yabo214这意味着很多不同的事情，从获得更高质量的图像，到更多的粒子测量来帮助区分事物，到新的模式识别算法。最后，如果“分析”的真正目的是“分离混合物中的成分”，那么我们所能做的任何事情都是有益的，以便更好、更准确地分离颗粒类型。

我还认为你将看到“其他测量”被添加到仅仅图像之外，以帮助进一步的粒子分化。在这里，相对于粒子的“空间分析”，“光谱分析”的发展可能是有用的。这可能意味着更多类似于流式细胞仪发现的荧光通道，也可能意味着像高光谱成像这样的东西，光谱波段的比较可以帮助识别。我们已经看到一些非常高端的“组合仪器”在同一台仪器中使用多种分析技术。随着成本持续下降，这类问题将变得更加突出。这是一个真正激动人心的时刻，在动态成像粒子分析业务!

关于卢布朗

Lew Brown持有纽约罗切斯特理工学院成像科学学士学位，亚博老虎机网登录在数字成像和计算机图形行业有超过25年的经验。目前，他是Fluid Imaging Technologies, Inc.的技术总监，负责与Fluid Imaging的基于成像的FlowCAM的应用和使用相关的所有技术营销活动^©粒子分析系统。