大自然充滿了梯度和濃度的不均勻性。在測量 O 2、pH 或 CO 2等分析物時，通常會觀察到巨大的差異在樣品的不同位置，無論它是天然的還是人造的。在許多情況下，為了在整個樣品中建立均勻的反應(yīng)條件，人們付出了巨大的努力通過攪拌、搖動或其他混合方法使樣品均質(zhì)化。然而，如果我們有興趣研究我們的環(huán)境，我們不應(yīng)該改變自然。許多樣品或?qū)嶒灦加衂HIDING的地點，即所謂的熱點或空間受限區(qū)域，大部分反應(yīng)都在這些地點發(fā)生。在研究沉積物-水、根-土壤、土壤-空氣、液-氣或液-液界面時就是這種情況。從而在樣本或樣本區(qū)域內(nèi)建立梯度。這些主要基于消耗或擴散的梯度對于研究、控制和/或優(yōu)化很重要。

控制和研究濃度梯度或不均勻性的方法例如：

• 在多個測量位置同時測量（A. Flohr 等人“評估 pH 通量的影響"，M. K?ster“監(jiān)測沉積物-水界面的氧動力學"）

• 通過在不同位置移動一個傳感器進行分析物分析（K. Koop-Jakobsen 和 M. Gutbrod “鹽沼潮汐池中的 O 2、pH 和 CO2 動力學"）

• 或使用 2D 讀數(shù)（K. Vopel 等人“Benthic Disturbance Recovery"）

多點測量需要手動重新定位讀數(shù)單元、多個讀數(shù)單元或多通道設(shè)備，以覆蓋和記錄同一實驗中的多個測量點。對于用戶而言，這通常是時間問題、樣品周圍的可用空間以及讀出系統(tǒng)的復(fù)雜性。微分析在單獨的基礎(chǔ)部分中討論（請參閱微分析）。在這里，我們想指出 2D 讀數(shù)與發(fā)光化學光學傳感器的有益用途。

光學傳感器的 2D 讀數(shù)或所謂的分析物映射或成像使用 2D 陣列檢測器分別在同一實驗讀數(shù)內(nèi)同時記錄大量信號或測量點（OS Wolfbeis，BioEssays 2015, 37, 8)。使用特殊的發(fā)光相機探測器代替單通道光電探測器來執(zhí)行平面光極傳感器的 2D 信號讀取。這樣的光學傳感器二維讀取系統(tǒng)由三個主要部分組成：

相機檢測器單元用于兩個主要目的，激發(fā)光信號的生成和以 2D 方式收集發(fā)光發(fā)射信號。第二部分是至少一個發(fā)光傳感器元件，它以可逆方式與樣品相互作用并在激發(fā)時產(chǎn)生依賴于分析物的發(fā)光變化。第三個元素是將記錄的原始光信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為分析物相關(guān)數(shù)據(jù)陣列或圖像的軟件。

成像能夠同時檢測數(shù)千個測量點，并在感興趣區(qū)域上生成 2D 分析物圖。此外，自動時間序列記錄允許分析各個分析物的時空變化。數(shù)據(jù)生成分析物分布的可視化表示（圖像、地圖或視頻幻燈片），可用于快速識別代謝或反應(yīng)活動的空間和時間差異或熱點。這可以快速輕松地概述示例中發(fā)生的情況。除此之外，每個測量元素（每個像素）都包含關(guān)于該特定位置的分析物的信息，作為第二級信息。自由選擇的感興趣區(qū)域 (ROI) 允許分析和比較區(qū)域。也可以在一張圖像中分析多個梯度，

除了這種“圖片填充"的 2D 成像方法（其中整個視場包含傳感器信息）之外，成像還提供了更高級的可能性：多個傳感器可以組合在一個視場中，以便在一個實驗中的不同位置甚至多個樣本可以同時錄制。此外，用于一種分析物的幾種傳感器類型，例如具有不同范圍的傳感器，可以組合在一個樣品中以擴展測量范圍。此外，用于不同分析物的傳感器可以組合在一個視野中，并在同一實驗中使用同一設(shè)備讀取，甚至可以同時記錄整個傳感器陣列（Y. Reinders 等人“pH 和輻照成纖維細胞上的pO 2 " )。

熒光比率成像 (FRIM) 是一種讀取熒光化學光學傳感器信號的方法。比率測量補償了大多數(shù)常見的干擾，例如不均勻的光場。光學傳感器箔包含固定在可滲透聚合物基質(zhì)層中的分析物敏感染料和參考染料。指示染料發(fā)出紅色或綠色熒光，具體取決于分析物和相應(yīng)的傳感器箔片類型，其被分析物動態(tài)淬滅，而參考染料分別發(fā)出恒定的綠色或紅色光信號。這些發(fā)射*符合彩色 RGB 芯片的紅色和綠色通道靈敏度。

VisiSens™ 成像系統(tǒng)的測量原理 - FRIM

熒光比例成像 (FRIM) 是一種參考讀出熒光化學光學傳感器信號的方法（Tschiersch 等人“用于實驗生物學中的非侵入性成像的平面氧傳感器"Microsensors. IntechOpen, 2011）。比率測量可以補償大多數(shù)常見的干擾，例如不均勻的光場或幾何變化。光學傳感器箔包含分析物敏感染料和參考染料，它們固定在可滲透分析物的聚合物基質(zhì)層中。指示染料發(fā)出紅色（或綠色，取決于分析物和相應(yīng)的傳感器箔類型）熒光信號，這些熒光信號隨著分析物濃度的變化而動態(tài)變化。參考染料提供穩(wěn)定和恒定的光信號。這些來自指示器和參考的發(fā)射*符合數(shù)碼相機中彩色 RGB 芯片的紅色和綠色通道靈敏度。RGB 芯片分別記錄這些信號并將各自的信息存儲在獨立的彩色像素中，從而產(chǎn)生“彩色"圖像。記錄的紅色和綠色通道信息可以按比例參考，從而產(chǎn)生參考的 2D 傳感器響應(yīng)。

非接觸式直接感應(yīng)或通過透明墻讀取

平面?zhèn)鞲衅鞑梢灾苯討?yīng)用在感興趣的表面上，并且可以記錄 2D 分析物圖像。由于光信號也可以通過透明的血管壁，因此傳感器箔可以貼在透明甚至稍微不透明的容器的內(nèi)壁上，并且可以通過血管壁以非侵入方式讀出信號