Министерство образования и науки Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный электротехнический

университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра КЭОП

Реферат на тему:

Технология FLIM (Fluorescence Life-time Imaging) и ее применения в задачах исследования произведений искусства

Выполнил: Бербушенко Д. А. гр. 9204.

Преподаватель: Парфенов В. А.

г.Санкт-Петербург, 2013

Технология FLIM и её применение на примере «Давида» Микеланджело

Был разработан единый способ анализа произведений искусства, основанный на системе флюорисцентной обработки изображений объединенного с аналитическими измерениями на микровыборках. Метод позволяет вычленять и идентифицировать органические и неорганические составляющие сложных объектов на поверхности картин. Флюорисцентный прибор измеряет временные и спектральные функции флюорисцентной эмиссии, оставшиеся после ультрафиолетового лазера, работающего в импульсном режиме. Кинетическая эмиссия изучается через время жизни, и принимается системой обработки изображений, в то время как оптический многоканальный анализатор измеряет флюорисцентные спектры выбранных точек. Химический состав сложных объектов на поверхностях картин выполняется посредством аналитических измерений на микровыборках, собранных с помощью флюорисцентных изображений. Данная технология стала успехом. Она полностью реализована, что позволило выявить загрязнения поверхности статуи Микеланджело «Давид». Флюорисцентный анализ, объединенный с Фурье-преобразовыванием инфракрасного излучения (FT-IR) показал присутствие воска, который загрязняет большую часть поверхности статуи, и налет оксалата кальция, в основном, расположенный в верхних частях и связанный с частыми дождями.

ВВЕДЕНИЕ

Сохранение произведений искусства и проблема конструктивного анализа, выполняемого на месте, приобрели большее значение в последние годы. Такой вид анализа предоставляет полезную информацию о материалах присутствующих на артефактах на данный момент времени. Это могут быть вещества, используемые художниками и частички других веществ, которые остаются из-за реставрационных работ и плохих условий, в которых находятся предметы искусства в течение столетий.

Среди неразрушающих исследований наиболее распространенными являются диффузное отражение, исследование в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра и несколько спектроскопических методов. К ним относятся оптическое свечение, рентгеновская флуоресценция и колебательная спектроскопия. Лазерно-индуцированный распад спектроскопии тоже применяется в анализе произведения искусства, но этот метод используется в микромасштабах, так как часть объекта все-таки разрушается.

Помимо физических параметров, которые могут быть измерены любым способом, классификация методов исследования делит их на две группы: визуальные методы исследования, такие как диффузного отражения и рентгенологической записи, и безвизуализальные методы, как большинство спектроскопических измерений. Неоднородности любого произведения искусства очень часто являются частью работы автора, делают методы визуализации более подходящими, чем измерения непосредственно с контактом, так как они не меняют состав и форму объекта. С другой стороны, измерения с контактом обычно предоставляют более широкий набор данных (например, высокое разрешение спектра), в то же время как методы визуализации очень часто дают лишь информацию в определенном спектральном диапазоне.

Технология FLIM представляет собой метод, который измеряет одновременно амплитуду и время распада флуоресценции образца после возбуждения с очень короткими импульсами ультрафиолетового (УФ) излучения. FLIM успешно применяется в нескольких областях, в том числе и анализе горения, флуоресцентной микроскопии, и медицинских исследованиях. Неожиданно эта технология стала инновацией в области искусства, т. к. оно дает непосредственное восприятие состава произведения, вместе с информацией о назначении. Размах амплитуды в зависит от интенсивности излучения и показывает форму скульптуры, а отображение времени жизни показывает её состав, так как любое соединение, обычно имеет индивидуальное время жизни флуоресценции. Вызванная ультрафиолетовым излучением флюоросценция особенно подходит для исследования органических соединений, которые являются основными в произведениях искусства. И даже неорганические загрязнители могут быть выявлены с помощью косвенного воздействия флюоросцентной эмиссии.

Несмотря на свою эффективность, оптическая флуоресценция не может дать исчерпывающую информацию об образце в одиночку, так как эмиссия, обычно, состоит из нескольких хромофоров. Кроме того, молекулярная среда состоит из хромофоров, которые, в свою очередь, могут изменяться с возрастом, стареют и т.д., что часто влияет на свойства излучения. Таким образом, добыча аналитической информации от флуоресцентных измерений не проста и требует поддержки других измерений. Тем не менее, FLIM является мощным инструментом для проведения исследований, показывая различные соединения, которые могут подвергаться изменениям.

Исходя из этого, была создана мобильная система для усиления визуальной флуоресценции и спектроскопии и была применена для анализа поверхности

произведений искусства. Система состоит из двух основных блоков: устройство FLIM и спектроскопического блока на основе оптического многоканального анализатора (ОМА).Информация, полученная с измерения флуоресценции указывает на точки на произведениях искусства, на которых берутся микрообразцы, которые будут проанализированы в лаборатории с помощью таких методов, как оптическая микроскопия и ИК-фурье (FT-IR) спектроскопия. Аналитические измерения дают синергический эффект флуоресцентной микроскопии. Теперь химическая идентификация материалов стала возможной, благодаря возможности визуализации FLIM, без необходимости обширного взятия проб.

Этот метод был ранее применен для оценки состояния фрески эпохи Возрождения в Кастильоне-Олона. Опыт, полученный на основе изучения росписи, был предложен для комбинации FLIM и ИК методов для исследования загрязнений на поверхности «Давида» - статуи Микеланджело. Была произведена диагностика, которая завершилась 2004 году. В этом докладе содержатся основные результаты, полученные в результате данного исследования.

Материалы и методы

Флюоресценция экспериментальная установка. Флюорисцентная система обработки изображений, используемая в данном исследовании, аналогична описанной в Cubeddu и др. Она основывается на времени задержки сигнала (ICCD) (ICCD225, Photek, Св. Леонардс-он-Си, Англия) Время минимальной задержки на логическом элементе - 5 нс. Последовательность изображений достигается активированием логического элемента детектора изображений, спустя некоторое время после импульсов возбуждения. Таким образом изменение флюоресценции во времени записывается в каждом пикселе. Затем создают общую картину, которая получается после процедуры общей подгонки.

Ультрафиолетовые волны (λ=337 нм) возбуждаются с помощью азотного лазера, которые могут генерировать импульсы с частотой 1 нс. Излучение передается к образцу с помощью кварцевого волокна. В итоге простая схема из триггера и генератора позволяют вычислять точность задержки позволяют излучаемую флуоресценцию дискретизировать по шкале времени. Вся система собрана на стойке, за исключением закрытой камеры. Он связана с устройством 10 м кабелем для доступа к любой части скульптуры.

Оптический многоканальный анализатор завершает экспериментальную установку. Он измеряет флуоресцентные спектры от 400 до 800 нм, со спектральным разрешением 1 нм. Второй азотный лазер возбуждает излучение. Лазерный луч доходит до образца через оптоволокно. На другом конце оптоволоконного кабеля находится втулка, покрытая тефлоном. Луч состоит из центрального слоя, который возбуждает свет в область 3 мм в диаметре и 20 волокон, расположенных в виде двух круговых колец, собирающих излучаемую флуоресценцию. Втулка же сохраняет волокна на необходимом расстоянии от образца.

Анализ данных. Так как во флуоресцентной системе присутствуют одновременно несколько излучающих частиц, то они не могут быть смоделированы как моноэкспоненциальные. Но, даже в случае многоэкспоненциальной флуоресценцию можно линейно аппроксимировать от логарифма и по полученным данным можно предположить время создания. Как показывает практика, существует очень большой разброс по времени для различных соединений. Кроме того, для обработки изображений с высоким разрешением линейным алгоритмом подбора, требуется лишь несколько секунд. Поэтому такие алгоритмы также подходят для обработки данных в реальном времени.

Экспериментальная методика. При измерениях на «Давиде», на прием изображений был установлена задержка в 100 нс, достаточно большая, чтобы получить почти все флуоресцентное излучение со скульптуры. Набор из 12 изображений была записан при соответствующих задержках 0, 2, 3, 5, 8, 10, 12, 15, 20,30, 40 и 50 нс после импульсов возбуждения. Затем изображения были обработаны для того, чтобы рассчитать картину FLIM . Из полученного изображения, можно сделать вывод о различных характеристиках, как будет описано ниже. В соответствии с каждой однородной областью, спектр флуоресценции был записан и, в нескольких выбранных точках, микрообразцы материала накладывались на скульптуру, затем с помощью скальпеля и портативного микроскопа, эти материалы снимаются с мраморной поверхности, но ничего не берется с самой скульптуры. Микрообразцы были изучены с помощью инфракрасноого Фурье-спектрофотометра (Nicolet Nexus), соединенного с ИК-микроскопом (Nicolet Continuum). Детектор охлаждается жидким азотом. Спектры были записаны в ромбические ячейки площадью 700 см^-1.