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Relatives Fluoreszenz Spektrum mit SwisensPoleno Jupiter

In diesem Blog-Artikel lernen Sie das Relative Fluoreszenz Spektrum von SwisensPoleno Jupiter kennen. Wir führen Sie dabei Schritt für Schritt an die Grundlagen der Fluoreszenz heran und erklären Ihnen die Vor- und Nachteile der relativen Fluoreszenz in der Echtzeit-Messung von Bioaerosolen.

Was ist Fluoreszenz?

Bevor wir uns den technischen Details der Fluoreszenzmessung mit SwisensPoleno Jupiter annähern, müssen wir zuerst definieren, was Fluoreszenz überhaupt ist. Wenn Moleküle von einer Lichtquelle angestrahlt werden, kann die Absorption eines Photons zu einem angeregten Zustand führen. Beim darauffolgenden Übergang in einen Zustand niedrigerer Energie, kann spontan ein Photon mit höherer Wellenlänge emittiert werden. Geschieht diese Lichtemission im Bereich von Nanosekunden nach der Anregung, spricht man von Fluoreszenz. Das
emittierte Spektrum (Fluoreszenz Spektrum) und die Zeit zwischen Absorption und Emission der Photonen (Fluoreszenz Lebenszeit) wird durch die Anregungswellenlänge und die Zusammensetzung des angeregten Materials bestimmt. Das Fluoreszenz Spektrum und die Fluoreszenz Lebenszeit geben also Aufschluss über die chemische Zusammensetzung eines Partikels. Die Messung dieser beiden Eigenschaften reicht in vielen Fällen aus, um verschiedene Partikelarten voneinander zu unterscheiden. Im nächsten Abschnitt erfahren Sie, wie wir sowohl das Fluoreszenz Spektrum, als auch die Fluoreszenz Lebenszeit mit SwisensPoleno Jupiter messen.

Wie messen wir Fluoreszenz mit SwisensPoleno Jupiter?

Nachdem SwisensPoleno Jupiter ein Partikel in den Messkanal gesaugt hat, wird es von den Trigger Lasern detektiert. Danach erstellt das System zuerst holographische Bilder und im Anschluss misst es die Fluoreszenz. Dabei gewinnen wir Informationen über die spektralen Fluoreszenzintensitäten und die Fluoreszenz Lebenszeit. In diesem Beitrag gehen wir nur auf die Fluoreszenz-Intensitäten ein.

Die Fluoreszenz Messung in der Übersicht

Jedes Partikel wird nacheinander von drei Lichtquellen mit unterschiedlichen Wellenlängen angestrahlt (280nm LED, 365nm LED, 405nm LD), wie in Abbildung 1 dargestellt ist. Darauf reagiert das angeregte Partikel mit verschiedenen Fluoreszenz Emissionen, die SwisensPoleno Jupiter erfasst. Dazu misst er das einfallende Licht in fünf verschiedenen Wellenlängen-bereichen mit SiPM-Sensoren (Silicon-Photomultiplier). Aus den drei Anregungen und fünf Wellenlängenbereichen ergeben sich somit 15 Intensitätswerte, die das Partikel charakterisieren.

SwisensPoleno FL exposure
Abbildung 1: Schematische Darstellung des Fluoreszenz Messaufbaus des SwisensPoleno Jupiter, mit der Anordnung der Lichtquellen und dem Spektrometer. Die auf der rechten Seite dargestellten Grafiken zeigen die Abhängigkeit der Lichtintensität von der Position im Messkanal.

Idealerweise hängen die gemessenen Fluoreszenzintensitätswerte nur von der Zusammen-setzung des Partikels ab, in der Realität ist dies aber nicht der Fall. Die Lichtquellen haben nicht überall genau die gleiche Intensität im Messkanal. Das führt bei einem vorbeifliegenden Partikel zu sich ändernden Fluoreszenzintensitäten, da diese auch von der Intensität der Anregung (Lichtquelle) abhängt. Weitere ungewollte Einflussfaktoren sind die Partikelgrösse und minime Unterschiede der Anregungsquellen, die wiederum zu Veränderungen der Fluoreszenzintensität führen.

Diese ungewollten Abhängigkeiten, die nicht mit der Fluoreszenz des Partikels zusammen-hängen, erschweren die Nutzung der gemessenen absoluten Fluoreszenzintensität. Die beschriebenen Effekte sind der Grund, warum wir anstelle von absoluten, relative Fluoreszenzintensitätswerte zur Unterscheidung von Partikeln mit SwisensPoleno Jupiter verwenden. Der nächste Abschnitt führt Sie stufenweise an dieses Thema heran.

Was ist das relative Fluoreszenz Spektrum?

Damit die Vergleichbarkeit zwischen den SwisensPoleno Jupiter Instrumenten sichergestellt ist, wird das relative Fluoreszenz Spektrum verwendet. Das relative Spektrum berechnen wir, indem wir die gemessene Fluoreszenzintensität jedes Detektors durch die Summe aller fünf Detektorintensitäten teilen. Diese Normierung erfolgt für jede Lichtquelle separat, da die ungewollten Effekte pro Quelle konstant sind. Das Resultat sind 15 relative Werte ohne Einheit mit einem Wertebereich von 0 bis 1.

Bevor das relative Spektrum berechnet werden kann, müssen von den einzelnen Messwerten jeweils noch Offsets abgezogen werden, die durch Dunkelpulse der Detektoren und durch Streulicht der Quellen verursacht werden.

Was sind die Vorteile und Nachteile des relativen Fluoreszenz Spektrums?

Wie schon oben erwähnt, können wir die Messung dank des relativen Fluoreszenz Spektrums standardisieren und damit die Vergleichbarkeit zwischen den verschiedenen SwisensPoleno Jupiter Systemen sicherstellen. Der einzige Nachteil der relativen Spektren ist, dass die Information zum absoluten Fluoreszenz Intensitätslevel verloren geht, das zur Unterscheidung mancher Partikel zusätzlichen Nutzen bringen würde.

Um das ganze Thema abzurunden und etwas greifbarer zu machen, schauen wir uns nun die Fluoreszenz anhand von gemessenen Partikeln mit SwisensPoleno Jupiter an.

Absolute und relative Fluoreszenz von Pollen und Sporen

In Abbildung 2 sind vier verschiedene Partikelarten gegenübergestellt. Wobei bereits mit dem absoluten Fluoreszenz Spektrum (links) die meisten der vier Partikelarten unterschieden werden können. Jedoch sind bei der absoluten Fluoreszenz noch breite Verteilungen zu erkennen, was durch Grössen- und Positionsunterschiede zustande kommen kann. Das relative Spektrum (rechts) verringert die Streuung merklich, das ist z.B. beim echten Mehltau sehr markant ersichtlich. Der Vorteil schmalerer Verteilungen ist unter anderem die verbesserte Unterscheidbarkeit.

Um das Potential für die Unterscheidung verschiedener Partikel mit dem relativen Fluoreszenz Spektrum besser beurteilen zu können, müssen wir alle 13 Werte miteinbeziehen. Für uns Menschen ist dies sehr schwierig, wie das Beispiel in Abbildung 2 verdeutlicht. Um diese Vergleiche zu vereinfachen, greifen wir bei Swisens oft zu einer Dimensionsreduktion (UMAP). Diese erlaubt es uns, die relativen Fluoreszenzspektren zweidimensional darzustellen. Der Vergleich der verschiedene Partikelarten gelingt dadurch sehr gut. Das vom SwisensPoleno Jupiter eingesetzte Klassifikationsmodell, basierend auf Maschinellem Lernen, kann sehr gut mit solchen mehrdimensionalen Daten umgehen. Die Unterscheidung von Aerosol-Partikel in Echtzeit mit relativer Fluoreszenz ist also sehr gut möglich.

SwisensPoleno Jupiter abs-FL_rel-FL
Abbildung 2: Diese Boxplots zeigen das absolute (links) und relative (rechts) Fluoreszenz Spektrum der Pollen Alnus und Quercus und der Mehltau und der Lycopodium Sporen. Verglichen wird nur die absolute und das relative Fluoreszenz bei der Anregung mit 280nm.

Haben Sie noch offene Fragen oder möchten Sie gerne mehr über die Fluoreszenmessungen von SwisensPoleno Jupiter erfahren? Gerne geben wir Ihnen weitere Auskünfte.

Elias Graf

Elias Graf

Application & Software Engineer

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